長白山云冷杉林不同大小林隙8月晝間氣溫和土壤溫度比較1)

黃傳響 亢新剛 趙浩彥

(省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室(北京林業大學)，北京，100083)

崔秋華 高 延 馮啟詳

(中國林業科學研究院資源昆蟲研究所) (吉林省汪清林業局)

陸地上80%的生態系統都已受到了來自人類和自然的各種干擾，森林生態系統也不例外［1］。人類社會發展的歷史可以認為是人類對森林干擾的歷史［2］。林隙是一種經常發生的小規模干擾［3-5］。從某種意義上說，森林演替便是冠層喬木死亡，形成林隙，林隙內幼苗幼樹競爭、發展的種群行為的積累過程。林隙既是森林苗木更新的主要場所，也是森林維持物種多樣性的重要生境［3，5］。林隙中的環境因子變化是影響森林發展的重要因素［3］。林隙的產生增強了干擾生境的異質性［4］，并創造了一定數量的潛在生態位［3，6-8］。林隙形成以后，上層林冠疏開，光照增加，溫度升高，太陽輻射在林隙內重新分配，形成獨特的小氣候分布規律［9-10］。林隙內的小氣候隨著林隙形狀、面積、緯度及位置的變化而表現出不同的特點［6-8］。其中，小林隙的方位角極大地影響著林隙內的光照水平，S—N向的光照水平大于E—W方向，中午太陽光可直射S—N向林隙北緣林冠上但達不到地面［11］。溫度是植物生長的必需條件，制約著樹木的生長發育、生長周期及生理活動等［12-13］。林隙改變了溫濕度的狀況［3］。林隙內的溫度一般比林下高，而且變動幅度也大［14］。許多研究發現，林隙內溫、濕度的時間變化曲線均呈單峰型。氣溫最高值和氣溫日較差一般不出現在林隙的中央而是在林隙的某一林緣處［8］。林隙內熱力學特征的改變將影響土壤理化性質、有機物的分解和土壤微生物活性等，最終影響林隙及其周邊生態過程的變化［6-10，15-18］。目前，我國對林隙環境因子的研究主要集中在熱帶雨林和次生林［6，11］方面，對云冷杉林的研究還未見報道。鑒于云冷杉林分在我國森林資源和生態環境建設中的重要地位和作用，本文以長白山云冷杉林林隙為研究對象，探尋云冷杉林林隙內環境因子的時空變化特征，為以后的森林更新經營管理和相關科學研究提供參考。

1 試驗地自然概況

研究地區位于吉林省汪清縣金溝嶺林場，研究區屬長白山系老爺嶺山脈雪嶺支脈，經營面積為16 286 hm2。林場地貌為低山丘陵，海拔300～1 200 m，坡度5°～25°，個別陡坡在35°以上。該區屬季風型氣候，全年平均氣溫3.9℃，≥10℃的積溫為2 144℃。1月份氣溫最低，平均為-32℃;7月份氣溫最高，平均為22℃。年降水量600～700 mm，且多集中在7月份。早霜從9月中旬開始，晚霜延至翌年5月末，生長期為120 d;積雪平均厚度達35 cm。本區屬低山灰化土灰棕壤區，母巖為玄武巖。在海拔800～1 000 m處為針葉林灰棕壤土，河谷是草甸土、泥炭土、沼澤土或沖積土。土壤結構一般為黏壤土類，粒狀結構，濕松，根系多，平均厚度為40 cm。主要喬木樹種有長白魚鱗杉(Picea jezoensis var.komarovii)、紅皮云杉(Picea koraiensis)、臭冷杉(Abies nephrolepic)、紅松(Pinus koraiensis Sieb.et Zucc.)、椴樹(Tilia tuan Szyszyl.)、色木槭(Acer mono Maxim.)、白樺(Betula platyphylla Suk.)、楓樺(Ribbed Birch)、山楊(Populus davidiana Dode.)、蒙古櫟(Quercus mongolica Fisch.ex Ledeb.)等;主要下木有忍冬(Lonicera ruprechtiana)、暴馬丁香(Syringa reticulate)、衛矛(Euonymus alatus)、榛子(Corylus heterophylla)等;主要地被物為莎草(Cyperus rotundus)、禾本科草類及少數灌木，如珍珠梅(Sorbaria sorbifolia)、柳葉繡線菊(Speraea salicifolia)等。

2 研究方法

研究區位于吉林省汪清縣金溝嶺林場檢查法樣地I大區4小區。2010年7—8月，在4小區內按海拔由低到高布設5條樣線進行林隙調查，每條樣線向左右各拓寬10 m，形成1條寬20 m的樣帶。樣帶總長度為1 000 m，均勻分布在小區中，樣帶總面積2 hm2，占調查區域的10.0%，符合抽樣調查強度要求。共計調查39個林隙。通過GIS軟件計算林隙的擴展林隙面積，大小為 20.32～560.25 m2，按照林界范圍指數(1.5、1.0、0.5)選取不同林隙大小的3個林隙(分別記作林隙1、林隙 2、林隙 3)作為研究對象，面積分別為 456.2、290.2、83.9 m2;林隙年齡分別為22、15、12 a，林隙均為采伐形成。林隙1和林隙2為南北軸長、東西軸短，林隙3南北和東西軸長度接近。林隙均位于山體下坡位，坡向為東南，坡度為5°～10°，海拔700 m左右。林隙內主要樹種為槭類、紅松、冷杉和其它小灌木等。3個林隙的冠層平均高度分別為131、83、65 cm。

2010年8月，在林隙內沿南北和東西軸向布設兩條觀測樣線，每條樣線上布設7個觀測點。考慮到邊緣效應，觀測點為不等距分布，分別設置在林隙中央、實際林緣處、擴展林緣處和實際林緣與林隙中央的中心處。每條樣線延伸至林內15 m作為林內觀測點。林隙1和林隙2布設13個觀測點，林隙3布設11個觀測點。觀測點的具體分布見圖1。在觀測點上進行距離地面1.5 m處氣溫和地下5～10 cm土壤溫度測定。每日7：00—17：00進行觀測。空氣溫度采用Kestrel4500袖珍氣象追蹤儀(美國產)進行觀測，土壤溫度采用6300針式溫度計(美國產)觀測。每小時記錄1次觀測結果。

圖1 林隙內觀測點設置示意圖

數據采用SPSS(version13.0)軟件進行統計分析。

3 結果與分析

3.1 空氣溫度特征

3.1.1 林隙與林內平均氣溫特征比較

林隙的形成改變了干擾生境的溫度狀況，林隙溫度一般高于林內，而且變動幅度大。通過對云冷杉林隙內和林下平均溫度的比較發現(表1)，對于氣溫差異，在一天當中中午時間段最為明顯，上午(7：00—11：00)較小，下午(15：00—17：00)次之;就平均氣溫而言，林隙與林內的平均氣溫差為0.91℃，最高時可達1.9℃。

表1 林隙與林內平均氣溫溫差 ℃

3.1.2 林隙中心氣溫晝間變化

從表2可以看出，林隙中心處的氣溫晝間變化均呈單峰型。3個林隙中心處氣溫的變化幅度存在差異，表現為林隙1＞林隙2＞林隙3，說明氣溫與林隙面積存在一定的相關性，面積越大，氣溫相對較高。中心處氣溫差異的另外一個特征，主要表現在氣溫的最高值出現的時間段不同，林隙1和林隙2 在13：00—15：00 時間段達到最高值，分別為28.9℃和26.8℃，林隙3在11：00—13：00時間段達到最高值，為24.1℃。林隙2中心氣溫在13：00—17：00時間段下降較快，這是由于林隙2西緣附近邊緣木相對較高，阻擋了太陽的一部分輻射，也有可能與該林隙內冠層高度較高有關。朱教君等［11］人對東北地區次生林氣溫和土壤溫度進行的研究發現，中心氣溫和土壤溫度日變化均呈不對稱性的單峰型變化，王今殊等［19-20］對南方熱帶雨林的研究也得出了類似的結論。本研究雖然只考慮了氣溫的晝間變化，但與前人的結論基本相符，說明東北地區云冷杉林與南方的熱帶雨林、次生林存在著一定的熱力學共性。

表2 林隙中心氣溫晝間變化 ℃

3.1.3 林隙內各觀測點氣溫的晝間變化

由表3可以看出，林隙內不同觀測點的氣溫晝間變化趨勢類似，總體上呈現出單峰型分布。各個林隙氣溫變化差異表現為林隙1＞林隙2＞林隙3，林隙面積越大，林隙內不同觀測點氣溫差異越劇烈。林隙3各觀測點氣溫變化趨勢較為緩和，原因可能是其林隙面積小，加之林隙內更新幼苗種類和雜灌木多，因而空間差異性小。一天當中，林隙內的最高溫度因時間和林隙位置不同而具有差異性，林隙1氣溫的最高值出現在13：00—15：00，出現區域在林隙中心偏東北處;林隙2氣溫的最高值出現在13：00—15：00時間段，出現區域也在東北林緣處;林隙3氣溫的最高值出現在11：00—13：00之間，出現區域在林隙中央位置。林隙氣溫最高值出現的時間和地點與林隙形狀、面積、邊緣木高度等因素存在著密切的關系。林隙1和林隙2南緣處的邊緣木較高，在下午14：00以后，中心偏東北處的太陽光較多。林隙3四周邊緣木高度較為均勻且較低，中午時分，林隙中心位置的光照較多。氣溫出現的時間和地點如表3所示。氣溫最高值并沒有出現明顯的位移現象，這與張一平等人［6］的研究不一致，原因是由于東北地區夏季光照強度明顯低于南方熱帶雨林區，溫度在局部范圍內變化較小，最高值不容易區別所致。

氣溫在林隙內各觀測點也表現了不同的特征，在S—N向和E—W向呈現不對稱分布，但S—N向變化幅度大于E—W向。中午，林隙1和林隙2在東向實際林緣處(EB)氣溫升高較快，出現了大于中心的氣溫值，林隙3在西向林緣處氣溫稍低于中心溫度;下午，林隙的氣溫從整體上看都大于早晨時間段，原因可能是由于一天當中的光照積累且氣溫下降速率較慢所致。

表3 3個林隙不同觀測點氣溫晝間變化℃

3.2 土壤溫度特征

3.2.1 林隙中心土壤溫度晝間變化

由表4可以看出，林隙中心地溫的晝間變化均呈單峰型。林隙1和林隙2在13：00—15：00達到最大值，分別為25.4℃和24.1℃，林隙3在11：00—13：00 達到最高值，為 17.8 ℃，相對于其它林隙的溫度差別很大。林隙1和林隙2中心點地溫隨時間變化的幅度明顯大于林隙3。通過對3個林隙中心點平均地溫的比較發現，林隙1和林隙2之間差異極顯著(p＜0.01)，而與林隙3 之間差異不顯著(p＜0.05)。

表4 林隙中心土壤晝間變化 ℃

3.2.2 林隙南北和東西軸方向上土壤溫度特征

由表5可以看出，在林隙兩軸上，土壤平均地溫的晝間變化也呈現單峰型的變化趨勢。林隙1和林隙2中心地溫較高，林隙3中心地溫較低，但S—N向的變化幅度大于E—W向。S—N向地溫變化幅度較大(表7)，E—W向地溫變化較小(表5)。以往研究認為，林隙中環境因子的變化南北向大于東西向，主要原因是南北向的光照輻射大于東西向。本研究的結論與以往研究基本相符［8，15，21］。總體來看，林隙 1 和林隙2的平均地溫較高，林隙3的平均地溫較低。沿南北方向，林隙1和林隙2地溫的變化呈明顯的單峰型趨勢，其中，林隙1中心地溫最高(CC，22.3℃)，林隙3地溫的最高值出現在中心偏北(NC，18.1℃)。沿東西向，林隙1地溫的最高值出現在中心偏西(WC)，林隙2地溫最高值出現在中心偏東(EC)，林隙3的峰值出現在東向實際林緣處(EB)。

3.3 林隙內晝間氣溫和土壤溫度關系

林隙內各觀測點晝間的平均氣溫、平均地溫以及氣—地溫差見表6。林隙1晝間氣—地溫差的最大值出現在中心偏東位置(EB，5.7℃;EC，6.09℃)，林隙2晝間氣—地溫差的最大值出現在東向實際林緣處(EB，4.41℃)，林隙3則出現在中心處(CC，5.12℃)。通過對不同林隙白天平均氣溫和地溫的相關性分析表明：林隙1氣溫和地溫的相關性極顯著(r=0.850，p＜0.01)，林隙 2 氣溫和地溫也存在著極顯著關系(r=0.703，p＜0.01)，林隙3的氣溫和地溫的相關性不顯著(r=0.328，p ＞0.05)。

表5 林隙南北方向和東西方向上平均地溫晝間變化 ℃

4 結論與討論

長白山云冷杉林隙中心氣溫的晝間變化均呈單峰型。溫度與林隙面積之間存在著極大的相關性，面積越小的林隙，保溫效果越好，有利于林隙內幼苗的更新。林隙內不同位置上的溫度具有差異性，在南北軸上變化幅度大于東西向。林隙內溫度最高值出現的時間和位置不同：林隙1和林隙2的溫度在13：00—15：00達到最大值，位置在中心偏東北附近，林隙3的溫度在11：00—13：00達到最大值，位置出現在林隙中心。

長白山云冷杉林隙中心土壤溫度晝間變化也呈單峰型。S—N軸上林隙土壤溫度的變化幅度大于E—W軸，S—N軸上林隙1和林隙2土壤溫度變化較大，林隙3趨于平緩。林隙1和林隙2溫度最大值出現在林隙中心，林隙3則出現在中心偏東北位置。林隙晝間平均氣—地溫差表現為林隙1和林隙2較大，林隙3較小。

表6 林隙內各觀測點晝間平均氣溫、土壤溫度及溫差 ℃

林隙與林內溫度差異明顯(p＜0.05)。由于多種條件的限制，本研究只選取了3個代表林隙來研究長白山云冷杉林隙的特征，考慮到其它條件的一致性，并沒有嚴格按照文獻［21-22］的林界范圍指數選取，測量時間上只觀測了白天的溫度數據。在以后的研究中，應選取一定數量的林隙代表，并分不同季節、不同月份進行研究和連續觀測。

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