華南退化生態系統三種典型生態恢復模式的小氣候效應研究

段文軍，王金葉，李海防

桂林理工大學旅游學院；桂林理工大學生態規劃與工程研究所，廣西 桂林 541004

森林小氣候是在森林植被影響下形成的特殊小氣候，是森林中水、氣、熱等各種氣象要素綜合作用的結果（曾慶波等，1997；李意德，2009）。森林小氣候能影響森林的水分與能量平衡、土壤營養元素的積累與釋放、種子的萌發與幼苗成活、森林生物的棲息與繁殖，從而影響森林的生產力、生物多樣性和生態平衡，森林小氣候研究也一直是森林生態學研究的重要內容（Roger，1985；Christopher et al, 1999；任海等，2008；王俊，2009）。

生態退化在中國較為突出，據《求是》雜志報道，我國是世界上水土流失最嚴重的國家之一，全國水土流失面積仍達 295萬 km2，占國土面積的30.7%，急需進行生態恢復理論及實踐研究。目前退化荒坡地主要采用2種生態恢復措施，一種就是封山育林，也就是排除人類干擾，讓植物自然演替來恢復原來的植被；另一種就是種植人工林來提高植被覆蓋度，增加植物多樣性。2種生態恢復措施優缺點不同，前者能最大限度地恢復生態系統的原始狀態，但恢復速度很慢，需要數百年的時間。后者雖能大大加快荒坡植被建立的速度，但建立的生態系統往往結構簡單、生態服務功能低下（任海等，2008）。

生態恢復過程中，森林小氣候能影響鄉土樹種的定居和繁殖，進而影響生物的演替進程和群落結構，是評價不同恢復模式的生態效益和衡量生態恢復進程的重要指標（林永標等，2003；王平平等，2010）。本文選擇自然恢復草坡、針葉林人工林、闊葉人工林3種華南地區典型生態恢復模式進行研究，評價不同恢復模式下森林小氣候調節效益，從而評價不同生態恢復模式的生態功能和生態效益。

表1 研究樣地基本概況Table 1 Introduction of the sample plots

1 試驗區概況

廣東鶴山森林生態系統國家野外科學觀測研究站（文中簡稱鶴山站）位于廣東省中部的鶴山市，東經 112°54'，北緯 22°41'，是中國生態系統研究網絡（Chinese Ecosystem Research Network，簡稱CERN）的重點臺站之一。鶴山站由華南植物所和鶴山市于1984年共同建立，占地面積2000余畝。試驗區在退化的光坡地上按集水區的形式，劃分為自然恢復草坡（對照，目前已發展到灌木占主要優勢，也有少量喬木的階段）、針葉人工林、針闊混交人工林、豆科混交人工林、鄉土人工林（荷木為主）、桉樹人工林、馬占相思人工林、林果苗復合生態系統試驗區（表1）。

試驗區屬南亞熱帶丘陵地區，頂極森林群落是亞熱帶季風常綠闊葉林。試驗區為亞熱帶季風氣候區，溫暖多雨，年平均氣溫 21.7 ℃，其中最高月平均溫度29.2 ℃，最低月平均溫度12.6 ℃，年輻射量為110 kcal·cm-2，全年降雨量1801 mm，但分布不均。集中分布于5─9月份的雨季，達1400 mm，有明顯的干、濕季之分。試驗區地帶性土壤為赤紅壤，土壤有機質質量分數為0.56%～1.64%。

2 材料與方法

2.1 試驗樣地

本試驗選擇廣東鶴山森林生態系統國家野外科學觀測研究站的自然恢復草坡、針葉人工林、闊葉人工林3種典型生態恢復模式作為研究對象，分析自然恢復和人工林恢復、針葉人工林和闊葉人工林恢復模式的森林小氣候調節效益。其中馬占相思為外來固氮樹種，馬尾松、杉木為鄉土樹種，梅葉冬青、桃金娘、三叉苦、梅葉冬青為林下灌木，小花露珠草、烏毛蕨、芒萁為林下草本植物。

2.2 小氣候觀測

人工林及草坡小氣候測定是使用美國進口的HOBO小氣候儀自動觀測，設定每30 min數據采集器記錄一次數據。記錄項目包括太陽輻射、風速風向、氣溫、降水、土壤溫度、土壤含水量等。其中，測定太陽輻射、降水、風速風向的傳感器安裝在2 m左右，低于自然恢復草坡主要冠層（約2.5 m）。土壤溫度傳感器安裝在地表、10 cm、20 cm土壤層次。觀測數據運用Excel2010和spss17.0進行整理和分析。

3 結果與分析

3.1 林間氣溫比較

森林內的溫度能影響林內水分的平衡、林下動物及微生物的種類及組成、森林土壤營養元素的循環，以及植物的物候及幼苗的生長，森林對氣溫的調節能力也是衡量森林生態系統服務功能的一項重要指標。

從圖1可以看出，在氣溫比較低的月份（1月、2月、3月、11月、12月），草坡與人工林的月平均氣溫相差不是很大，一般在1 ℃以內，草坡的平均林間氣溫略高于人工林。這主要是因為自然恢復草坡冠層層次簡單、郁閉度較低，接收的太陽輻射更多。在降溫比較明顯的季節（如11月），草坡的溫度甚至低于人工林，這說明草坡的保溫、恒濕能力較差。而在6到10月份，人工林的溫度明顯低于草坡，降溫效果明顯。

在秋冬季節，草坡和人工林的最低溫度基本持平，差異很少，一般少于1 ℃。而在春夏季節，草坡的最低溫度明顯低于人工林，而且差異非常明顯，大多數月份都在1 ℃以上。這說明草坡的保溫能力較弱（圖2）。

在全年所有月份中，草坡的月最高溫度都明顯高于人工林，而且這種溫差基本都在2 ℃左右。全年的最高溫差出現在9月，這時草坡的溫度比針葉林的溫度高出將近 5 ℃（圖 3）。這說明草坡調節溫度的能力相對偏弱。

此外全年所有月份中，草坡的溫度的日較差和變異系數都顯著大于人工林（表2），說明草坡的溫度變化較2種人工林劇烈，其調節氣溫的能力較人工林恢復模式弱。

對比2種人工林，還可以看出，不管是平均溫度，還是最高溫度馬占相思林都略大于針葉林，而二者最低溫度相差不是非常明顯。此外，針葉林的氣溫日較差和變異系統也顯著小于馬占相思林。這是因為馬占相思是外來速生樹種，存在早衰現象，立枯木較多，且部分冠層不完整，透光率較高，影響了溫度調節功能。

3.2 土壤溫度比較

表2比較了草坡及2種人工林恢復模式在二個不同土壤層次上的土壤溫度的月變化。從這個表中我們可以看出，地表溫度全年基本都表現為草坡>馬占相思林>針葉林（全年僅有12月份這種排列剛好相反）。同時，從表2中還可以看出，4月和7月三者的土壤地表溫度差值較大，而在1月和12月，這種差值較少。此外，從日均差來看，同林間氣溫一樣，草坡的地表溫度的波動遠大于2種人工林。

20 cm土層的土壤溫度觀測發現，相比地表溫度，3種恢復模式的差異較少，春秋冬季都在1 ℃以內，而夏季差異在2 ℃左右。全年20 cm土壤溫度 2─12月都表現為草坡>馬占相思林>針葉林，1─2月，這種排列剛好相反。同時，從日均差和變異系數來看，草坡20 cm土層的土壤溫度波動相對較大，人工林的波動很小。

3.3 林下輻射比較

人工林的林下太陽輻射能影響林下動植物的種類及其分布，決定森林生態系統的能量收支，從而影響凋落物的分解、土壤結構、土壤水分及森林生態系統的一系列生理生態過程。

圖4記錄了自然恢復草坡及2種人工林林下太陽輻射的月變化。太陽輻射主要受云層及太陽輻射角度的影響。從圖4可知，草坡的林下輻射量最大，且波動最大；針葉林林下輻射量最小，且波動最小。在1─8月份，雖然太陽直射點發生了很大的變化，但三者的太陽輻射的增加速度較慢，而且在6月和8月還有下降的趨勢。這主要是因為4─8月為華南地區的雨季，陰雨天氣較多，云層的遮蔽影響了太陽輻射。在9月份以后陰雨天減少，受云層的影響較少，因而太陽輻射的變化主要受太陽直射角度的影響。2種人工林的林下輻射量在11─12月份有一個上升的趨勢，與太陽直射角度的變化趨勢相反，這主要受人工林落葉的影響。

3種恢復模式中，自然恢復草坡的林下輻射強度明顯高于2種人工林，年林下輻射總量分別馬占相思林和針葉林的1.9和5.8倍，馬占相思林的年輻射量為針葉林的3倍。此外，草坡和馬占相思林的林下輻射強度的月變幅分別為 119.08、57.92 W·m-2顯著大于針葉林的19.29 W·m-2。同時，由表2可知，草坡的林下輻射的日較差和變異系數顯著大于 2種人工林，這說明人工林，特別是鄉土的針葉林能給林下生物構建更為穩定、適中的輻射環境。

3.4 林間風速比較

森林中的風速是森林中氣體擾動的體現。風進入森林后，由于摩擦和阻擋作用，風速會很快減小。觀測表明，人工林中的平均風速顯著少于草坡。馬占相思林和針葉林全年的平均陣風風速分別為草坡的64%和51%。針葉林的年平均陣風風速為馬占相思林的79%（表2）。同時，從圖5可知，相對于平均陣風風速，最大陣風風速的差距更為明顯，針葉林降低風速的效果明顯好于相思林和草坡。

表2 3種典型恢復模式的小氣候效應Table 2 Microclimate of three restoration models

3.5 林間相對濕度和氣壓比較

從表2可知，人工林的林間相對濕度均高于草坡，尤其是在太陽輻射較大的7月和降水偏少的10月，且這2個月草坡濕度的波動也是最大的。從人工林來看，針葉林的林間空氣濕度略大于相思林，說明針葉林的保濕效果更好。

4 結論與討論

4.1 討論

調節小氣候是森林生態系統的基本功能之一，森林小氣候研究也是開展森林生態系統結構和功能研究的基礎（林永標等，2003）。生態恢復既包括對生態系統結構的恢復，也包括對其功能的恢復，而且這二者在生態恢復過程中可能不同步（任海等，2008）。調節小氣候是森林生態系統的基本功能之一，從這一點來看，人工林能截留并涵養更多水分，減少氣溫和土溫的變幅，降低氣溫和土溫的峰值，降低風速，提供適當的遮蔭，因而比草坡有更好的調節小氣候的能力，也說明這部分生態功能恢復效果更好。二種人工林調節小氣候的能力沒有太大的差別，針葉林略優于馬占相思林。

要盡量恢復天然的地帶性植被，人工林必須進行林分改造，促進其由人工林向天然林的轉化。草坡也要加快其演替速度，促使其由目前灌木為優勢群落的階段向以鄉土樹種為優勢群落的階段演替（任海等，2008）。無論是草坡還是人工林，要進一步恢復其結構和功能都要克服后續物種的定居問題，特別是鄉土樹種種子的萌發及幼苗建立（王俊，2009）。鄉土樹種種子的萌發一般需要較高的空氣濕度、土壤水分含量和適宜溫度。人工林氣溫及土溫變幅小，土壤水分含量高，因而更適宜種子萌發。過強的光照及水分虧缺是造成樹苗大量死亡的主要原因。由于草坡地表缺乏凋落物覆蓋、土壤結構較差、透光率高，容易使其林下幼苗和種子面臨更為惡劣的環境。此外，草坡在遇到強度較大的降雨時會產生較大的地表徑流，這也很容易把種子和幼苗沖走。作為外來固氮樹種，馬占相思林有較多林隙，這些林隙的透光率也很高，但由于其林下凋落物多，能夠起到很好的保溫保濕作用。同時，這個凋落物層也能對種子和幼苗起到護理作用，使其免受一些動物的破壞（任海等，2008；王俊，2009；徐麗萍等，2008；徐麗萍等，2010；張學伍等，2012），從而對華南退化生態系統的恢復具有積極意義。

在本研究中，觀測表明針葉林的小氣候調節能力略好于相思林，這與前人研究中的闊葉林的小氣候調節能力強于針葉林略有不同（林永標等，2003；王平平等，2010；毛丹等，2009；陳亞峰，2011；閆文德和田大倫，2006）。主要原因在于相思林為引入的外來速生人工林品種，其生長迅速、抗逆性強，對退化生態系統的早期恢復能力較強。但相思林存在嚴重的早衰現象，據我們調查，實驗樣地存在10%的立枯木。同時，由于試驗區受臺風影響較多，相思林的冠層折損嚴重，影響了小氣候調節功能。

4.2 結論

華南退化生態系統3種典型生態恢復模式具有不同的小氣候效應，在林間溫度調節方面，人工林和草坡的平均林間溫度相差不大，但草坡的最低、最高溫度均比人工林低和高。人工林的林間溫度變化較草坡小，具有更好的保溫調節作用。對比2種人工林，不管是平均溫度，還是最高溫度馬占相思林都略大于針葉林，而二者最低溫度相差不明顯。針葉林的保溫調節作用略優于闊葉的馬占相思林。在土壤溫度方面，地表溫度全年基本都表現為草坡>馬占相思林>針葉林，草坡的地表溫度的波動遠大于2種人工林；全年20 cm土壤溫度3─12月都表現為草坡>馬占相思林>針葉林，1─2月相反，草坡20 cm土層的土壤溫度波動相對較大，人工林的波動很小。

3種恢復模式中，自然恢復草坡的輻射強度明顯高于2種人工林，年輻射總量分別馬占相思林和針葉林的1.9和5.8倍，馬占相思林的年輻射量為針葉林的3倍。此外，草坡和馬占相思林輻射強度的月變幅分別為119.08、57.92 W·m-2，顯著大于針葉林的19.29 W·m-2。人工林，特別是鄉土的針葉林能給林下生物構建更為穩定、適中的輻射環境。人工林的平均林間風速、最大陣風風速均少于草坡，針葉林的風速小于闊葉林，針葉林降低風速的效果好于相思林和草坡。人工林的林間相對濕度均高于草坡，針葉林的林間空氣濕度略大于相思林，針葉林的保濕效果更好。

Christopher J S, Prudence N F, and Stephen H.1999.Simulating the effects of climate change on tropical montane cloud forests [J].Nature,398:608-610.

Roger L.1985.Plant Communities Resist Climatic Chang [J].Science, 12:165-166.

曾慶波, 李意德, 陳步峰, 等.1997.熱帶森林生態系統研究與管理[M].北京: 中國林業出版社, 101-106.

陳亞峰.2011.幾種常見森林類型小氣候特征研究[D].浙江農林大學碩士論文.

李意德.2009.海南尖峰嶺熱帶山地雨林小氣候特征研究[D].中國林業科學研究院碩士論文.

林永標, 申衛軍, 彭少麟, 等.2003.南亞熱帶鶴山三種人工林小氣候效應對比[J].生態學報, 23(8):1657-1666.

毛丹, 唐玉貴, 黎建雄, 等.2009.桂東丘陵地區人工林小氣候效應對比[J].廣西林業科學, 38(3): 158-162.

任海、劉慶、李凌浩.2008.恢復生態學導論(第二版)[M].北京: 科學出版社.

王俊.2009.南亞熱帶典型人工林林下鄉土樹種的定居限制[D].中國科學院研究生院博士論文.

王平平, 楊改河, 梁愛華, 等.2010.安塞縣幾種典型退耕模式小氣候效應研究[J].西北農業學報, 19(10): 107-111, 115.

徐麗萍, 楊改河, 馮永忠, 等.2010.黃土高原人工植被對局地小氣候影響的效應研究[J].水土保持研究, 17(4): 170-179.

徐麗萍, 楊改河, 姜艷, 等.2008.黃土高原人工植被夏季小氣候日動態初步研究[J].西北農林科技大學學報(自然科學版), 36(10):95-102.

閆文德, 田大倫.2006.樟樹人工林小氣候特征研究[J].西北林學院學報, 21(2): 30-34.

張學伍, 陳云明, 王鐵梅.2012.黃土丘陵區中齡至成熟油松人工林的水文效應動態[J].西北農林科技大學學報:自然科學版, 40(1):93-100.