石灰巖山地兩種模式人工林小氣候比較

蔣丹丹，萬福緒，黃文慶

（南京林業大學 森林資源與環境學院，南京210037）

隨著氣候的改變，生態環境的惡化，荒山綠化成為生態修復的重要手段。營造良好的人工林體系可涵養水源、保持水土、有效抗御自然災害，顯著改善環境條件，充分發揮其生態效益。地形條件、森林植被結構、營林措施等因素在森林與外部的水熱傳輸以及林內水熱分布格局中起著重要作用，森林通過形成與外部截然不同的小氣候，影響植被生長、種子繁殖及土壤微生物生境，還通過影響林內光合作用、營養循環和水分傳輸與分配控制生態系統的主要過程［1－3］。因此，森林小氣候研究是探討森林生態過程的重要內容。森林植被配置模式的差異是影響林內小氣候最為常見和最重要的因素之一，據國內外的大量研究表明，選用種間關系融洽的樹種營造混交林，能較大幅度地提高林分的生長量，增強人工林的抗性，改善小氣候效應，提高較差立地上人工林生產力。

目前有關森林小氣候效應研究主要集中于立地條件良好的天然林［4－5］、水土保持林、沿海防護林以及生態經濟林等人工林［6－9］，而對立地條件差的石灰巖山地人工林小氣候效應研究較少。側柏適應能力強，對土壤的要求不嚴，能夠固土護坡，綠化效果好，在徐州石灰巖山地的植被恢復中起著重要作用。早期有關側柏混交林和純林小氣候效應的研究僅局限于對二者日變化［10］的概述，未研究月變化和年變化情況。本文通過對徐州石灰巖山地側柏女貞混交林和側柏純林不同季節空氣溫濕度、土壤溫度和水分特征進行分析和比較，揭示不同種植模式下林分對環境的影響，正確認識森林的調節功能和生態效益，為困難地森林生態系統研究提供基礎數據積累，同時也對人工林恢復植被選擇和樹種配置模式供了一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究地點位于江蘇省徐州市銅山縣呂梁林場的小黑 山，117°28′34″—117°28′41″E，34°10′42″—34°10′51″N。銅山縣屬暖溫帶濕潤和半濕潤的季風氣候，光照充足，降水量較為充沛，四季分明。年均氣溫13.9℃，年日照時數為2 284～2 495h，日年均降水量800～930mm，雨季降水量占全年的56%。本研究所選擇的兩種模式人工林樣地均分布在銅山區內的丘陵山地，研究區裸巖率較高，部分土層含石率高達80%。土壤類型為石灰巖發育而成的粗骨褐土和淋溶褐土，土壤大多無石灰反應，腐殖質少，保肥水能力差。研究地區喬木種植模式主要包括側柏純林、側柏欒樹混交林、側柏楓香林和側柏女貞林等，林木長勢較同林齡下土壤狀況良好的人工林差，且林下灌木和草本較少。

1.2 研究方法

分別在側柏女貞混交林（CN）、側柏純林（CB）內各選擇海拔、坡向、坡度和坡位相近的2塊面積為20m×20m的林地進行氣象觀測，同時在林外設置2塊荒空地（CK）作為對照樣地。于2013年3月對樣地植被結構進行調查，調查結果見表1。

本研究采用EM50數據采集器進行各環境因子的連續測定。每個樣地配置1個EM50數據采集器，每個數據采集器裝備1個EHT（空氣溫度／相對濕度傳感器）、2個5TE（土壤溫度／含水量傳感器）。測定的小氣候因子包括空氣溫度（℃）、空氣相對濕度（%）、土壤表層溫度（℃）、土壤地下5cm溫度（℃）以及土壤含水量（%）。由于石灰巖山地土層較薄，土壤含石量極高，未能使用5TE傳感器對更深層次土壤溫度和土壤含水量進行測定研究。設置數據采集器平均數據的記錄間隔為10min，數據采集時間為2013年春季（4月）、夏季（7月）、秋季（10月）和冬季（12月）。收集到的數據通過電腦安裝的ECH2O Utility軟件轉換和導出。

使用Excel 2003軟件進行原始數據的統計、計算以及圖表制作；采用SPSS 17.0軟件對不同樣地小氣候指標進行方差分析（ANOVA）和多重比較。

表1 樣地基本概況

2 結果與分析

2.1 林內外平均氣溫比較

2.1.1 氣溫日變化 比較不同時間氣溫變化可以反映出不同林分以及林內外溫度日變化差異及程度。圖1為7月3—5日氣溫日變化曲線，從圖中可以看出，3種樣地氣溫具有相似的日變化規律，隨著太陽輻射的增加，氣溫逐漸上升，12：00時氣溫達到最大值，之后隨著太陽輻射的降低，氣溫逐漸下降。上午8：00—12：00之前各樣地氣溫值差距較小，10：00以后氣溫差值逐漸增大，16：00以后CN和CB氣溫差值逐漸縮小，各時刻氣溫值均為CN＜CB＜CK。總的來說，混交林內的平均氣溫較純林低，且日均氣溫比純林低0.49℃，這是因為混交林冠層比純林厚，葉面積指數較大，遮擋的光照多，使得氣溫有所降低，但是二者溫度差值較小，這可能是石灰巖山地立地條件差、林分稀疏的緣故。

圖1 氣溫日變化

2.1.2 氣溫季節變化 從表2看出，四個季節氣溫月均值基本都是林內低于林外，混交林低于純林，兩種林分氣溫差值7月份最大，12月份最小，說明夏季混交林降溫效果比純林好。此外，12月份側柏女貞混交林的月均溫度略高于側柏純林，這說明冬天混交林能夠穩定氣溫，避免林內溫度降至較低水平，凍傷植被。另外，4月和7月混交林與純林以及混林與林外氣溫有一定的差異但不很顯著，而混交林與林外氣溫差異達到顯著水平；10月份和12月份3個樣地間氣溫沒有明顯的區別。這說明相對于空地來說，春季和夏季林內外氣溫有明顯差距。

表2 不同季節氣溫比較

2.2 林內外空氣相對濕度比較

2.2.1 空氣相對濕度日變化 如圖2所示，除了早上8：00空氣相對濕度純林略高于混交林，其他時刻基本為CN＞CB＞CK。空氣相對濕度從早上8：00逐漸升高，在10：00達到最大值，此時相對濕度值混交林為86.1%、純林為85.5%、空地為79.5%，隨后緩慢變化。混交林的最低相對濕度出現在中午12：00，純林最低相對濕度出現在14：00，而林外相對濕度最低點出現在16：00。此外，混交林的相對濕度日變化趨勢較為平緩，純林空氣濕度在10：00—14：00之間降幅較大，這說明在溫度較高的環境下，混交林能夠增加空氣濕度，使其穩定在較高的水平。兩種林分內空氣相對濕度都明顯高于林外空氣濕度，這是因為林地內樹木可以吸取土壤水分供林木蒸騰消耗，隨蒸騰作用的進行，林地空氣濕度提高，同時林冠可以阻擋林地與空地間空氣交換，林地水汽不易向外擴散，致使林地空氣濕度比空地高。

圖2 夏季空氣相對濕度日變化

2.2.2 空氣相對濕度季節變化 從表3中可以看出，兩種人工林內空氣相對濕度在不同季節呈現出相同的變化趨勢，即4月份相對濕度最小，7月份降水量豐富，空氣相對濕度最大。7月份和10月份側柏女貞混交林相對濕度比側柏純林分別大5.5%，5.9%，而4月和12月混交林內濕度略低于純林。通過單因素方差分析表明：4月份和10月份混交林與純林空氣相對濕度沒有顯著差異，而林內外空氣相對濕度差異較大；7月份混交林與純林相對濕度有差異但不顯著，而與林外空氣相對濕度差異達到顯著水平；12月份3個樣地間相對濕度沒有明顯區別。

表3 不同季節空氣相對濕度比較

2.3 林內外土溫比較

2.3.1 土溫日變化 圖3為7月份10：00，14：00和18：00土溫變化情況。從圖中可以看出，地表溫度日變化與氣溫日變化規律相似，從8：00左右溫度開始上升，14：00左右達到最大值，之后逐漸下降。地下5 cm溫度也隨著地表溫度的升高而升高、隨著地表溫度的下降而降低，但是不同模式下地表溫度和地下5 cm溫度變化程度不同。各樣地地表溫度均高于地下5cm溫度，不同樣地地表溫度和地下5cm溫度均為CN＜CB＜CK，且混交林10：00—14：00土溫升幅以及14：00—18：00土溫降幅比純林和空地小。CN，CB和CK地表溫度與地下5cm溫度差值10：00時為3.8℃、3.5℃、3.3℃，14：00時為2.9℃、3.5℃、4.1℃，18：00時為1.7℃、0.9℃和1.0℃，在溫度較高的午后混交林地表溫度與地下5cm溫度差值較其他樣地小，說明混交林土壤熱傳遞能力強，降低地表溫度，避免土溫過高影響土壤微生物作用和植物的生長。

圖3 不同時間土壤溫度比較

2.3.2 土溫季節變化 由圖4可以看出，3個樣地四季土溫變化規律大致相同，平均溫度均為夏季＞秋季＞春季＞冬季，且地表溫度均大于地下5cm溫度。各樣地地表和地下5cm土溫值夏季差值最大，冬季差值最小，7月份土溫大小順序依次為CN地下5cm＜CB地下5cm＜CN地表＜CB地表＜CK地下5cm＜CK地表，林內地表溫度比林外地下5cm的溫度還低，此外，4月份和10月份土溫順序CN地下5cm＜CB地下5cm＜CN地表＜CK地下5cm＜CB地表＜CK地表，12月份林內地下5cm土溫略高于林外。混交林和純林都能夠降低土壤溫度，但是混交林林內土溫降低的更多，混交林穩定土溫的能力較純林強。這是因為與純林相比，混交林氣溫較低，土溫也更低，土壤得到更好的改良，土壤熱量擴散和傳遞能力比純林更好，使土壤溫度不至于過高，也不至于過低。

圖4 土壤溫度季節變化

2.4 林內外土壤含水量比較

由圖5可見，不同季節土壤水分含量與空地相對濕度的變化規律相似，都是夏季最大，春季最小，這是因為空氣的相對濕度越大，水汽越多，進入土壤中的水分也越多，土壤濕度就會增加。4個季節土壤水分含量均為CN＞CB＞CK，相對于空地來說，造林可以增加土壤水分含量，有利于植物生長及對物質的吸收，而混交模式林分土壤含水量比純林更高。從季節上來看，各樣地土壤水分的月變化幅度很小，只有2%～3.5%的波動范圍，這可能與土壤質地和高含石量有關。此外，7月份各樣地間土壤含水量達到顯著水平，4月份和12月份混交和純林土壤水分與空地土壤含水量有顯著差異，而兩種林分間含水量差異不明顯。

圖5 不同月份地下5cm處土壤水分含量

3 結論與討論

從溫度日變化來看，夏季白天各時刻氣溫值比較均為混交林＜純林＜空地，10：00—14：00各樣地氣溫差距最大。四季氣溫值均為混交林＜純林＜空地，特別是夏季，林分通過降低溫度可避免植物葉片日灼及高溫危害。春季和夏季混交林與純林月均氣溫有差異但未達到顯著水平，但與林外氣溫差異達到顯著水平，秋季和冬季3個樣地間溫度沒有明顯的區別。

不同季節空氣相對濕度為夏季＞秋季＞冬季＞春季，夏季空氣相對濕度基本為混交林＞純林＞空地，10：00—14：00間混交林空氣濕度的變化幅度較純林和空地平緩，夏季氣溫較高，植物蒸騰作用強，林分高空氣濕度能夠減少植物和土壤蒸發，使作物在較好的水分平衡狀態下生長。4月份混交林與空地相對濕度有顯著差異，與純林無差異，7月份和10月份混交林空氣相對濕度比純林分別大5.5%、5.9%，但二者差異未達到顯著水平，但與空地相對濕度差異性顯著。12月份3個樣地間相對濕度沒有明顯區別。

7月份白天各樣地地表溫度均高于地下5cm溫度，且混交林土溫最低、空地土溫最高。在溫度較高的午后，混交林地表溫度和地下5cm溫度差值較純林和空地小。四季土壤平均溫度均為夏季＞秋季＞春季＞冬季，各樣地地表和地下5cm土溫值夏季差值最大，冬季差值最小，混交林地表溫度和地下5cm溫度都較純林低，長期內能夠改良土、增強土壤生產力［11］。

3個樣地土壤水分含量都是夏季最大、春季最小，且混交林土壤含水量高于純林，7月份混交林和純林土壤含水量差異性達到顯著水平，其他月份差異不明顯，說明混交林涵養水源的能力較純林強。

總的來說，混交林改善小氣候能力比純林更強，主要表現在增加空氣濕度和土壤水分含量，穩定氣溫和地溫，這對于植物生長發育、有機物的積累及品質的提高具有重要的生理生態學意義。土壤溫度由于溫度變化遲滯效應，日變化和季節變化與氣溫變化不同步，空氣溫度對太陽輻射強度的敏感性比土壤溫度的敏感性高，土壤濕度日變化和季節變化較小［12－14］，同本研究結果一致。

石灰巖山地由于其特殊的地質結構，生態敏感度高，穩定性差，營造良好的小氣候條件是實現生態系統穩定的基礎。筆者對部分小氣候因子日變化和季節變化進行具體闡述，但未結合喬木生長狀況進行綜合分析，以后需深入研究側柏女貞混交林和側柏純林生長能力與小氣候之間的關系，分析影響林木生長的主要小氣候因子，使研究更加全面科學。

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