火燒跡地植被恢復對生長季林內小氣候的調節作用*

王麗紅 高鴻坤 趙雨森 付 強 何傳源 孫 鑫 梁建鑫 張嘯鵬

(1.東北農業大學水利與土木工程學院 哈爾濱 150030； 2.東北林業大學林學院 哈爾濱 150040)

森林通過改變下墊面特征，使太陽輻射、熱量和水分等在進入森林后重新分配，起到調節小氣候的作用，其作用大小受森林生態系統的光、溫、水、土、氣等條件的綜合作用(Kovcsetal.， 2017)，進而影響森林的生理過程、營養循環、水分傳輸與分配等(王珮環等， 2019)。研究森林調節小氣候的效應，有助于了解森林功能對氣候變化的響應，能為森林經營管理提供理論依據(Ehbrechtetal.， 2019) 。

近些年來，學者們研究了不同森林類型(蔣丹丹等， 2015)、不同地形(Davisetal.， 2019)、干擾(羅旭等， 2018； dos Santosetal.， 2020)、土地利用方式(宮香偉等， 2018； Meijideetal.， 2018)、林內林外(李潔等， 2020)、林窗林緣(Hofmeisteretal.， 2019)等的小氣候效應，并探討了小氣候與人體舒適度之間的關系(Schinasietal.， 2017； 古琳等， 2019)。研究發現，森林不僅具有降溫和增濕效應，而且對溫度變幅有緩沖作用(Gaudioetal., 2017)。然而，森林對小氣候的調節作用在不同氣候帶和不同森林類型間存在差異。Li 等(2015) 利用衛星數據分析全球森林的溫度調節作用時發現:低緯度地區的熱帶森林全年表現為顯著降溫作用； 溫帶森林則是夏季溫和降溫及冬季溫和升溫，但全年表現為降溫作用； 北方針葉林在冬季顯著升溫，在夏季溫和降溫，全年表現為升溫作用。Meijide等(2018)指出，印度尼西亞原始熱帶森林距地表2 m處氣溫比油棕(Elaeisguineensis)林和橡膠(Heveabrasiliensis)林低2.3和2.2 ℃，空氣相對濕度分別高11.9%和12.8%，土壤溫度沒有顯著差異。Vanneste等(2020)發現歐洲溫帶灌木籬的小氣候調節能力低于林地，冬季灌木籬距地表2 m處最低氣溫始終比林地低0.10 ℃，夏季距地表2 m處最高氣溫比林地高0.80 ℃。然而，現有研究較少關注森林小氣候調節作用隨森林發育過程的動態變化。徐明潔等(2018)指出，隨著林齡增長，林分結構和功能均發生相應的變化，但目前缺少森林對溫濕環境調節作用的定量研究。

大興安嶺林區是我國面積最大的林區，1987年5月6日大興安嶺發生特大森林火災，受害面積達1.01萬 km2。許多學者對火燒跡地的物種多樣性(李威等， 2020； Nbregaetal.， 2019)、土壤養分(Aaltonenetal.， 2019； Lietal.， 2020)和水量平衡(Venkateshetal.， 2020)進行了研究。目前，關于林火對小氣候變化特征的影響有一定研究(Brownetal.， 2014； Dodonovetal.， 2019)，但對火燒跡地植被恢復過程中小氣候演變特征研究很少。興安落葉松(Larixgmelinii)是大興安嶺地區的地帶性植被，目前大興安嶺火燒跡地已營造了大面積興安落葉松人工林。本研究分析大興安嶺重度火燒跡地不同恢復年限興安落葉松人工林的生長季空氣溫度、空氣相對濕度和土壤溫度的變化特征，旨在揭示火燒跡地植被恢復對小氣候調節作用的變化規律。

1 研究區概況

研究區位于阿木爾林業局內，地處大興安嶺北坡(122°38′30″—124°05′05″E, 52°15′03″—53°33′15″N)。行政管轄隸屬黑龍江省大興安嶺地區漠河縣，東臨塔河林業局，南臨呼中林業局，西與圖強林業局接壤，北與俄羅斯隔江相望。地勢平緩，坡度大部分小于15°，海拔255～1 396 m。屬于寒溫帶大陸性氣候，晝夜溫差大，夏季短暫(只有2個月左右),冬季嚴寒漫長(長達7個月),年均氣溫-4.94 ℃，7月份最高氣溫35 ℃，1月份最低氣溫-49.5 ℃,年均降水量432 mm，集中在夏季，全年無霜期90天左右，年日照時數2 630 h。土壤以棕色針葉林土為主，另有沼澤土和泥炭土。喬木主要有興安落葉松、白樺(Betulaplatyphylla)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)和山楊(Populusdavidiana)等。灌木主要有興安杜鵑(Rhododendrondauricum)、杜香(Ledumpalustrevar.dilatatum)、越橘(Vacciniumvitis-idaea)和刺玫(Rosadavurica)等。有莎草科(Cyperaceae)、菊科(Compositae)、豆科(Leguminosae)、薔薇科(Rosaceae)和桔梗科(Campanulaceae)等主要草本植物。

2 研究方法

2.1 樣地設置與調查

2013年5月，以1987年“5·6”大火重度火燒跡地上不同恢復年限(3、13、16、21和24 a)的興安落葉松人工林為對象，選取生境條件基本一致的地塊設置樣地。樣地造林時均人工穴狀整地，造林密度2 500株·hm-2，連續撫育3年，按2-2-1次進行撫育(即補植后的前3年內，第1年撫育2次，第2年撫育2次，第3年撫育1次)，沒有人為干預或人為干預較少。以2012年重度火燒跡地作為對照。各恢復年限林分及火燒跡地均設置3塊20 m×30 m樣地，調查其坡度、坡向、海拔等立地因子。對喬木每木調查，記錄樹高、胸徑和林分郁閉度(表1)。

表1 樣地概況①Tab.1 Survey of sample plots

2.2 小氣候觀測

2013年5月在各樣地內，沿對角線選取3棵樹，將HOBO Prov2溫濕度記錄儀U23-001固定在距地表1.5 m處(劉效東等， 2014)，每隔1 h自動記錄1次空氣溫度和相對濕度。每塊樣地沿對角線選取3個點，將WatchDog B101型按鈕溫度記錄儀分別埋在5和10 cm土深處(付為國等， 2006)，每隔1 h自動記錄1次土壤溫度。觀測時間為2013年林分生長季(6—9月)。

2.3 數據處理與統計分析

采用Microsoft Excel 2003軟件和SPSS 17. 0統計分析軟件，進行數據處理分析，采用最小顯著差異法 (LSD) 進行數據差異顯著性檢驗，利用Origin 9.1軟件作圖。

3 結果與分析

3.1 空氣溫濕度日變化

由圖1可知，氣溫日變化呈現早晚低、日間高的倒“U”字型變化趨勢，最低氣溫出現在4：00—7：00，最高氣溫出現在12：00—16：00； 隨恢復年限增加，最低、最高氣溫出現時間表現出延遲趨勢，在恢復24 a時比對照樣地晚1～2 h。

空氣相對濕度日變化呈現早晚高、日間低的“U”字型變化趨勢，從0:00開始緩慢上升，3:00—8：00達到最高并接近飽和； 之后隨日出急速下降，最低值出現在13：00—16：00，這與氣溫最高值出現時間吻合； 之后隨氣溫降低，空氣相對濕度開始上升，直到晚上20: 00左右再次進入緩慢平穩上升階段(圖2)。隨恢復年限增加，最高、最低空氣相對濕度出現時間表現出延遲趨勢，恢復24年時比對照樣地晚1～3 h。

植被恢復期間，氣溫日較差為10.19～20.01 ℃，差值達9.82 ℃； 空氣相對濕度日較差為31.93%～52.56%，差值為20.63%； 白天(7：00—18：00)差值大于夜晚。隨恢復年限增加，氣溫和空氣相對濕度的日較差呈減小趨勢。

圖2 植被恢復過程中空氣相對濕度日變化Fig. 2 Diurnal variation of relative air humidity during vegetation restoration

3.2 空氣溫濕度生長季變化

由表2可知：各恢復年限興安落葉松人工林空氣溫度表現為6和7月較高、9月最低； 空氣相對濕度表現為7月最高，8月次之，6和9月較低。

6月份氣溫(℃)表現為對照(18.89)>3 a(18.17)>13 a(17.47)>16 a(16.82)>21 a(16.69)>24 a(15.39)，恢復24年后顯著低于其余年限，較對照下降了18.53%。隨恢復年限增加，7—9月氣溫逐漸降低。恢復24年時7、8、9月氣溫比對照顯著降低2.96、3.46和3.84 ℃。

6月空氣相對濕度在恢復24年時最高，為74.27%，其次為16、21、13和3年，對照樣地空氣相對濕度為60.08%，顯著低于各恢復年限。隨恢復年限增加，7—9月空氣相對濕度逐漸升高，恢復24年時7、8、9月空氣相對濕度比對照樣地顯著高出12.89%、13.16%和13.67%。

表2 植被恢復過程中空氣溫濕度生長季變化①Tab.2 Seasonal variation of air temperature and relative humidity during vegetation restoration

3.3 土壤溫度日變化

土壤溫度日變化呈現不同相位的正弦曲線(圖3)，植被恢復過程中5 cm深處土壤溫度日較差(℃)表現為3 a(10.05)>對照(7.18)>13 a(5.67)>16 a(5.58)>21 a(4.64)>24 a(3.04)，10 cm深處土壤溫度日較差(℃)表現為3 a(5.51)>對照(3.93)>16 a(3.18)>13 a(2.44)>21 a(2.38)>24 a(1.35)，5 cm深處土壤溫度日較差比10 cm大。植被恢復過程中白天(7：00—18：00)溫差大于夜晚，5 cm深處土壤最低溫出現在5：00—7：00，最高溫出現在13：00—17：00，10 cm深處土壤最低溫出現在6：00—9：00，最高溫出現在14：00—19：00，土壤溫度曲線最大值出現的時間隨土壤深度增加而推移。隨著恢復年限增加，5和10 cm深處土壤最高溫、最低溫出現時間表現出延遲效應，恢復24年時比對照樣地晚1～2 h。

圖3 植被恢復過程中土壤溫度日變化Fig. 3 Diurnal variation of soil temperature during vegetation restoration

3.4 土壤溫度生長季變化

由表3可知，在6月份，5 cm深處土壤溫度(℃)表現為對照(18.46)>3 a(17.34)>13 a(11.66)>16 a(11.34)>21 a(9.56)>24 a(8.75)，10 cm深處土壤溫度(℃)表現為對照(17.48)>3 a(15.84)>13 a(10.22)>16 a(9.74)>21 a(7.72)>24 a(6.52)，各恢復年限間差異顯著，恢復24 a時較對照樣地分別下降了52.62%和62.71%。隨著恢復年限增加，7—9月5和10 cm深處土壤溫度也逐漸降低。恢復24 a時，5和10 cm深處土壤溫度較對照樣地的下降幅度表現為7月份36.61%和43.34%、8月份33.02%和39.06%、9月份39.60%和41.48%。

各恢復年限興安落葉松人工林的5 cm深處土壤溫度在6—8月均顯著高于10 cm，但在9月份恢復16、21和24 a時5 cm深處土壤溫度高于10 cm深處，其余恢復年限為5 cm深處土壤溫度低于10 cm深處。各恢復年限興安落葉松人工林的5和10 cm深處土壤溫度在7和8月高于6和9月。

3.5 小氣候因子與恢復年限的數量關系

對所測定的不同恢復年限興安落葉松人工林小氣候因子與恢復年限的數據進行回歸分析，發現小氣候因子與恢復年限存在如下線性關系：M=kt+p。式中：M為小氣候因子(氣溫、空氣相對濕度、5 cm深處土壤溫度、10 cm土壤溫度)；t為恢復年限；k為方程回歸系數；p為方程常數項。經擬合的方程相關系數(R2)均在0.749 4以上，氣溫與恢復年限顯著負相關(P<0.05)，空氣相對濕度與恢復年限顯著正相關(P<0.05)(表4)，5和10 cm深處土壤溫度與恢復年限極顯著負相關(P<0.001)(表5)。

表3 植被恢復過程中土壤溫度生長季變化Tab.3 Seasonal variation of soil temperature during vegetation restoration ℃

表4 空氣溫濕度與恢復年限的擬合方程及顯著性分析Tab.4 Fitting equations and significance analysis of air temperature-humidity and restoration years

表5 土壤溫度與恢復年限的擬合方程及顯著性分析Tab.5 Fitting equations and significance analysis of soil temperature and restoration years

4 討論

4.1 植被恢復過程中小氣候因子生長季變化

影響森林小氣候的主要因素有太陽輻射輸入量(Holstetal.， 2004)、地形條件(Aussenac, 2000)、林冠層遮擋量、林下植被葉片對太陽輻射的吸收和反射作用(Launiainenetal.， 2016)、植物蒸騰作用等(Gebhardtetal.， 2014)。林內空氣溫度和相對濕度主要受林分結構影響，光照強度受喬木胸徑、冠幅和樹高影響(Kovcsetal.， 2017)。本研究中隨恢復年限增加，空氣溫度和土壤溫度逐漸降低，空氣相對濕度逐漸增加，興安落葉松人工林朝蔭、涼、濕的方向發展(表2、3)，與劉效東等(2014)、楊興虎等(2016)、陳進等(2019)的研究結果一致，說明林分小氣候主要受太陽輻射輸入量和林分郁閉度影響(Gaudioetal.， 2017)。林火使林分遮蔭效果被移除，火燒跡地恢復初期，到達地表的太陽輻射增加，空氣溫度和土壤溫度較高。隨恢復年限增加，林分郁閉度增大，林冠截留了部分太陽輻射，降低了風速和亂流傳輸，削弱了林內空氣熱量交換。同時，植被蒸騰散熱效應逐漸增強，森林降溫增濕效應增強。

森林小氣候受植被蓋度和季節變化影響(Meijideetal.， 2018)，森林對土壤溫度的調節作用受喬木層、灌木層和草本層的遮蔽影響(徐明潔等， 2018)。本研究中各恢復年限興安落葉松人工林6—8月土壤溫度隨土層加深而降低。9月是土壤溫度從高溫向低溫轉換的過渡時期，9月的5 cm深處土壤溫度在恢復16、21和24 a時高于10 cm深處土壤溫度，但其余年限低于10 cm深處(表3)，這是因為恢復3、13 a和對照樣地的林分郁閉度較低(表1)，地表裸露，表層土壤溫度降低迅速，在恢復16、21和24 a時，林分郁閉度逐漸增大(表1)，林冠層遮擋作用增大，林內熱量散失和地表降溫減慢(徐明潔等， 2018)，使9月的5 cm深處土壤溫度高于10 cm深處。崔鴻俠等(2018)研究神農架華山松(Pinusarmandii)人工林土壤溫度年變化發現，1—3和10—12月土壤溫度隨土層深度增加而升高，4—9月土壤溫度隨土層深度增加而降低。

4.2 植被恢復過程中小氣候因子日變化

土壤溫度日變化通常可利用正弦或余弦函數描述(邵明安等， 2006)，本研究中各恢復年限興安落葉松林土壤溫度日變化呈正弦曲線(圖3)，空氣溫度日變化呈倒“U”字型(圖1)，空氣相對濕度日變化呈“U”字型(圖2)，與歐陽旭等(2014)得到的鼎湖山針闊葉混交林空氣溫濕度和土壤溫度日變化規律一致，空氣溫濕度最高值、最低值出現時間與黃河三角洲白蠟(Fraxinuschinensis)人工林接近(王霞等， 2017)。植被恢復過程中空氣最低溫、最高溫出現時間比土壤最低溫、最高溫出現時間早，空氣溫度日較差大于土壤溫度日較差(圖1、2)。這與蔣丹丹等(2015)、Dodonov等(2019)的研究結果一致，空氣溫度對太陽輻射強度的敏感性高于土壤溫度，土壤溫度變化比空氣溫度有一定的滯后性。

隨著恢復年限增加，空氣溫濕度、土壤溫度的日較差逐漸降低(圖1、2、3)，與付為國等(2006)、屈振江等(2015)的研究結果一致。這不僅有利于土壤微生物繁殖，促進土壤有機質分解，還促進植物種子的存活和萌發，為植物生長提供穩定環境，由此可見，溫度環境隨著森林恢復向著更有利于植物生長及演替的方向發展。對照樣地空氣溫濕度日較差低于各恢復年限興安落葉松林(圖1、2)，這是因為對照樣地地表肉眼可見有大量黑色物質(灰分、黑碳等)，既利于白天吸收更多太陽輻射，有利于夜晚氣溫降低時起到保溫作用。黑碳是森林不完全燃燒的產物，富集在表層，然后通過土壤動物、水等作用淋溶至下層(孫金兵等， 2017)。與燃燒產生的灰分不同，黑碳可在土壤中存留上百年(Birdetal., 2015)。由于黑碳自身的吸附性、比熱容等物理性質，在一定程度上影響了土壤水熱條件(李攀等， 2013)。在各恢復年限興安落葉松人工林土壤中，沒有發現明顯碳黑層，徐嘉暉等(2017)指出凍融循環能粉碎黑碳顆粒，加速黑碳在土壤中的垂直遷移。由于林分類型、火燒強度不同，火燒跡地土壤的黑碳量存在差異(王玉哲等， 2018)，應進一步研究土壤黑碳對火燒跡地水熱因素的影響。今后研究中需結合土壤中黑碳含量及分布、土壤濕度、光合有效輻射和風速等開展研究，并延長觀測季節，探討全年林內小氣候變化。

5 結論

在重度火燒跡地經不同恢復年限的興安落葉松人工林，隨恢復年限增加，林內空氣和土壤溫度逐漸降低，空氣相對濕度逐漸升高，森林小氣候變的更為蔭涼潮濕，森林對土壤溫度的調節作用大于對空氣溫度的調節作用。隨著恢復年限增加，林內空氣溫度、空氣相對濕度、土壤溫度的日較差逐漸減小，森林小氣候的波動性減弱，穩定性增強。人工種植興安落葉松林能夠發揮調節小氣候的功能，改善林火對森林小氣候的干擾。