樟樹人工林內(nèi)和林內(nèi)空地土壤溫度分布的研究

吳湘雄 ，康文星 ,2，傅 強(qiáng) ，宿少峰 ，王 燦

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410004;2. 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410004)

樟樹人工林內(nèi)和林內(nèi)空地土壤溫度分布的研究

吳湘雄1，康文星1,2，傅 強(qiáng)1，宿少峰1，王 燦1

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410004;2. 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410004)

以一年的觀測數(shù)據(jù)為依據(jù)，剖析了樟樹人工林內(nèi)和林內(nèi)空地地表溫、土壤溫度、溫度梯度分布及其波動(dòng)狀態(tài)和土壤熱力流向。結(jié)果表明：林內(nèi)和林內(nèi)空曠地土壤溫度特征不一樣，林內(nèi)空曠地的地表溫和各層土溫的年、月、日均值及其振幅，都顯著高于樹林內(nèi)，兩者的土壤溫度梯度和熱力流向與途徑有著較大差異；林內(nèi)和林內(nèi)空曠地地表最高、低溫出現(xiàn)時(shí)刻不一樣，林冠有推遲地表最高溫出現(xiàn)的作用；林冠的遮攔，以及枝葉凋落物對地表的覆蓋，使林內(nèi)土溫振幅衰減速率加快，土溫的波動(dòng)幅度減少，為樹木的生長創(chuàng)造了適宜的土壤環(huán)境。

地表溫；土溫；溫度梯度；土壤溫度波動(dòng)

多年來，國內(nèi)外一些農(nóng)業(yè)氣象學(xué)家、生態(tài)環(huán)境學(xué)家、微氣象學(xué)家都十分重視研究分析農(nóng)田、綠洲、干旱和半干旱地區(qū)等特定生態(tài)環(huán)境下的熱量平衡過程[1-5]，以達(dá)到在了解近地面層土壤--植被--大氣統(tǒng)一體中動(dòng)量、熱量、水汽交換過程的特點(diǎn)[6-10]；國外一些學(xué)者還對植物下墊面的地面熱量平衡各分量的估算方法進(jìn)行比較[11-13]，并對大城市中心的地面熱量平衡進(jìn)行模擬分析[14]。但是，對于林帶如何影響周圍水熱光資源的分布及水熱在土壤中輸送過程的研究卻很少。

土壤溫度不僅影響著植物的光合作用、種子的萌發(fā)、幼苗和根系的生長，而且還影響著植物對水分的吸收與輸送以及土壤中有效養(yǎng)分的變化等，因此，土壤溫度是土壤環(huán)境的重要因素之一[15-17]，一些科技工作者對土壤溫度進(jìn)行了相關(guān)的研究[18-24]。不言而喻，從系統(tǒng)的角度來研究森林，不僅要研究森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和生產(chǎn)力，而且要研究森林生態(tài)系統(tǒng)與生物環(huán)境間的交換和適應(yīng)與穩(wěn)定性，本研究以一年的實(shí)驗(yàn)觀察數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，探討了中南林業(yè)科技大學(xué)長沙校區(qū)內(nèi)城市生態(tài)站的樹林內(nèi)外土壤溫度分布狀況，揭示城市生態(tài)站樟樹人工林內(nèi)土壤能量流動(dòng)和物質(zhì)交換的規(guī)律，以期對常綠闊葉植物賴以生存的土壤小生境有一定的了解。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究是在長沙市中南林業(yè)科技大學(xué)城市生態(tài)站樟樹人工林內(nèi)進(jìn)行的，長沙市是湖南省省會(huì)，位于湖南省東部偏北，111°53′～ 114°15′E，27°51′～28°41′N。轄芙蓉、天心、岳麓、開福、雨花五區(qū)，市區(qū)面積948 km2，建城區(qū)面積182 km2，常住人口268萬。長沙屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，受季風(fēng)影響比較強(qiáng)烈，冷暖空氣交替明顯，夏季高溫持續(xù)時(shí)間長，梅雨季節(jié)雨水較多；春季寒潮頻繁，溫度變化幅疲大；秋天來臨較遲，但不久又進(jìn)入冬季；冬季時(shí)間雖長，但寒冷天氣較少。年平均氣溫16.8～17.3℃，年降水量1 360～2 200 mm，降水比較集中在春末夏初，無霜期達(dá)255～275 d，光熱能和水分條件較好，適宜多種林木生長。

城市生態(tài)站樟樹人工林，林齡35年，樹木平均高度17.5 m，林窮郁閉度0.9左右，林下灌木叢荗密。樟樹人工林內(nèi)有一塊面積約為40 m×20 m的林間空地。本研究的實(shí)驗(yàn)就是在樟樹人工林內(nèi)和林間空地進(jìn)行的。

1.2 研究方法

分別在城市生態(tài)站樟樹人工林內(nèi)和林內(nèi)空地各設(shè)一個(gè)小氣候觀測場。用普通玻璃地溫表和曲管玻璃地溫表將測定林內(nèi)和林內(nèi)空地地表溫度，地表的最高溫和最低溫度以及5、10、15、20 cm深處土壤溫度。

從2010年9到2011年8月，每月上、中、下3旬每旬隨機(jī)觀測1天，每天每2 h觀測一次，一天共12次，1年共觀測36 d。觀測的數(shù)據(jù)根據(jù)中央氣象局規(guī)定的地面氣象觀測規(guī)范，對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行核實(shí)、校對、統(tǒng)計(jì)、分析。采用SPSS 18.0和Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 地表溫

觀測數(shù)據(jù)表明（表1），空曠地與樹林內(nèi)地表溫度的時(shí)態(tài)變化基本趨勢一致，但空曠地的年、月、日平均溫度均高于樹林內(nèi)，特別是氣輻射較強(qiáng)的月份，這種差異尤為顯著。在日變化中，白天空曠地的溫度明顯高于林內(nèi)，而在深夜至凌晨這段時(shí)間內(nèi)，空曠地與林內(nèi)相差不大，且后者略高于前者。

對于樟樹人工林來說，輻射能流首先到樟樹人工林上部冠層，在這里，輻射能進(jìn)行一次分配，一部分被植被反射回太空，大部分被冠層吸收，只有小部分能流穿透冠層到達(dá)林下，林下空間接受的熱量比冠上表面少多了。沒有植被覆蓋，空曠地裸露的地表面直接承受來自于太空的各種輻射能流，地表面產(chǎn)生相當(dāng)大的熱負(fù)荷，急劇地增加了地表面溫度。以上分析表明，林內(nèi)地表面接受的凈輻射比空曠地大為減少，凈輻射是地表有效能流的度量值，因此不難理解空曠地和樹林內(nèi)的地表溫存在差異。

深夜，林內(nèi)地表散發(fā)的地面長波輻射被密集的林冠層阻檔不易散失，空曠地地面長波輻射卻毫無阻攔地散逸在外環(huán)境中，致使深夜至凌晨這段時(shí)間內(nèi)，林內(nèi)地表溫度略高于空曠地。

表1 空曠地和樹林內(nèi)地表月即時(shí)平均溫度?Table 1 Monthly and moment average temperature of surface soil in the forest clearing and plantation ℃

樹林內(nèi)地表日最高溫出現(xiàn)時(shí)刻與空曠地并不一樣，前者比后者要延時(shí)兩個(gè)小時(shí)出現(xiàn)日最高溫（表2）。因?yàn)樘栞椛渫度氲秸翗淙斯ち至止冢止趯游蛰椛淠芎笫紫燃訜嶙约?。然后，林冠層吸收的熱量再以長波輻射和湍流過程傳給林下空間，隨著時(shí)間的推移，林下空間熱量逐漸增加，使得林內(nèi)地表的升溫變慢。而太陽輻射直接照射在空曠地表面上，地表面產(chǎn)生一股很大的熱力，迅速地提高了空曠地表面溫度。

表2 各月每天地表最高（低）溫度出現(xiàn)時(shí)刻Table 2 Monthly appearance moment of maximum (minimum) temperature of surface soil ℃

林內(nèi)和空曠地地表日最低溫出現(xiàn)時(shí)刻，不同的季節(jié)兩者出現(xiàn)的時(shí)間不同。輻射較弱的月份，林內(nèi)比空曠地提前兩個(gè)小時(shí)出現(xiàn)，輻射強(qiáng)的季節(jié)，林內(nèi)的日最低溫與空曠地同步出現(xiàn)。地表日最低溫一般出現(xiàn)深夜到凌晨這段時(shí)間內(nèi)，輻射較弱的月份，林內(nèi)地表發(fā)射長波輻射因林冠層的阻檔，而且林內(nèi)空氣的亂流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)比空曠地弱很多，林內(nèi)空間的熱量不容易散失，因而推遲了林內(nèi)地表日最低溫出現(xiàn)時(shí)刻。高溫季節(jié)，雖然林冠同樣阻止林內(nèi)地表熱量散失，但是白天空曠地獲得太陽輻射能流比林內(nèi)多，夜晚深層土壤向地表傳遞熱量也比林內(nèi)多，也就推遲了空曠地地表日最低溫出現(xiàn)時(shí)刻，幾乎與林內(nèi)出現(xiàn)時(shí)刻同步。

表3表明，一個(gè)月內(nèi)最大日振幅和月平均日振幅，都是空曠地高于林內(nèi)，表明空曠地地表溫度的變化比林內(nèi)劇烈?？諘绲睾土謨?nèi)的最大日振幅及最大月振幅容易發(fā)生在冷熱氣流對流強(qiáng)烈、季節(jié)交替的月份，空曠地最大日振幅及最大月振幅發(fā)生在5月，林內(nèi)的最大日振幅及最大月振幅卻發(fā)生在3月。從全年來看，炎熱的季節(jié)空曠地最大日振幅或日振幅在明顯高于樹林內(nèi)。由此可知，輻射強(qiáng)度越大，空曠地與林內(nèi)地表溫度日波動(dòng)變化的差異也就越大。氣象學(xué)者研究認(rèn)為，凡是吸收和發(fā)射輻射能流，并不斷與周圍環(huán)境進(jìn)行熱量和水分交換，調(diào)節(jié)周圍溫度和濕度等氣象要素的下墊面，都稱之為作用面。地表面的熱性質(zhì)決定土壤熱量和水分的交換，是土壤和近地面空間的小氣候形成的物理基礎(chǔ)。這種空曠地和林內(nèi)這種地表溫度分布規(guī)律的差別，決定了它們地表周圍小生境的差異。

表3 空曠地和樹林內(nèi)地表溫每月日平均和最大日振幅Table 3 Daily average monthly temperature and the daily maximum amplitude of the surface soil in the forest clearing and plantation ℃

2.2 土壤溫度

由表4可知，空曠地與林內(nèi)5～20 cm各層的土溫年變律，均與其他表溫一致。各層土溫的月均值，均為空曠地大于樹林內(nèi)，并以輻射較強(qiáng)的月份更為顯著。土溫的年空間分布，都遵循輻射弱的月份隨土層深度遞增，反之則是依次遞減的規(guī)律。只有當(dāng)氣候由冷進(jìn)入漸熱或由熱進(jìn)入漸冷的過渡性月份（即3月和9月），為了準(zhǔn)備下一個(gè)順序而完全顛倒的分布出現(xiàn)，這種規(guī)律才被打破。

無論何時(shí)，空曠地的日平均土溫變化，都要比林內(nèi)更明顯（表5）。土溫日平均變化中，土溫隨土層深度增加而升高和隨土層深度增加而降低兩種完全相反的布局，空曠地這種變更的時(shí)間發(fā)生在10時(shí)和22時(shí)，林內(nèi)的變更時(shí)間在12時(shí)和22時(shí)。

最冷的1月，林內(nèi)各層土溫日變化略有起伏，但仍保留著低溫時(shí)常有的空間動(dòng)律，空曠地不同，各層土溫日變化加大，在一日內(nèi)，仍可完成順序完全相反的兩種分布。在炎熱的季節(jié)，空曠地各層土溫降低劇烈，地溫曲線相互交錯(cuò)的時(shí)間較短，很快進(jìn)入到另一種格局。相對來說林內(nèi)土溫變化較為平緩，地溫曲線彼此交織在一起的時(shí)間較長。以上分析表明，空曠地和林內(nèi)的土溫分布存在很大差異，這是由于林內(nèi)冠層對輻射能流的阻擋作用所導(dǎo)致的。

表4 空曠地和樹林內(nèi)各土層平面溫度月均值及t檢驗(yàn)?Table 4 Monthly average temperature of each layer soil and T-test in forest clearing and plantation ℃

表5 空曠地和樹林內(nèi)各土層平面溫度時(shí)平均值及t檢驗(yàn)?Table 5 Moment average temperature of each layer soil and T test in forest clearing and plantation ℃

從表6中可以看出，空曠地和林內(nèi)的溫度梯度存在著較大差別。溫度梯度不僅決定著土壤熱力流向，而且制約著熱通量的大小。由于林冠的存在，使得林內(nèi)和空曠地的土壤流動(dòng)和分配規(guī)律存在差異。

表6 空曠地和樹林內(nèi)各層土壤溫度月變化梯度Table 6 Monthly temperature change gradient of each soil layer in forest clearing and plantation ℃

如圖1和圖2所示，空曠地和林內(nèi)的月平均土壤熱力流向和途徑（以地表垂直向土壤深處傳遞熱量為正）大致相同。寒冷的季節(jié)，土壤深處土層會(huì)向上層土層進(jìn)行熱傳遞，同時(shí)地表也向下層土壤傳熱量。而在1月份，受降雪的影響，則是深層土壤熱量經(jīng)過所測層次向地表傳輸；在炎熱月份是地表熱能向下層土壤運(yùn)輸，其流程可跨越20 cm。2月、3月及9月，在所測的20 cm土層內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)相對、相背或兩者兼有的多向流動(dòng)。

盡管空曠地和林內(nèi)月平均土壤熱力流向和途徑大致相同，但從表7可以看出，進(jìn)入空曠地和林內(nèi)的各土層平面的熱通量是不一致的。從日平均變化可以看出，午夜至6時(shí)空曠地是20 cm以下土壤熱向地表傳導(dǎo)，8時(shí)開始由地表向土壤深處進(jìn)行下傳，而18～24時(shí)，5～15 cm土層成了上導(dǎo)和下傳熱量的匯集場所。林內(nèi)由地表開始向土壤傳導(dǎo)熱量也在8時(shí)，與空曠地一致；在18～24時(shí)，15 cm 深處的土壤熱源，成為上下輸送的熱源；2～8時(shí)，由土壤深處向地表傳遞熱量，比空曠地推遲了2 h。

圖1 空曠地月和即時(shí)平均熱力流向與途徑Fig. 1 Monthly and moment average heat flow and way in the clearing area of the forest

圖2 樹林內(nèi)月和即時(shí)平均熱力流向與途徑Fig. 2 Monthly and moment average heat flow and way in the forest plantation

表7 空曠地和樹林內(nèi)各層土壤溫度日變化梯度Table 7 Moment temperature change gradient of each soil layer in forest clearing and plantation ℃

系統(tǒng)的功能動(dòng)力學(xué)主要是用在物質(zhì)的交換上，土壤熱量流動(dòng)將對土壤水份、無機(jī)離子和氣態(tài)物質(zhì)的運(yùn)輸產(chǎn)生影響。這些因素又是土壤微生物、植物根系維持生命功能所不可缺少的。由于林冠的存在，造就了空曠地和林內(nèi)兩種不同的土壤溫度特征，從而使樹林內(nèi)0～20 cm土層在熱力操縱下運(yùn)輸水份、無機(jī)離子、土壤養(yǎng)分等，有利于植物根系吸收，尤其是高溫季節(jié)， 土壤水份在熱力控制下運(yùn)動(dòng)，極有利于土壤水份的保養(yǎng)，從而促進(jìn)林木的生長。

2.3 土壤溫度波動(dòng)

從表8看出，空曠地土溫波動(dòng)變化幅度比林內(nèi)大得多。變化幅度是衡量溫度變化的唯一因子。表明空曠地土壤溫度的變化比林內(nèi)劇變得多。

溫度振幅的大小，首先取決于到達(dá)地面的輻射能流。由于樹林內(nèi)地表比空曠地所接受的輻射能流要小得多，所以，空曠地的土溫波動(dòng)要大得多；其次，土溫的日變化，可看作是地表溫日變化向土壤深處的傳遞，由于空曠地的地表溫度比樹林內(nèi)的變化激烈，使其各層土溫的變化，也比樹林內(nèi)大；第三，地表溫日變化以及向土壤傳遞過程中的衰減速率，也限制著土溫振幅的大小。樹林內(nèi)有林冠的遮攔，以及枝葉凋落物對地表的覆蓋，使林內(nèi)土溫振幅衰減速率加快，土溫的波動(dòng)幅度減少。林內(nèi)各層土溫的年、日變化相當(dāng)小，為樹木的生長創(chuàng)造了適宜的土壤環(huán)境。

表8 各深度土溫月平均日振幅及t檢驗(yàn)?Table 8 Monthly average amplitude of each layer of the soil temperature and t-test ℃

3 結(jié) 論

由于林冠層對輻射能流的截留，樹林內(nèi)和林內(nèi)空曠地土壤溫度特征不一樣，林內(nèi)空曠地的地表溫和各層土溫的年、月、日均值及其振幅，都顯著高于樹林內(nèi)，兩者的土壤溫度梯度和熱力流向與途徑有著較大差異。

在輻射較強(qiáng)的6月份，樟樹林內(nèi)的空曠地的平均地表溫度比樹林內(nèi)高出了4.3℃，輻射較弱的12月份，它們的差值最小，只有0.1℃。在日變化中，樟樹林內(nèi)的空曠地地表平均溫度顯著高于樹林內(nèi)，12時(shí)達(dá)到最大差值為9.3℃。但在深夜至凌晨這段時(shí)間內(nèi)，空曠地與林內(nèi)相差不大，且后者略高于前者。樟樹林內(nèi)的地表日最高溫的出現(xiàn)在12時(shí)，而林內(nèi)空曠地則出現(xiàn)在14時(shí)。樟樹林內(nèi)和空曠地地表日最低溫出現(xiàn)時(shí)刻，隨著季節(jié)的不同而不同，在輻射較弱的月份（11月至次年4月）樟樹林內(nèi)是4時(shí)出現(xiàn)，林內(nèi)空地是6時(shí)出現(xiàn)，在輻射較強(qiáng)的月份（5月至10月），樟樹林內(nèi)和空曠地地表日最低溫出現(xiàn)時(shí)刻都在6時(shí)。樟樹林內(nèi)空曠地最大日振幅及最大月振幅發(fā)生在5月，樹林內(nèi)的最大日振幅及最大月振幅卻發(fā)生在3月。

土溫的年空間分布，都遵循輻射弱的月份隨土層深度遞增，反之則是依次遞減的規(guī)律存在，在3月和9月會(huì)出現(xiàn)完全顛倒的分布。樟樹林內(nèi)空曠地與樹林內(nèi)5～20 cm 4個(gè)土層的土溫最大差值都出現(xiàn)在7月份，依次為4、3.8、3.5和3.7℃。土溫日平均變化中，土溫隨土層深度增加而升高和隨土層深度增加而降低兩種完全相反的布局，樟樹林內(nèi)空曠地這種變更的時(shí)間發(fā)生在10時(shí)和22時(shí)，樹林內(nèi)的變更時(shí)間在12時(shí)和22時(shí)，4個(gè)土層最大差值出現(xiàn)時(shí)刻為14時(shí)、16時(shí)、16時(shí)和20時(shí)，其大小依次為4.5、3.2、2.6和2.4℃。

在樹林里0～20 cm的土層內(nèi)，在熱力主導(dǎo)作用下的水份和無機(jī)物的運(yùn)輸，極利于植物的淺根吸收。尤其是在炎熱的季節(jié)，由于熱力流向20 cm以下深處，由此所引起的水份運(yùn)動(dòng)，有利于水份的保養(yǎng)和林木的生長。另外，由于樹林內(nèi)有林冠層的遮蔽和凋落物對地表的覆蓋，使其各土層的溫度變化比林內(nèi)空曠地平緩許多。林內(nèi)土壤溫度分布化的特征狀態(tài)，為植物的生長營造了一個(gè)適宜的土壤環(huán)境。

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Studies on soil temperature distribution of camphor plantations and forest clearance area

WU Xiang-xiong1, KANG Wen-xing1,2, FU Qiang1, SU Shao-feng1, WANG Сan1
(1.Сentral South University of Forestry and Technology, Сhangsha 410004, Hunan, Сhina;2. National Engineering Lab. for Applied Technology of Forestry & Ecology in South Сhina, Сhangsha 41004, Hunan, Сhina)

Based on the observation data in one year, the surface temperature, soil temperature, distribution of temperature gradient and state of temperature fl uctuation，and soil thermal fl ow direction in the clearance area of the camphor plantation were investigated and analyzed.The results show that the soil temperature characteristics of the plantation and the clearance area were unlike, the year, month and day values of the surface soil temperature, that of soil temperature in each layer and the amplitude in the clearance area were higher than those in the forest, the soil temperature gradient and heat fl ow direction and the way had a bigger difference; the maximum temperature and the minimum temperature didn’t appeared at the same moment, the canopy delayed the highest surface temperature to appear; that the canopy blocked or the branches and leaves litter covered the earth’s surface could make the plantations soil temperature amplitude decay to be faster, reduced the fl uctuation range of soil temperature, and created the proper soil environment for the trees growth.

soil surface temperature; soil temperature; temperature gradient; soil temperature fl uctuation

S718.1

A

1673-923X (2012)05-0113-07

2011-12-22

國家野外科學(xué)觀測研究站項(xiàng)目（2010-05）

吳湘雄(1986-)，男，湖南郴州人，碩士研究生，主要從事森林生態(tài)學(xué)研究

康文星(1947-)，男，湖南衡東人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事森林生態(tài)教學(xué)與科研工作； E-mail：kwx1218@126.com

[本文編校：歐陽欽]