坡向和坡位對大興安嶺干旱陽坡蒙古櫟林溫濕度的影響1)

丁永全

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

坡向和坡位對大興安嶺干旱陽坡蒙古櫟林溫濕度的影響1)

丁永全

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

于2012年5月中旬至10月初，在大興安嶺干旱陽坡的蒙古櫟林內(nèi)，選擇不同的坡向和坡位設(shè)置觀測樣地定點(diǎn)測定土壤溫度、空氣溫濕度和土壤含水量。分析結(jié)果表明：不同坡向土壤溫度由大到小為南坡、西南坡、東南坡，氣溫由大到小為西南坡、南坡、東南坡，空氣濕度和土壤含水量由大到小均為東南坡、西南坡、南坡；南坡空氣和土壤溫度由大到小為坡上、坡下，土壤含水量坡下大于坡上含水量，空氣濕度坡上大于坡下濕度；空氣和土壤溫濕度受空間位置和季節(jié)分布影響差異較大，不同坡向和坡位土壤溫濕度差異明顯，不同季節(jié)空氣溫濕度波動較大。

大興安嶺；干旱陽坡；蒙古櫟林；土壤溫度；空氣溫濕度

大興安嶺林區(qū)是我國重要的林業(yè)基地之一，多年的采伐利用和頻繁的火燒干擾導(dǎo)致該區(qū)干旱陽坡植被嚴(yán)重退化，形成大面積以蒙古櫟林為主的干擾頂級植被類型(頂極植被為樟子松)，造成碳匯收支不平衡、區(qū)域環(huán)境惡化，凍土自南向北區(qū)域性退化，限制了該地區(qū)，生態(tài)功能的發(fā)揮[1]。大興安嶺干旱陽坡春夏季短暫干旱、冬季漫長而寒冷，生長季短暫加大了植被的恢復(fù)難度，山地坡向和坡位能影響空氣的流動和太陽輻射量，是林地小氣候的影響因子之一[2]，路保昌[3]曾對黃土丘陵氣候研究發(fā)現(xiàn)，坡向和坡位能影響山地小氣候變化，其中坡上部和南坡的土壤較干旱，潘占兵等[4]在黃土丘陵區(qū)的研究也發(fā)現(xiàn)坡位越高土壤干旱越嚴(yán)重，不同坡向與坡位、季節(jié)等都會引起山地氣候的差異，中小區(qū)域尺度的熱場空間分布對生態(tài)系統(tǒng)有一定影響[5-7]，有學(xué)者提出特殊山地氣候模式[8-9]。國內(nèi)大多數(shù)針對干旱陽坡的研究集中在不同的整地方式對林木生長率及造林成活率等的研究，對大興安嶺很少有具體而全面的集中在坡向、坡位對干旱陽坡的影響研究，尤其是長時間實(shí)時監(jiān)測溫濕度方面，缺少相關(guān)的研究數(shù)據(jù)，限制了該立地條件下植被的恢復(fù)和重建。本研究所得數(shù)據(jù)可以為大興安嶺不同坡位和坡向?qū)Ω珊店柶碌男夂蛴绊懱峁┮恍├碚撘罁?jù)，以便更好地進(jìn)行林業(yè)作業(yè)，提高大興安嶺干旱陽坡的造林成活率。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于黑龍江省大興安嶺加格達(dá)奇區(qū)的大興安嶺農(nóng)業(yè)林業(yè)科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)基地的干旱陽坡，該地區(qū)屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均溫度為-1.2 ℃，極端最高氣溫32.8 ℃，極端最低氣溫-40.2 ℃，年平均有效積溫2 100 ℃，年降水量350～500 mm；降水70%以上集中在5—8月份，植物生長季主要在5—9月份[2]。研究區(qū)平均海拔為337 m，平均坡度為27°，地帶性土壤為暗棕壤，土層較薄，一般在5～20 cm，土壤下層為風(fēng)化砂。干旱陽坡坡上、坡下海拔分別為411和372 m，坡長為85 m，森林類型為蒙古櫟矮林，喬木層植被以蒙古櫟(Quercusmongolica)為主，樹高為3～4 m，坡下有少量落葉松(Larixgmelini)和樟子松(Pinussvlvestris)，坡上少量白樺(Betulaplatyphylla)和山楊(Populusdavidiana)分布，坡上郁閉度為0.5，坡下郁閉度為0.66，林下灌木以胡枝子(Lespedezabiocolor)和栓皮榆為主，地表草本全部覆蓋，坡上與坡下草本植被種類和數(shù)量差別不明顯。

2 材料與方法

選擇具有代表性的山地蒙古櫟林，在東南坡、西南坡和南坡的坡上、坡下各設(shè)置1塊20 m×20 m樣地地，在各樣地內(nèi)任選一點(diǎn)同時放置空氣溫濕度自動監(jiān)測儀和土壤溫度自動監(jiān)測儀，記錄空氣溫濕度和土壤5 cm深處的溫度，從2012年5月15日每30 min記一次數(shù)據(jù)共計(jì)監(jiān)測時間141 d；另外，用土壤水分測定儀(TDR300) 在各樣地地內(nèi)選擇6個點(diǎn)測定土壤濕度，測定深度為0～7.5 cm；測定頻率為5、6月每5 d測定一次，7、8、9、10月每10 d測定一次。

運(yùn)用Excel軟件統(tǒng)計(jì)采集的溫濕度數(shù)據(jù)，求每天的平均值得到不同坡向和坡位空氣和土壤的溫濕度，用繪圖功能繪制空氣和土壤溫濕度隨時間動態(tài)變化圖，并用SPSS軟件分析溫濕度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析不同坡向、坡位溫濕度特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同坡向?qū)ν寥篮涂諝獾臏貪穸扔绊?/p>

3.1.1 不同坡向土壤和空氣溫度的動態(tài)變化

由圖1可知東南坡、西南坡、南坡土壤溫度隨時間變化相似，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢；從5月中旬各坡向土壤溫度逐漸上升， 6、7月西南坡和南坡土壤溫度接近且明顯高于東南坡，7月末各坡向土壤溫度達(dá)到最高值，東南坡、南坡和西南坡土壤溫度最高值分別為19.09、20.37、22.30 ℃，8月初土壤溫度逐漸下降，9月中旬到10月初土壤溫度東南坡和西南坡接近且低于南坡的土壤溫度。5—10月份各坡向土壤溫度變化范圍為7～23 ℃，生長季土壤溫度平均值由大到小依次為：南坡(16.85 ℃)、西南坡(15.32 ℃)、東南坡(13.90 ℃)；同一時間不同坡向土壤溫度西南坡波動最大，南坡次之，東南坡最小，不同時間段9月份土壤溫度波動較大。

圖1 不同坡向土壤溫度隨時間的變化

由圖2可知東南坡、西南坡和南坡氣溫隨時間變化極其相似，且呈現(xiàn)波浪形上升和下降的趨勢，期間出現(xiàn)多個波峰和波谷；5月份氣溫迅速上升，在5月20日出現(xiàn)波峰，然后又迅速下降在5月23日氣溫出現(xiàn)低谷，7月份日平均氣溫達(dá)到的最高值，分別為26.78、26.95、26.86 ℃，8月開始?xì)鉁亻_始下降；東南坡、西南坡、南坡生長季日平均氣溫分別為16.50、16.81、16.69 ℃，生長季氣溫在5～27 ℃之間變化，其中西南坡氣溫波動最大。圖1和圖2比較可知，氣溫和土壤溫度隨時間變化趨勢相同，不同坡向之間土壤溫度差異較大，氣溫差異極小，不同季節(jié)氣溫波動較大，土壤溫度變化波動較平緩。

3.1.2 不同坡向土壤含水量和空氣濕度的動態(tài)變化

由圖3可知東南坡、南坡和西南坡土壤含水量存在差異，隨時間變化趨勢相同，其中5、7、8月土壤含水量普遍較高約為24%，5月中旬到6月底、9、10月較低約10%，5月中旬土壤含水量明顯高，是由于開春融雪和凍土解凍使得土壤含水量增加，到土壤完全解凍后含水量又隨蒸發(fā)等迅速降低，在7月中旬迎來夏季多雨天氣土壤含水量又迅速增加，并達(dá)到最大值分別為22.73%、20.71%、23.53%，8月份進(jìn)入夏季后期降雨減少蒸發(fā)量大使得土壤含水量再次降低。各坡向土壤含水量在4%～24%之間變化，生長季土壤含水量平均值由大到小順序?yàn)椋簴|南坡(11.91%)、西南坡(11.57%)、南坡(10.94%)。同一時刻不同坡向土壤含水量差異不同，如5月30日土壤含水量由高到低的順序?yàn)槟掀?、東南坡、西南坡，而8月30日土壤含水量由高到低的順序?yàn)闁|南坡、南坡、西南坡。

圖2 不同坡向空氣溫度隨時間的變化

圖3 不同坡向土壤含水量隨時間變化

由圖4可知東南坡、南坡和西南坡空氣濕度隨時間變化相似，出現(xiàn)多個峰值，整體表現(xiàn)為波浪形上升后下降趨勢，其中5、6、9月份波動較大，7、8月份波動相對穩(wěn)定，空氣濕度最小值均出現(xiàn)在5月中下旬，分別為27.50%、28.34%、29.63%，最大值在7月份分別是103.9%、102.7%、103.7%；各坡向空氣濕度生長季平均值分別為東南坡(78.88%)、南坡(78.54%)和西南坡(77.25%)。比較圖2和圖4可知，當(dāng)氣溫達(dá)到最大值時，空氣濕度達(dá)到最小值，而空氣濕度最大時氣溫又最小，由此可知?dú)鉁睾涂諝鉂穸仍谝欢ǚ秶鷥?nèi)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。

圖4 不同坡向空氣濕度隨時間變化

3.2 不同坡位對土壤和空氣的溫濕度影響

3.2.1 不同坡位空氣和土壤溫度的動態(tài)變化

圖5可知南坡坡上和坡下土壤溫度季節(jié)變化相似，整體變化趨勢和圖1相同，均表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢，即5月份逐漸上升，7月末達(dá)到最高峰，坡上和坡下土壤溫度峰值分別為 22.29 ℃和 20.26 ℃，8月逐漸下降的趨勢；不同坡向土壤溫度數(shù)值上存在差異，即同一時間坡上大于坡下，生長季土壤溫度平均值分別為坡上(16.85 ℃)、坡下(14.09 ℃)，不同坡位日溫差1.92～3.97 ℃，坡下比坡上土壤溫度變化波動大。

圖5 不同坡位土壤溫度隨時間變化

由圖6 可知南坡坡上和坡下氣溫生長季變化同步且差異極小，氣溫隨時間變化波動較大，出現(xiàn)多個峰值，表現(xiàn)為5、6、9、10月氣溫變化明顯，7、8月氣溫相對穩(wěn)定，最高溫出現(xiàn)在8月初，分別為27.63 ℃和26.95 ℃，8月中旬氣溫開始下降，10月初達(dá)到最低值。生長季氣溫平均值表現(xiàn)為坡上(17.00 ℃) 略高于坡下(16.61 ℃)。

圖6 不同坡位空氣溫度隨時間變化

3.2.2 南坡不同坡位土壤含水量和空氣濕度的動態(tài)變化

由圖7可知坡上和坡下土壤含水量季節(jié)變化相似，也存在微小的差異，表現(xiàn)為5月下旬、6、9、10月份較低， 5月中旬、7、8月較高的格局，其中5、7—8月初坡上大于坡下，6月份坡下大于坡上，最高在七月中旬，最低在在8月下旬。生長季土壤含水量變化范圍在4%～24%，坡上(11.71%)比坡下(11.92%)略低。

由圖8可知不同坡位空氣相對濕度相對差異不大，而隨時間變化波動較大，出現(xiàn)多個波峰和波谷，其中6、7、9、10月波動明顯較大，而8月空氣相對濕度相對穩(wěn)定，總體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，坡上和坡下空氣相對濕度最低出現(xiàn)在5月下旬，分別為11.2%和9.8%，7月末至8月初達(dá)到最高值?？諝鉂穸绕骄灯律?77.25%)比坡下(76.72%)略高。

4 討論與結(jié)論

大興安嶺干旱陽坡蒙古櫟林受大陸寒溫帶季風(fēng)性針葉林氣候的影響，不同坡向、坡位的空氣和土壤溫濕度生長季內(nèi)變化相似，都呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，而在具體數(shù)值存在差異。光照強(qiáng)度和光照時間直接影響土壤和空氣的溫度，同1 d內(nèi)光照強(qiáng)度中午最強(qiáng)，中午陽光直射正南坡，同1 d內(nèi)南坡接收光照時間最長，因此南坡土壤溫度最高，其次每天接收光照時間西南坡比東南坡早，上午西南坡比東南坡溫度高，下午氣溫升高對土壤溫度的反饋使得西南坡溫度不至于太低，從而西南坡的土壤溫度高于東南坡，土壤含水量受土壤溫度影響較大，成反比，從而使得東南坡土壤含水量最高，其次是西南坡，東南坡最低[3]。

圖7 南坡不同坡位土壤含水量隨時間變化

圖8 南坡不同坡位空氣相對濕度隨時間變化

大興安嶺山脈是東北西南走向，小興安嶺是西北東南走向，加格達(dá)奇區(qū)正處于兩座山脈的中間，使得該地區(qū)季風(fēng)氣流有點(diǎn)偏向于東南風(fēng)，因此西南坡處于迎風(fēng)坡、空氣對流明顯，使得西南坡溫度最高，南坡氣溫次之，東南坡氣溫最低；空氣濕度受土壤濕度和溫度的影響表現(xiàn)為東南坡最高，其次是西南坡，南坡最低[1]。南坡坡上較坡下空氣流動大、土壤含沙量多、郁閉度低，使得空氣和土壤的溫度坡上大于坡下，土壤含水量受土壤溫度、植被等影響坡下大于坡上；空氣濕度受氣溫、土壤溫濕度、植被覆蓋度、氣流等影響較大，使得空氣相對濕度坡上大于坡下。不同坡向、坡位溫濕度比較可以看出，溫度和土壤含水量、空氣濕度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，即溫度越高土壤含水量和空氣濕度越低。春秋兩季空氣和土壤溫濕度波動大，尤其是空氣溫濕度受季風(fēng)氣候印象大，土壤溫濕度相對穩(wěn)定，但定點(diǎn)測土壤含水量在時間和空間上存在瞬時性，對土壤含水量的研究有不足，建議在以后的相關(guān)的研究中可以適當(dāng)縮短時間間隔，提高對土壤含水量的實(shí)時監(jiān)測。

不同坡向土壤溫度由大到小順序?yàn)槟掀?、西南坡、東南坡，空氣溫度由大到小順序?yàn)槲髂掀?、南坡、東南坡；空氣濕度和土壤含水量由大到小順序均為東南坡、西南坡、南坡，土壤含水量差異較大，空氣溫濕度波動較大。南坡坡上空氣和土壤溫度均大于坡下，坡下土壤含水量大于坡上，空氣濕度坡上大于坡下。不同坡向和坡位土壤溫濕度受空間分布影響差異較大，不同坡向、坡位土壤溫濕度差別較大，氣溫差異較小，不同季節(jié)空氣溫濕度波動較大，而土壤溫度變化相對平穩(wěn)，掌握大興安嶺干旱陽坡蒙古櫟林不同坡向、坡位溫濕度的特征及變化規(guī)律，為以后該地區(qū)干旱陽坡小氣候研究和林業(yè)經(jīng)營提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，及時有效的制定干旱陽蒙古櫟林林業(yè)作規(guī)劃，提高山地林業(yè)效益，對該地區(qū)林業(yè)經(jīng)濟(jì)和林業(yè)研究具有重要意義。

[1] 周曉峰,張遠(yuǎn)東,孫慧珍,等.氣候變化對大興安嶺北部蒙古櫟種群動態(tài)的影響[J].生態(tài)學(xué)報,2002,22(7)：1035-1040.

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[3] 路保昌,薛智德,朱清科,等.干旱陽坡半陽坡微地形土壤水分分布研究[J].水土保持通報,2009,29(1)：62-65.

[4] 潘占兵,余峰,王占軍,等.寧南黃土丘陵區(qū)坡向、坡位對苜蓿地土壤含水量時空變異的影響[J].水土保持研究,2010,17(2)：141-144.

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Effect of Slope Aspect and Slope Position on Temperature and Humidity of the Arid Sunny-slope Mongolian Oak Forests in the Daxing’an Mountains

Ding Yongquan(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)/Journal of Northeast Forestry University，2015,43(4)：46-51.

For the characteristic of the arid sunny-slope Mongolian oak forests temperature and humidity in Daxing’an Mountains, we selected different slope aspect and slope position set observation sample plots and fixed point to measure soil temperature, air temperature, humidity and soil moisture from mid May to early October in 2012. The soil temperature of different slope aspect was in the descending order of southern slope, southwest slope and southeast slope, air temperature was in the descending order of southwest slope, south slope, and southeast slope, and air humidity and soil moisture content was in the descending order of southeast slope, southwest slope and south slope. The southern slope air and soil temperature were in the descending order of upper slope, lower slope, soil moisture was in the descending order of lower slope and upper slope, air humidity was in the descending order of upper slope and lower slope. Air and soil temperature and humidity were affected significantly by spatial distribution and seasonal differences, and soil temperature and humidity were with a clear difference in different slope direction and slope position with large fluctuation in different seasons.

Daxing’an Mountains； Arid sunny-slope; Mongolian oak forests; Soil temperature; Air temperature and hurnidity

1) 國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAD08B02-02)。

丁永全，男，1989年1月生，東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，碩士研究生。E-mail:953097190@qq.com。

2014年7月3日。

S716.3

責(zé)任編輯：潘 華。