中國森林土壤溫度研究進展

袁孟 李浩燕 王東焱

摘要：森林土壤溫度是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要環(huán)境因素之一。對文獻作者數(shù)、研究機構類型、研究區(qū)域的分布以及研究領域等方面進行綜述，分析近30年來中國森林土壤溫度的研究現(xiàn)狀，對目前研究中存在的問題以及未來的研究趨勢進行展望。

關鍵詞：森林;土壤溫度;森林土壤溫度;喀斯特

中圖分類號：S714.2文獻標識碼：A文章編號：1004-3020（2015）03-0037-05

ResearchProgressofForestSoilTemperatureinChina

YuanMengLiHaoyanWangDongyan

（CollegeofTourismandGeographicalScience，YunnanNormalUniversityKunming650500）

Abstract：Thesoiltemperatureofforestisoneoftheimportantenvironmentalfactorsofforest

ecologicalsystem.Inthispaper，wereviewedtheauthorsofthearticles，typesoftheresearchinstitution，thedistributionofthestudyareasandtheresearchfieldetc.Atlast，weanalyzedtheresearchstatusofforestsoiltemperatureinChinafornearly30years，andthecurrentexistingproblemsandfutureresearchtrendintheresearchareprospected.

Keywords：forest;soiltemperature;forestsoiltemperature;Karst

森林約占陸地面積的30%，土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，其穩(wěn)定性依賴于土壤系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]。而森林土壤溫度是森林植物地下部分的重要環(huán)境要素之一[2]。Gerrish等[3]的研究表明森林土壤溫度的上升可能會引起土壤中HNO3過量和養(yǎng)分失調，導致細根壞死。肖輝林[1]等也認為：土壤溫度上升可能會改變土壤有機質動力學、土壤水文學和土壤物理學，導致生境變化。21世紀以來，不少科研工作者做了森林土壤溫度的相關研究，主要集中在森林土壤呼吸、森林小氣候、土壤理化性質研究等領域，本文綜述了30余年來國內關于森林土壤溫度的研究進展，總結森林土壤溫度的研究成果，揭示研究現(xiàn)狀，展望未來森林土壤溫度的研究熱點和趨勢。

1文獻來源與篩選分析

1.1文獻來源

本文以中國期刊全文數(shù)據(jù)庫（CNKI）、萬方數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)期刊、維普中文科技期刊全文數(shù)據(jù)庫（VIP）、國家科技圖書文獻中心電子數(shù)據(jù)庫為主要檢索方式，對正式出版的學術論文匯編刊物進行篩檢符合條件的中文文獻作為補充;中文檢索詞包括“森林”、“森林土壤溫度”、“森林土壤”、“土壤溫度”、“喀斯特森林”、“喀斯特森林土壤溫度”，以主題、關鍵詞和篇名等檢索方式為主。文獻檢索起止日期為1979年1月1日～2013年12月31日。

對檢索到的文獻進行分類匯總，從森林土壤溫度研究的文獻數(shù)量、涉及的研究區(qū)域、研究領域、作者所屬單位等方面進行分析;通過歸類、排重、刪除不相關文獻，最終獲得242篇文獻。所有文獻幾乎全為中文類核心學術論文，雖然難以窮盡全部已發(fā)表的論文，但相信這對分析結果不會造成太大影響。

1.2文獻分析結果

1.2.1文獻發(fā)表年次分析

關于土壤溫度的研究可追溯到1875年努庫斯對氣溫和不同深度土溫日變化的觀測[4]，但從檢索文獻看，張萬儒[5]等最早做了森林土壤溫度研究。其后，森林土壤溫度的相關研究文獻逐漸有發(fā)表，雖然年際之間存在差異，但受國家政策方針以及一些國際性會議舉辦的影響，自90年代開始逐漸增長（圖1），2011年最多（34篇）。

1.2.2文獻作者數(shù)分析

在統(tǒng)計的242篇文獻中，3人以上合著的文章遠多于兩人合著及一人獨著（表1），說明了森林土壤溫度研究過程中的復雜性，團隊合作的重要性。

1.2.3文章所屬單位分析

在統(tǒng)計的242篇文獻中，總共涉及105個單位，其中，中國科學院系統(tǒng)中，沈陽應用生態(tài)研究所發(fā)文最多（19篇）;政府部門系統(tǒng)中，遼寧省林業(yè)科學研究院、黑龍江省森林工程與環(huán)境研究所發(fā)文最多（均3篇）;高等院校系統(tǒng)中，東北林業(yè)大學最多（18篇），此外，有兩個社會團體共發(fā)文3篇（表2）。從以上分析可以出，發(fā)文最多的單位所在地為原始森林保存面積較大的東北地區(qū)（大小興安嶺一帶）、熱帶植被發(fā)育的華南地區(qū)，以及水熱匹配良好的華中亞熱帶地區(qū)，這與森林的分布有極大的關系，此外，從單位性質看，均以林業(yè)為主的科研單位，這表明，森林土壤溫度的研究也與各科研單位的知識背景，科研慣例、單位性質有關。

1.2.4文獻研究區(qū)域分析

對統(tǒng)計的242篇文章進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)除香港、澳門、天津、臺灣、上海五省、市、區(qū)無文獻，國內其他省區(qū)均有科研文獻，其中，廣東最多（22篇）（表2）。此外，中國以外區(qū)域（韓國、非洲（埃塞俄比亞高原））的文章有兩篇，說明森林土壤溫度的相關研究涉及區(qū)域廣泛，但國內較集中，研究區(qū)域出現(xiàn)頻率的高低與文章掛靠單位的次數(shù)具有一定的對應關系，其他省區(qū)文獻相對較少，一定程度說明森林土壤溫度的研究具有一定的區(qū)域限制性。

1.2.5文獻研究領域分析

通過對森林土壤溫度的研究內容進行統(tǒng)計分析，近30余年來的研究內容可概括為8個領域（表4）?？梢钥闯銎鋬热葜饕性谏滞寥罍囟扰c土壤理化性質研究方面，其中包含了土壤呼吸、CO2通量、土壤N、P等方面;森林土壤溫度與氣候、生物（根系、土壤動物與微生物等）以及森林土壤溫度的研究，其他領域較為薄弱。

2森林土壤溫度文獻的研究內容分析

2.1森林土壤溫度規(guī)律研究

2.1.1非喀斯特區(qū)域森林土壤溫度特征

研究表明：森林上層土壤溫度的季節(jié)性動態(tài)變化較明顯（7，8月份土壤溫度升高），且林型不同，土壤溫度狀況也不同[5]。一般來講，混交林對土壤溫度的影響大于純林，其日較差和最高溫均低于純林，而且混交林內各土層溫度比純林低1℃左右[6-7]?？傮w上來講，森林土壤溫度的日變幅和季節(jié)變幅都是上層較大，越向下層越小[8]。

森林植被的遮蓋作用，使得林內地表及其以下各深度的土壤溫度比林外低，且溫差、變幅小，季節(jié)變化表現(xiàn)為：夏季土壤溫度上層高于下層，冬季相反;春、秋兩季白天上層土溫高于下層，夜間則相反;森林具有夏季降低林內土壤溫度，冬、春季提高林內土壤溫度的作用[7，9，10，11]。而且森林覆蓋度好的區(qū)域其土壤溫度低于覆蓋度差的區(qū)域，更有利于植物幼苗的更新、實生苗以及植物根系的生長等，因此能提高森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[12]。

此外，森林郁閉度、冠幅和冠長對40～60cm深度處的土壤溫度影響最大，胸徑和樹高生長與土壤溫度成反比;因此，加強森林資源的更新和保護，是減緩土壤變暖的有效途徑[13]。

城市森林中的土壤溫度年際變化趨勢與當?shù)卮髿夂虻臅r態(tài)一致（包括氣候異常在土溫方面的表現(xiàn)），月均最高溫為7月或8月，1月最低;11月～翌年2月，林內土溫高于林外，12月差值最大;3～10月林外高于林內，7月差值最大;土溫的年均值、月際差、月變幅、日均垂直梯度分布范圍，通常是林內小于林外，地內小于地面;此外，吳力立等理論上算出林內土壤年恒溫層的起始深度比空曠地低2～5m，說明城市森林土壤貯存熱量的能力強于無林地，但是否另有熱量（源）有待考證[14]。徐文鐸等[15]在沈陽的研究表明：森林生長季前期、中期、后期土壤溫度為白天高于夜間，而停止生長期（休眠期）為夜間高于白天;不同生長期土溫日振幅上層（20cm）>中層（40cm）>下層（80cm），但同一層不同生長期的土溫日振幅相對復雜。

2.1.2喀斯特區(qū)森林土壤溫度特征

喀斯特森林是發(fā)育在富含鈣鎂離子的中性至微堿性的隱（域）性石灰土及喀斯特地貌上的生態(tài)系統(tǒng)，其地貌的特殊性導致在其上發(fā)育的森林有別于常態(tài)地貌上發(fā)育的森林，以常態(tài)地貌上發(fā)育的馬尾松林與草地作為對照，對發(fā)育在喀斯特地貌上的常綠闊葉林（生境較好的貴州花溪公園）林內土壤溫度和土壤熱通量的變化分析結果表明：土壤溫度與熱通量的變幅均為常綠闊葉林<馬尾松林<草地，說明植被覆蓋等級越高的區(qū)域其小氣候更穩(wěn)定，更有利于植被的更新和繁殖[16]。隨著演替的進行，群落內小氣候環(huán)境朝著更為陰、涼、潮濕的環(huán)境演化，波動性減弱，穩(wěn)定性不斷增強，森林土壤環(huán)境也更適宜植物的生長，從而有利于演替的順向進行[17];俞國松等[18]在茂蘭國家自然保護區(qū)的研究，向悟生等[19]對廣西典型巖溶區(qū)巖溶植被演替過程中主要小氣候因子的日變化特征的研究結果都與其相一致。此外，黃承標等[2]認為：森林對于減緩土壤年、日溫度振幅以及夏季的緩熱降溫和冬季的緩冷保溫作用，均表現(xiàn)為密度及郁閉度大的林分優(yōu)于密度及郁閉度小的林分、天然常綠闊葉林優(yōu)于人工杉木林，且緩熱降溫>緩冷保溫作用;由于同一區(qū)域森林與空曠地的土壤溫度呈極顯著的直線相關關系，因此，可根據(jù)空曠地的土壤溫度來估測森林的土壤溫度。

2.2森林土壤溫度與土壤呼吸

土壤呼吸是指土壤釋放CO2的過程，是碳循環(huán)過程中的一個重要環(huán)節(jié)[20]。森林土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的重要組成部分[21]，據(jù)估計，全球土壤呼吸作用每年向大氣中釋放的碳（約為75～120pg）僅次于GPP（全球陸地總初級生產(chǎn)力）的估算值[22]。而森林土壤及其有機層卻儲存了森林生態(tài)系統(tǒng)39%的碳[23]。因此，森林土壤呼吸的研究具有重要意義。

土壤溫度的變化，可促進或減弱土壤的呼吸作用[21]。一些學者指出：5cm土壤溫度與森林土壤呼吸具有良好的相關性，可以解釋土壤呼吸速率季節(jié)變異的60%～80%[24-25]。其他一些研究者也得到相類似的結果。而王鳳文等認為，森林土壤呼吸與0～10cm土層溫度具有很好的相關性[26].。指數(shù)回歸模型說明土壤呼吸速率與10cm土溫的相關性更好[27]。也有研究認為：氣溫、地表溫度以及5cm，10cm，15cm和20cm的土壤溫度均與土壤呼吸速率呈顯著的指數(shù)關系，而且溫度對土壤呼吸的影響效果表現(xiàn)為低溫時比高溫時更為顯著[28]。此外，土壤呼吸速率與氣溫和不同深度土壤溫度也存在顯著的指數(shù)相關關系，但與氣溫的相關性最好，其次是地表溫度[29]。隨著海拔的增加，可以用一個指數(shù)關系描述森林土壤CO2釋放與土壤溫度間表現(xiàn)出的顯著正相關關系（R2=0.34，P<0.05）[30]。

劉穎等[31]在長白山的研究認為：闊葉紅松林、紅松云冷杉林、岳樺、云冷杉林和岳樺林四種森林的土壤呼吸與土壤溫度間都呈極顯著（p<0.01）指數(shù)相關關系。龔斌[32]等在井岡山保護區(qū)的研究結果與其相似。常建國等[33]對北亞熱帶-南暖溫帶過渡區(qū)典型森林生態(tài)系統(tǒng)進行觀測結果表明：森林土壤溫度對土壤呼吸速率的影響高于土壤含水率的影響。在0～35℃范圍內的實驗室條件下，土壤呼吸速率與土壤溫度呈正相關關系，土壤溫度和水分對土壤呼吸作用存在明顯的交互作用[34]。在水分含量充足、不成為限制因子的條件下，土壤溫度是控制土壤CO2釋放的主要因子[35]。

2.3森林土壤溫度與土壤微生物的關系

溫度對土壤呼吸的影響主要是通過對土壤微生物活性以及根系生長的影響來實現(xiàn)的[36]。土壤微生物推動著生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和物質循環(huán)，維持著生態(tài)系統(tǒng)的正常運轉;許多研究表明，土壤微生物生物量的動態(tài)變化與土壤溫度或土壤濕度的季節(jié)動態(tài)變化呈顯著相關[37-40]。

陳國潮[37]等認為：土地利用方式、肥力水平不相同的情況下，酸性紅壤的土壤微生物量C、N總的趨勢均表現(xiàn)為夏季高、冬季低，與春秋兩季較為接近，介于兩者之間。一些研究者的結果與其類似，但認為其季節(jié)性變化規(guī)律還表現(xiàn)為5～9月份逐漸增加，峰值出現(xiàn)在9月，10月份以后呈下降趨勢，并且根際的變化比根圍更加明顯[38，39，41]。土壤溫度、濕度對土壤微生物具有較大影響。

2.4森林土壤溫度與土壤酶

土壤酶參與土壤的各種生物化學過程，在凋落物分解、碳氮礦化和養(yǎng)分循環(huán)過程中起重要作用，但其活性受到土壤水熱等因素的影響[42]。

土壤完全凍結期，森林群落各水解酶的活性相對較高;土壤融化前期，隨土壤溫度升高，除中性磷酸酶外，其他水解酶活性均出現(xiàn)了一個爆發(fā)性增高，然后迅速降低的過程;隨后，除轉化酶外，其他水解酶活性均隨土壤溫度的升高而持續(xù)增高;相對于礦質土壤層，凍融末期土壤有機層的水解酶對土壤溫度變化的響應更加明顯[43]。

3森林土壤溫度研究的問題與展望

3.1森林土壤溫度研究面臨的問題

森林土壤溫度研究具有重要的生態(tài)意義與社會意義，其相關研究起步雖早，但是直到本世紀初期才開始緩慢發(fā)展。

從文獻作者數(shù)分析結果來看，團隊合作對于森林土壤溫度的研究進展較為有利，但某些因素導致了這種優(yōu)勢發(fā)揮受限;該類研究主要集中于高等院校以及部分政府部門，缺乏社會關注度，應增加公眾教育，鼓勵社會集體參與探討;從研究所涉及的區(qū)域來看，主要集中于森林資源相對豐富，且科研機構集中的中國熱帶、亞熱帶，以及原始森林發(fā)育保存相對完好的東北大小興安嶺、長白山一帶，而我國西南喀斯特片區(qū)較少，研究區(qū)域具有一定的局限性;從森林土壤相關研究涉及的研究領域來看，雖然近30余年來的研究涉及10余個領域，但研究方向集中，其他領域較為薄弱，體系單一。

3.2未來研究的展望

（1）應加強基礎學科的建設，增強社會關注度，在森林土壤溫度對林木生長及林木經(jīng)營等方面研究有待加強，可為林木的可持續(xù)經(jīng)營提供理論依據(jù)。

（2）中國西南喀斯特地區(qū)是“世界上最大的喀斯特連續(xù)帶”，該區(qū)存在生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分不平衡，石質山地土壤-植被系統(tǒng)中礦質養(yǎng)分不足[44-46]，地質環(huán)境脆弱，貧困人口集中，人地矛盾尖銳等問題，導致了整個喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)失調。因此，加強喀斯特巖溶區(qū)特別是中國西南喀斯特區(qū)的研究具有一定的緊迫性。

（3）在研究方向上，應加強森林土壤溫度與森林生態(tài)系統(tǒng)關系的研究。例如，在區(qū)域生態(tài)恢復工程中，可以通過區(qū)域土壤溫度特征選擇適當?shù)姆N苗，可減輕大面積快速生態(tài)恢復但造林成活率低的損失。

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（責任編輯：鄭京津）