石灰?guī)r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(yè)大學(xué) 森林資源與環(huán)境學(xué)院，南京210037）

隨著氣候的改變，生態(tài)環(huán)境的惡化，荒山綠化成為生態(tài)修復(fù)的重要手段。營造良好的人工林體系可涵養(yǎng)水源、保持水土、有效抗御自然災(zāi)害，顯著改善環(huán)境條件，充分發(fā)揮其生態(tài)效益。地形條件、森林植被結(jié)構(gòu)、營林措施等因素在森林與外部的水熱傳輸以及林內(nèi)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(nèi)光合作用、營養(yǎng)循環(huán)和水分傳輸與分配控制生態(tài)系統(tǒng)的主要過程［1－3］。因此，森林小氣候研究是探討森林生態(tài)過程的重要內(nèi)容。森林植被配置模式的差異是影響林內(nèi)小氣候最為常見和最重要的因素之一，據(jù)國內(nèi)外的大量研究表明，選用種間關(guān)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(qiáng)人工林的抗性，改善小氣候效應(yīng)，提高較差立地上人工林生產(chǎn)力。

目前有關(guān)森林小氣候效應(yīng)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(hù)林以及生態(tài)經(jīng)濟(jì)林等人工林［6－9］，而對(duì)立地條件差的石灰?guī)r山地人工林小氣候效應(yīng)研究較少。側(cè)柏適應(yīng)能力強(qiáng)，對(duì)土壤的要求不嚴(yán)，能夠固土護(hù)坡，綠化效果好，在徐州石灰?guī)r山地的植被恢復(fù)中起著重要作用。早期有關(guān)側(cè)柏混交林和純林小氣候效應(yīng)的研究僅局限于對(duì)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(duì)徐州石灰?guī)r山地側(cè)柏女貞混交林和側(cè)柏純林不同季節(jié)空氣溫濕度、土壤溫度和水分特征進(jìn)行分析和比較，揭示不同種植模式下林分對(duì)環(huán)境的影響，正確認(rèn)識(shí)森林的調(diào)節(jié)功能和生態(tài)效益，為困難地森林生態(tài)系統(tǒng)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累，同時(shí)也對(duì)人工林恢復(fù)植被選擇和樹種配置模式供了一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究地點(diǎn)位于江蘇省徐州市銅山縣呂梁林場(chǎng)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(fēng)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(shí)數(shù)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(qū)內(nèi)的丘陵山地，研究區(qū)裸巖率較高，部分土層含石率高達(dá)80%。土壤類型為石灰?guī)r發(fā)育而成的粗骨褐土和淋溶褐土，土壤大多無石灰反應(yīng)，腐殖質(zhì)少，保肥水能力差。研究地區(qū)喬木種植模式主要包括側(cè)柏純林、側(cè)柏欒樹混交林、側(cè)柏楓香林和側(cè)柏女貞林等，林木長勢(shì)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(cè)柏女貞混交林（CN）、側(cè)柏純林（CB）內(nèi)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(jìn)行氣象觀測(cè)，同時(shí)在林外設(shè)置2塊荒空地（CK）作為對(duì)照樣地。于2013年3月對(duì)樣地植被結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查結(jié)果見表1。

本研究采用EM50數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行各環(huán)境因子的連續(xù)測(cè)定。每個(gè)樣地配置1個(gè)EM50數(shù)據(jù)采集器，每個(gè)數(shù)據(jù)采集器裝備1個(gè)EHT（空氣溫度／相對(duì)濕度傳感器）、2個(gè)5TE（土壤溫度／含水量傳感器）。測(cè)定的小氣候因子包括空氣溫度（℃）、空氣相對(duì)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?guī)r山地土層較薄，土壤含石量極高，未能使用5TE傳感器對(duì)更深層次土壤溫度和土壤含水量進(jìn)行測(cè)定研究。設(shè)置數(shù)據(jù)采集器平均數(shù)據(jù)的記錄間隔為10min，數(shù)據(jù)采集時(shí)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(shù)據(jù)通過電腦安裝的ECH2O Utility軟件轉(zhuǎn)換和導(dǎo)出。

使用Excel 2003軟件進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、計(jì)算以及圖表制作；采用SPSS 17.0軟件對(duì)不同樣地小氣候指標(biāo)進(jìn)行方差分析（ANOVA）和多重比較。

表1 樣地基本概況

2 結(jié)果與分析

2.1 林內(nèi)外平均氣溫比較

2.1.1 氣溫日變化 比較不同時(shí)間氣溫變化可以反映出不同林分以及林內(nèi)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(guī)律，隨著太陽輻射的增加，氣溫逐漸上升，12：00時(shí)氣溫達(dá)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(shí)刻氣溫值均為CN＜CB＜CK?？偟膩碚f，混交林內(nèi)的平均氣溫較純林低，且日均氣溫比純林低0.49℃，這是因?yàn)榛旖涣止趯颖燃兞趾?，葉面積指數(shù)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?guī)r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(jié)變化 從表2看出，四個(gè)季節(jié)氣溫月均值基本都是林內(nèi)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(cè)柏女貞混交林的月均溫度略高于側(cè)柏純林，這說明冬天混交林能夠穩(wěn)定氣溫，避免林內(nèi)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(dá)到顯著水平；10月份和12月份3個(gè)樣地間氣溫沒有明顯的區(qū)別。這說明相對(duì)于空地來說，春季和夏季林內(nèi)外氣溫有明顯差距。

表2 不同季節(jié)氣溫比較

2.2 林內(nèi)外空氣相對(duì)濕度比較

2.2.1 空氣相對(duì)濕度日變化 如圖2所示，除了早上8：00空氣相對(duì)濕度純林略高于混交林，其他時(shí)刻基本為CN＞CB＞CK。空氣相對(duì)濕度從早上8：00逐漸升高，在10：00達(dá)到最大值，此時(shí)相對(duì)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?；旖涣值淖畹拖鄬?duì)濕度出現(xiàn)在中午12：00，純林最低相對(duì)濕度出現(xiàn)在14：00，而林外相對(duì)濕度最低點(diǎn)出現(xiàn)在16：00。此外，混交林的相對(duì)濕度日變化趨勢(shì)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(huán)境下，混交林能夠增加空氣濕度，使其穩(wěn)定在較高的水平。兩種林分內(nèi)空氣相對(duì)濕度都明顯高于林外空氣濕度，這是因?yàn)榱值貎?nèi)樹木可以吸取土壤水分供林木蒸騰消耗，隨蒸騰作用的進(jìn)行，林地空氣濕度提高，同時(shí)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(kuò)散，致使林地空氣濕度比空地高。

圖2 夏季空氣相對(duì)濕度日變化

2.2.2 空氣相對(duì)濕度季節(jié)變化 從表3中可以看出，兩種人工林內(nèi)空氣相對(duì)濕度在不同季節(jié)呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，即4月份相對(duì)濕度最小，7月份降水量豐富，空氣相對(duì)濕度最大。7月份和10月份側(cè)柏女貞混交林相對(duì)濕度比側(cè)柏純林分別大5.5%，5.9%，而4月和12月混交林內(nèi)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(duì)濕度沒有顯著差異，而林內(nèi)外空氣相對(duì)濕度差異較大；7月份混交林與純林相對(duì)濕度有差異但不顯著，而與林外空氣相對(duì)濕度差異達(dá)到顯著水平；12月份3個(gè)樣地間相對(duì)濕度沒有明顯區(qū)別。

表3 不同季節(jié)空氣相對(duì)濕度比較

2.3 林內(nèi)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(guī)律相似，從8：00左右溫度開始上升，14：00左右達(dá)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(shí)為3.8℃、3.5℃、3.3℃，14：00時(shí)為2.9℃、3.5℃、4.1℃，18：00時(shí)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(qiáng)，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(shí)間土壤溫度比較

2.3.2 土溫季節(jié)變化 由圖4可以看出，3個(gè)樣地四季土溫變化規(guī)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(nèi)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(nèi)地下5cm土溫略高于林外?；旖涣趾图兞侄寄軌蚪档屯寥罍囟龋腔旖涣至謨?nèi)土溫降低的更多，混交林穩(wěn)定土溫的能力較純林強(qiáng)。這是因?yàn)榕c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(kuò)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(jié)變化

2.4 林內(nèi)外土壤含水量比較

由圖5可見，不同季節(jié)土壤水分含量與空地相對(duì)濕度的變化規(guī)律相似，都是夏季最大，春季最小，這是因?yàn)榭諝獾南鄬?duì)濕度越大，水汽越多，進(jìn)入土壤中的水分也越多，土壤濕度就會(huì)增加。4個(gè)季節(jié)土壤水分含量均為CN＞CB＞CK，相對(duì)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(duì)物質(zhì)的吸收，而混交模式林分土壤含水量比純林更高。從季節(jié)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(dòng)范圍，這可能與土壤質(zhì)地和高含石量有關(guān)。此外，7月份各樣地間土壤含水量達(dá)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(jié)論與討論

從溫度日變化來看，夏季白天各時(shí)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(dá)到顯著水平，但與林外氣溫差異達(dá)到顯著水平，秋季和冬季3個(gè)樣地間溫度沒有明顯的區(qū)別。

不同季節(jié)空氣相對(duì)濕度為夏季＞秋季＞冬季＞春季，夏季空氣相對(duì)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(qiáng)，林分高空氣濕度能夠減少植物和土壤蒸發(fā)，使作物在較好的水分平衡狀態(tài)下生長。4月份混交林與空地相對(duì)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(duì)濕度比純林分別大5.5%、5.9%，但二者差異未達(dá)到顯著水平，但與空地相對(duì)濕度差異性顯著。12月份3個(gè)樣地間相對(duì)濕度沒有明顯區(qū)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(nèi)能夠改良土、增強(qiáng)土壤生產(chǎn)力［11］。

3個(gè)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(dá)到顯著水平，其他月份差異不明顯，說明混交林涵養(yǎng)水源的能力較純林強(qiáng)。

總的來說，混交林改善小氣候能力比純林更強(qiáng)，主要表現(xiàn)在增加空氣濕度和土壤水分含量，穩(wěn)定氣溫和地溫，這對(duì)于植物生長發(fā)育、有機(jī)物的積累及品質(zhì)的提高具有重要的生理生態(tài)學(xué)意義。土壤溫度由于溫度變化遲滯效應(yīng)，日變化和季節(jié)變化與氣溫變化不同步，空氣溫度對(duì)太陽輻射強(qiáng)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(jié)變化較小［12－14］，同本研究結(jié)果一致。

石灰?guī)r山地由于其特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，生態(tài)敏感度高，穩(wěn)定性差，營造良好的小氣候條件是實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)。筆者對(duì)部分小氣候因子日變化和季節(jié)變化進(jìn)行具體闡述，但未結(jié)合喬木生長狀況進(jìn)行綜合分析，以后需深入研究側(cè)柏女貞混交林和側(cè)柏純林生長能力與小氣候之間的關(guān)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(xué)。

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