山毛桃-側(cè)柏混交林對側(cè)柏的蔭蔽效應(yīng)

陳景玲， 吳 明， 楊喜田

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南 鄭州 450002)

山毛桃-側(cè)柏混交林對側(cè)柏的蔭蔽效應(yīng)

陳景玲， 吳 明， 楊喜田

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南 鄭州 450002)

以側(cè)柏(Platycladusorientalis)純林為對照，研究了側(cè)柏-山毛桃(Prunusdavidiana)群落混交林初夏和秋季山毛桃蔭蔽側(cè)柏的小氣候效應(yīng).結(jié)果表明，混交林對林內(nèi)空氣溫度的午間降溫效應(yīng)不明顯，而秋季降溫效應(yīng)隨著郁閉度增加而增大，使側(cè)柏小氣候環(huán)境提高了濕潤度，相當(dāng)于生長季增加了26.5 mm 的降水; 初夏和秋季林內(nèi)10 cm 處地溫日間呈持續(xù)增加趨勢，最快速升溫的時(shí)間點(diǎn)無論是初夏還是秋季，有山毛桃蔭蔽的均提前0.5～1 h.最大升溫速率均小于無蔭蔽的處理;初夏林內(nèi)空氣相對濕度保持與氣溫位相相反的大陸性氣候特征，而秋季這種日變化特征消失，林內(nèi)空氣相對濕度趨于穩(wěn)定；午間適度蔭蔽有利于提高側(cè)柏幼苗凈光合.研究得出結(jié)論：山毛桃-側(cè)柏混交林能降低林內(nèi)空氣的蒸發(fā)力，減緩林內(nèi)土壤升溫幅度和速率，增加林內(nèi)空氣濕度，并平緩林內(nèi)空氣濕度的波動.

小氣候；郁閉度；混交林；側(cè)柏；蔭蔽

小浪底庫區(qū)屬干旱半干旱區(qū).由于人為影響，植物生境退化，小氣候特征發(fā)生變異，植被恢復(fù)困難.人們希望人工干預(yù)植被恢復(fù)進(jìn)程，加快森林生態(tài)系統(tǒng)重建.主要造林樹種栓皮櫟(Robiniapseudoacacia)、刺槐(Quercusvariabilis)、側(cè)柏等在小浪底庫區(qū)造林均較為困難.主要?dú)庀髥栴}是幼苗時(shí)期最易受到高溫干旱脅迫，而使造林不易成功.水分是限制因素，高溫提高蒸發(fā)力，會加劇受害程度.如果減少高溫危害，減少蒸發(fā)力，相當(dāng)于增加自然降水，對造林幼苗存活是有利的.這方面國外有很多研究，PUERTOLAS[1]研究人工遮蔽物對光的調(diào)節(jié)作用，減少了光產(chǎn)生的高溫脅迫; 有研究表明1.8 m的人造遮蔽物對栓皮櫟幼苗生長有利[2];PEMAN[3]用三維模型探究了其對光環(huán)境的影響，指出保護(hù)措施必須保證較高的光照水平和良好的通風(fēng)條件. BADANO等[4]研究人工遮蔭，認(rèn)為人工遮陰可以模仿保育植物對橡樹幼苗的保育作用.但人工措施工作量大，成本高.為減輕高溫脅迫，利用植物種間相互作用達(dá)到調(diào)控造林幼苗生存環(huán)境的目的，是合理而有效的途徑.閆興富等[5]研究表明，幼苗期林下生境有利存活. JENSEN[6]用生境中現(xiàn)有植物，如灌木作為保護(hù)植物造林幼苗研究,使幼苗平均株高增加; YANG等[7～9]研究表明，灌木和草被都可作為保護(hù)植物.灌木的保護(hù)作用有種間差異[10],而且有時(shí)有相反的結(jié)果，如幼苗種植于無灌木叢的地方比灌木叢中的幼苗存活率會高65%，苗高前者39.60 cm 時(shí)，后者 29.59 cm.其原因是栽植在去除了灌木的地方(或原來就沒有灌木的地方)土壤水分可利用性提高[11].可見，灌木叢不應(yīng)該成為被保育目標(biāo)植物的點(diǎn)位，而應(yīng)該在邊緣.但當(dāng)遭遇水分和溫度等環(huán)境條件極端狀況時(shí)，灌木叢中的負(fù)效應(yīng)會改變?yōu)檎?yīng)，這也顯示出保育作用的復(fù)雜性.只有把植物相互作用和生物學(xué)其他許多領(lǐng)域結(jié)合，才能完全理解植物種間正向作用如何和什么時(shí)候發(fā)生[12].研究認(rèn)為，有植物保護(hù)下的目標(biāo)植物存活率高于采取人工措施，如遮蔭[13,14].目前的種間作用研究多研究木本植物對草本植物的作用，只有少數(shù)研究木本植物之間的關(guān)系[15,16].對混交林這種木本植物之間的相互作用研究較少，且植物種間關(guān)系不清，開展這方面的研究，有利于逐步摸清種間正負(fù)效應(yīng)的發(fā)生時(shí)間及強(qiáng)度等種間關(guān)系特征.側(cè)柏(Platycladusorientalis)的分布范圍較廣，是北方干旱山地的主要造林樹種之一.但由于人工側(cè)柏林生物多樣性低，群落結(jié)構(gòu)簡單.山毛桃 (Prunusdavidiana)為落葉小喬木，喜光、耐旱、耐瘠薄，對氣候和土壤的適應(yīng)性很強(qiáng)，直播的山毛桃當(dāng)年可生長40～50 cm，可以作為優(yōu)良的先鋒樹種使用.本試驗(yàn)利用在小浪底庫區(qū)試驗(yàn)基地營建的側(cè)柏和山毛桃混交林，研究山毛桃林冠對側(cè)柏造林幼苗的蔭蔽效應(yīng)，為植物種間相互作用研究提供基礎(chǔ).

1 材料和方法

1.1測點(diǎn)狀況

試驗(yàn)地位于河南省濟(jì)源市大峪鎮(zhèn)，屬太行山南坡(34°57′N，112°20′E)，海拔為420～460 m.植被以草本植物和灌木較多，但種類和結(jié)構(gòu)組成相對簡單.喬木樹種主要有刺槐、栓皮櫟、側(cè)柏、山毛桃、黃連木(Pistaciachinensis)等，且多以人工林形式出現(xiàn).本試驗(yàn)的監(jiān)測對象為使用種基盤苗營造的側(cè)柏和直播的山毛桃6 a生混交林群落，側(cè)柏和山毛桃均勻分布，株行距為50 cm.對試驗(yàn)地山毛桃進(jìn)行疏伐處理，共設(shè)3個(gè)處理，分別為A處理：側(cè)柏純林，無山毛桃遮蔽，作為對照；B處理：側(cè)柏-山毛桃混交林，用LAI-2000型冠層分析儀分析山毛桃冠層得冠層天空開度DIFN[17]為0.75；C處理：側(cè)柏-山毛桃混交林，山毛桃冠層天空開度為0.13，即B，C 2個(gè)處理的郁閉度分別為0.25和0.87.樣株冠層狀況見表1.

1.2監(jiān)測儀器和時(shí)間

空氣溫度和相對濕度：使用DHM-2型通風(fēng)干濕表(阿斯曼)進(jìn)行，儀器放置位置為側(cè)柏樹冠的2/3株高處(A，B，C處理均為1.3 m).

土壤溫度：使用曲管地溫表測定林下10 cm處地溫.

凈光合速率：用美國Li-COR公司的Li-6400便攜式光合儀.

選擇2010-05-10和2010-10-16晴朗無風(fēng)天氣，對3個(gè)處理進(jìn)行觀測，觀測時(shí)段為7∶00～18∶00，每1 h觀測1次.

1.3數(shù)據(jù)分析方法

1.3.1 山毛桃蔭蔽效應(yīng) 山毛桃的蔭蔽效應(yīng)采用干燥度指標(biāo).由于樹冠的遮蔭有降溫作用，它相當(dāng)于降低了小氣候的蒸發(fā)力，如果日平均溫度為T，根據(jù)干燥度公式

(1)

式中：0.16∑T>0 ℃為蒸發(fā)力，(單位mm). 而0.16∑(T處理-T對照)>0 ℃(單位mm)為蒸發(fā)力的降低.它是山毛桃蔭蔽處理產(chǎn)生的小氣候效應(yīng).

表1 側(cè)柏和山毛桃樣株冠層狀況Table 1 Canopies of Platycladus orientalis and Prunus davidiana samples

1.3.2 山毛桃蔭蔽土壤快速增溫拐點(diǎn)效應(yīng) 王謙等[18]曾將雷蒙德·皮爾(Raymond Pearl )模型應(yīng)用于環(huán)境因子拐點(diǎn)分析，可以很好地確定植物群體莖葉密集的高度.這里用于土壤溫度升溫過程的拐點(diǎn)分析，公式為

(2)

式中：Ti為第i時(shí)刻的土壤溫度(℃);T0為土壤溫度初始值;a,b為待定系數(shù);i為從早晨第1次土溫觀測到其他各觀測時(shí)刻的時(shí)間.

土壤溫度Ti隨時(shí)間增加而增加最快的時(shí)刻，即曲線的拐點(diǎn).對(2)式求二階導(dǎo)數(shù)并令其為0,得拐點(diǎn)

(3)

若令

(4)

和

(5)

則有

Y=α+βX

(6)

用式 (4) 處理測定數(shù)據(jù)，作線性回歸，可確定系數(shù)α和β，進(jìn)而根據(jù)式 (5) 確定a和b.最后根據(jù) (3) 式求得拐點(diǎn)，即為土壤快速增溫點(diǎn).

對(2)求一階導(dǎo)數(shù)得升溫曲線的升溫速率表達(dá)式

(7)

將拐點(diǎn)代入 (7) 式，可求得拐點(diǎn)處土壤溫度曲線的斜率，即為最大升溫速率.

3 結(jié)果與分析

3.1山毛桃蔭蔽對氣溫的降溫效應(yīng)

初夏(5月)測得的各處理側(cè)柏冠層氣溫差異很小，這主要是由于初夏山毛桃葉片剛展開，密度還比較小的緣故.秋季(10-16)的空氣溫度日變化規(guī)律與初夏基本相似，但秋季的觀測結(jié)果表現(xiàn)為有山毛桃蔭蔽的B，C處理曲線接近，即空氣溫度變化規(guī)律一致，并均與A處理(對照)有較大的差異(圖1).其中以C處理蔭蔽降溫效應(yīng)最為明顯.

以日最高溫度和日最低溫度平均代表日平均氣溫.A處理的日平均氣溫為(11.6+30.1)/2=20.9 ℃；C處理的日平均氣溫為(11.9+26.2)/2=19.1 ℃.每日大于10 ℃的積溫差異為20.9-19.1=1.8 ℃·日.整個(gè)秋季山毛桃冠層生長過程共92 d，1.8 ℃·d×92×0.16=26.5 mm.即整個(gè)秋季山毛桃的蔭蔽效應(yīng)使側(cè)柏生存的小氣候環(huán)境減少了蒸發(fā)力，提高了濕潤度，相當(dāng)于增加了26.5 mm的降水.這在干燥度較高的干旱半干旱地區(qū)是有重要意義的.

圖1 秋季不同郁閉度的側(cè)柏冠層氣溫日間變化Fig.1 Daily air temperature variation of platycladus orientalis canopies under different densities of prunus davidiana canopies in autumn

3.2山毛桃蔭蔽對地溫的影響

05-10 10 cm處地溫從7∶00～10∶00，處于一個(gè)緩慢升溫的階段，11∶00以后升溫的速度增大，并一直持續(xù)到觀測結(jié)束時(shí)的18∶00，達(dá)到26.7 ℃.不同郁閉度內(nèi)的10 cm處地溫以B處理為最高，其次是A處理.C處理的地溫為最低(圖2-a).10-16 10 cm處地溫的日間變化規(guī)律與05-10相似(圖2-b)，側(cè)柏純林10 cm處地溫先低后高，升溫快.

圖2 側(cè)柏林下地溫 (10 cm) 日間變化與郁閉度的關(guān)系Fig.2 Daily soil temperature (10 cm) variation of platycladus orientalis under different canopy densities.

土溫快速增溫的時(shí)間，是側(cè)柏生存微氣候條件

的變化規(guī)律特征，有實(shí)際意義.從圖2-a和圖2-b可以看出，各曲線有共同變化規(guī)律，即增長速率由慢到快又到慢，中間必有拐點(diǎn)，它是快速升溫的特征點(diǎn).用PEAL模型模擬各曲線，得表2.從表2可以看出快速升溫的特征點(diǎn)，除初夏的C處理外，無論是初夏的05-10還是秋季的10-16，有山毛桃蔭蔽的土溫拐點(diǎn)均提前0.5～1 h.即快速升溫階段比無山毛桃蔭蔽的處理提前結(jié)束并轉(zhuǎn)入減緩升溫速度的階段.這在當(dāng)?shù)馗邷馗珊档男夂驐l件下可緩解高溫干旱脅迫發(fā)生的可能性和程度.

將表2中的拐點(diǎn)代入式(7)，得最大升溫速率(表2).可以看出，無論是初夏還是秋季，有山毛桃蔭蔽的處理最大升溫速率均小于無蔭蔽的處理，顯示了山毛桃植被蔭蔽的效應(yīng).對比A，B，C處理，可以看出，無論初夏還是秋季均有郁閉度越大最大升溫速率越小的變化規(guī)律.

3.3蔭蔽對相對濕度的影響

由圖3-a可以看出，05-10的林內(nèi)空氣相對濕度從7∶00的日最大值48%～58%，快速降低到11∶00的12%～17%，然后回升到18∶00的14%～21%(圖3-a).郁閉度為0.25的B處理的相對濕度在1 d中的不同時(shí)段始終表現(xiàn)為最高，其次為C和A處理，但郁閉度對每個(gè)時(shí)間相對濕度的影響不明顯.10-16，林內(nèi)相對濕度的日間變化幅度比較小，且隨著郁閉度的增加，相對濕度也明顯增大(圖3-b).最大相對濕度出現(xiàn)在D點(diǎn)，日間變化幅度為99%～79%，最小相對濕度出現(xiàn)在A點(diǎn)，日間變化幅度為85%～34%.

表2 不同處理的Pearl模型模擬結(jié)果Table 2 Modeling results of different treatments according to Pearl’s model

初夏和秋季之間對比有明顯的不同.初夏林內(nèi)的相對濕度是典型的相對濕度和氣溫位相相反的特征.即日出時(shí)的低溫時(shí)相對濕度高，午間的高溫時(shí)段相對濕度低，一直到18∶00溫度均較高，所以相對濕度一直較低.而秋季則幾乎沒有了這種日變化特征.其中的A和B處理還一定程度上具有這種與氣溫位相相反的特征，而C處理則完全消除了這種特征.這充分表現(xiàn)了郁閉度對林內(nèi)相對濕度的控制作用.沒有山毛桃蔭蔽的對照和雖有山毛桃蔭蔽但郁閉度不高的B處理，林內(nèi)空氣相對濕度象裸地小氣候一樣，波動較大；而郁閉度較大的C處理則使日間林內(nèi)相對濕度變得均勻穩(wěn)定.

圖3 側(cè)柏冠層相對濕度日間變化與郁閉度的關(guān)系Fig.3 Daily air humidity variation of platycladus orientalis canopies under different canopy densities

3.4山毛桃蔭蔽對光合作用的影響

由圖4-a可以看出，從早晨到中午，隨著太陽輻射強(qiáng)度增加，光合作用總的趨勢是逐漸增強(qiáng)，午后減弱.不同處理的對比可以看出，在7∶00～12∶00太陽輻射不強(qiáng)時(shí)，郁閉度越大的處理，凈光合速率越小.這說明此時(shí)太陽輻射強(qiáng)度是光合的限制因子，蔭蔽是不利光合的.但到中午的13∶00，各處理凈光合都較高，但B, C處理比對照A光合強(qiáng)度更高，說明遮蔭降溫有利光合作用.C處理低于B處理，說明蔭蔽過多不利光合作用.14∶00仍有B處理高于A處理的特征，C處理也低于B處理，但C處理已低于A處理，說明一旦太陽輻射降低，光合作用則主要由太陽輻射強(qiáng)度決定.蔭蔽作用的降溫、增濕對光合作用促進(jìn)作用不能顯現(xiàn).由圖4-b可以看出，秋季光合作用強(qiáng)度整體上高于初夏，而且由于光合作用比較強(qiáng)，從9∶00～12∶00，均有類似初夏13∶00的特征，即蔭蔽處理B高于對照A，但郁閉度大的C處理凈光合速率不高.

綜合來看，凈光合速率的大小主要受太陽輻射強(qiáng)度和空氣溫度兩個(gè)因子的共同影響，午前太陽輻射是主導(dǎo)因子，蔭蔽越弱越有利于光合；午間(初夏的13∶00和秋季的12∶00)高溫是主導(dǎo)因子，適度蔭蔽有利光合.

圖4 側(cè)柏不同處理凈光合作用強(qiáng)度對比Fig. 4 Daily variation of net photosynthetic rate of platycladus orientalis canopies under different canopy densities

4 結(jié)論與討論

1)與側(cè)柏純林相比，側(cè)柏-山毛桃混交林對初夏林內(nèi)空氣溫度的影響不大，但秋季山毛桃的蔭蔽效應(yīng)使側(cè)柏生存的小氣候環(huán)境減少了蒸發(fā)力，提高了濕潤度，相當(dāng)于增加了26.5 mm的降水.

2)初夏和秋季林內(nèi)10 cm處地溫日間呈持續(xù)增加趨勢.除了初夏的C處理以外，最快速升溫的時(shí)間點(diǎn)無論是初夏還是秋季，有山毛桃蔭蔽的均提前0.5～1 h.無論是初夏還是秋季，有山毛桃蔭蔽的處理最大升溫速率均小于無蔭蔽的處理，顯示了山毛桃植被蔭蔽的效應(yīng).郁閉度越大，最大升溫速率越小, 變化為3～1.3 ℃·h-1.

3)林內(nèi)相對空氣濕度隨時(shí)間的波動性和日間平均值初夏和秋季不同.波動性的規(guī)律是初夏保持相對濕度與氣溫位相相反的大陸性氣候特征，而秋季這種日變化特征消失，林內(nèi)空氣相對濕度波動很小，且郁閉度越大相對濕度波動越小，即林內(nèi)空氣相對濕度越趨于穩(wěn)定；日間均值的規(guī)律是初夏各處理相近，秋季則明顯隨郁閉度增加而增加.

4)凈光合速率受太陽輻射強(qiáng)度和空氣溫度兩個(gè)因子主導(dǎo)，午前太陽輻射是主導(dǎo)因子，蔭蔽不利于光合；午間高溫是主導(dǎo)因子，適度蔭蔽有利光合.利用生境原有植物蔭蔽造林幼苗的意義主要應(yīng)體現(xiàn)在午間高溫低濕階段.

綜合來看，山毛桃-側(cè)柏混交林降低林內(nèi)空氣的蒸發(fā)力，減緩林內(nèi)土壤升溫幅度和速率，增加林內(nèi)空氣濕度，并平緩林內(nèi)空氣濕度的波動.高溫時(shí)段增強(qiáng)光合作用.前3點(diǎn)在干旱季節(jié)和時(shí)段均有利于減少水分過多消耗，結(jié)合對光合作用的影響，從微氣候上顯示了山毛桃-側(cè)柏混交林有利于側(cè)柏造林的生態(tài)效應(yīng).

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(責(zé)任編輯：梁保松)

MicroclimateeffectofmixedforestPlatycladusorientalisandPrunusdavidianaonPlatycladusorientalisafforestation

CHEN Jing-ling, WU Ming, YANG Xi-tian

(College of Forestry, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

In early summer and autumn we studied the microclimate effect of mixed forest ofP.orientalisandP.davidianaP.orientalismonoplantation as a contrast. The results showed: In early summer, the effect of air temperature decreasing around noon period was not clear, whereas in autumn the effect of air temperature decreasing around noon period increased along with density increase. The shading effect ofP.davidianaincreased moist degree and virtually increased precipitation by 26.5mm during the growing season. Soil temperatures at 10 cm depth continually increased in the daytime. The times of rapid soil temperature increasing withinP.orientalisandP.davidianamixed forest were 0.5～1.0 h earlier than that of theP.orientalismonoplantation regardless of in early summer or autumn. And the maximum soil temperature increasing rate was lower than theP.orientalismonoplantation. In early summer, the phase of air humidity was reverse to that of air temperature, which was a typical characteristic of continental climate. In autumn, the typical characteristic of continental climate disappeared. The air humidity changed little. The averages of air humidity of different treatments were close to each other in early summer, whereas in autumn it increased along with forest density increasing. At noon period, when air temperature was high, shading helped photosynthesis. The paper concluded:P.orientalisandP.davidianamixed forest reduced air evaporation capacity, decreased soil temperature rising rate and range, increased air humidity and gentled its fluctuation it was advantageous to reduce exceeding water consumption.

microclimate; canopy density; mixed forest;Platycladus. orientalis; shading

S 716.2

：A

2014-05-14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31170580)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31370621)

陳景玲，1964年生，女，河南洛陽人，副教授，主要從事農(nóng)林氣象研究.

楊喜田，1965年生，男，河南長垣人，教授，博士研究生導(dǎo)師.

1000-2340(2014)05-0579-06