秦岭火地塘天然次生油松林倒木的温度变化特征
2012-12-29张硕新
袁 杰 ,蔡 靖 ,2,侯 琳 ,2,张硕新 ,2
(1. 西北农林科技大学 林学院,陕西 杨凌 712100;2. 陕西秦岭森林生态系统国家野外科学观测研究站,陕西宁陕 711600)
秦岭火地塘天然次生油松林倒木的温度变化特征
袁 杰1,蔡 靖1,2,侯 琳1,2,张硕新1,2
(1. 西北农林科技大学 林学院,陕西 杨凌 712100;2. 陕西秦岭森林生态系统国家野外科学观测研究站,陕西宁陕 711600)
以秦岭火地塘天然次生油松林内的油松和漆树倒木为研究对象,通过数字式瞬时温度计测定了不同树种、不同腐烂等级倒木温度、气温和10 cm 地温的日变化(8:00~18:00)和年变化。结果表明:油松和漆树倒木温度差异不显著,但1~12月漆树倒木温度均高于油松倒木温度;倒木温度有明显的年变化和日变化,并表现出倒木温度的变化滞后于气温和10 cm地温的变化,但倒木温度与气温和10 cm地温间的相关性和滞后性却随树种和腐烂等级而有所不同;对油松和漆树不同腐烂等级倒木温度与气温和10 cm地温间的关系进行拟合可以看出,倒木温度与气温间是一段抛物线,而倒木温度与10 cm地温间存在极显著的线性关系;相较于气温,倒木温度与10 cm地温相关性更为密切,即相关系数更大。
天然次生油松林;秦岭;倒木温度;倒木分解;倒木呼吸;预测模型
粗头直径≥10 cm、长度通常≥1m、倾斜度超过45°的死木质残体称为倒木[1]。倒木作为森林生态系统中的基本生态单位[2],参与整个生态系统的能量流动及物质循环,是森林生态系统中非常重要的营养库和碳库[3]。在森林生态系统中倒木与生产者、消费者、分解者之间都有密切的营养结构,其结构与功能相互制约,相互影响[4]。倒木通过改善微生境条件而有利于种子的更新,倒木温度作为倒木微环境的重要因素之一,影响林区种子的发芽率、发芽速度以及森林更新[5]。倒木分解除了受自身基质质量和结构组成影响外,还与外界各种生态因子有关,是个非常复杂的过程[6]。温度作为关键的生态因子,它的变化直接影响着微生物的生长、繁殖及其生理活动,对倒木分解起着重要的作用[7-10]。近年来,倒木在森林碳循环中的重要性已经逐步引起人们的关注,倒木分解释放CO2通量是生态系统碳平衡中不容忽视的一个组分[11]。许多研究人员在分析环境因子对倒木分解释放CO2通量的影响时都认为倒木温度起着主导作用[12-15]。另外,大尺度碳通量估测时,想要获得倒木温度的实测值比较困难,往往采用气温直接进行估测,这种估测并没有充分考虑到倒木温度对气温的滞后性,存在一定的估算误差[15]。有关倒木的研究虽然受到了广泛的关注,但对秦岭这一独特的中国南北气候区天然分界线的研究还鲜见报道,尤其是对倒木温度变化特征的分析还不够,尚待深入探讨。
本研究以秦岭火地塘天然次生油松林内的油松Pinus tabulaeformis和漆树Toxicodendron vernicif l uum倒木为研究对象,详细比较林内不同腐烂等级倒木温度、气温、地温的日变化和年变化,旨在为倒木对秦岭森林生态系统中生产者的更新提供基础数据,对倒木分解速率的大小及倒木释放CO2通量的多少提供依据。分析不同腐烂等级倒木温度与气温、地温之间的关系,以便秦岭碳通量估测时采用相应的校正方法以减少估算误差。
1 研究地区自然概况
试验地位于陕西秦岭森林生态系统国家野外科学研究站火地塘天然油松群落综合观测场内,地处北亚热带北缘,坡向为西南向,平均坡度约35 °,年平均气温8~10 ℃,年降水量900~1200 mm,年蒸发量800~950 mm,湿润系数为1.022,年日照时数1100~1300 h,生长期为6 个月,无霜期170 d。土壤主要为花岗岩和变质花岗岩母质上发育起来的山地棕壤,土层厚30~50 cm,土壤中砾石含量较高,土壤容重约为1.31。试验地内优势树种为天然次生油松,平均树龄60 a,平均胸径25 cm,平均树高15 m,密度1600 株/hm2,郁闭度0.48。主要伴生树种有锐齿栎Quercus alienavar.acuteserrata、华山松Pinus armandi、红桦Betula albo-sinensis、漆树和青榨槭Acer davidii等。林下灌木个体高110 ~460 cm,平均盖度为52%;林下草本平均高40 cm,平均盖度为35%,镶嵌分布于林隙。
2 研究方法
2.1 倒木温度的测定
在该区选用立地条件基本一致的油松和漆树倒木,将其划分为5 个腐烂等级(见表1),油松和漆树倒木每个腐烂等级各选取3棵,总共选取30 棵倒木。2011年 1月到 12月,每月的 2、5、8、12、15、18、22、25和28 日分别从8:00~18:00每隔1h用数字式瞬时温度计同时测定油松和漆树各腐烂等级的10 cm倒木温度(以下简称倒木温度)、林内距地面1.3m高度空气温度和10 cm地温,每次测定重复3次。
表1 倒木的分解等级划分标准[16]Table 1Classification system of fallen wood decay classes
2.2 数据统计与分析
利用SAS 8.0,通过方差分析(ANOVA)选用DUNCAN新复极差法对油松和漆树倒木温度进行多重比较。通过origin 8.0绘制油松和漆树倒木温度、10 cm地温和气温年变化图,并拟合油松和漆树倒木温度与气温和10 cm地温间的关系。
3 结果与分析
油松和漆树倒木温度呈现明显的年变化(见图1和图2)。油松倒木温度的最高值出现在4 级倒木的8 月18:00,最低值出现在5 级倒木的1月8:00。漆树倒木温度的最高值出现在5 级倒木的8月18:00,最低值出现在5 级倒木的1月11:00。两树种间倒木温度没有显著差异(P>0.05),但是1~12月漆树倒木温度均高于油松倒木温度,所测倒木温度变化范围分别为:油松0.21~23.08 ℃,漆树0.31~23.61℃。油松和漆树倒木在12、1、2月随着腐烂等级的增加温度逐渐下降,3月随漆树倒木的腐烂温度呈下降趋势,而油松倒木温度随倒木腐烂逐渐升高。4~11月油松倒木的温度都随倒木腐烂呈现出先上升后下降的趋势(4>3>5>2>1),而漆树倒木的温度则随着倒木腐烂逐渐上升。1、2月油松和漆树倒木温度的日变化不明显,3、4、7、8 月油松和漆树倒木的温度随着时间逐渐升高,5、6、9、10 月油松倒木温度先上升后下降,16:00达到最高值,而漆树倒木的温度随时间呈现上升的趋势,11、12月油松和漆树倒木温度随时间呈下降趋势。这些变化趋势尤其在高分解等级的倒木(4、5 级)更加明显。总体来看,2011年油松倒木温度从8:00~16:00逐渐上升,16:00之后温度开始下降,下午温度明显高于上午,而漆树倒木温度从8:00~18:00温度持续上升。
该林区气温的最高值出现在7 月15:00,最低值出现在1月8:00(见图3)。10 cm地温的最高值出现在7 月18:00,最低值出现在2月14:00。气温的变化范围-7.45~22.65 ℃,10 cm地温的变化范围0.37~22.78 ℃。10 cm地温全年基本上都随时间呈上升趋势。1~10 月气温基本上随时间呈现出先升高后下降的趋势,15:00温度达到最高值,11、12月气温随时间逐渐下降。
1、8、10、11、12月油松和漆树倒木温度低于10 cm地温,高于气温(见图1,图2和图3)。2月和9 月10 cm地温低于油松和漆树倒木温度,高于气温。3月和4 月10 cm地温大于油松和漆树倒木温度,小于气温。5 月和6 月油松和漆树倒木温度大于10 cm地温,小于气温。7 月气温大于油松和漆树倒木温度,小于10 cm地温。
油松和漆树5 个腐烂等级倒木温度与气温间进行拟合都得到一段抛物线,随着气温的变化,倒木温度缓慢变化,倒木温度明显滞后于气温(见图4和图5)。油松和漆树5 个腐烂等级倒木温度与10 cm地温间存在极显著的线性关系,也具有明显的滞后性。相较于气温,倒木温度与10 cm地温相关性更为密切,即相关系数更大。
图1 油松倒木温度年变化Fig. 1Annual changes of temperature of P. tabulaeformis fallen wood
图2 漆树倒木温度年变化Fig. 2Annual changes of temperature of T. vernicifluum fallen wood
图4 油松倒木温度与气温和10 cm地温的关系Fig. 4 Relationships of P. tabulaeformis fallen wood temperature with air temperature and 10 cm soil temperature
图5 漆树倒木温度与气温和10 cm地温的关系Fig. 5 Relationships of T. vernicifluum fallen wood temperature with air temperature and 10 cm soil temperature
4 讨 论
不同树种间倒木温度差异不显著,这与孙秀云对东北东部山区11个树种倒木温度测定结果一致[14],但与张利敏的研究结果有出入[15]。张利敏认为倒木分解过程中,各树种分解速率差异显著,树种间透气程度出现明显不同,导致倒木温度差异明显[15]。但倒木温度还与微生物的活动有关,微生物对倒木的分解会释放热量使倒木温度上升,油松和漆树倒木在分解过程中微生物的种类和数量可能影响其差异不显著。不同腐烂等级间倒木温度差异明显,尤其是高分解等级的漆树倒木温度变化很明显。这可能是由于漆树倒木的热容量和导热率随着倒木的分解差异较大,尤其是在高分解等级的倒木上热容量和导热率变化更明显。
倒木温度有明显的年变化和日变化,并表现出倒木温度的变化滞后于气温的变化,这与许多研究人员的研究结果类似[5,8,14-15]。这可能是由于倒木的热容量较空气大,导热率小于空气的乱流热交换所致。但是,倒木温度与气温间的相关性和滞后性却随树种和腐烂等级而有所不同。对秦岭地区油松和漆树不同腐烂等级倒木温度与气温间的关系进行拟合可以看出,倒木温度与气温之间的关系呈抛物线型。这与贺旭东[17]认为万木林常绿阔叶林倒木温度与林内大气瞬时温度间呈极显著的线性关系(R2=0.9925)以及孙秀云[14]表明东北主要树种倒木温度与大气瞬时温度间存在显著的线性正相关(R2=0.759)不同。万木林常绿阔叶林属中亚热带季风型气候,年均气温18.7 ℃,最低气温也在7 ℃,而孙秀云只测定了生长季的倒木温度,测定期间气温基本在零上,因此倒木温度与气温之间都存在显著的线性关系。本研究区气温的最低值达到了-7.45 ℃,而倒木温度基本都维持在零以上,因此对于倒木温度与气温不能通过线性关系进行拟合,否则将增大误差,而抛物线则能很好地模拟它们之间的关系。另外,倒木温度与10 cm地温间存在极显著的线性关系,并表现出明显的滞后性。这可能是由于土壤的热容量较倒木大,以及倒木的导热率大于土壤所致。受限于野外试验的条件,本研究并未对全天24 h的温度变化进行连续测定,也未对每日的温度进行连续测定,因此对倒木温度与气温和10 cm地温间的模拟存在一定的误差。如能连续测定倒木温度、气温和10 cm地温的变化,将对倒木温度的估测提供更加科学的依据。另外,倒木温度的变化是否会对全球气候变化产生影响、倒木温度对全球气候变化的影响程度如何以及什么因素影响倒木温度的变化等问题尚不清楚,需要进行深入研究。
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Dynamics characteristics of fallen wood temperature in secondary forest of Pinus tabulaeformis at Huoditang forest region in Qinling mountains
YUAN Jie1, CAI Jing1,2, HOU Lin1,2, ZHANG Shuo-xin1,2
(1. College of Forestry, Northwest A & F University, Yangling 712100, Shaanxi, China; 2. Qinling National Forest Ecosystem Research Station, Ningshan 711600, Shaanxi, China)
Daily and annual changes of different tree species and decay classes of fallen wood’s temperature, air and 10 cm soil temperature were measured by digital instantaneous thermometer in a natural secondary forest of Pinus tabulaeforims at Huoditang forest region in the Qinling Mountains. The fallen wood’s temperature of Toxicodendron vernicif l uum were higher than those of P.tabulaeforims from January to December, but there was no signif i cant difference between them. The fallen wood’s temperature showed obvious daily and annual changes, which lagged behind those of air and 10 cm soil temperature. However, the correlation and lag of fallen wood, air and 10 cm soil temperature varied with tree species and decay classes. The relationship between the temperatures of different decay classes of P. tabulaeforims and T. vernicif l uum fallen wood and the air temperatures were simulated by a parabola, and signif i cant linear relationship between the temperatures of different decay classes of P. tabulaeforims and T. vernicif l uum fallen wood and the 10 cm soil temperatures could be found. Compared with the air temperatures, 10 cm soil temperatures were closer correlated with fallen wood temperatures.
natural secondary forest of Pinus tabulaeformis;Qinling mountains;fallen wood’s temperature; fallen wood’s decomposition; fallen wood’s respiration; forecasting model
S718.5
A
1673-923X(2012)09-0081-06
2012-05-10
国家林业局林业公益性行业科研专项“秦岭山地森林增汇理水技术体系研究”(201004036)
袁 杰(1987-),男,陕西勉县人,硕士研究生,主要从事森林生态研究;E- mail: yuanjie312@126.com
张硕新(1959-),男,陕西户县人,博士,教授,博士生导师,主要从事森林生态和植物生理生态研究;
E-mail: sxzhang@nwsuaf.edu.cn
[本文编校:谢荣秀]