石灰岩山地两种模式人工林小气候比较

蒋丹丹，万福绪，黄文庆

（南京林业大学 森林资源与环境学院，南京210037）

随着气候的改变，生态环境的恶化，荒山绿化成为生态修复的重要手段。营造良好的人工林体系可涵养水源、保持水土、有效抗御自然灾害，显著改善环境条件，充分发挥其生态效益。地形条件、森林植被结构、营林措施等因素在森林与外部的水热传输以及林内水热分布格局中起着重要作用，森林通过形成与外部截然不同的小气候，影响植被生长、种子繁殖及土壤微生物生境，还通过影响林内光合作用、营养循环和水分传输与分配控制生态系统的主要过程［1－3］。因此，森林小气候研究是探讨森林生态过程的重要内容。森林植被配置模式的差异是影响林内小气候最为常见和最重要的因素之一，据国内外的大量研究表明，选用种间关系融洽的树种营造混交林，能较大幅度地提高林分的生长量，增强人工林的抗性，改善小气候效应，提高较差立地上人工林生产力。

目前有关森林小气候效应研究主要集中于立地条件良好的天然林［4－5］、水土保持林、沿海防护林以及生态经济林等人工林［6－9］，而对立地条件差的石灰岩山地人工林小气候效应研究较少。侧柏适应能力强，对土壤的要求不严，能够固土护坡，绿化效果好，在徐州石灰岩山地的植被恢复中起着重要作用。早期有关侧柏混交林和纯林小气候效应的研究仅局限于对二者日变化［10］的概述，未研究月变化和年变化情况。本文通过对徐州石灰岩山地侧柏女贞混交林和侧柏纯林不同季节空气温湿度、土壤温度和水分特征进行分析和比较，揭示不同种植模式下林分对环境的影响，正确认识森林的调节功能和生态效益，为困难地森林生态系统研究提供基础数据积累，同时也对人工林恢复植被选择和树种配置模式供了一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研究地点位于江苏省徐州市铜山县吕梁林场的小黑 山，117°28′34″—117°28′41″E，34°10′42″—34°10′51″N。铜山县属暖温带湿润和半湿润的季风气候，光照充足，降水量较为充沛，四季分明。年均气温13.9℃，年日照时数为2 284～2 495h，日年均降水量800～930mm，雨季降水量占全年的56%。本研究所选择的两种模式人工林样地均分布在铜山区内的丘陵山地，研究区裸岩率较高，部分土层含石率高达80%。土壤类型为石灰岩发育而成的粗骨褐土和淋溶褐土，土壤大多无石灰反应，腐殖质少，保肥水能力差。研究地区乔木种植模式主要包括侧柏纯林、侧柏栾树混交林、侧柏枫香林和侧柏女贞林等，林木长势较同林龄下土壤状况良好的人工林差，且林下灌木和草本较少。

1.2 研究方法

分别在侧柏女贞混交林（CN）、侧柏纯林（CB）内各选择海拔、坡向、坡度和坡位相近的2块面积为20m×20m的林地进行气象观测，同时在林外设置2块荒空地（CK）作为对照样地。于2013年3月对样地植被结构进行调查，调查结果见表1。

本研究采用EM50数据采集器进行各环境因子的连续测定。每个样地配置1个EM50数据采集器，每个数据采集器装备1个EHT（空气温度／相对湿度传感器）、2个5TE（土壤温度／含水量传感器）。测定的小气候因子包括空气温度（℃）、空气相对湿度（%）、土壤表层温度（℃）、土壤地下5cm温度（℃）以及土壤含水量（%）。由于石灰岩山地土层较薄，土壤含石量极高，未能使用5TE传感器对更深层次土壤温度和土壤含水量进行测定研究。设置数据采集器平均数据的记录间隔为10min，数据采集时间为2013年春季（4月）、夏季（7月）、秋季（10月）和冬季（12月）。收集到的数据通过电脑安装的ECH2O Utility软件转换和导出。

使用Excel 2003软件进行原始数据的统计、计算以及图表制作；采用SPSS 17.0软件对不同样地小气候指标进行方差分析（ANOVA）和多重比较。

表1 样地基本概况

2 结果与分析

2.1 林内外平均气温比较

2.1.1 气温日变化 比较不同时间气温变化可以反映出不同林分以及林内外温度日变化差异及程度。图1为7月3—5日气温日变化曲线，从图中可以看出，3种样地气温具有相似的日变化规律，随着太阳辐射的增加，气温逐渐上升，12：00时气温达到最大值，之后随着太阳辐射的降低，气温逐渐下降。上午8：00—12：00之前各样地气温值差距较小，10：00以后气温差值逐渐增大，16：00以后CN和CB气温差值逐渐缩小，各时刻气温值均为CN＜CB＜CK。总的来说，混交林内的平均气温较纯林低，且日均气温比纯林低0.49℃，这是因为混交林冠层比纯林厚，叶面积指数较大，遮挡的光照多，使得气温有所降低，但是二者温度差值较小，这可能是石灰岩山地立地条件差、林分稀疏的缘故。

图1 气温日变化

2.1.2 气温季节变化 从表2看出，四个季节气温月均值基本都是林内低于林外，混交林低于纯林，两种林分气温差值7月份最大，12月份最小，说明夏季混交林降温效果比纯林好。此外，12月份侧柏女贞混交林的月均温度略高于侧柏纯林，这说明冬天混交林能够稳定气温，避免林内温度降至较低水平，冻伤植被。另外，4月和7月混交林与纯林以及混林与林外气温有一定的差异但不很显著，而混交林与林外气温差异达到显著水平；10月份和12月份3个样地间气温没有明显的区别。这说明相对于空地来说，春季和夏季林内外气温有明显差距。

表2 不同季节气温比较

2.2 林内外空气相对湿度比较

2.2.1 空气相对湿度日变化 如图2所示，除了早上8：00空气相对湿度纯林略高于混交林，其他时刻基本为CN＞CB＞CK。空气相对湿度从早上8：00逐渐升高，在10：00达到最大值，此时相对湿度值混交林为86.1%、纯林为85.5%、空地为79.5%，随后缓慢变化。混交林的最低相对湿度出现在中午12：00，纯林最低相对湿度出现在14：00，而林外相对湿度最低点出现在16：00。此外，混交林的相对湿度日变化趋势较为平缓，纯林空气湿度在10：00—14：00之间降幅较大，这说明在温度较高的环境下，混交林能够增加空气湿度，使其稳定在较高的水平。两种林分内空气相对湿度都明显高于林外空气湿度，这是因为林地内树木可以吸取土壤水分供林木蒸腾消耗，随蒸腾作用的进行，林地空气湿度提高，同时林冠可以阻挡林地与空地间空气交换，林地水汽不易向外扩散，致使林地空气湿度比空地高。

图2 夏季空气相对湿度日变化

2.2.2 空气相对湿度季节变化 从表3中可以看出，两种人工林内空气相对湿度在不同季节呈现出相同的变化趋势，即4月份相对湿度最小，7月份降水量丰富，空气相对湿度最大。7月份和10月份侧柏女贞混交林相对湿度比侧柏纯林分别大5.5%，5.9%，而4月和12月混交林内湿度略低于纯林。通过单因素方差分析表明：4月份和10月份混交林与纯林空气相对湿度没有显著差异，而林内外空气相对湿度差异较大；7月份混交林与纯林相对湿度有差异但不显著，而与林外空气相对湿度差异达到显著水平；12月份3个样地间相对湿度没有明显区别。

表3 不同季节空气相对湿度比较

2.3 林内外土温比较

2.3.1 土温日变化 图3为7月份10：00，14：00和18：00土温变化情况。从图中可以看出，地表温度日变化与气温日变化规律相似，从8：00左右温度开始上升，14：00左右达到最大值，之后逐渐下降。地下5 cm温度也随着地表温度的升高而升高、随着地表温度的下降而降低，但是不同模式下地表温度和地下5 cm温度变化程度不同。各样地地表温度均高于地下5cm温度，不同样地地表温度和地下5cm温度均为CN＜CB＜CK，且混交林10：00—14：00土温升幅以及14：00—18：00土温降幅比纯林和空地小。CN，CB和CK地表温度与地下5cm温度差值10：00时为3.8℃、3.5℃、3.3℃，14：00时为2.9℃、3.5℃、4.1℃，18：00时为1.7℃、0.9℃和1.0℃，在温度较高的午后混交林地表温度与地下5cm温度差值较其他样地小，说明混交林土壤热传递能力强，降低地表温度，避免土温过高影响土壤微生物作用和植物的生长。

图3 不同时间土壤温度比较

2.3.2 土温季节变化 由图4可以看出，3个样地四季土温变化规律大致相同，平均温度均为夏季＞秋季＞春季＞冬季，且地表温度均大于地下5cm温度。各样地地表和地下5cm土温值夏季差值最大，冬季差值最小，7月份土温大小顺序依次为CN地下5cm＜CB地下5cm＜CN地表＜CB地表＜CK地下5cm＜CK地表，林内地表温度比林外地下5cm的温度还低，此外，4月份和10月份土温顺序CN地下5cm＜CB地下5cm＜CN地表＜CK地下5cm＜CB地表＜CK地表，12月份林内地下5cm土温略高于林外。混交林和纯林都能够降低土壤温度，但是混交林林内土温降低的更多，混交林稳定土温的能力较纯林强。这是因为与纯林相比，混交林气温较低，土温也更低，土壤得到更好的改良，土壤热量扩散和传递能力比纯林更好，使土壤温度不至于过高，也不至于过低。

图4 土壤温度季节变化

2.4 林内外土壤含水量比较

由图5可见，不同季节土壤水分含量与空地相对湿度的变化规律相似，都是夏季最大，春季最小，这是因为空气的相对湿度越大，水汽越多，进入土壤中的水分也越多，土壤湿度就会增加。4个季节土壤水分含量均为CN＞CB＞CK，相对于空地来说，造林可以增加土壤水分含量，有利于植物生长及对物质的吸收，而混交模式林分土壤含水量比纯林更高。从季节上来看，各样地土壤水分的月变化幅度很小，只有2%～3.5%的波动范围，这可能与土壤质地和高含石量有关。此外，7月份各样地间土壤含水量达到显著水平，4月份和12月份混交和纯林土壤水分与空地土壤含水量有显著差异，而两种林分间含水量差异不明显。

图5 不同月份地下5cm处土壤水分含量

3 结论与讨论

从温度日变化来看，夏季白天各时刻气温值比较均为混交林＜纯林＜空地，10：00—14：00各样地气温差距最大。四季气温值均为混交林＜纯林＜空地，特别是夏季，林分通过降低温度可避免植物叶片日灼及高温危害。春季和夏季混交林与纯林月均气温有差异但未达到显著水平，但与林外气温差异达到显著水平，秋季和冬季3个样地间温度没有明显的区别。

不同季节空气相对湿度为夏季＞秋季＞冬季＞春季，夏季空气相对湿度基本为混交林＞纯林＞空地，10：00—14：00间混交林空气湿度的变化幅度较纯林和空地平缓，夏季气温较高，植物蒸腾作用强，林分高空气湿度能够减少植物和土壤蒸发，使作物在较好的水分平衡状态下生长。4月份混交林与空地相对湿度有显著差异，与纯林无差异，7月份和10月份混交林空气相对湿度比纯林分别大5.5%、5.9%，但二者差异未达到显著水平，但与空地相对湿度差异性显著。12月份3个样地间相对湿度没有明显区别。

7月份白天各样地地表温度均高于地下5cm温度，且混交林土温最低、空地土温最高。在温度较高的午后，混交林地表温度和地下5cm温度差值较纯林和空地小。四季土壤平均温度均为夏季＞秋季＞春季＞冬季，各样地地表和地下5cm土温值夏季差值最大，冬季差值最小，混交林地表温度和地下5cm温度都较纯林低，长期内能够改良土、增强土壤生产力［11］。

3个样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纯林，7月份混交林和纯林土壤含水量差异性达到显著水平，其他月份差异不明显，说明混交林涵养水源的能力较纯林强。

总的来说，混交林改善小气候能力比纯林更强，主要表现在增加空气湿度和土壤水分含量，稳定气温和地温，这对于植物生长发育、有机物的积累及品质的提高具有重要的生理生态学意义。土壤温度由于温度变化迟滞效应，日变化和季节变化与气温变化不同步，空气温度对太阳辐射强度的敏感性比土壤温度的敏感性高，土壤湿度日变化和季节变化较小［12－14］，同本研究结果一致。

石灰岩山地由于其特殊的地质结构，生态敏感度高，稳定性差，营造良好的小气候条件是实现生态系统稳定的基础。笔者对部分小气候因子日变化和季节变化进行具体阐述，但未结合乔木生长状况进行综合分析，以后需深入研究侧柏女贞混交林和侧柏纯林生长能力与小气候之间的关系，分析影响林木生长的主要小气候因子，使研究更加全面科学。

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