大别山五针松林林窗、林缘和林下的微气候特征

吴甘霖， 羊礼敏， 段仁燕， 王志高， 张中信

(安庆师范大学 生命科学学院， 安庆 246133)

大别山五针松林林窗、林缘和林下的微气候特征

吴甘霖， 羊礼敏， 段仁燕， 王志高， 张中信

(安庆师范大学 生命科学学院， 安庆 246133)

自然干扰形成林窗后，会造成林窗下的光照和温度发生明显变化。通过调查大别山五针松林林窗、林缘和林下微气候动态变化规律，结果表明：林窗、林缘和林下，环境因子的日变化差异明显。其中，在林窗阶段的微气候要比其他2个阶段变化更大。不同斑块类型下光照、空气温度和土壤表面温度存在显著差异。

光照；温度；异质性；斑块类型

林窗(Gap)指的是森林群落内林冠层优势树木的死亡而形成的森林空隙。林窗的形成为新的个体更新与生长提供了适宜的空间[1-6]，直接或间接影响着森林群落的物种组成、个体更新及种群的结构[7-8]。

自然干扰形成林窗后，会造成林窗下的光照和温度发生明显变化[1,3]。相比没有林窗的林下，林窗的出现，增加了斑块内的平均光照强度、最大光照强度和光的持续时间[5,9]。林窗内光照强度的提高及光照时间的增加，可造成林窗边缘及与林窗相邻的林下光照条件的改善。此外，林窗内光照环境的改变，也将进一步造成水热条件的改变。一般而言，林窗内的水热日变化要比郁闭林下要大。也有研究证实，林窗的垂直方向上，光照、温度等微气候特征也存在差异，其主要的原因是林窗斑块与周边的郁闭林存在着水分、热量的水平运输和垂直扩散。例如，张一平等[1]系统探讨了西双版纳热带次生林林窗不同水平位置及不同季节下温度的时空差异，结果发现，热量在不同介质之间的传递方向随时间和季节的不同而不同；林窗温度的时空差异受到研究样地的气候特征、太阳高度角及周边树木的影响。光照和温度的差异影响着动植物生命活动的周期变化，同时对其他生态因子也具有间接地影响。目前，较多的研究集中在林窗内不同空间、林窗与非林窗上，而关于林窗、林缘和林下微气候特征的研究相对较少。大别山五针松(Pinusdabeshanensis)仅分布在大别山区少数地点，数量稀少，幼苗生长更新对环境比较敏感。有必要深入探讨大别山五针松林不同斑块内(林窗、林缘和林下)微气候特征的差异。

1 研究方法

2014年7月—8月在安庆市岳西县大别山五针松天然林内选择3个不同类型的生境(林窗、林缘和林下)。在每个生境中央1.3 m高度处, 从7:00到18:00, 每隔2 h测定1次微环境。用温度计测定空气温度，用照度计测定光照强度。因为自然生境中光照和温度变化较快，每个生境在1 min内测定10次，计算其平均值。我们通过在土壤深度为1 cm的地方放置土壤温度计来测定土壤表面温度。通过SPSS13.0比较差异显著性水平。

2 结果

2.1 光照强度的日变化

不同类型斑块的光照强度日变化结果表明, 在15:00 以前, 林窗斑块的光照强度明显高于林缘及林下(图1)，其光照强度值符合下列顺序：林窗>林缘>林下。在中午12:00，林窗与林缘的光照强度约为林下光照强度的3倍。

图1 大别山五针松林林下、林缘和林窗光因子的日变化

2.2 温度的日变化

不同类型斑块的空气温度和土壤表面温度日变化结果表明，在15:00以前，林窗斑块的温度明显高于林缘及林下(图2、3)。在白天大部分时间内(8:00—18:00)，不同斑块类型的温度符合下列顺序：林窗>林缘>林下。不同斑块类型下光照、空气温度和土壤表面温度存在显著的差异(图4-A～I)。

图2 大别山五针松林林下、林缘和林窗空气温度的日变化

3 讨论

与很多其他的研究结果类似，大别山五针松林窗的平均温度、最大温度及日变化均高于林缘和林下。林窗的太阳辐射、空气和土壤温度均受到森林内形成的林窗影响[4-5,10]，结果进一步支持了这个结论。林窗内较高的阳光照射有利于维持其较高的空气和土壤温度。Ritter等[11]的研究也证实，林窗的土壤和空气问题要高于其他的斑块类型。

图3 大别山五针松林林下、林缘和林窗土壤表面温度的日变化

图4 大别山五针松林林下、林缘和林窗微气候的最大值、最小值及极差

注：不同字母表示差异显著(P<0.05)

随着林窗的发育，群落内植物的生长及密度增加。在其他斑块阶段，其光照和温度的日变化并不明显。有研究证实，随着林窗的郁闭，更新层的光照仅为全光照的10%，而林下层仅为3%。随着林窗的郁闭，光辐射会下降。非林窗斑块的空气温度较低可能是一个或者几个机制起作用的结果[7,12]。比如，高强度生长的更新层阻止了大多数光线到达土壤表面，并通过蒸发作用使空气凉爽下来，阻止了土壤温度的增加；而高密度的植被具有一定隔热效应。除了更新层的影响外，周围林冠树木的生长和遮阴也可能改变小气候[5]。所以在林下和林缘，观察到气温的变化较缓和，不像林窗比较剧烈。

森林内不同斑块的异质性对群落内物种的特征、丰富度及共存会造成一定的影响[13-14]。有研究证实，环境的异质性对斑块内生物多样性的维持呈正相关，因为异质性的斑块有利于植物传粉和种子扩散，这将进一步促进生境的异质性，从而提高生物多样性。

[1]张一平,王进欣,马友鑫,等.西双版纳热带次生林林窗近地层温度时空分布特征[J]. 林业科学, 2002, 38(6):1-5.

[2]段仁燕,王孝安,吴甘霖. 林窗干扰与森林群落演替[J]. 广西植物,2005,25(5):419-423.

[3]朱教君, 谭 辉, 李凤芹, 等. 辽东山区次生林3种大小林窗夏季近地面气温及土壤温度比较[J]. 林业科学, 2009, 45(8):161-165.

[4]LATIF Z A, BLACKBURN G A. The effects of gap size on some microclimate variables during late summer and autumn in a temperate broadleaved deciduous forest[J]. International Journal of Biometeorology, 2010, 54(2):119-129.

[6]SCHLIEMANN S A, BOCKHEIM J G. Influence of gap size on carbon and nitrogen biogeochemical cycling in Northern hardwood forests of the Upper Peninsula, Michigan[J]. Plant & Soil, 2014, 377(1-2):323-335.

[7]MONTGOMERY R, CHAZDON R. Light gradient partitioning by tropical tree seedlings in the absence of canopy gaps[J]. Oecologia, 2002, 131(2):165-174.

[8]ZHAO Q, PANG X, BAO W, et al. Effects of gap-model thinning intensity on the radial growth of gap-edge trees with distinct crown classes in a spruce plantation[J]. Trees, 2015, 29(6):1-10.

[9]FAYE E, HERRERA M, BELLOMO L, et al. Strong discrepancies between local temperature mapping and interpolated climatic grids in tropical mountainous agricultural landscapes.[J]. Plos One, 2014, 9(8):e105541.

[10]DUAN R Y, HUANG M Y, WANG X A. The distribution pattern of different patch types and heterogeneity of the light and temperature:Larixchinensis, Beissn in Qinling Mountains (China)[J]. Russian Journal of Ecology, 2014, 45(3):209-214.

[11]RITTER E, DALSGAARD L, EINHORN K S. Light, temperature and soil moisture regimes following gap formation in a semi-natural beech-dominated forest in Denmark[J]. Forest Ecology & Management, 2005, 206(1):15-33.

[12]段仁燕,王孝安,黄敏毅,等.太白红杉林斑块结构与群落特征[J]. 植物生态学报, 2009, 33(3)：460-468.

[13]HARDWICK S R, TOUMI R, PFEIFER M, et al. The relationship between leaf area index and microclimate in tropical forest and oil palm plantation: Forest disturbance drives changes in microclimate [J]. Agricultural & Forest Meteorology, 2015, 201:187-195.

[14]SILVESTRINI M, MCCAULEY D E, ZUCCHI M I, et al. How do gap dynamics and colonization of a human disturbed area affect genetic diversity and structure of a pioneer tropical tree species?[J]. Forest Ecology & Management, 2015, 344:38-52.

The microclimate characteristics in the gap, gap adjacent and closed canopy ofPinusdabeshanensisforest

WU Gan-lin, YANG Li-min, DUAN Ren-yan, WANG Zhi-gao, ZHANG Zhong-xin

(College of Life Sciences, Anqing Normal University, Anqing 246133, China)

Gap, caused by natural disturbance, can cause the change of light and temperature in the forest patch obviously. Based on an investigation in a sample of aPinusdabeshanensisforest in Dabieshan Mountains, we recognized three patch types including gap, gap adjacent and closed canopy and analyzed their microclimate characteristics. The daily change patterns of microclimate characteristics in three patch types were different. The light intensity and air temperature were much greater in gap than in the gap adjacent and closed canopy. The light intensity, air temperature and soil surface temperature had significant difference under different patch types.

light; temperature; heterogeneity; patch type

2016-04-29；

2016-05-10

国家林业公益性行业科研专项(201304314)；安徽省自然科学基金(1608085MC63)

吴甘霖，硕士，教授，研究方向为植物生态学和生物多样性研究，E-mail:wugl@sina.com

S718.54

A

2095-1736(2017)04-0064-03

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2017.04.064