长白山云冷杉林不同大小林隙8月昼间气温和土壤温度比较1)

黄传响 亢新刚 赵浩彦

(省部共建森林培育与保护教育部重点实验室(北京林业大学)，北京，100083)

崔秋华 高 延 冯启详

(中国林业科学研究院资源昆虫研究所) (吉林省汪清林业局)

陆地上80%的生态系统都已受到了来自人类和自然的各种干扰，森林生态系统也不例外［1］。人类社会发展的历史可以认为是人类对森林干扰的历史［2］。林隙是一种经常发生的小规模干扰［3-5］。从某种意义上说，森林演替便是冠层乔木死亡，形成林隙，林隙内幼苗幼树竞争、发展的种群行为的积累过程。林隙既是森林苗木更新的主要场所，也是森林维持物种多样性的重要生境［3，5］。林隙中的环境因子变化是影响森林发展的重要因素［3］。林隙的产生增强了干扰生境的异质性［4］，并创造了一定数量的潜在生态位［3，6-8］。林隙形成以后，上层林冠疏开，光照增加，温度升高，太阳辐射在林隙内重新分配，形成独特的小气候分布规律［9-10］。林隙内的小气候随着林隙形状、面积、纬度及位置的变化而表现出不同的特点［6-8］。其中，小林隙的方位角极大地影响着林隙内的光照水平，S—N向的光照水平大于E—W方向，中午太阳光可直射S—N向林隙北缘林冠上但达不到地面［11］。温度是植物生长的必需条件，制约着树木的生长发育、生长周期及生理活动等［12-13］。林隙改变了温湿度的状况［3］。林隙内的温度一般比林下高，而且变动幅度也大［14］。许多研究发现，林隙内温、湿度的时间变化曲线均呈单峰型。气温最高值和气温日较差一般不出现在林隙的中央而是在林隙的某一林缘处［8］。林隙内热力学特征的改变将影响土壤理化性质、有机物的分解和土壤微生物活性等，最终影响林隙及其周边生态过程的变化［6-10，15-18］。目前，我国对林隙环境因子的研究主要集中在热带雨林和次生林［6，11］方面，对云冷杉林的研究还未见报道。鉴于云冷杉林分在我国森林资源和生态环境建设中的重要地位和作用，本文以长白山云冷杉林林隙为研究对象，探寻云冷杉林林隙内环境因子的时空变化特征，为以后的森林更新经营管理和相关科学研究提供参考。

1 试验地自然概况

研究地区位于吉林省汪清县金沟岭林场，研究区属长白山系老爷岭山脉雪岭支脉，经营面积为16 286 hm2。林场地貌为低山丘陵，海拔300～1 200 m，坡度5°～25°，个别陡坡在35°以上。该区属季风型气候，全年平均气温3.9℃，≥10℃的积温为2 144℃。1月份气温最低，平均为-32℃;7月份气温最高，平均为22℃。年降水量600～700 mm，且多集中在7月份。早霜从9月中旬开始，晚霜延至翌年5月末，生长期为120 d;积雪平均厚度达35 cm。本区属低山灰化土灰棕壤区，母岩为玄武岩。在海拔800～1 000 m处为针叶林灰棕壤土，河谷是草甸土、泥炭土、沼泽土或冲积土。土壤结构一般为黏壤土类，粒状结构，湿松，根系多，平均厚度为40 cm。主要乔木树种有长白鱼鳞杉(Picea jezoensis var.komarovii)、红皮云杉(Picea koraiensis)、臭冷杉(Abies nephrolepic)、红松(Pinus koraiensis Sieb.et Zucc.)、椴树(Tilia tuan Szyszyl.)、色木槭(Acer mono Maxim.)、白桦(Betula platyphylla Suk.)、枫桦(Ribbed Birch)、山杨(Populus davidiana Dode.)、蒙古栎(Quercus mongolica Fisch.ex Ledeb.)等;主要下木有忍冬(Lonicera ruprechtiana)、暴马丁香(Syringa reticulate)、卫矛(Euonymus alatus)、榛子(Corylus heterophylla)等;主要地被物为莎草(Cyperus rotundus)、禾本科草类及少数灌木，如珍珠梅(Sorbaria sorbifolia)、柳叶绣线菊(Speraea salicifolia)等。

2 研究方法

研究区位于吉林省汪清县金沟岭林场检查法样地I大区4小区。2010年7—8月，在4小区内按海拔由低到高布设5条样线进行林隙调查，每条样线向左右各拓宽10 m，形成1条宽20 m的样带。样带总长度为1 000 m，均匀分布在小区中，样带总面积2 hm2，占调查区域的10.0%，符合抽样调查强度要求。共计调查39个林隙。通过GIS软件计算林隙的扩展林隙面积，大小为 20.32～560.25 m2，按照林界范围指数(1.5、1.0、0.5)选取不同林隙大小的3个林隙(分别记作林隙1、林隙 2、林隙 3)作为研究对象，面积分别为 456.2、290.2、83.9 m2;林隙年龄分别为22、15、12 a，林隙均为采伐形成。林隙1和林隙2为南北轴长、东西轴短，林隙3南北和东西轴长度接近。林隙均位于山体下坡位，坡向为东南，坡度为5°～10°，海拔700 m左右。林隙内主要树种为槭类、红松、冷杉和其它小灌木等。3个林隙的冠层平均高度分别为131、83、65 cm。

2010年8月，在林隙内沿南北和东西轴向布设两条观测样线，每条样线上布设7个观测点。考虑到边缘效应，观测点为不等距分布，分别设置在林隙中央、实际林缘处、扩展林缘处和实际林缘与林隙中央的中心处。每条样线延伸至林内15 m作为林内观测点。林隙1和林隙2布设13个观测点，林隙3布设11个观测点。观测点的具体分布见图1。在观测点上进行距离地面1.5 m处气温和地下5～10 cm土壤温度测定。每日7：00—17：00进行观测。空气温度采用Kestrel4500袖珍气象追踪仪(美国产)进行观测，土壤温度采用6300针式温度计(美国产)观测。每小时记录1次观测结果。

图1 林隙内观测点设置示意图

数据采用SPSS(version13.0)软件进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 空气温度特征

3.1.1 林隙与林内平均气温特征比较

林隙的形成改变了干扰生境的温度状况，林隙温度一般高于林内，而且变动幅度大。通过对云冷杉林隙内和林下平均温度的比较发现(表1)，对于气温差异，在一天当中中午时间段最为明显，上午(7：00—11：00)较小，下午(15：00—17：00)次之;就平均气温而言，林隙与林内的平均气温差为0.91℃，最高时可达1.9℃。

表1 林隙与林内平均气温温差 ℃

3.1.2 林隙中心气温昼间变化

从表2可以看出，林隙中心处的气温昼间变化均呈单峰型。3个林隙中心处气温的变化幅度存在差异，表现为林隙1＞林隙2＞林隙3，说明气温与林隙面积存在一定的相关性，面积越大，气温相对较高。中心处气温差异的另外一个特征，主要表现在气温的最高值出现的时间段不同，林隙1和林隙2 在13：00—15：00 时间段达到最高值，分别为28.9℃和26.8℃，林隙3在11：00—13：00时间段达到最高值，为24.1℃。林隙2中心气温在13：00—17：00时间段下降较快，这是由于林隙2西缘附近边缘木相对较高，阻挡了太阳的一部分辐射，也有可能与该林隙内冠层高度较高有关。朱教君等［11］人对东北地区次生林气温和土壤温度进行的研究发现，中心气温和土壤温度日变化均呈不对称性的单峰型变化，王今殊等［19-20］对南方热带雨林的研究也得出了类似的结论。本研究虽然只考虑了气温的昼间变化，但与前人的结论基本相符，说明东北地区云冷杉林与南方的热带雨林、次生林存在着一定的热力学共性。

表2 林隙中心气温昼间变化 ℃

3.1.3 林隙内各观测点气温的昼间变化

由表3可以看出，林隙内不同观测点的气温昼间变化趋势类似，总体上呈现出单峰型分布。各个林隙气温变化差异表现为林隙1＞林隙2＞林隙3，林隙面积越大，林隙内不同观测点气温差异越剧烈。林隙3各观测点气温变化趋势较为缓和，原因可能是其林隙面积小，加之林隙内更新幼苗种类和杂灌木多，因而空间差异性小。一天当中，林隙内的最高温度因时间和林隙位置不同而具有差异性，林隙1气温的最高值出现在13：00—15：00，出现区域在林隙中心偏东北处;林隙2气温的最高值出现在13：00—15：00时间段，出现区域也在东北林缘处;林隙3气温的最高值出现在11：00—13：00之间，出现区域在林隙中央位置。林隙气温最高值出现的时间和地点与林隙形状、面积、边缘木高度等因素存在着密切的关系。林隙1和林隙2南缘处的边缘木较高，在下午14：00以后，中心偏东北处的太阳光较多。林隙3四周边缘木高度较为均匀且较低，中午时分，林隙中心位置的光照较多。气温出现的时间和地点如表3所示。气温最高值并没有出现明显的位移现象，这与张一平等人［6］的研究不一致，原因是由于东北地区夏季光照强度明显低于南方热带雨林区，温度在局部范围内变化较小，最高值不容易区别所致。

气温在林隙内各观测点也表现了不同的特征，在S—N向和E—W向呈现不对称分布，但S—N向变化幅度大于E—W向。中午，林隙1和林隙2在东向实际林缘处(EB)气温升高较快，出现了大于中心的气温值，林隙3在西向林缘处气温稍低于中心温度;下午，林隙的气温从整体上看都大于早晨时间段，原因可能是由于一天当中的光照积累且气温下降速率较慢所致。

表3 3个林隙不同观测点气温昼间变化℃

3.2 土壤温度特征

3.2.1 林隙中心土壤温度昼间变化

由表4可以看出，林隙中心地温的昼间变化均呈单峰型。林隙1和林隙2在13：00—15：00达到最大值，分别为25.4℃和24.1℃，林隙3在11：00—13：00 达到最高值，为 17.8 ℃，相对于其它林隙的温度差别很大。林隙1和林隙2中心点地温随时间变化的幅度明显大于林隙3。通过对3个林隙中心点平均地温的比较发现，林隙1和林隙2之间差异极显著(p＜0.01)，而与林隙3 之间差异不显著(p＜0.05)。

表4 林隙中心土壤昼间变化 ℃

3.2.2 林隙南北和东西轴方向上土壤温度特征

由表5可以看出，在林隙两轴上，土壤平均地温的昼间变化也呈现单峰型的变化趋势。林隙1和林隙2中心地温较高，林隙3中心地温较低，但S—N向的变化幅度大于E—W向。S—N向地温变化幅度较大(表7)，E—W向地温变化较小(表5)。以往研究认为，林隙中环境因子的变化南北向大于东西向，主要原因是南北向的光照辐射大于东西向。本研究的结论与以往研究基本相符［8，15，21］。总体来看，林隙 1 和林隙2的平均地温较高，林隙3的平均地温较低。沿南北方向，林隙1和林隙2地温的变化呈明显的单峰型趋势，其中，林隙1中心地温最高(CC，22.3℃)，林隙3地温的最高值出现在中心偏北(NC，18.1℃)。沿东西向，林隙1地温的最高值出现在中心偏西(WC)，林隙2地温最高值出现在中心偏东(EC)，林隙3的峰值出现在东向实际林缘处(EB)。

3.3 林隙内昼间气温和土壤温度关系

林隙内各观测点昼间的平均气温、平均地温以及气—地温差见表6。林隙1昼间气—地温差的最大值出现在中心偏东位置(EB，5.7℃;EC，6.09℃)，林隙2昼间气—地温差的最大值出现在东向实际林缘处(EB，4.41℃)，林隙3则出现在中心处(CC，5.12℃)。通过对不同林隙白天平均气温和地温的相关性分析表明：林隙1气温和地温的相关性极显著(r=0.850，p＜0.01)，林隙 2 气温和地温也存在着极显著关系(r=0.703，p＜0.01)，林隙3的气温和地温的相关性不显著(r=0.328，p ＞0.05)。

表5 林隙南北方向和东西方向上平均地温昼间变化 ℃

4 结论与讨论

长白山云冷杉林隙中心气温的昼间变化均呈单峰型。温度与林隙面积之间存在着极大的相关性，面积越小的林隙，保温效果越好，有利于林隙内幼苗的更新。林隙内不同位置上的温度具有差异性，在南北轴上变化幅度大于东西向。林隙内温度最高值出现的时间和位置不同：林隙1和林隙2的温度在13：00—15：00达到最大值，位置在中心偏东北附近，林隙3的温度在11：00—13：00达到最大值，位置出现在林隙中心。

长白山云冷杉林隙中心土壤温度昼间变化也呈单峰型。S—N轴上林隙土壤温度的变化幅度大于E—W轴，S—N轴上林隙1和林隙2土壤温度变化较大，林隙3趋于平缓。林隙1和林隙2温度最大值出现在林隙中心，林隙3则出现在中心偏东北位置。林隙昼间平均气—地温差表现为林隙1和林隙2较大，林隙3较小。

表6 林隙内各观测点昼间平均气温、土壤温度及温差 ℃

林隙与林内温度差异明显(p＜0.05)。由于多种条件的限制，本研究只选取了3个代表林隙来研究长白山云冷杉林隙的特征，考虑到其它条件的一致性，并没有严格按照文献［21-22］的林界范围指数选取，测量时间上只观测了白天的温度数据。在以后的研究中，应选取一定数量的林隙代表，并分不同季节、不同月份进行研究和连续观测。

［1］朱教君，刘足根.森林干扰生态研究［J］.应用生态学报，2004，15(10)：1703-1710.

［2］刘增文，李雅素.森林干扰［J］.陕西林业科技，1997(1)：28-32.

［3］梁晓东，叶万辉.林窗研究进展［J］.热带亚热带植物学报，2001，9(4)：355-364.

［4］宋新章，肖文发.林隙微生境及更新研究进展［J］.林业科学，2006，42(5)：114-119.

［5］臧润国.林隙(gap)更新动态研究进展［J］.生态学杂志，1998，17(2)：50-58

［6］张一平，马友鑫，刘玉洪，等.哀牢山北部常绿阔叶林林窗小气候空间分布特征［J］.北京林业大学学报，2001，23(4)：80-83.

［7］张一平，王进欣，刘玉洪，等.热带次生林林窗干热季光照特征初步分析［J］.广西植物，2001，21(1)：1-8.

［8］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.

［9］Ritter E，Dalsgaard L，Einhorn K S.Light temperature and soil moisture regimes following gap formation in a semi-natural beechdominated fo-Rest in Denmark［J］.Forest Ecology and Management，2005，206(1/3)：15-33.

［10］Gray A N，Spies T A，Easter M J.Microclimate and soil moisture responses to gap formation in coastal Douglas-fir forests［J］.Canadian Journal of Forest Research，2002，32(2)：3332-343.

［11］朱教君，谭辉，李凤芹，等.辽东山区次生林3种不同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.

［12］窦军霞，张一平，马友鑫，等.热带次生林林窗区域土壤—植物—大气连续体热力效应初步分析［J］.热带气象学报，2003，19(3)：329-333.

［13］贺庆棠，气象学［M］.北京：中国林业出版社，1988.

［14］王正非，朱廷曜，朱劲伟，等.森林气象学［M］.北京：中国林业出版社，1982.

［15］沙丽清，曹敏.西双版纳热带季节雨林林冠下及林窗中土壤养分对比研究［J］.东北林业大学学报，1999，27(6)：78-80.

［16］Canham C D.An index for understory light levela in and around canopy gaps［J］.Ecology，1988，69(5)：786-795.

［17］Brokaw N V L.Gap-phase regeneration in a tropical forest［J］.E-cology，1985，66(3)：682-687.

［18］Pearcy R W.Photosynthetic gas exchange responses of Australian tropical forest trees in canopy，gap and understory micro-environments［J］.Functional Ecology，1987，1(3)：169-178.

［19］王今殊，王进欣.热带次生林、季雨林林窗温度特征对比分析［J］.徐州师范大学学报：自然科学版，2004，22(3)：59-64.

［20］王进欣，张一平.西双版纳人工林林窗光照剖线分布特征［J］.植物资源与环境学报，2000，9(1)：27-30.

［21］Zhu Jiaojun，Matsuzaki T，Li Fengqin，et al.Effect of gap size created by thinning on seeding emergency，sur-vival and establishment in a coastal pineforest［J］.Forest Ecology and Management，2003，182(1/3)：339-354.

［22］Zhu Jiaojun，Tan Hui，Li Fenqin，et al.Microclimate regimes following gap formation in a montane secondary forest of eastern Liaoning Province，P R China［J］.Joumal of Forestry Research，2007，18(3)：167-173.