山毛桃-侧柏混交林对侧柏的荫蔽效应

陈景玲， 吴 明， 杨喜田

(河南农业大学林学院，河南 郑州 450002)

山毛桃-侧柏混交林对侧柏的荫蔽效应

陈景玲， 吴 明， 杨喜田

(河南农业大学林学院，河南 郑州 450002)

以侧柏(Platycladusorientalis)纯林为对照，研究了侧柏-山毛桃(Prunusdavidiana)群落混交林初夏和秋季山毛桃荫蔽侧柏的小气候效应.结果表明，混交林对林内空气温度的午间降温效应不明显，而秋季降温效应随着郁闭度增加而增大，使侧柏小气候环境提高了湿润度，相当于生长季增加了26.5 mm 的降水; 初夏和秋季林内10 cm 处地温日间呈持续增加趋势，最快速升温的时间点无论是初夏还是秋季，有山毛桃荫蔽的均提前0.5～1 h.最大升温速率均小于无荫蔽的处理;初夏林内空气相对湿度保持与气温位相相反的大陆性气候特征，而秋季这种日变化特征消失，林内空气相对湿度趋于稳定；午间适度荫蔽有利于提高侧柏幼苗净光合.研究得出结论：山毛桃-侧柏混交林能降低林内空气的蒸发力，减缓林内土壤升温幅度和速率，增加林内空气湿度，并平缓林内空气湿度的波动.

小气候；郁闭度；混交林；侧柏；荫蔽

小浪底库区属干旱半干旱区.由于人为影响，植物生境退化，小气候特征发生变异，植被恢复困难.人们希望人工干预植被恢复进程，加快森林生态系统重建.主要造林树种栓皮栎(Robiniapseudoacacia)、刺槐(Quercusvariabilis)、侧柏等在小浪底库区造林均较为困难.主要气象问题是幼苗时期最易受到高温干旱胁迫，而使造林不易成功.水分是限制因素，高温提高蒸发力，会加剧受害程度.如果减少高温危害，减少蒸发力，相当于增加自然降水，对造林幼苗存活是有利的.这方面国外有很多研究，PUERTOLAS[1]研究人工遮蔽物对光的调节作用，减少了光产生的高温胁迫; 有研究表明1.8 m的人造遮蔽物对栓皮栎幼苗生长有利[2];PEMAN[3]用三维模型探究了其对光环境的影响，指出保护措施必须保证较高的光照水平和良好的通风条件. BADANO等[4]研究人工遮荫，认为人工遮阴可以模仿保育植物对橡树幼苗的保育作用.但人工措施工作量大，成本高.为减轻高温胁迫，利用植物种间相互作用达到调控造林幼苗生存环境的目的，是合理而有效的途径.闫兴富等[5]研究表明，幼苗期林下生境有利存活. JENSEN[6]用生境中现有植物，如灌木作为保护植物造林幼苗研究,使幼苗平均株高增加; YANG等[7～9]研究表明，灌木和草被都可作为保护植物.灌木的保护作用有种间差异[10],而且有时有相反的结果，如幼苗种植于无灌木丛的地方比灌木丛中的幼苗存活率会高65%，苗高前者39.60 cm 时，后者 29.59 cm.其原因是栽植在去除了灌木的地方(或原来就没有灌木的地方)土壤水分可利用性提高[11].可见，灌木丛不应该成为被保育目标植物的点位，而应该在边缘.但当遭遇水分和温度等环境条件极端状况时，灌木丛中的负效应会改变为正效应，这也显示出保育作用的复杂性.只有把植物相互作用和生物学其他许多领域结合，才能完全理解植物种间正向作用如何和什么时候发生[12].研究认为，有植物保护下的目标植物存活率高于采取人工措施，如遮荫[13,14].目前的种间作用研究多研究木本植物对草本植物的作用，只有少数研究木本植物之间的关系[15,16].对混交林这种木本植物之间的相互作用研究较少，且植物种间关系不清，开展这方面的研究，有利于逐步摸清种间正负效应的发生时间及强度等种间关系特征.侧柏(Platycladusorientalis)的分布范围较广，是北方干旱山地的主要造林树种之一.但由于人工侧柏林生物多样性低，群落结构简单.山毛桃 (Prunusdavidiana)为落叶小乔木，喜光、耐旱、耐瘠薄，对气候和土壤的适应性很强，直播的山毛桃当年可生长40～50 cm，可以作为优良的先锋树种使用.本试验利用在小浪底库区试验基地营建的侧柏和山毛桃混交林，研究山毛桃林冠对侧柏造林幼苗的荫蔽效应，为植物种间相互作用研究提供基础.

1 材料和方法

1.1测点状况

试验地位于河南省济源市大峪镇，属太行山南坡(34°57′N，112°20′E)，海拔为420～460 m.植被以草本植物和灌木较多，但种类和结构组成相对简单.乔木树种主要有刺槐、栓皮栎、侧柏、山毛桃、黄连木(Pistaciachinensis)等，且多以人工林形式出现.本试验的监测对象为使用种基盘苗营造的侧柏和直播的山毛桃6 a生混交林群落，侧柏和山毛桃均匀分布，株行距为50 cm.对试验地山毛桃进行疏伐处理，共设3个处理，分别为A处理：侧柏纯林，无山毛桃遮蔽，作为对照；B处理：侧柏-山毛桃混交林，用LAI-2000型冠层分析仪分析山毛桃冠层得冠层天空开度DIFN[17]为0.75；C处理：侧柏-山毛桃混交林，山毛桃冠层天空开度为0.13，即B，C 2个处理的郁闭度分别为0.25和0.87.样株冠层状况见表1.

1.2监测仪器和时间

空气温度和相对湿度：使用DHM-2型通风干湿表(阿斯曼)进行，仪器放置位置为侧柏树冠的2/3株高处(A，B，C处理均为1.3 m).

土壤温度：使用曲管地温表测定林下10 cm处地温.

净光合速率：用美国Li-COR公司的Li-6400便携式光合仪.

选择2010-05-10和2010-10-16晴朗无风天气，对3个处理进行观测，观测时段为7∶00～18∶00，每1 h观测1次.

1.3数据分析方法

1.3.1 山毛桃荫蔽效应 山毛桃的荫蔽效应采用干燥度指标.由于树冠的遮荫有降温作用，它相当于降低了小气候的蒸发力，如果日平均温度为T，根据干燥度公式

(1)

式中：0.16∑T>0 ℃为蒸发力，(单位mm). 而0.16∑(T处理-T对照)>0 ℃(单位mm)为蒸发力的降低.它是山毛桃荫蔽处理产生的小气候效应.

表1 侧柏和山毛桃样株冠层状况Table 1 Canopies of Platycladus orientalis and Prunus davidiana samples

1.3.2 山毛桃荫蔽土壤快速增温拐点效应 王谦等[18]曾将雷蒙德·皮尔(Raymond Pearl )模型应用于环境因子拐点分析，可以很好地确定植物群体茎叶密集的高度.这里用于土壤温度升温过程的拐点分析，公式为

(2)

式中：Ti为第i时刻的土壤温度(℃);T0为土壤温度初始值;a,b为待定系数;i为从早晨第1次土温观测到其他各观测时刻的时间.

土壤温度Ti随时间增加而增加最快的时刻，即曲线的拐点.对(2)式求二阶导数并令其为0,得拐点

(3)

若令

(4)

和

(5)

则有

Y=α+βX

(6)

用式 (4) 处理测定数据，作线性回归，可确定系数α和β，进而根据式 (5) 确定a和b.最后根据 (3) 式求得拐点，即为土壤快速增温点.

对(2)求一阶导数得升温曲线的升温速率表达式

(7)

将拐点代入 (7) 式，可求得拐点处土壤温度曲线的斜率，即为最大升温速率.

3 结果与分析

3.1山毛桃荫蔽对气温的降温效应

初夏(5月)测得的各处理侧柏冠层气温差异很小，这主要是由于初夏山毛桃叶片刚展开，密度还比较小的缘故.秋季(10-16)的空气温度日变化规律与初夏基本相似，但秋季的观测结果表现为有山毛桃荫蔽的B，C处理曲线接近，即空气温度变化规律一致，并均与A处理(对照)有较大的差异(图1).其中以C处理荫蔽降温效应最为明显.

以日最高温度和日最低温度平均代表日平均气温.A处理的日平均气温为(11.6+30.1)/2=20.9 ℃；C处理的日平均气温为(11.9+26.2)/2=19.1 ℃.每日大于10 ℃的积温差异为20.9-19.1=1.8 ℃·日.整个秋季山毛桃冠层生长过程共92 d，1.8 ℃·d×92×0.16=26.5 mm.即整个秋季山毛桃的荫蔽效应使侧柏生存的小气候环境减少了蒸发力，提高了湿润度，相当于增加了26.5 mm的降水.这在干燥度较高的干旱半干旱地区是有重要意义的.

图1 秋季不同郁闭度的侧柏冠层气温日间变化Fig.1 Daily air temperature variation of platycladus orientalis canopies under different densities of prunus davidiana canopies in autumn

3.2山毛桃荫蔽对地温的影响

05-10 10 cm处地温从7∶00～10∶00，处于一个缓慢升温的阶段，11∶00以后升温的速度增大，并一直持续到观测结束时的18∶00，达到26.7 ℃.不同郁闭度内的10 cm处地温以B处理为最高，其次是A处理.C处理的地温为最低(图2-a).10-16 10 cm处地温的日间变化规律与05-10相似(图2-b)，侧柏纯林10 cm处地温先低后高，升温快.

图2 侧柏林下地温 (10 cm) 日间变化与郁闭度的关系Fig.2 Daily soil temperature (10 cm) variation of platycladus orientalis under different canopy densities.

土温快速增温的时间，是侧柏生存微气候条件

的变化规律特征，有实际意义.从图2-a和图2-b可以看出，各曲线有共同变化规律，即增长速率由慢到快又到慢，中间必有拐点，它是快速升温的特征点.用PEAL模型模拟各曲线，得表2.从表2可以看出快速升温的特征点，除初夏的C处理外，无论是初夏的05-10还是秋季的10-16，有山毛桃荫蔽的土温拐点均提前0.5～1 h.即快速升温阶段比无山毛桃荫蔽的处理提前结束并转入减缓升温速度的阶段.这在当地高温干旱的小气候条件下可缓解高温干旱胁迫发生的可能性和程度.

将表2中的拐点代入式(7)，得最大升温速率(表2).可以看出，无论是初夏还是秋季，有山毛桃荫蔽的处理最大升温速率均小于无荫蔽的处理，显示了山毛桃植被荫蔽的效应.对比A，B，C处理，可以看出，无论初夏还是秋季均有郁闭度越大最大升温速率越小的变化规律.

3.3荫蔽对相对湿度的影响

由图3-a可以看出，05-10的林内空气相对湿度从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%(图3-a).郁闭度为0.25的B处理的相对湿度在1 d中的不同时段始终表现为最高，其次为C和A处理，但郁闭度对每个时间相对湿度的影响不明显.10-16，林内相对湿度的日间变化幅度比较小，且随着郁闭度的增加，相对湿度也明显增大(图3-b).最大相对湿度出现在D点，日间变化幅度为99%～79%，最小相对湿度出现在A点，日间变化幅度为85%～34%.

表2 不同处理的Pearl模型模拟结果Table 2 Modeling results of different treatments according to Pearl’s model

初夏和秋季之间对比有明显的不同.初夏林内的相对湿度是典型的相对湿度和气温位相相反的特征.即日出时的低温时相对湿度高，午间的高温时段相对湿度低，一直到18∶00温度均较高，所以相对湿度一直较低.而秋季则几乎没有了这种日变化特征.其中的A和B处理还一定程度上具有这种与气温位相相反的特征，而C处理则完全消除了这种特征.这充分表现了郁闭度对林内相对湿度的控制作用.没有山毛桃荫蔽的对照和虽有山毛桃荫蔽但郁闭度不高的B处理，林内空气相对湿度象裸地小气候一样，波动较大；而郁闭度较大的C处理则使日间林内相对湿度变得均匀稳定.

图3 侧柏冠层相对湿度日间变化与郁闭度的关系Fig.3 Daily air humidity variation of platycladus orientalis canopies under different canopy densities

3.4山毛桃荫蔽对光合作用的影响

由图4-a可以看出，从早晨到中午，随着太阳辐射强度增加，光合作用总的趋势是逐渐增强，午后减弱.不同处理的对比可以看出，在7∶00～12∶00太阳辐射不强时，郁闭度越大的处理，净光合速率越小.这说明此时太阳辐射强度是光合的限制因子，荫蔽是不利光合的.但到中午的13∶00，各处理净光合都较高，但B, C处理比对照A光合强度更高，说明遮荫降温有利光合作用.C处理低于B处理，说明荫蔽过多不利光合作用.14∶00仍有B处理高于A处理的特征，C处理也低于B处理，但C处理已低于A处理，说明一旦太阳辐射降低，光合作用则主要由太阳辐射强度决定.荫蔽作用的降温、增湿对光合作用促进作用不能显现.由图4-b可以看出，秋季光合作用强度整体上高于初夏，而且由于光合作用比较强，从9∶00～12∶00，均有类似初夏13∶00的特征，即荫蔽处理B高于对照A，但郁闭度大的C处理净光合速率不高.

综合来看，净光合速率的大小主要受太阳辐射强度和空气温度两个因子的共同影响，午前太阳辐射是主导因子，荫蔽越弱越有利于光合；午间(初夏的13∶00和秋季的12∶00)高温是主导因子，适度荫蔽有利光合.

图4 侧柏不同处理净光合作用强度对比Fig. 4 Daily variation of net photosynthetic rate of platycladus orientalis canopies under different canopy densities

4 结论与讨论

1)与侧柏纯林相比，侧柏-山毛桃混交林对初夏林内空气温度的影响不大，但秋季山毛桃的荫蔽效应使侧柏生存的小气候环境减少了蒸发力，提高了湿润度，相当于增加了26.5 mm的降水.

2)初夏和秋季林内10 cm处地温日间呈持续增加趋势.除了初夏的C处理以外，最快速升温的时间点无论是初夏还是秋季，有山毛桃荫蔽的均提前0.5～1 h.无论是初夏还是秋季，有山毛桃荫蔽的处理最大升温速率均小于无荫蔽的处理，显示了山毛桃植被荫蔽的效应.郁闭度越大，最大升温速率越小, 变化为3～1.3 ℃·h-1.

3)林内相对空气湿度随时间的波动性和日间平均值初夏和秋季不同.波动性的规律是初夏保持相对湿度与气温位相相反的大陆性气候特征，而秋季这种日变化特征消失，林内空气相对湿度波动很小，且郁闭度越大相对湿度波动越小，即林内空气相对湿度越趋于稳定；日间均值的规律是初夏各处理相近，秋季则明显随郁闭度增加而增加.

4)净光合速率受太阳辐射强度和空气温度两个因子主导，午前太阳辐射是主导因子，荫蔽不利于光合；午间高温是主导因子，适度荫蔽有利光合.利用生境原有植物荫蔽造林幼苗的意义主要应体现在午间高温低湿阶段.

综合来看，山毛桃-侧柏混交林降低林内空气的蒸发力，减缓林内土壤升温幅度和速率，增加林内空气湿度，并平缓林内空气湿度的波动.高温时段增强光合作用.前3点在干旱季节和时段均有利于减少水分过多消耗，结合对光合作用的影响，从微气候上显示了山毛桃-侧柏混交林有利于侧柏造林的生态效应.

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(责任编辑：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

国家自然科学基金项目(31170580)；国家自然科学基金项目(31370621)

陈景玲，1964年生，女，河南洛阳人，副教授，主要从事农林气象研究.

杨喜田，1965年生，男，河南长垣人，教授，博士研究生导师.

1000-2340(2014)05-0579-06