黃傳響 亢新剛 趙浩彥

(省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室(北京林業(yè)大學(xué))，北京，100083)

崔秋華 高 延 馮啟詳

(中國林業(yè)科學(xué)研究院資源昆蟲研究所) (吉林省汪清林業(yè)局)

陸地上80%的生態(tài)系統(tǒng)都已受到了來自人類和自然的各種干擾，森林生態(tài)系統(tǒng)也不例外［1］。人類社會發(fā)展的歷史可以認為是人類對森林干擾的歷史［2］。林隙是一種經(jīng)常發(fā)生的小規(guī)模干擾［3-5］。從某種意義上說，森林演替便是冠層喬木死亡，形成林隙，林隙內(nèi)幼苗幼樹競爭、發(fā)展的種群行為的積累過程。林隙既是森林苗木更新的主要場所，也是森林維持物種多樣性的重要生境［3，5］。林隙中的環(huán)境因子變化是影響森林發(fā)展的重要因素［3］。林隙的產(chǎn)生增強了干擾生境的異質(zhì)性［4］，并創(chuàng)造了一定數(shù)量的潛在生態(tài)位［3，6-8］。林隙形成以后，上層林冠疏開，光照增加，溫度升高，太陽輻射在林隙內(nèi)重新分配，形成獨特的小氣候分布規(guī)律［9-10］。林隙內(nèi)的小氣候隨著林隙形狀、面積、緯度及位置的變化而表現(xiàn)出不同的特點［6-8］。其中，小林隙的方位角極大地影響著林隙內(nèi)的光照水平，S—N向的光照水平大于E—W方向，中午太陽光可直射S—N向林隙北緣林冠上但達不到地面［11］。溫度是植物生長的必需條件，制約著樹木的生長發(fā)育、生長周期及生理活動等［12-13］。林隙改變了溫濕度的狀況［3］。林隙內(nèi)的溫度一般比林下高，而且變動幅度也大［14］。許多研究發(fā)現(xiàn)，林隙內(nèi)溫、濕度的時間變化曲線均呈單峰型。氣溫最高值和氣溫日較差一般不出現(xiàn)在林隙的中央而是在林隙的某一林緣處［8］。林隙內(nèi)熱力學(xué)特征的改變將影響土壤理化性質(zhì)、有機物的分解和土壤微生物活性等，最終影響林隙及其周邊生態(tài)過程的變化［6-10，15-18］。目前，我國對林隙環(huán)境因子的研究主要集中在熱帶雨林和次生林［6，11］方面，對云冷杉林的研究還未見報道。鑒于云冷杉林分在我國森林資源和生態(tài)環(huán)境建設(shè)中的重要地位和作用，本文以長白山云冷杉林林隙為研究對象，探尋云冷杉林林隙內(nèi)環(huán)境因子的時空變化特征，為以后的森林更新經(jīng)營管理和相關(guān)科學(xué)研究提供參考。

1 試驗地自然概況

研究地區(qū)位于吉林省汪清縣金溝嶺林場，研究區(qū)屬長白山系老爺嶺山脈雪嶺支脈，經(jīng)營面積為16 286 hm2。林場地貌為低山丘陵，海拔300～1 200 m，坡度5°～25°，個別陡坡在35°以上。該區(qū)屬季風(fēng)型氣候，全年平均氣溫3.9℃，≥10℃的積溫為2 144℃。1月份氣溫最低，平均為-32℃;7月份氣溫最高，平均為22℃。年降水量600～700 mm，且多集中在7月份。早霜從9月中旬開始，晚霜延至翌年5月末，生長期為120 d;積雪平均厚度達35 cm。本區(qū)屬低山灰化土灰棕壤區(qū)，母巖為玄武巖。在海拔800～1 000 m處為針葉林灰棕壤土，河谷是草甸土、泥炭土、沼澤土或沖積土。土壤結(jié)構(gòu)一般為黏壤土類，粒狀結(jié)構(gòu)，濕松，根系多，平均厚度為40 cm。主要喬木樹種有長白魚鱗杉(Picea jezoensis var.komarovii)、紅皮云杉(Picea koraiensis)、臭冷杉(Abies nephrolepic)、紅松(Pinus koraiensis Sieb.et Zucc.)、椴樹(Tilia tuan Szyszyl.)、色木槭(Acer mono Maxim.)、白樺(Betula platyphylla Suk.)、楓樺(Ribbed Birch)、山楊(Populus davidiana Dode.)、蒙古櫟(Quercus mongolica Fisch.ex Ledeb.)等;主要下木有忍冬(Lonicera ruprechtiana)、暴馬丁香(Syringa reticulate)、衛(wèi)矛(Euonymus alatus)、榛子(Corylus heterophylla)等;主要地被物為莎草(Cyperus rotundus)、禾本科草類及少數(shù)灌木，如珍珠梅(Sorbaria sorbifolia)、柳葉繡線菊(Speraea salicifolia)等。

2 研究方法

研究區(qū)位于吉林省汪清縣金溝嶺林場檢查法樣地I大區(qū)4小區(qū)。2010年7—8月，在4小區(qū)內(nèi)按海拔由低到高布設(shè)5條樣線進行林隙調(diào)查，每條樣線向左右各拓寬10 m，形成1條寬20 m的樣帶。樣帶總長度為1 000 m，均勻分布在小區(qū)中，樣帶總面積2 hm2，占調(diào)查區(qū)域的10.0%，符合抽樣調(diào)查強度要求。共計調(diào)查39個林隙。通過GIS軟件計算林隙的擴展林隙面積，大小為 20.32～560.25 m2，按照林界范圍指數(shù)(1.5、1.0、0.5)選取不同林隙大小的3個林隙(分別記作林隙1、林隙 2、林隙 3)作為研究對象，面積分別為 456.2、290.2、83.9 m2;林隙年齡分別為22、15、12 a，林隙均為采伐形成。林隙1和林隙2為南北軸長、東西軸短，林隙3南北和東西軸長度接近。林隙均位于山體下坡位，坡向為東南，坡度為5°～10°，海拔700 m左右。林隙內(nèi)主要樹種為槭類、紅松、冷杉和其它小灌木等。3個林隙的冠層平均高度分別為131、83、65 cm。

2010年8月，在林隙內(nèi)沿南北和東西軸向布設(shè)兩條觀測樣線，每條樣線上布設(shè)7個觀測點。考慮到邊緣效應(yīng)，觀測點為不等距分布，分別設(shè)置在林隙中央、實際林緣處、擴展林緣處和實際林緣與林隙中央的中心處。每條樣線延伸至林內(nèi)15 m作為林內(nèi)觀測點。林隙1和林隙2布設(shè)13個觀測點，林隙3布設(shè)11個觀測點。觀測點的具體分布見圖1。在觀測點上進行距離地面1.5 m處氣溫和地下5～10 cm土壤溫度測定。每日7：00—17：00進行觀測?？諝鉁囟炔捎肒estrel4500袖珍氣象追蹤儀(美國產(chǎn))進行觀測，土壤溫度采用6300針式溫度計(美國產(chǎn))觀測。每小時記錄1次觀測結(jié)果。

圖1 林隙內(nèi)觀測點設(shè)置示意圖

數(shù)據(jù)采用SPSS(version13.0)軟件進行統(tǒng)計分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 空氣溫度特征

3.1.1 林隙與林內(nèi)平均氣溫特征比較

林隙的形成改變了干擾生境的溫度狀況，林隙溫度一般高于林內(nèi)，而且變動幅度大。通過對云冷杉林隙內(nèi)和林下平均溫度的比較發(fā)現(xiàn)(表1)，對于氣溫差異，在一天當中中午時間段最為明顯，上午(7：00—11：00)較小，下午(15：00—17：00)次之;就平均氣溫而言，林隙與林內(nèi)的平均氣溫差為0.91℃，最高時可達1.9℃。

表1 林隙與林內(nèi)平均氣溫溫差 ℃

3.1.2 林隙中心氣溫晝間變化

從表2可以看出，林隙中心處的氣溫晝間變化均呈單峰型。3個林隙中心處氣溫的變化幅度存在差異，表現(xiàn)為林隙1＞林隙2＞林隙3，說明氣溫與林隙面積存在一定的相關(guān)性，面積越大，氣溫相對較高。中心處氣溫差異的另外一個特征，主要表現(xiàn)在氣溫的最高值出現(xiàn)的時間段不同，林隙1和林隙2 在13：00—15：00 時間段達到最高值，分別為28.9℃和26.8℃，林隙3在11：00—13：00時間段達到最高值，為24.1℃。林隙2中心氣溫在13：00—17：00時間段下降較快，這是由于林隙2西緣附近邊緣木相對較高，阻擋了太陽的一部分輻射，也有可能與該林隙內(nèi)冠層高度較高有關(guān)。朱教君等［11］人對東北地區(qū)次生林氣溫和土壤溫度進行的研究發(fā)現(xiàn)，中心氣溫和土壤溫度日變化均呈不對稱性的單峰型變化，王今殊等［19-20］對南方熱帶雨林的研究也得出了類似的結(jié)論。本研究雖然只考慮了氣溫的晝間變化，但與前人的結(jié)論基本相符，說明東北地區(qū)云冷杉林與南方的熱帶雨林、次生林存在著一定的熱力學(xué)共性。

表2 林隙中心氣溫晝間變化 ℃

3.1.3 林隙內(nèi)各觀測點氣溫的晝間變化

由表3可以看出，林隙內(nèi)不同觀測點的氣溫晝間變化趨勢類似，總體上呈現(xiàn)出單峰型分布。各個林隙氣溫變化差異表現(xiàn)為林隙1＞林隙2＞林隙3，林隙面積越大，林隙內(nèi)不同觀測點氣溫差異越劇烈。林隙3各觀測點氣溫變化趨勢較為緩和，原因可能是其林隙面積小，加之林隙內(nèi)更新幼苗種類和雜灌木多，因而空間差異性小。一天當中，林隙內(nèi)的最高溫度因時間和林隙位置不同而具有差異性，林隙1氣溫的最高值出現(xiàn)在13：00—15：00，出現(xiàn)區(qū)域在林隙中心偏東北處;林隙2氣溫的最高值出現(xiàn)在13：00—15：00時間段，出現(xiàn)區(qū)域也在東北林緣處;林隙3氣溫的最高值出現(xiàn)在11：00—13：00之間，出現(xiàn)區(qū)域在林隙中央位置。林隙氣溫最高值出現(xiàn)的時間和地點與林隙形狀、面積、邊緣木高度等因素存在著密切的關(guān)系。林隙1和林隙2南緣處的邊緣木較高，在下午14：00以后，中心偏東北處的太陽光較多。林隙3四周邊緣木高度較為均勻且較低，中午時分，林隙中心位置的光照較多。氣溫出現(xiàn)的時間和地點如表3所示。氣溫最高值并沒有出現(xiàn)明顯的位移現(xiàn)象，這與張一平等人［6］的研究不一致，原因是由于東北地區(qū)夏季光照強度明顯低于南方熱帶雨林區(qū)，溫度在局部范圍內(nèi)變化較小，最高值不容易區(qū)別所致。

氣溫在林隙內(nèi)各觀測點也表現(xiàn)了不同的特征，在S—N向和E—W向呈現(xiàn)不對稱分布，但S—N向變化幅度大于E—W向。中午，林隙1和林隙2在東向?qū)嶋H林緣處(EB)氣溫升高較快，出現(xiàn)了大于中心的氣溫值，林隙3在西向林緣處氣溫稍低于中心溫度;下午，林隙的氣溫從整體上看都大于早晨時間段，原因可能是由于一天當中的光照積累且氣溫下降速率較慢所致。

表3 3個林隙不同觀測點氣溫晝間變化℃

3.2 土壤溫度特征

3.2.1 林隙中心土壤溫度晝間變化

由表4可以看出，林隙中心地溫的晝間變化均呈單峰型。林隙1和林隙2在13：00—15：00達到最大值，分別為25.4℃和24.1℃，林隙3在11：00—13：00 達到最高值，為 17.8 ℃，相對于其它林隙的溫度差別很大。林隙1和林隙2中心點地溫隨時間變化的幅度明顯大于林隙3。通過對3個林隙中心點平均地溫的比較發(fā)現(xiàn)，林隙1和林隙2之間差異極顯著(p＜0.01)，而與林隙3 之間差異不顯著(p＜0.05)。

表4 林隙中心土壤晝間變化 ℃

3.2.2 林隙南北和東西軸方向上土壤溫度特征

由表5可以看出，在林隙兩軸上，土壤平均地溫的晝間變化也呈現(xiàn)單峰型的變化趨勢。林隙1和林隙2中心地溫較高，林隙3中心地溫較低，但S—N向的變化幅度大于E—W向。S—N向地溫變化幅度較大(表7)，E—W向地溫變化較小(表5)。以往研究認為，林隙中環(huán)境因子的變化南北向大于東西向，主要原因是南北向的光照輻射大于東西向。本研究的結(jié)論與以往研究基本相符［8，15，21］?？傮w來看，林隙 1 和林隙2的平均地溫較高，林隙3的平均地溫較低。沿南北方向，林隙1和林隙2地溫的變化呈明顯的單峰型趨勢，其中，林隙1中心地溫最高(CC，22.3℃)，林隙3地溫的最高值出現(xiàn)在中心偏北(NC，18.1℃)。沿東西向，林隙1地溫的最高值出現(xiàn)在中心偏西(WC)，林隙2地溫最高值出現(xiàn)在中心偏東(EC)，林隙3的峰值出現(xiàn)在東向?qū)嶋H林緣處(EB)。

3.3 林隙內(nèi)晝間氣溫和土壤溫度關(guān)系

林隙內(nèi)各觀測點晝間的平均氣溫、平均地溫以及氣—地溫差見表6。林隙1晝間氣—地溫差的最大值出現(xiàn)在中心偏東位置(EB，5.7℃;EC，6.09℃)，林隙2晝間氣—地溫差的最大值出現(xiàn)在東向?qū)嶋H林緣處(EB，4.41℃)，林隙3則出現(xiàn)在中心處(CC，5.12℃)。通過對不同林隙白天平均氣溫和地溫的相關(guān)性分析表明：林隙1氣溫和地溫的相關(guān)性極顯著(r=0.850，p＜0.01)，林隙 2 氣溫和地溫也存在著極顯著關(guān)系(r=0.703，p＜0.01)，林隙3的氣溫和地溫的相關(guān)性不顯著(r=0.328，p ＞0.05)。

表5 林隙南北方向和東西方向上平均地溫晝間變化 ℃

4 結(jié)論與討論

長白山云冷杉林隙中心氣溫的晝間變化均呈單峰型。溫度與林隙面積之間存在著極大的相關(guān)性，面積越小的林隙，保溫效果越好，有利于林隙內(nèi)幼苗的更新。林隙內(nèi)不同位置上的溫度具有差異性，在南北軸上變化幅度大于東西向。林隙內(nèi)溫度最高值出現(xiàn)的時間和位置不同：林隙1和林隙2的溫度在13：00—15：00達到最大值，位置在中心偏東北附近，林隙3的溫度在11：00—13：00達到最大值，位置出現(xiàn)在林隙中心。

長白山云冷杉林隙中心土壤溫度晝間變化也呈單峰型。S—N軸上林隙土壤溫度的變化幅度大于E—W軸，S—N軸上林隙1和林隙2土壤溫度變化較大，林隙3趨于平緩。林隙1和林隙2溫度最大值出現(xiàn)在林隙中心，林隙3則出現(xiàn)在中心偏東北位置。林隙晝間平均氣—地溫差表現(xiàn)為林隙1和林隙2較大，林隙3較小。

表6 林隙內(nèi)各觀測點晝間平均氣溫、土壤溫度及溫差 ℃

林隙與林內(nèi)溫度差異明顯(p＜0.05)。由于多種條件的限制，本研究只選取了3個代表林隙來研究長白山云冷杉林隙的特征，考慮到其它條件的一致性，并沒有嚴格按照文獻［21-22］的林界范圍指數(shù)選取，測量時間上只觀測了白天的溫度數(shù)據(jù)。在以后的研究中，應(yīng)選取一定數(shù)量的林隙代表，并分不同季節(jié)、不同月份進行研究和連續(xù)觀測。

［1］朱教君，劉足根.森林干擾生態(tài)研究［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2004，15(10)：1703-1710.

［2］劉增文，李雅素.森林干擾［J］.陜西林業(yè)科技，1997(1)：28-32.

［3］梁曉東，葉萬輝.林窗研究進展［J］.熱帶亞熱帶植物學(xué)報，2001，9(4)：355-364.

［4］宋新章，肖文發(fā).林隙微生境及更新研究進展［J］.林業(yè)科學(xué)，2006，42(5)：114-119.

［5］臧潤國.林隙(gap)更新動態(tài)研究進展［J］.生態(tài)學(xué)雜志，1998，17(2)：50-58

［6］張一平，馬友鑫，劉玉洪，等.哀牢山北部常綠闊葉林林窗小氣候空間分布特征［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001，23(4)：80-83.

［7］張一平，王進欣，劉玉洪，等.熱帶次生林林窗干熱季光照特征初步分析［J］.廣西植物，2001，21(1)：1-8.

［8］張一平，王進欣，馬友鑫，等.西雙版納熱帶次生林林窗近地層溫度時空分布特征［J］.林業(yè)科學(xué)，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，譚輝，李鳳芹，等.遼東山區(qū)次生林3種不同大小林窗夏季近地面氣溫及土壤溫度比較［J］.林業(yè)科學(xué)，2009，45(8)：161-165.

［12］竇軍霞，張一平，馬友鑫，等.熱帶次生林林窗區(qū)域土壤—植物—大氣連續(xù)體熱力效應(yīng)初步分析［J］.熱帶氣象學(xué)報，2003，19(3)：329-333.

［13］賀慶棠，氣象學(xué)［M］.北京：中國林業(yè)出版社，1988.

［14］王正非，朱廷曜，朱勁偉，等.森林氣象學(xué)［M］.北京：中國林業(yè)出版社，1982.

［15］沙麗清，曹敏.西雙版納熱帶季節(jié)雨林林冠下及林窗中土壤養(yǎng)分對比研究［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，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，王進欣.熱帶次生林、季雨林林窗溫度特征對比分析［J］.徐州師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004，22(3)：59-64.

［20］王進欣，張一平.西雙版納人工林林窗光照剖線分布特征［J］.植物資源與環(huán)境學(xué)報，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.