王麗紅 高鴻坤 趙雨森 付 強 何傳源 孫 鑫 梁建鑫 張嘯鵬

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院 哈爾濱 150030； 2.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院 哈爾濱 150040)

森林通過改變下墊面特征，使太陽輻射、熱量和水分等在進入森林后重新分配，起到調(diào)節(jié)小氣候的作用，其作用大小受森林生態(tài)系統(tǒng)的光、溫、水、土、氣等條件的綜合作用(Kovcsetal.， 2017)，進而影響森林的生理過程、營養(yǎng)循環(huán)、水分傳輸與分配等(王珮環(huán)等， 2019)。研究森林調(diào)節(jié)小氣候的效應(yīng)，有助于了解森林功能對氣候變化的響應(yīng)，能為森林經(jīng)營管理提供理論依據(jù)(Ehbrechtetal.， 2019) 。

近些年來，學(xué)者們研究了不同森林類型(蔣丹丹等， 2015)、不同地形(Davisetal.， 2019)、干擾(羅旭等， 2018； dos Santosetal.， 2020)、土地利用方式(宮香偉等， 2018； Meijideetal.， 2018)、林內(nèi)林外(李潔等， 2020)、林窗林緣(Hofmeisteretal.， 2019)等的小氣候效應(yīng)，并探討了小氣候與人體舒適度之間的關(guān)系(Schinasietal.， 2017； 古琳等， 2019)。研究發(fā)現(xiàn)，森林不僅具有降溫和增濕效應(yīng)，而且對溫度變幅有緩沖作用(Gaudioetal., 2017)。然而，森林對小氣候的調(diào)節(jié)作用在不同氣候帶和不同森林類型間存在差異。Li 等(2015) 利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析全球森林的溫度調(diào)節(jié)作用時發(fā)現(xiàn):低緯度地區(qū)的熱帶森林全年表現(xiàn)為顯著降溫作用； 溫帶森林則是夏季溫和降溫及冬季溫和升溫，但全年表現(xiàn)為降溫作用； 北方針葉林在冬季顯著升溫，在夏季溫和降溫，全年表現(xiàn)為升溫作用。Meijide等(2018)指出，印度尼西亞原始熱帶森林距地表2 m處氣溫比油棕(Elaeisguineensis)林和橡膠(Heveabrasiliensis)林低2.3和2.2 ℃，空氣相對濕度分別高11.9%和12.8%，土壤溫度沒有顯著差異。Vanneste等(2020)發(fā)現(xiàn)歐洲溫帶灌木籬的小氣候調(diào)節(jié)能力低于林地，冬季灌木籬距地表2 m處最低氣溫始終比林地低0.10 ℃，夏季距地表2 m處最高氣溫比林地高0.80 ℃。然而，現(xiàn)有研究較少關(guān)注森林小氣候調(diào)節(jié)作用隨森林發(fā)育過程的動態(tài)變化。徐明潔等(2018)指出，隨著林齡增長，林分結(jié)構(gòu)和功能均發(fā)生相應(yīng)的變化，但目前缺少森林對溫濕環(huán)境調(diào)節(jié)作用的定量研究。

大興安嶺林區(qū)是我國面積最大的林區(qū)，1987年5月6日大興安嶺發(fā)生特大森林火災(zāi)，受害面積達1.01萬 km2。許多學(xué)者對火燒跡地的物種多樣性(李威等， 2020； Nbregaetal.， 2019)、土壤養(yǎng)分(Aaltonenetal.， 2019； Lietal.， 2020)和水量平衡(Venkateshetal.， 2020)進行了研究。目前，關(guān)于林火對小氣候變化特征的影響有一定研究(Brownetal.， 2014； Dodonovetal.， 2019)，但對火燒跡地植被恢復(fù)過程中小氣候演變特征研究很少。興安落葉松(Larixgmelinii)是大興安嶺地區(qū)的地帶性植被，目前大興安嶺火燒跡地已營造了大面積興安落葉松人工林。本研究分析大興安嶺重度火燒跡地不同恢復(fù)年限興安落葉松人工林的生長季空氣溫度、空氣相對濕度和土壤溫度的變化特征，旨在揭示火燒跡地植被恢復(fù)對小氣候調(diào)節(jié)作用的變化規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于阿木爾林業(yè)局內(nèi)，地處大興安嶺北坡(122°38′30″—124°05′05″E, 52°15′03″—53°33′15″N)。行政管轄隸屬黑龍江省大興安嶺地區(qū)漠河縣，東臨塔河林業(yè)局，南臨呼中林業(yè)局，西與圖強林業(yè)局接壤，北與俄羅斯隔江相望。地勢平緩，坡度大部分小于15°，海拔255～1 396 m。屬于寒溫帶大陸性氣候，晝夜溫差大，夏季短暫(只有2個月左右),冬季嚴(yán)寒漫長(長達7個月),年均氣溫-4.94 ℃，7月份最高氣溫35 ℃，1月份最低氣溫-49.5 ℃,年均降水量432 mm，集中在夏季，全年無霜期90天左右，年日照時數(shù)2 630 h。土壤以棕色針葉林土為主，另有沼澤土和泥炭土。喬木主要有興安落葉松、白樺(Betulaplatyphylla)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)和山楊(Populusdavidiana)等。灌木主要有興安杜鵑(Rhododendrondauricum)、杜香(Ledumpalustrevar.dilatatum)、越橘(Vacciniumvitis-idaea)和刺玫(Rosadavurica)等。有莎草科(Cyperaceae)、菊科(Compositae)、豆科(Leguminosae)、薔薇科(Rosaceae)和桔?？?Campanulaceae)等主要草本植物。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

2013年5月，以1987年“5·6”大火重度火燒跡地上不同恢復(fù)年限(3、13、16、21和24 a)的興安落葉松人工林為對象，選取生境條件基本一致的地塊設(shè)置樣地。樣地造林時均人工穴狀整地，造林密度2 500株·hm-2，連續(xù)撫育3年，按2-2-1次進行撫育(即補植后的前3年內(nèi)，第1年撫育2次，第2年撫育2次，第3年撫育1次)，沒有人為干預(yù)或人為干預(yù)較少。以2012年重度火燒跡地作為對照。各恢復(fù)年限林分及火燒跡地均設(shè)置3塊20 m×30 m樣地，調(diào)查其坡度、坡向、海拔等立地因子。對喬木每木調(diào)查，記錄樹高、胸徑和林分郁閉度(表1)。

表1 樣地概況①Tab.1 Survey of sample plots

2.2 小氣候觀測

2013年5月在各樣地內(nèi)，沿對角線選取3棵樹，將HOBO Prov2溫濕度記錄儀U23-001固定在距地表1.5 m處(劉效東等， 2014)，每隔1 h自動記錄1次空氣溫度和相對濕度。每塊樣地沿對角線選取3個點，將WatchDog B101型按鈕溫度記錄儀分別埋在5和10 cm土深處(付為國等， 2006)，每隔1 h自動記錄1次土壤溫度。觀測時間為2013年林分生長季(6—9月)。

2.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2003軟件和SPSS 17. 0統(tǒng)計分析軟件，進行數(shù)據(jù)處理分析，采用最小顯著差異法 (LSD) 進行數(shù)據(jù)差異顯著性檢驗，利用Origin 9.1軟件作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 空氣溫濕度日變化

由圖1可知，氣溫日變化呈現(xiàn)早晚低、日間高的倒“U”字型變化趨勢，最低氣溫出現(xiàn)在4：00—7：00，最高氣溫出現(xiàn)在12：00—16：00； 隨恢復(fù)年限增加，最低、最高氣溫出現(xiàn)時間表現(xiàn)出延遲趨勢，在恢復(fù)24 a時比對照樣地晚1～2 h。

空氣相對濕度日變化呈現(xiàn)早晚高、日間低的“U”字型變化趨勢，從0:00開始緩慢上升，3:00—8：00達到最高并接近飽和； 之后隨日出急速下降，最低值出現(xiàn)在13：00—16：00，這與氣溫最高值出現(xiàn)時間吻合； 之后隨氣溫降低，空氣相對濕度開始上升，直到晚上20: 00左右再次進入緩慢平穩(wěn)上升階段(圖2)。隨恢復(fù)年限增加，最高、最低空氣相對濕度出現(xiàn)時間表現(xiàn)出延遲趨勢，恢復(fù)24年時比對照樣地晚1～3 h。

植被恢復(fù)期間，氣溫日較差為10.19～20.01 ℃，差值達9.82 ℃； 空氣相對濕度日較差為31.93%～52.56%，差值為20.63%； 白天(7：00—18：00)差值大于夜晚。隨恢復(fù)年限增加，氣溫和空氣相對濕度的日較差呈減小趨勢。

圖2 植被恢復(fù)過程中空氣相對濕度日變化Fig. 2 Diurnal variation of relative air humidity during vegetation restoration

3.2 空氣溫濕度生長季變化

由表2可知：各恢復(fù)年限興安落葉松人工林空氣溫度表現(xiàn)為6和7月較高、9月最低； 空氣相對濕度表現(xiàn)為7月最高，8月次之，6和9月較低。

6月份氣溫(℃)表現(xiàn)為對照(18.89)>3 a(18.17)>13 a(17.47)>16 a(16.82)>21 a(16.69)>24 a(15.39)，恢復(fù)24年后顯著低于其余年限，較對照下降了18.53%。隨恢復(fù)年限增加，7—9月氣溫逐漸降低?；謴?fù)24年時7、8、9月氣溫比對照顯著降低2.96、3.46和3.84 ℃。

6月空氣相對濕度在恢復(fù)24年時最高，為74.27%，其次為16、21、13和3年，對照樣地空氣相對濕度為60.08%，顯著低于各恢復(fù)年限。隨恢復(fù)年限增加，7—9月空氣相對濕度逐漸升高，恢復(fù)24年時7、8、9月空氣相對濕度比對照樣地顯著高出12.89%、13.16%和13.67%。

表2 植被恢復(fù)過程中空氣溫濕度生長季變化①Tab.2 Seasonal variation of air temperature and relative humidity during vegetation restoration

3.3 土壤溫度日變化

土壤溫度日變化呈現(xiàn)不同相位的正弦曲線(圖3)，植被恢復(fù)過程中5 cm深處土壤溫度日較差(℃)表現(xiàn)為3 a(10.05)>對照(7.18)>13 a(5.67)>16 a(5.58)>21 a(4.64)>24 a(3.04)，10 cm深處土壤溫度日較差(℃)表現(xiàn)為3 a(5.51)>對照(3.93)>16 a(3.18)>13 a(2.44)>21 a(2.38)>24 a(1.35)，5 cm深處土壤溫度日較差比10 cm大。植被恢復(fù)過程中白天(7：00—18：00)溫差大于夜晚，5 cm深處土壤最低溫出現(xiàn)在5：00—7：00，最高溫出現(xiàn)在13：00—17：00，10 cm深處土壤最低溫出現(xiàn)在6：00—9：00，最高溫出現(xiàn)在14：00—19：00，土壤溫度曲線最大值出現(xiàn)的時間隨土壤深度增加而推移。隨著恢復(fù)年限增加，5和10 cm深處土壤最高溫、最低溫出現(xiàn)時間表現(xiàn)出延遲效應(yīng)，恢復(fù)24年時比對照樣地晚1～2 h。

圖3 植被恢復(fù)過程中土壤溫度日變化Fig. 3 Diurnal variation of soil temperature during vegetation restoration

3.4 土壤溫度生長季變化

由表3可知，在6月份，5 cm深處土壤溫度(℃)表現(xiàn)為對照(18.46)>3 a(17.34)>13 a(11.66)>16 a(11.34)>21 a(9.56)>24 a(8.75)，10 cm深處土壤溫度(℃)表現(xiàn)為對照(17.48)>3 a(15.84)>13 a(10.22)>16 a(9.74)>21 a(7.72)>24 a(6.52)，各恢復(fù)年限間差異顯著，恢復(fù)24 a時較對照樣地分別下降了52.62%和62.71%。隨著恢復(fù)年限增加，7—9月5和10 cm深處土壤溫度也逐漸降低?；謴?fù)24 a時，5和10 cm深處土壤溫度較對照樣地的下降幅度表現(xiàn)為7月份36.61%和43.34%、8月份33.02%和39.06%、9月份39.60%和41.48%。

各恢復(fù)年限興安落葉松人工林的5 cm深處土壤溫度在6—8月均顯著高于10 cm，但在9月份恢復(fù)16、21和24 a時5 cm深處土壤溫度高于10 cm深處，其余恢復(fù)年限為5 cm深處土壤溫度低于10 cm深處。各恢復(fù)年限興安落葉松人工林的5和10 cm深處土壤溫度在7和8月高于6和9月。

3.5 小氣候因子與恢復(fù)年限的數(shù)量關(guān)系

對所測定的不同恢復(fù)年限興安落葉松人工林小氣候因子與恢復(fù)年限的數(shù)據(jù)進行回歸分析，發(fā)現(xiàn)小氣候因子與恢復(fù)年限存在如下線性關(guān)系：M=kt+p。式中：M為小氣候因子(氣溫、空氣相對濕度、5 cm深處土壤溫度、10 cm土壤溫度)；t為恢復(fù)年限；k為方程回歸系數(shù)；p為方程常數(shù)項。經(jīng)擬合的方程相關(guān)系數(shù)(R2)均在0.749 4以上，氣溫與恢復(fù)年限顯著負相關(guān)(P<0.05)，空氣相對濕度與恢復(fù)年限顯著正相關(guān)(P<0.05)(表4)，5和10 cm深處土壤溫度與恢復(fù)年限極顯著負相關(guān)(P<0.001)(表5)。

表3 植被恢復(fù)過程中土壤溫度生長季變化Tab.3 Seasonal variation of soil temperature during vegetation restoration ℃

表4 空氣溫濕度與恢復(fù)年限的擬合方程及顯著性分析Tab.4 Fitting equations and significance analysis of air temperature-humidity and restoration years

表5 土壤溫度與恢復(fù)年限的擬合方程及顯著性分析Tab.5 Fitting equations and significance analysis of soil temperature and restoration years

4 討論

4.1 植被恢復(fù)過程中小氣候因子生長季變化

影響森林小氣候的主要因素有太陽輻射輸入量(Holstetal.， 2004)、地形條件(Aussenac, 2000)、林冠層遮擋量、林下植被葉片對太陽輻射的吸收和反射作用(Launiainenetal.， 2016)、植物蒸騰作用等(Gebhardtetal.， 2014)。林內(nèi)空氣溫度和相對濕度主要受林分結(jié)構(gòu)影響，光照強度受喬木胸徑、冠幅和樹高影響(Kovcsetal.， 2017)。本研究中隨恢復(fù)年限增加，空氣溫度和土壤溫度逐漸降低，空氣相對濕度逐漸增加，興安落葉松人工林朝蔭、涼、濕的方向發(fā)展(表2、3)，與劉效東等(2014)、楊興虎等(2016)、陳進等(2019)的研究結(jié)果一致，說明林分小氣候主要受太陽輻射輸入量和林分郁閉度影響(Gaudioetal.， 2017)。林火使林分遮蔭效果被移除，火燒跡地恢復(fù)初期，到達地表的太陽輻射增加，空氣溫度和土壤溫度較高。隨恢復(fù)年限增加，林分郁閉度增大，林冠截留了部分太陽輻射，降低了風(fēng)速和亂流傳輸，削弱了林內(nèi)空氣熱量交換。同時，植被蒸騰散熱效應(yīng)逐漸增強，森林降溫增濕效應(yīng)增強。

森林小氣候受植被蓋度和季節(jié)變化影響(Meijideetal.， 2018)，森林對土壤溫度的調(diào)節(jié)作用受喬木層、灌木層和草本層的遮蔽影響(徐明潔等， 2018)。本研究中各恢復(fù)年限興安落葉松人工林6—8月土壤溫度隨土層加深而降低。9月是土壤溫度從高溫向低溫轉(zhuǎn)換的過渡時期，9月的5 cm深處土壤溫度在恢復(fù)16、21和24 a時高于10 cm深處土壤溫度，但其余年限低于10 cm深處(表3)，這是因為恢復(fù)3、13 a和對照樣地的林分郁閉度較低(表1)，地表裸露，表層土壤溫度降低迅速，在恢復(fù)16、21和24 a時，林分郁閉度逐漸增大(表1)，林冠層遮擋作用增大，林內(nèi)熱量散失和地表降溫減慢(徐明潔等， 2018)，使9月的5 cm深處土壤溫度高于10 cm深處。崔鴻俠等(2018)研究神農(nóng)架華山松(Pinusarmandii)人工林土壤溫度年變化發(fā)現(xiàn)，1—3和10—12月土壤溫度隨土層深度增加而升高，4—9月土壤溫度隨土層深度增加而降低。

4.2 植被恢復(fù)過程中小氣候因子日變化

土壤溫度日變化通常可利用正弦或余弦函數(shù)描述(邵明安等， 2006)，本研究中各恢復(fù)年限興安落葉松林土壤溫度日變化呈正弦曲線(圖3)，空氣溫度日變化呈倒“U”字型(圖1)，空氣相對濕度日變化呈“U”字型(圖2)，與歐陽旭等(2014)得到的鼎湖山針闊葉混交林空氣溫濕度和土壤溫度日變化規(guī)律一致，空氣溫濕度最高值、最低值出現(xiàn)時間與黃河三角洲白蠟(Fraxinuschinensis)人工林接近(王霞等， 2017)。植被恢復(fù)過程中空氣最低溫、最高溫出現(xiàn)時間比土壤最低溫、最高溫出現(xiàn)時間早，空氣溫度日較差大于土壤溫度日較差(圖1、2)。這與蔣丹丹等(2015)、Dodonov等(2019)的研究結(jié)果一致，空氣溫度對太陽輻射強度的敏感性高于土壤溫度，土壤溫度變化比空氣溫度有一定的滯后性。

隨著恢復(fù)年限增加，空氣溫濕度、土壤溫度的日較差逐漸降低(圖1、2、3)，與付為國等(2006)、屈振江等(2015)的研究結(jié)果一致。這不僅有利于土壤微生物繁殖，促進土壤有機質(zhì)分解，還促進植物種子的存活和萌發(fā)，為植物生長提供穩(wěn)定環(huán)境，由此可見，溫度環(huán)境隨著森林恢復(fù)向著更有利于植物生長及演替的方向發(fā)展。對照樣地空氣溫濕度日較差低于各恢復(fù)年限興安落葉松林(圖1、2)，這是因為對照樣地地表肉眼可見有大量黑色物質(zhì)(灰分、黑碳等)，既利于白天吸收更多太陽輻射，有利于夜晚氣溫降低時起到保溫作用。黑碳是森林不完全燃燒的產(chǎn)物，富集在表層，然后通過土壤動物、水等作用淋溶至下層(孫金兵等， 2017)。與燃燒產(chǎn)生的灰分不同，黑碳可在土壤中存留上百年(Birdetal., 2015)。由于黑碳自身的吸附性、比熱容等物理性質(zhì)，在一定程度上影響了土壤水熱條件(李攀等， 2013)。在各恢復(fù)年限興安落葉松人工林土壤中，沒有發(fā)現(xiàn)明顯碳黑層，徐嘉暉等(2017)指出凍融循環(huán)能粉碎黑碳顆粒，加速黑碳在土壤中的垂直遷移。由于林分類型、火燒強度不同，火燒跡地土壤的黑碳量存在差異(王玉哲等， 2018)，應(yīng)進一步研究土壤黑碳對火燒跡地水熱因素的影響。今后研究中需結(jié)合土壤中黑碳含量及分布、土壤濕度、光合有效輻射和風(fēng)速等開展研究，并延長觀測季節(jié)，探討全年林內(nèi)小氣候變化。

5 結(jié)論

在重度火燒跡地經(jīng)不同恢復(fù)年限的興安落葉松人工林，隨恢復(fù)年限增加，林內(nèi)空氣和土壤溫度逐漸降低，空氣相對濕度逐漸升高，森林小氣候變的更為蔭涼潮濕，森林對土壤溫度的調(diào)節(jié)作用大于對空氣溫度的調(diào)節(jié)作用。隨著恢復(fù)年限增加，林內(nèi)空氣溫度、空氣相對濕度、土壤溫度的日較差逐漸減小，森林小氣候的波動性減弱，穩(wěn)定性增強。人工種植興安落葉松林能夠發(fā)揮調(diào)節(jié)小氣候的功能，改善林火對森林小氣候的干擾。