高级检索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

阔叶红松混交林不同大小林隙地表温度和浅层土壤温度的时空异质性

段文标 郭绮雯 陈立新 冯静 王丽霞 杜珊

段文标, 郭绮雯, 陈立新, 冯静, 王丽霞, 杜珊. 阔叶红松混交林不同大小林隙地表温度和浅层土壤温度的时空异质性[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(9): 108-121. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180390
引用本文: 段文标, 郭绮雯, 陈立新, 冯静, 王丽霞, 杜珊. 阔叶红松混交林不同大小林隙地表温度和浅层土壤温度的时空异质性[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(9): 108-121. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180390
Duan Wenbiao, Guo Qiwen, Chen Lixin, Feng Jing, Wang Lixia, Du Shan. Heterogeneity of soil surface temperature and shallow soil temperature in different size gaps of broadleaved Pinus koraiensis forest[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(9): 108-121. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180390
Citation: Duan Wenbiao, Guo Qiwen, Chen Lixin, Feng Jing, Wang Lixia, Du Shan. Heterogeneity of soil surface temperature and shallow soil temperature in different size gaps of broadleaved Pinus koraiensis forest[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(9): 108-121. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180390

阔叶红松混交林不同大小林隙地表温度和浅层土壤温度的时空异质性

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180390
基金项目: 国家自然基金项目(31670627、31770656)
详细信息
    作者简介:

    段文标,教授,博士生导师。主要研究方向:森林气象学、水土保持。Email:dwbiao88@163.com 地址:150040黑龙江省哈尔滨市香坊区和兴路26号东北林业大学林学院主西614

    通讯作者:

    陈立新,教授,博士生导师。主要研究方向:森林土壤、植物营养、林地养分管理。Email:lxchen88@163.com 地址:150040黑龙江省哈尔滨市香坊区和兴路26号东北林业大学林学院土壤研究室

Heterogeneity of soil surface temperature and shallow soil temperature in different size gaps of broadleaved Pinus koraiensis forest

  • 摘要: 目的探究不同大小林隙地表温度和浅层土壤温度的动态变化特征,为阔叶红松混交林苗木更新、生物多样性维持及生态环境的恢复提供理论依据。方法以小兴安岭阔叶红松林中林隙和小林隙为研究对象,采用网格法和十字样线法分别布设地表温度表和土壤温度表观测样点,在植物生长季测定了两个林隙的地表温度、地表最低和地表最高温度以及浅层(5、10、15和20 cm)土壤温度,采用经典统计学与地统计学对地表温度和土壤温度进行测量及时空异质性的分析。结果(1)地表温度和地表最高温度在生长季内(6—9月)的月变化均表现为先升后降的单峰型曲线分布,且7月达到最大值。地表温度的升温速率高于降温速率,升温幅度大,降温幅度小。(2)不同样地间地面最高温度与地面温度的变化相同,生长季内(6—9月)地面温度变化为:中林隙 > 小林隙 > 郁闭林分,最低温度变化为:中林隙 < 小林隙 < 郁闭林分。(3)各月份林隙土壤温度空间变异程度不同,6月和9月变异程度较7月和8月有所增加;随着土层深度增加,土壤温度的变异减小。(4)林隙日均地表温度和日均土壤温度均较郁闭林分高,且林隙土壤温度的最大值区域随时间出现动态变化。林隙中心地表温度和土壤温度极其日较差均高于郁闭林分。中、小林隙各土层温度差并无明显差异。(5)7月和8月土壤温度均呈较弱变异,6月和9月部分呈中等变异。结论地表温度和浅层土壤温度在不同月份均呈现出不同的变化趋势,生长季(6—9月)的地表温度与土壤温度恰恰是苗木更新及种子萌发的关键条件之一,本文旨在对群落演替和种群动态研究提供基础性数据。
  • 图  1  中、小林隙形状及观测样点分布示意图

    ☆代表林隙中心位置,A和B中○分别代表中、小林隙地表温度的观测样点,C和D中●分别代表中、小林隙土壤温度的观测样点. ☆ represents the gap center position, ○ in A and B represents observation point of ground temperature, ● in C and D represents observation point of soil temperature.

    Figure  1.  Schematic diagram of the shapes of medium and small gaps and the distribution of observation sample points

    图  2  不同大小林隙6—9月地表温度的日变化

    Figure  2.  Diurnal variations in ground temperature for different size of gaps during June and September

    图  3  6—9月中、小林隙地表平均温度的等值线图

    Figure  3.  Contour map of the ground temperature in the medium and small gaps between June and September

    图  4  6—9月中、小林隙地表最高温度的等值线图

    Figure  4.  Contour map of the maximum ground temperature in gaps during June to September

    图  5  6—9月中、小林隙地表最低温度的等值线图

    Figure  5.  Contour map of the minimum ground temperature in gaps during June to September

    图  6  6—9月中、小林隙地表温度日较差的等值线图

    Figure  6.  Contour map of the daily range of ground temperature in gaps during June to September

    表  1  各样地基本特征

    Table  1.   Basic features of various sample plots

    样地
    Sample plot
    扩展林隙面积
    Expanded gap area/m2
    H/D 坡度
    Slope
    degree/(°)
    坡向
    Slope aspect
    坡位
    Slope position
    海拔
    Altitude/m
    林隙形成方式
    Gap formation
    mode
    林隙形成木
    Gap maker
    边缘木树种组成
    Species composition of
    edge tree species
    郁闭林分
    Closed stand
    5
    South
    中上部
    Middle-upper part
    640 红松、冷杉、臭松、枫桦、槺椴
    Pinus koraiensis, Abies fabri, Pinus sylvestris, Betula platyphylla, Tilia amurensis
    小林隙
    Small gap
    228.74 2:1 4
    South
    中上部
    Middle-upper part
    642  树倒
     Trees falling
    红松
    Pinus koraiensis
    红松、槺椴、冷杉
    Pinus koraiensis, Tilia mandshurica, Abies fabri
    中林隙
    Medium gap
    812.79 1:1 6
    South
    中上部
    Middle-upper part
    638  树倒、折干
     Trees falling
     and break
    红松、枫桦
    Pinus koraiensis,
    Betula costata
    红松、冷杉、枫桦
    Pinus koraiensis, Abies fabri, Betula costata
    注:H为树高;D为林隙直径。Notes: H, tree height; D, gap diamter.
    下载: 导出CSV

    表  2  6—9月阔叶红松混交林林隙及郁闭林分地表温度的描述性统计

    Table  2.   Descriptive statistics of ground temperature in gaps and closed-stands of Pinus koraiensis-dominated broadleaved mixed forest during June and September

    月份 Month 林隙大小 Gap size 均值 ± 标准差 Mean ± SD/℃ 极小值 Minimum/℃ 极大值 Maximum/℃ 方差 Variance 变异系数 CV
    6月 June 中林隙 Medium gap 21.4 ± 4.3ab 11.2 37.3 18.8 20.1
    小林隙 Small gap 21.2 ± 3.6ab 17.2 30.2 13.0 17.0
    郁闭林分 Closed stand 20.4 ± 2.6bc 17.5 26.3 6.9 12.7
    7月 July 中林隙 Medium gap 23.8 ± 2.4a 16.4 54.5 5.9 10.1
    小林隙 Small gap 23.3 ± 2.2a 17.0 50.0 4.9 9.4
    郁闭林分 Closed stand 20.5 ± 2.0bc 18.2 28.0 4.1 9.8
    8月 August 中林隙 Medium gap 19.1 ± 3.0bc 13.0 32.0 9.0 15.7
    小林隙 Small gap 18.7 ± 2.1bc 16.5 29.7 4.4 11.2
    郁闭林分 Closed stand 16.5 ± 2.0c 16.9 26.0 4.0 12.1
    9月 September 中林隙 Medium gap 17.5 ± 3.2c 9.9 30.8 10.2 18.3
    小林隙 Small gap 17.2 ± 2.8c 10.7 26.5 7.9 16.3
    郁闭林分 Closed stand 15.6 ± 2.3c 11.2 21.5 5.3 14.7
    注:同列不同字母表示差异显著(P < 0.05)。Note: different letters in the same column show significant difference (P < 0.05).
    下载: 导出CSV

    表  3  6—9月中、小林隙土壤含水量变异函数理论模型及其参数

    Table  3.   Theoretical models and their parameters of soil water content in the medium and small gap during June and September

    样地
    Sample plot
    月份
    Month
    模型
    Model
    块金值
    Nugget (C0)
    基台值
    Sill (C0 +C)
    变程
    Variable range/m
    结构比
    Structural ratio
    C/ (C0 + C)
    R2 残差平方和
    Residual sum
    of squares
    分维数
    Fractal dimension
    (D0)
    中林隙
    Medium gap
     6月 June Sph. 0.142 1.011 11.75 0.860 0.072 0.096 1.962
     7月 July Sph. 0.096 1.005 8.39 0.904 0 0.139 1.918
     8月 August Sph. 0.168 1.042 14.16 0.839 0.575 0.021 1.949
     9月 September Lin. 0.563 1.296 36.77 0.566 0.888 0.024 1.830
    小林隙
    Small gap
     6月 June Sph. 0.147 1.027 8.22 0.857 0.125 0.042 1.997
     7月 July Sph. 0.001 1.230 12.36 0.999 0.974 0.004 1.783
     8月 August Exp. 0.352 1.226 16.29 0.713 0.999 0 1.881
     9月 September Lin. 0.763 1.007 16.30 0.242 0.992 0.001 1.937
    注:Sph. 代表球状模型,Exp. 代表指数模型,Lin. 代表线性模型。Notes: Sph. represents spherical model, Exp. represents exponential model, and Lin. Represents linear model.
    下载: 导出CSV

    表  4  6—9月阔叶红松混交林林隙各土层土壤温度的描述性统计表

    Table  4.   Descriptive statistical table of soil temperature in gaps of broadleaved Korean pine mixed forest from June to September

    月份
    Month
    林隙
    Gap
    土层
    Soil layer/cm
    均值
    Mean/℃
    极小值
    Minimum value/℃
    极大值
    Maximum value/℃
    变异系数
    CV/%
    温度差
    Temperature difference/℃
    6月 June 中林隙
    Medium gap
    5 18.9 ± 1.5a 12.2 23 12.48 2.7
    10 16.2 ± 1.6c 9.5 20.7 17.73 0.8
    15 15.4 ± 1.8b 9 20 14.46 0.3
    20 15.1 ± 1.8b 8 19.5 18.01
    小林隙
    Small gap
    5 18.3 ± 1.6a 13 22.3 11.44 2.1
    10 16.2 ± 1.6c 12 20.7 9.93 1.1
    15 15.1 ± 1.8b 11.5 18.6 8.42 0.9
    20 14.2 ± 1.7b 11 16.8 8.23
    7月 July 中林隙
    Medium gap
    5 19.3 ± 2.7a 15.8 25.2 7.52 1.3
    10 18.0 ± 3.3a 15.2 21.5 5.87 0.8
    15 17.2 ± 3.78a 14.2 20 6.4 0.4
    20 16.8 ± 4.0a 13.6 19.7 6.63
    小林隙
    Small gap
    5 18.8 ± 2.6a 15.7 25 7.14 1.2
    10 17.6 ± 3.2a 15.3 22 5.46 0.7
    15 16.9 ± 3.7a 14.5 18.5 4.55 0.4
    20 16.5 ± 3.9a 14.3 18 4.2
    8月 August 中林隙
    Medium gap
    5 17.2 ± 2.0a 15.2 21.3 9.53 0.8
    10 16.4 ± 2.6a 14.8 19.3 6.89 0.5
    15 15.9 ± 3.1a 14 18.6 6.16 0.3
    20 15.6 ± 4.2a 13.3 17.8 5.29
    小林隙
    Small gap
    5 16.8 ± 2.0b 14.8 20.3 8.59 0.7
    10 16.1 ± 2.6b 14.3 19.2 6.3 0.4
    15 15.7 ± 3.1b 14 18.1 5.13 0.1
    20 15.6 ± 4.2a 13.3 17.4 3.74
    9月 September 中林隙
    Medium gap
    5 15.5 ± 1.7b 11.8 18.8 10.85 0.6
    10 14.9 ± 2.8b 12.3 17.7 7.16 0.3
    15 14.6 ± 4.1b 12.9 17 5.43 0.1
    20 14.5 ± 6.1b 13 16.5 4.25
    小林隙
    Small gap
    5 15.1 ± 1.6 11.7 18.5 9.29 0.5
    10 14.6 ± 2.7 12.5 17 5.37 0.2
    15 14.4 ± 4.0 13.4 16 3.58 0.1
    20 14.3 ± 6.0 13 15.5 2.38
    注:同列不同字母表示差异显著(P < 0.05)。Note: different letters in the same column show significant difference (P < 0.05).
    下载: 导出CSV
  • [1] 夏冰, 邓飞, 贺善安. 林窗研究进展[J]. 植物资源与环境, 1997, 6(4):50−57.

    Xia B, Deng F, He S A. Advances on the forest gap studies[J]. Journal of Plant Resources and Environment, 1997, 6(4): 50−57.
    [2] 刘少冲, 陈立新, 段文标, 等. 影响不同林型天然红松混交林林隙更新的土壤特征因子[J]. 生态学报, 2017, 37(12):4072−4083.

    Liu S C, Chen L X, Duan W B, et al. Effects of soil characteristics on forest gap regeneration in different types of natural Pinus koraiensis mixed forest[J]. Acta Ecologica Sinica, 2017, 37(12): 4072−4083.
    [3] He Z S, Wang L J, Jiang L. Effect of Microenvironment on species distribution patterns in the regeneration layer of forest gaps and non-gaps in a subtropical natural forest, China[J]. Forests, 2019, 10(2): 90−102. doi:  10.3390/f10020090
    [4] Zhang T, Yan Q L, Wang, J. Restoring temperate secondary forests by promoting sprout regeneration: effects of gap size and within-gap position on the photosynthesis and growth of stump sprouts with contrasting shade tolerance[J]. Forest Ecology and Management, 2018, 429: 267−277. doi:  10.1016/j.foreco.2018.07.025
    [5] 李猛, 刘洋, 段文标, 等. 红松阔叶混交林林隙浅层土壤温度的异质性[J]. 生态学杂志, 2013, 32(2):319−324.

    Li M, Liu Y, Duan W B, et al. Heterogeneity of shallow soil temperature in the forest gaps of Pinus koraiensis-dominated broadleaved mixed forest[J]. Chinese Journal of Ecology, 2013, 32(2): 319−324.
    [6] 张宏, 史培军, 郑秋红, 等. 半干旱地区天然草地灌丛化与土壤异质性关系研究进展[J]. 植物生态学报, 2001, 25(3):366−370. doi:  10.3321/j.issn:1005-264X.2001.03.017

    Zhang H, Shi P J, Zheng Q H, et al. Research progress in relationship between shrub invasion and soil heterogeneity in a natural semiarid grassland[J]. Acta Phytoecologica Sinica, 2001, 25(3): 366−370. doi:  10.3321/j.issn:1005-264X.2001.03.017
    [7] Duan R Y, Huang M Y, Wang X A. The distribution pattern of different patch types and heterogeneity of the light and temperature: Larix chinensis Beissn in Qinling Mountains (China)[J]. Russian Journal of Ecology, 2014, 45(3): 209−214. doi:  10.1134/S1067413614030096
    [8] Ellner S P. Habitat structure and population persistence in an experimental community[J]. Nature, 2001, 412: 538−543. doi:  10.1038/35087580
    [9] 吴刚. 长白山红松阔叶林林冠空隙特征的研究[J]. 应用生态学报, 1997, 8(4):360−364. doi:  10.3321/j.issn:1001-9332.1997.04.005

    Wu G. Characteristics of gap in Korean pine broad-leaved forest in Changbai mounatin[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 1997, 8(4): 360−364. doi:  10.3321/j.issn:1001-9332.1997.04.005
    [10] Popma J, Bongers F. The effect of canopy gaps on growth and morphology of seedlings of rain forest species[J]. Oecologia, 1988, 75(4): 625−632. doi:  10.1007/BF00776429
    [11] Gravel D, Canham C D, Beaudet M, et al. Shade tolerance, canopy gaps and mechanisms of coexistence of forest trees[J]. Oikos, 2010, 119(3): 475−484. doi:  10.1111/more.2009.119.issue-3
    [12] Bongers F, Popma J. Leaf dynamics of seedlings of rain-forest species in relation to canopy gaps[J]. Oecologia, 1990, 82(1): 122−127. doi:  10.1007/BF00318543
    [13] Jurij D, Tomaz A, Andrej R, et al. Gap recruitment and partitioning in an old-growth beech forest of the dinaric mountains: influences of light regime, herb competition and browsing[J]. Forest Ecology and Management, 2012, 8(10): 20−28.
    [14] 段文标, 王晶, 陈立新, 等. 红松阔叶混交林不同大小林隙小气候特征[J]. 应用生态学报, 2008, 19(12):2561−2566.

    Duan W B, Wang J, Chen L X, et al. Microclimatic characteristics of different size gaps in Pinus koraiensis-dominated broadleaved mixed forest[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2008, 19(12): 2561−2566.
    [15] 刘少冲, 段文标, 陈立新, 等. 阔叶红松林不同大小林隙土壤温度、水分、养分及微生物动态变化[J]. 水土保持学报, 2012, 26(5):78−83.

    Liu S C, Duan W B, et al. Dynamic Changes in Soil Temperature, Water Content, Nutrition and Microorganisms of Different Size Gaps in the mixed broad-leaved Korean Pine Forest[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2012, 26(5): 78−83.
    [16] 高举明, 张一平, 于贵瑞, 等. 西双版纳热带季节雨林地温特征[J]. 生态学杂志, 2008, 27(6):880−887.

    Gao J M, Zhang Y P, Yu G R, et al. Characteristics of soil temperature in tropical seasonal rain forest in Xishuangbanna, Southwest China[J]. Chinese Journal of Ecology, 2008, 27(6): 880−887.
    [17] Zhu J J, Tan H, Li F Q, et al. Microclimate regimes following gap formation in a montane secondary forest of eastern Liaoning Province, China[J]. Journal of Forestry Research, 2007, 18(3): 167−173, 249. doi:  10.1007/s11676-007-0035-7
    [18] 刘文杰, 李庆军, 张光明, 等. 西双版纳望天树林林窗小气候特征研究[J]. 植物生态学报, 2000, 24(3):356−361. doi:  10.3321/j.issn:1005-264X.2000.03.019

    Liu W J, Li Q J, Zhang G M, et al. Microclimatic characteristics of canopy gaps in Shorea chinensis forest in Xishuangbanna[J]. Acta Phytoecologica Sinica, 2000, 24(3): 356−361. doi:  10.3321/j.issn:1005-264X.2000.03.019
    [19] 刘文杰, 李庆军, 张光明, 等. 西双版纳望天树林干热季不同林窗间的小气候差异[J]. 生态学报, 2000, 20(6):932−937. doi:  10.3321/j.issn:1000-0933.2000.06.005

    Liu W J, Li Q J, Zhang G M, et al. The microclimatic differences between and within canopy gaps in the dry-hot season in Shorea chinensis forest[J]. Acta Ecologica Sinica, 2000, 20(6): 932−937. doi:  10.3321/j.issn:1000-0933.2000.06.005
    [20] 朱教君, 刘世荣. 森林干扰生态研究[M]. 北京: 中国林业出版社, 2007.

    Zhu J J, Liu S R. Ecological research on forest disturbance[M]. Beijing: China Forestry Press, 2007.
    [21] 李岩, 段文标, 陈立新, 等. 阔叶红松林林隙地面温度微环境变异特征[J]. 中国水土保持科学, 2007, 5(2):81−85. doi:  10.3969/j.issn.1672-3007.2007.02.015

    Li Y, Duan W B, Chen L X, et al. Microenvironmental variation feature of soil surface temperature in a broad-leaved Korean pine forest gap[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2007, 5(2): 81−85. doi:  10.3969/j.issn.1672-3007.2007.02.015
    [22] 田国成, 孙路, 施明新, 等. 小麦秸秆焚烧对土壤有机质积累和微生物活性的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2015, 21(4):1081−1087. doi:  10.11674/zwyf.2015.0429

    Tian G C, Sun L, Shi M X, et al. Effect of wheat straw burning on soil organic matter accumulation and microbial activity[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2015, 21(4): 1081−1087. doi:  10.11674/zwyf.2015.0429
    [23] 周才平, 欧阳华. 温度和湿度对暖温带落叶阔叶林土壤氮矿化的影响[J]. 植物生态学报, 2001, 25(2):204−209. doi:  10.3321/j.issn:1005-264X.2001.02.010

    Zhou C P, Ouyang H. Temperature and moisture effects on soil nitrogen mineralization in deciduous broad-leaved forest[J]. Acta Phytoecologica Sinica, 2001, 25(2): 204−209. doi:  10.3321/j.issn:1005-264X.2001.02.010
    [24] 苏衍涛, 王凯荣, 刘迎新, 等. 稻草覆盖对红壤旱地土壤温度和水分的调控效应[J]. 农业环境科学学报, 2008, 27(2):670−676. doi:  10.3321/j.issn:1672-2043.2008.02.049

    Su Y T, Wang K R, Liu Y X, et al. Effects of rice straw mulching on soil temperature and moisture regulation in an upland red soil[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2008, 27(2): 670−676. doi:  10.3321/j.issn:1672-2043.2008.02.049
    [25] Laszlo G, Barbara M, Andrea H, et al. Effects of gap size and associated changes in light and soil moisture on the understory vegetation of a Hungarian beech forest[J]. Plant Ecology, 2006, 183: 133−145. doi:  10.1007/s11258-005-9012-4
    [26] 国家气象局. 地面气象要素观测标准[M]. 北京: 中国气象出版, 1983.

    Central Meteorological Bureau. Standard for observation of ground meteorological elements[M]. Beijing: China Meteorological Press, 1983.
    [27] Issaks E H, Srivastava R M. An introduction to applied geostatistics[M]. New York: Oxford University Press, 1989.
    [28] Journel A G, Huijbregts C J. Mining geostatistics[M]. London: Academic Press, 1992.
    [29] 王政权. 地质统计学及其在生态学中的应用[M]. 北京: 科学出版社, 1999.

    Wang Z Q. Geostatistics and its application in ecology[M]. Beijing: Science Press, 1999.
    [30] 王盛萍, 张志强, 武军, 等. 土壤水分运动特征参数空间异质性: 理论分析、取样与影响因素[J]. 中国水土保持科学, 2003, 1(3):95−98. doi:  10.3969/j.issn.1672-3007.2003.03.020

    Wang S P, Zhang Z Q, Wu J, et al. Spatial heterogeneity of characteristic functional parameter of soil water movement: mathematical approaches, sampling scheme, and influencing factors[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2003, 1(3): 95−98. doi:  10.3969/j.issn.1672-3007.2003.03.020
    [31] 冯静, 段文标, 陈立新, 等. 阔叶红松混交林林隙大小和林隙内位置对小气候的影响[J]. 应用生态学报, 2012, 23(7):1758−1766.

    Feng J, Duan W B, Chen L X, et al. Effects of forest gap size and within-gap position on the microclimate in Pinus koraiensis-dominated broadleaved mixed forest[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2012, 23(7): 1758−1766.
    [32] 段文标, 冯静, 陈立新, 等. 阔叶红松混交林不同大小林隙土壤含水量的时空异质性[J]. 林业科学研究, 2012, 25(3):385−393. doi:  10.3969/j.issn.1001-1498.2012.03.019

    Duan W B, Feng J, Chen L X, et al. Spatiotemporal heterogeneity of soil water content at different size of gaps of Pinus koraiensis-dominated broadleaved mixed forest[J]. Forest Research, 2012, 25(3): 385−393. doi:  10.3969/j.issn.1001-1498.2012.03.019
    [33] Wang Z, He Q H, Hu B, et al. Gap thinning improves soil water content, changes the vertical water distribution, and decreases the fluctuation[J]. Canadian Journal of Forest Research, 2018, 48(9): 1042−1048. doi:  10.1139/cjfr-2018-0093
    [34] 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. doi:  10.1007/s00484-009-0260-1
    [35] Schmidt M G, Ogden A E, Lertzman K P. Seasonal comparison of soil temperature and moisture in pits and mounds under vine maple gaps and conifer canopy in a coastal western hemlock forest[J]. Canadian Journal of Soil Science, 1998, 78: 291−300. doi:  10.4141/S97-081
    [36] 魏全帅, 王敬华, 段文标, 等. 红松阔叶混交林不同大小林隙内丘坑复合体微气候动态变化[J]. 应用生态学报, 2014, 25(3):702−710.

    Wei Q S, Wang J H, Duan W B, et al. Microclimate dynamics of pit and mound complex within different sizes of forest gaps in Pinus koraiensis-dominated broadleaved mixed forest[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2014, 25(3): 702−710.
    [37] Han A R, Kim H J, Jung J B. Seed germination and initial seedling survival of the subalpine tree species, Picea jezoensis, on different forest floor substrates under elevated temperature[J]. Forest Ecology and Management, 2018, 429: 579−588. doi:  10.1016/j.foreco.2018.07.042
    [38] 杜颖, 关德新, 殷红, 等. 长白山阔叶红松林的温度效应[J]. 生态学杂志, 2007, 26(6):787−792. doi:  10.3321/j.issn:1000-4890.2007.06.003

    Du Y, Guan D X, Yin H, et al. Temperature effect of broad-leaved Korean pine (Pinus koraiensis) mixed forest in Changbai Mountains[J]. Chinese Journal of Ecology, 2007, 26(6): 787−792. doi:  10.3321/j.issn:1000-4890.2007.06.003
    [39] 罗大庆, 张晓娟, 任德智, 等. 藏东南色季拉山冷杉林林隙与非林隙小气候比较[J]. 北京林业大学学报, 2014, 36(6):48−53.

    Luo D Q, Zhang X J, Ren D Z, et al. Comparative research on microclimate between forest gaps and non-gaps of Smith fir forests in the Sejila Mountains, southeastern Tibet[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2014, 36(6): 48−53.
    [40] Tajchman S J, Minton C M. Soil temperature regime in a forested Appalachian Watershed[J]. Canadian Journal of Forest Research, 1986, 16(3): 624−629. doi:  10.1139/x86-107
    [41] 江国华, 汪秀琴, 吴泽民. 安徽查湾甜槠林不同大小林隙温度因子对比分析[J]. 长江大学学报(自科版), 2016, 13(33):4−10. doi:  10.3969/j.issn.1673-1409(s).2016.33.003

    Jiang G H, Wang X Q, Wu Z M. Comparative analysis of temperature factors in different sizes of Castanopsis Eyre forests in Cha Wan, Anhui[J]. Journal of Yangtze University (Natural Science Edition), 2016, 13(33): 4−10. doi:  10.3969/j.issn.1673-1409(s).2016.33.003
    [42] 李洪建, 高玉凤, 严俊霞, 等. 不同取样尺度下亚高山草甸土壤呼吸的空间变异特征[J]. 环境科学, 2014, 35(11):4313−4320.

    Li H J, Gao Y F, Yan J X, et al. Spatial heterogeneity of soil respiration in a subalpine meadow at different sampling scales[J]. Environmental Science, 2014, 35(11): 4313−4320.
    [43] 张一平, 武传胜, 梁乃申, 等. 哀牢山亚热带常绿阔叶林森林土壤温湿特征及其对温度升高的响应[J]. 生态学报, 2015, 35(22):7418−7425.

    Zhang Y P, Wu C S, Liang N S, et al. Responses of soil temperature, moisture and respiration to experimental warming in a subtropical evergreen broad-leaved forest in Ailao Mountains, Yunnan[J]. Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(22): 7418−7425.
    [44] 王晓婷, 郭维栋, 钟中, 等. 中国东部土壤温度、湿度变化的长期趋势及其与气候背景的联系[J]. 地球科学进展, 2009, 24(2):181−191. doi:  10.3321/j.issn:1001-8166.2009.02.008

    Wang X T, Guo W D, Zhong Z, et al. Long term trend of soil temperature and humidity in eastern China and its relationship with climate background[J]. Advances in Earth Science, 2009, 24(2): 181−191. doi:  10.3321/j.issn:1001-8166.2009.02.008
    [45] Redding T E, Hope G D, Fortin M J, et al. Spatial patterns of soil temperature and moisture across subalpine forest-clearcut edges in the southern interior of British Columbia[J]. Canadian Journal of Soil Science, 2003, 83(1): 121−130. doi:  10.4141/S02-010
    [46] Petrie M D, Wildeman A M, Bradford J B, et al. A review of precipitation and temperature control on seedling emergence and establishment for ponderosa and lodgepole pine forest regeneration[J]. Forest Ecology and Management, 2016, 361: 328−338. doi:  10.1016/j.foreco.2015.11.028
  • [1] 娄明华, 张会儒, 雷相东, 白超, 杨同辉.  天然栎类阔叶混交林林分平均高与平均胸径关系模型 . 北京林业大学学报, 2020, 42(9): 37-50. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190463
    [2] 李膨利, MuhammadAmir Siddique, 樊柏青, 黄华国, 刘东云.  下垫面覆盖类型变化对城市热岛的影响 . 北京林业大学学报, 2020, 42(3): 99-109. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190045
    [3] 吴晓永, 杨华, 吕延杰, 王全军, 孙权.  云杉-白桦混交林结构特征分析 . 北京林业大学学报, 2019, 41(1): 64-72. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180211
    [4] 冯广, 李俊清, 臧润国, 艾训儒, 姚兰, 朱江, 丁易.  皆伐与刀耕火种后常绿−落叶阔叶混交林的动态恢复机制 . 北京林业大学学报, 2019, 41(10): 1-10. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190031
    [5] 赵凯, 李金航, 徐程扬.  侧柏人工林林分结构与色彩斑块间的耦合关系 . 北京林业大学学报, 2019, 41(1): 82-91. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180316
    [6] 徐昳晅, 同小娟, 张劲松, 孟平, 李俊.  太行山南麓刺槐人工林土壤呼吸与土壤温度间的滞后关系 . 北京林业大学学报, 2019, 41(4): 78-87. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180398
    [7] 罗桂生, 马履一, 贾忠奎, 吴丹妮, 迟明峰, 张淑敏, 赵贵娟.  油松人工林林隙天然更新及与环境相关性分析 . 北京林业大学学报, 2019, 41(9): 59-68. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180416
    [8] 张爱因, 张晓丽.  Landsat-8地表温度反演及其与MODIS温度产品的对比分析 . 北京林业大学学报, 2019, 41(3): 1-13. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180234
    [9] 石旭霞, 侯继华, 王冰雪, 王安志, 吴家兵, 张雷明, 苏文, 牛书丽.  长白山阔叶红松林生态系统生产力与温度的关系 . 北京林业大学学报, 2018, 40(11): 49-57. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180275
    [10] 左强, 何怀江, 张春雨, 赵秀海, 张君, 李金功.  采伐对蛟河阔叶红松混交林土壤呼吸的影响 . 北京林业大学学报, 2016, 38(4): 71-76. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160055
    [11] 毛斌, 彭立群, 李乐, 徐程扬.  侧柏风景林美景度的林内色彩斑块非线性模型研究 . 北京林业大学学报, 2015, 37(7): 68-75. doi: 10.13332/j.1000-1522.20140481
    [12] 郝敬梅, 张韫, 崔晓阳, 彭红梅.  原始阔叶红松林、次生林土壤矿质氮特征及树种吸收反应 . 北京林业大学学报, 2014, 36(1): 21-25.
    [13] 罗大庆, 张晓娟, 任德智.  藏东南色季拉山冷杉林林隙与非林隙小气候比较 . 北京林业大学学报, 2014, 36(6): 48-53. doi: 10.13332/j.cnki.jbfu.2014.06.011
    [14] 宋新章, 张慧玲, 肖文发, 郭忠玲, 黄志霖, 雷静品.  长白山区阔叶红松林采伐林隙种子库研究 . 北京林业大学学报, 2009, 31(2): 17-24.
    [15] 刘文飞, 樊后保, .  马尾松阔叶树混交林生态系统的氮素循环特征 . 北京林业大学学报, 2008, 30(6): 52-58.
    [16] 李长胜, 冯仲科, 王汉斌, .  满归林业局森林资源空间数据的景观分析 . 北京林业大学学报, 2008, 30(增刊1): 187-191.
    [17] 李金良, 郑小贤, 陆元昌, 雷相东, 刘晓昕.  祁连山青海云杉天然林林隙更新研究 . 北京林业大学学报, 2008, 30(3): 124-127.
    [18] 胡晓丽, 陈文汇, 谭伟, 肖生春, 范丙友, 李世东, 李发东, 王玉杰, 孙晓梅, 南海龙, 金小娟, 翟明普, 杨振德, 徐双民, 张冰玉, 颜容, 潘存德, 时尽书, 高峻, 张宇清, 朱教君, 李绍才, 吕建雄, 窦军霞, 刘红霞, 孟平, 肖洪浪, 苏晓华, 朱清科, 骆秀琴, 王云琦, 胡诗宇, 谢益民, 李建章, 刘俊昌, 韩海荣, 康宏樟, 田小青, 孙海龙, 三乃, 张守攻, 张一平, 师瑞峰, 周春江, 宋献方, 冯仲科, 齐实, 周文瑞, 蔡怀, 王笑山, 李义良, 李智辉, 陆海, 蒋佳荔, 岳良松, 赵双菊, 姜伟, 齐实, 张雁, 刘昌明, 吴斌, 马钦彦, 杨志荣, 赵博光, 蒋湘宁, 张德荣, 赵有科, 于静洁, 张永安, 蒲俊文, 张劲松, 朱金兆, 齐力旺, 葛颂, 伊力塔, 姚山, 张岩, 宋清海, 何磊, 康峰峰, 吴庆利, 曲良建, 石丽萍, 马超德, 杨聪, 褚建民, 刘元, 崔保山, 吕守芳, 刘鑫宇, 朱林峰, 刘相超, 王建华, 王玉珠, 田颖川, 胡堃, 唐常源.  太岳山针阔混交林林隙草本和灌木物种多样性研究 . 北京林业大学学报, 2006, 28(2): 52-56.
    [19] 王华, 许月卿, 吕兆林, 郭小平, 林峰, 姜春宁, 赖巧玲, 张力平, 何恒斌, 王献溥, 马履一, 于格, 张春雨, 李笑吟, 王勇, 何利娟, 赵广亮, 李秀芬, 曹金珍, 史军辉, 李长洪, 张亚利, 贾彩凤, 钟健, 杨永福, 于占源, 杨培岭, 于顺利, 李悦, D.PascalKamdem, 朱教君, 郝玉光, 贾桂霞, 王希群, 曾德慧, 赵博光, 郑彩霞, 尚晓倩, 毕华兴, 孙长霞, 黄忠良, 王继兴, 朱清科, 邵晓梅, 郭惠红, 王骏, 赵秀海, 习宝田, 胥辉, 李鸿琦, 杨明嘉, 鲁春霞, 杨为民, 尚宇, 崔小鹏, 谢高地, 丁琼, 张榕, 王庆礼, 刘燕, 王秀珍, 欧阳学军, 张志2, 丁琼, 包仁艳, 甘敬, 姜凤岐, 郑景明, 任树梅, 陈宏伟, 费孛, 周金池, 朱金兆, 李黎, 刘足根, 范志平, 何晓青, 沈应柏, , 贾桂霞, 贾昆锋, 沈应柏, 张池, 张中南, 刘鑫, 蔡宝军, 刘艳, , 李凤兰, 毛志宏, 张方秋, 鹿振友, 陈伏生, 唐小明, 李林, 周金池, 纳磊, , 马玲, 周小勇, 赵琼, 申世杰, .  长白山阔叶红松林林隙大小结构研究 . 北京林业大学学报, 2006, 28(4): 34-38.
    [20] 李红, 包仁艳, 谢力生, 赵东, 王跃思, 李利平, 贺康宁, 孙仁山, 吕建雄, 王继强, 周存宇, 高莉萍, 程广有, 姜春宁, 包满珠, 邢韶华, 向仕龙, 李文彬, 周国逸, 于志明, 李世荣, 李吉跃, 高林, 高峰, 孙扬, 殷亚方, 田勇臣, 孙磊, 郑彩霞, 曹全军, 王迎红, 赵勃, 赵有科, 刘娟娟, 史常青, 葛春华, 王清春, 丁坤善, 张德强, 唐晓杰, 孙艳玲, 华丽, 周心澄, 高亦珂, 姜笑梅, 刘世忠, 张启翔, 崔国发, .  鼎湖山针阔叶混交林土壤呼吸的研究 . 北京林业大学学报, 2005, 27(4): 23-27.
  • 加载中
图(6) / 表 (4)
计量
  • 文章访问数:  941
  • HTML全文浏览量:  680
  • PDF下载量:  51
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2018-11-29
  • 修回日期:  2019-04-07
  • 网络出版日期:  2019-07-11
  • 刊出日期:  2019-09-01

阔叶红松混交林不同大小林隙地表温度和浅层土壤温度的时空异质性

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180390
    基金项目:  国家自然基金项目(31670627、31770656)
    作者简介:

    段文标,教授,博士生导师。主要研究方向:森林气象学、水土保持。Email:dwbiao88@163.com 地址:150040黑龙江省哈尔滨市香坊区和兴路26号东北林业大学林学院主西614

    通讯作者: 陈立新,教授,博士生导师。主要研究方向:森林土壤、植物营养、林地养分管理。Email:lxchen88@163.com 地址:150040黑龙江省哈尔滨市香坊区和兴路26号东北林业大学林学院土壤研究室

摘要: 目的探究不同大小林隙地表温度和浅层土壤温度的动态变化特征,为阔叶红松混交林苗木更新、生物多样性维持及生态环境的恢复提供理论依据。方法以小兴安岭阔叶红松林中林隙和小林隙为研究对象,采用网格法和十字样线法分别布设地表温度表和土壤温度表观测样点,在植物生长季测定了两个林隙的地表温度、地表最低和地表最高温度以及浅层(5、10、15和20 cm)土壤温度,采用经典统计学与地统计学对地表温度和土壤温度进行测量及时空异质性的分析。结果(1)地表温度和地表最高温度在生长季内(6—9月)的月变化均表现为先升后降的单峰型曲线分布,且7月达到最大值。地表温度的升温速率高于降温速率,升温幅度大,降温幅度小。(2)不同样地间地面最高温度与地面温度的变化相同,生长季内(6—9月)地面温度变化为:中林隙 > 小林隙 > 郁闭林分,最低温度变化为:中林隙 < 小林隙 < 郁闭林分。(3)各月份林隙土壤温度空间变异程度不同,6月和9月变异程度较7月和8月有所增加;随着土层深度增加,土壤温度的变异减小。(4)林隙日均地表温度和日均土壤温度均较郁闭林分高,且林隙土壤温度的最大值区域随时间出现动态变化。林隙中心地表温度和土壤温度极其日较差均高于郁闭林分。中、小林隙各土层温度差并无明显差异。(5)7月和8月土壤温度均呈较弱变异,6月和9月部分呈中等变异。结论地表温度和浅层土壤温度在不同月份均呈现出不同的变化趋势,生长季(6—9月)的地表温度与土壤温度恰恰是苗木更新及种子萌发的关键条件之一,本文旨在对群落演替和种群动态研究提供基础性数据。

English Abstract

段文标, 郭绮雯, 陈立新, 冯静, 王丽霞, 杜珊. 阔叶红松混交林不同大小林隙地表温度和浅层土壤温度的时空异质性[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(9): 108-121. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180390
引用本文: 段文标, 郭绮雯, 陈立新, 冯静, 王丽霞, 杜珊. 阔叶红松混交林不同大小林隙地表温度和浅层土壤温度的时空异质性[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(9): 108-121. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180390
Duan Wenbiao, Guo Qiwen, Chen Lixin, Feng Jing, Wang Lixia, Du Shan. Heterogeneity of soil surface temperature and shallow soil temperature in different size gaps of broadleaved Pinus koraiensis forest[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(9): 108-121. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180390
Citation: Duan Wenbiao, Guo Qiwen, Chen Lixin, Feng Jing, Wang Lixia, Du Shan. Heterogeneity of soil surface temperature and shallow soil temperature in different size gaps of broadleaved Pinus koraiensis forest[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(9): 108-121. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180390
  • 林隙,是介于林冠和全光环境的一个中间类型,通常意义上是指一株或数株冠层树木死亡或折倒后在森林内形成的小空间,直接地影响林隙内的生态环境和资源可利用率,为种子萌发、苗木定居及幼树生长等自然更新过程提供更好的环境条件[1-2]。它广泛地存在于森林动态变化过程中,是森林生态演替必不可少的一个阶段,同时也是确保森林生物多样性和幼苗更新,影响物种分布及种群动态的重要部分[3-4]。林隙的存在而导致的空间异质性使得由森林内部到林隙的湿度、辐照度、土壤温度等呈梯度式的变化[5]。而空间异质性这一概念在生态学领域被广泛应用,主要代表着生态学过程及格局在空间分布上的不均匀性和复杂性,这也意味着异质性的高低决定了是否允许更多生物共存[6-7]及生物多样性的高低[8]

    20世纪80年代以来,针对林隙的基本特征、林隙影响苗木更新和组成[9-10]以及林隙与林隙周围树木交互作用等[11-12]的研究,国内外已有许多报道。Jurij等[13]在迪纳里克山的山毛榉(Fagus longipetiolata)老龄林研究得出,以林隙为导向的造林系统可能更易于耐阴性较低的树种的生长。段文标等[14]曾对红松( Pinus koraiensis )阔叶林的不同大小林隙小气候特征进行了研究,发现在植物生长季里林隙和对照样地的地表温度和气温均呈单峰型变化趋势。刘少冲等[15]研究了小兴安岭红松阔叶林不同大小林隙土壤温度、水分、养分及微生物动态变化,同样也发现了在植物的不同生长周期不同大小林隙的地表温度日变化趋势均为单峰型。高举明等[16]对西双版纳热带季节雨林的地表温度特征进行测定后发现,近地层地表温度呈类正弦变化,且随深度增加地表温度日变化愈不明显,峰值也出现滞后现象,且地表温度年变化呈单峰型变化趋势。

    迄今,关于不同大小林隙地表温度和土壤温度的变化特征还鲜有研究[17-21],而浅层土壤温度对于林隙微生物活性[22]、有机质的转化[23]、土壤水的动态[24]等的作用均为影响苗木生长发育以及幼苗更新的重要因素,因此揭示不同大小林隙的土壤温度及地表温度的时空分异是十分必要的。本研究以东北东部山区小兴安岭阔叶红松混交林里的中林隙与小林隙为试验对象,使用地统计学和经典统计学的数据处理方法,阐明不同林隙间地表温度和土壤温度的时空分布,为阔叶红松混交林种群变化、群落演替、生物多样性维持及生态环境的恢复提供基础性数据及理论参考。

    • 研究区位于黑龙江省伊春市带岭区东北林业大学凉水国家级自然保护区(47°06′49″ ~ 47°14′22″ N、128°47′08″ ~ 128°57′19″ E)。该区为温带大陆性季风气候。年均最高气温7.5 ℃,年均最低气温− 6.6 ℃,年均气温− 0.3 ℃。年均降水量、年均蒸发量和年均日照时数分别为680 mm、800 mm、1 850 h,年无霜期100 ~ 120 d。非地带性土壤为草甸土、沼泽土和泥炭土,地带性土壤为暗棕壤。研究区的地带性顶级植被类型是以红松为优势树种的针阔混交林,伴生树种主要有如枫桦(Betula costata)、紫椴(Tilia amurensis)、蒙古栎(Quercus mongolica)、糠椴(Tilia mandshurica)、五角槭(Acer mono)、裂叶榆(Ulmus laciniata)和大青杨(Populus ussuriensis)等。森林覆盖率高达98%。

    • 在研究区的天然阔叶红松混交林内,筛选出其他林隙特征相似且面积大小各异的中林隙与小林隙各一个,并选取林隙附近的空旷地和未干扰的郁闭林分(10 m × 10 m)作为对照组。因扩展林隙的形状相对比较特殊,其面积大小均使用椭圆形面积公式$S = \dfrac{{\pi AB}}{4}$计算(式中:A为扩展林隙长轴的长度,B为其短轴的长度)。林隙大小依据其面积和H/D比具体来划分(H为林隙边缘木的平均树高,D为其长轴和短轴长度的均值,即$\dfrac{{A + B}}{2}$[25]

      中林隙和小林隙所在样地位于山坡中上部,海拔638 ~ 642 m。扩展林隙的面积、形成的方式、形成木以及地形条件等基本特征详见表1。中林隙与小林隙的形状及其网格法布点详见图1

      表 1  各样地基本特征

      Table 1.  Basic features of various sample plots

      样地
      Sample plot
      扩展林隙面积
      Expanded gap area/m2
      H/D 坡度
      Slope
      degree/(°)
      坡向
      Slope aspect
      坡位
      Slope position
      海拔
      Altitude/m
      林隙形成方式
      Gap formation
      mode
      林隙形成木
      Gap maker
      边缘木树种组成
      Species composition of
      edge tree species
      郁闭林分
      Closed stand
      5
      South
      中上部
      Middle-upper part
      640 红松、冷杉、臭松、枫桦、槺椴
      Pinus koraiensis, Abies fabri, Pinus sylvestris, Betula platyphylla, Tilia amurensis
      小林隙
      Small gap
      228.74 2:1 4
      South
      中上部
      Middle-upper part
      642  树倒
       Trees falling
      红松
      Pinus koraiensis
      红松、槺椴、冷杉
      Pinus koraiensis, Tilia mandshurica, Abies fabri
      中林隙
      Medium gap
      812.79 1:1 6
      South
      中上部
      Middle-upper part
      638  树倒、折干
       Trees falling
       and break
      红松、枫桦
      Pinus koraiensis,
      Betula costata
      红松、冷杉、枫桦
      Pinus koraiensis, Abies fabri, Betula costata
      注:H为树高;D为林隙直径。Notes: H, tree height; D, gap diamter.

      图  1  中、小林隙形状及观测样点分布示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of the shapes of medium and small gaps and the distribution of observation sample points

      在筛选出来的中、小林隙内,按图1设置地表温度、地表最高温度、地表最低温度的观测样点。在样点处选取一个面积为2 m × 4 m的样方用于地表温度观测。按照国家气象局地面气象观测规范[26]的要求,将地表温度表、地表最低温度表和地表最高温度表由北向南依次排列呈一条直线,于每日06:00读取并记录日地表最低温度,18:00读取日地表最高温度。在地表最低温度表以西约20 cm处,选取安置样方,布设曲管地温表,测定5、10、15、20 cm土壤深度处的浅层土壤温度(以下简称“土壤温度”)。

      本试验观测月份为6—9月,在各月份内选择6 ~ 10个晴天,每日的06:00—18:00对每一样点地表和土壤温度进行测定,间隔时间为2 h。

    • 采用经典统计学中的均值、标准差以及变异系数(CV)等统计量来描述样本的变异程度。其中变异系数体现的是相对变异,而其他两个统计量却刻画的是绝对变异。根据变异系数的大小,将其变异程度分为强(CV ≥ 100%)、中等(10% < CV < 100%)和弱变异性(CV ≤ 10%)。

      将6—9月每个月测定的6 ~ 10个晴天数据进行经典统计学分析,将每个月地表温度的均值、日最小值、日最大值用地统计学方法进行半方差分析[27-28]和克立格[29-30]空间局部插值,之后绘制地表温度和地表最高(低)温度的等值线图。

    • 将生长季(6—9月)中林隙与小林隙各土层测定的数据进行初步整理,得到各层土壤温度的日均值和月均值,绘制土壤温度折线图。

      基本统计分析采用SPSS 18.0 for windows软件;地统计学分析使用GS + 3.0,克立格空间局部插值估计和等值线图利用Surfer 8.0软件完成绘制。

    • 图2可看出,6—9月地表温度日变化呈先升后降的单峰分布,升温速率快于降温速率,升温幅度大,降温幅度小。中、小林隙之间地表温度的最大差值一般在02:00(PM)左右出现,6—9月的差值分别为0.17 ~ 1.41、0.87 ~ 1.77、0.52 ~ 1.27、0.35 ~ 1.53,因此,7月和8月中、小林隙可能因月份差异和林冠郁闭度的原因导致地表温度差值较大。

      图  2  不同大小林隙6—9月地表温度的日变化

      Figure 2.  Diurnal variations in ground temperature for different size of gaps during June and September

      6—9月,始于06:00观测所得的地表平均温度均为当日最小值,地表平均温度的最大值出现在12:00—14:00,由于6月份正值叶芽萌发向叶片生长期,此时林冠郁闭度低,太阳辐射可以通过林冠间隙进入林隙内,形成局部光斑。因而导致日最大值的出现时间随观测月份不同而略有变化。虽然太阳高度角和日照时数在这一时期达到一年中的最大值,然而地表温度仍然较低,太阳辐射的增加并没有使地表温度明显升高,因此6月的地表平均温度的未达到一年中的最大值;7月,因太阳高度角较高,地表温度和土壤温度的增加使一年中地表平均温度的峰值出现在7月;8—9月,随着太阳高度角的降低,太阳辐射强度减小,地表得到的辐射能和热量在减少,地表温度较7月有所下降,且8月正值降雨的旺季[31],土壤含水量较大,绝大部分的热量用于地表水分的蒸发,从而延缓和阻碍了地表温度的升高进程,使得地表温度相对于6月和7月较低。9月,阔叶树进入落叶期,树木的持续落叶致使林隙内部接受到更多的太阳辐射,一定程度上缓和了地表温度的持续下降,导致中林隙地表温度的下降速率变缓慢。由于小林隙中央区靠近边缘木,凋落物的增加导致小林隙地表温度受太阳辐射的影响较大,因此其地表温度下降速率较快。

    • 表2可看出,6—9月,地表温度的月平均值依次为:9月 < 8月 < 6月 < 7月;郁闭林分 < 小林隙 < 中林隙;7月,中林隙地表温度呈中等程度变异,小林隙和郁闭林分则变异性较弱。极大值依次为郁闭林分 < 小林隙 < 中林隙;极小值依次为中林隙 < 小林隙 < 郁闭林分。因此,中林隙地表温度月变化大于郁闭林分。

      表 2  6—9月阔叶红松混交林林隙及郁闭林分地表温度的描述性统计

      Table 2.  Descriptive statistics of ground temperature in gaps and closed-stands of Pinus koraiensis-dominated broadleaved mixed forest during June and September

      月份 Month 林隙大小 Gap size 均值 ± 标准差 Mean ± SD/℃ 极小值 Minimum/℃ 极大值 Maximum/℃ 方差 Variance 变异系数 CV
      6月 June 中林隙 Medium gap 21.4 ± 4.3ab 11.2 37.3 18.8 20.1
      小林隙 Small gap 21.2 ± 3.6ab 17.2 30.2 13.0 17.0
      郁闭林分 Closed stand 20.4 ± 2.6bc 17.5 26.3 6.9 12.7
      7月 July 中林隙 Medium gap 23.8 ± 2.4a 16.4 54.5 5.9 10.1
      小林隙 Small gap 23.3 ± 2.2a 17.0 50.0 4.9 9.4
      郁闭林分 Closed stand 20.5 ± 2.0bc 18.2 28.0 4.1 9.8
      8月 August 中林隙 Medium gap 19.1 ± 3.0bc 13.0 32.0 9.0 15.7
      小林隙 Small gap 18.7 ± 2.1bc 16.5 29.7 4.4 11.2
      郁闭林分 Closed stand 16.5 ± 2.0c 16.9 26.0 4.0 12.1
      9月 September 中林隙 Medium gap 17.5 ± 3.2c 9.9 30.8 10.2 18.3
      小林隙 Small gap 17.2 ± 2.8c 10.7 26.5 7.9 16.3
      郁闭林分 Closed stand 15.6 ± 2.3c 11.2 21.5 5.3 14.7
      注:同列不同字母表示差异显著(P < 0.05)。Note: different letters in the same column show significant difference (P < 0.05).
    • 影响地表温度的主要因素有地面覆盖物、小气候、太阳辐射等影响,且具动态变化特征。本文通过在对6—9月中、小林隙地表温度统计的基础上,利用地统计学软件对林隙地表温度进行了分析,并用黑白比例尺绘制了等高线图(图3)。

      图  3  6—9月中、小林隙地表平均温度的等值线图

      Figure 3.  Contour map of the ground temperature in the medium and small gaps between June and September

      图3可知,6月,中林隙和小林隙最高地表温度区域位于林隙中心和中心区域以西;7—9月,随着时间逐渐变化,最高地表温度区域趋向于向东北移动,且中林隙7月和8月的最高地表温度区域小于6月,而小林隙的最高地表温度区域大于6月,这主要是由林隙面积和太阳辐射强度引起的;由于本研究区全年的降雨主要集中在7月和8月[31];地表温度、土壤温度和气温均在7月份达到一年来的峰值,微生物活性在这段时期明显提高,加速凋落物的分解,提高腐殖质含量,土壤持水能力增加,土壤含水量上升。由于土壤水分蒸发会消耗大部分热量,土壤表面温度会有所降低[32];8月也表现出同样的变化规律,且土壤温度与土壤含水量在7月和8月呈显著或极显著负相关(表3),即随着土壤含水量的增加,地表温度降低,地表温度因受土壤含水量的影响而变化[32]

      表 3  6—9月中、小林隙土壤含水量变异函数理论模型及其参数

      Table 3.  Theoretical models and their parameters of soil water content in the medium and small gap during June and September

      样地
      Sample plot
      月份
      Month
      模型
      Model
      块金值
      Nugget (C0)
      基台值
      Sill (C0 +C)
      变程
      Variable range/m
      结构比
      Structural ratio
      C/ (C0 + C)
      R2 残差平方和
      Residual sum
      of squares
      分维数
      Fractal dimension
      (D0)
      中林隙
      Medium gap
       6月 June Sph. 0.142 1.011 11.75 0.860 0.072 0.096 1.962
       7月 July Sph. 0.096 1.005 8.39 0.904 0 0.139 1.918
       8月 August Sph. 0.168 1.042 14.16 0.839 0.575 0.021 1.949
       9月 September Lin. 0.563 1.296 36.77 0.566 0.888 0.024 1.830
      小林隙
      Small gap
       6月 June Sph. 0.147 1.027 8.22 0.857 0.125 0.042 1.997
       7月 July Sph. 0.001 1.230 12.36 0.999 0.974 0.004 1.783
       8月 August Exp. 0.352 1.226 16.29 0.713 0.999 0 1.881
       9月 September Lin. 0.763 1.007 16.30 0.242 0.992 0.001 1.937
      注:Sph. 代表球状模型,Exp. 代表指数模型,Lin. 代表线性模型。Notes: Sph. represents spherical model, Exp. represents exponential model, and Lin. Represents linear model.

      7—9月分维数表现为:中林隙 > 小林隙,6月则中林隙 < 小林隙,这可能是由于6月正值萌芽向发叶生长期,林冠郁闭不完全,中林隙的边缘木效应较低,太阳辐射进入中林隙导致其林隙中心和林隙边缘温度上升明显,地表温度差降低;因郁闭林分的林冠郁闭度较高,减少了太阳辐射,导致林隙中心和林隙边缘地表温度差较高,因此出现了6月的小林隙的地表温度变化相对中林隙更复杂;7—9月,林隙面积与斑块复杂程度成正比。

    • 图4可知,小林隙在生长季内的地表最高温度比中林隙小3 ~ 5 ℃,且小林隙的高温区面积较中林隙的小。随着时间的变化,地表高温区域由林隙中心以东向西北移动,9月高温区分布较分散,且低温区域变大;8月,高温区在林隙中心以西北;7月,林隙地表温度的高温区主要集中在林隙中心以北;6月,中、小林隙的地表高温区集中在林隙的中心以东。

      图  4  6—9月中、小林隙地表最高温度的等值线图

      Figure 4.  Contour map of the maximum ground temperature in gaps during June to September

      图5可知,随着时间的变化,生长季内的地表最低温区域由林隙以东向以北移动。9月最低温分布较分散,且最低温区域变大;8月由林隙以北向以西移动;7月,林隙地表最低温区域主要集中在林隙以北;6月,中、小林隙地表最低温区域集中在林隙中心以东。6、9月斑块变化较简单,斑块连接度大;7—8月,中、小林隙地表最低温斑块变化较复杂,斑块连接度小。

      图  5  6—9月中、小林隙地表最低温度的等值线图

      Figure 5.  Contour map of the minimum ground temperature in gaps during June to September

      因此,中、小林隙地表最高温度与最低温度的变化均有时间动态变化的特征,有时空异质性。

    • 图6可见,中、小林隙地表温度月平均日较差从小到大依次为:7月 < 8月 < 9月 < 6月,6月林隙地表温度日较差最大,7月最小。6月是树木萌芽向发叶生长的时期,中、小林隙白天的地表温度因太阳辐射作用均较高,林冠层在夜间对地面的长波辐射能力弱于其他月份,地面有效辐射强,降温幅度大,日最低气温也较小,因此日较差较大;7月,随着林冠郁闭度的增加,地表温度因太阳辐射作用而增加,但较高的林冠郁闭度使其上升剧烈程度变缓,林冠层在气温较低的夜晚形成了一个“保温层”,增加了对地表辐射的反射作用,因此日较差较小;8月亦是如此;9月开始进入落叶期,林冠郁闭度有所降低,凋落物量有所增加,使中、小林隙的日较差大于8月。6、7月日较差最大值距林隙中心区域较近,8月和9月则向林隙中心以北移动,这可能是因为太阳高度角在6月和7月较大,导致白天夜间温度变化幅度较大,因此日较差较大;太阳高度角在8月和9月较6、7月小,地表最高温度在林隙中心以北,夜间降温幅度大,日较差较大。中林隙日较差斑块变化比小林隙斑块变化复杂。

      图  6  6—9月中、小林隙地表温度日较差的等值线图

      Figure 6.  Contour map of the daily range of ground temperature in gaps during June to September

    • 土壤温度的变化趋势表现为(表4):20 cm < 15 cm < 10 cm < 5 cm;小林隙 < 中林隙。5 ~ 20 cm各土层土壤温度的月平均值在7月达到峰值,变化趋势表现为先升后降。7、8月的土壤温度月均值为中林隙 > 小林隙,而6、9月则相反。土壤温度极大值的月变化趋势与均温相一致,且随着林冠郁闭度的增加,土壤温度降低。土壤温度极小值的月变化趋势则表现为:7、8、9月各土层土壤温度均呈小幅度的下降趋势,但6月的中林隙土壤温度下降趋势要比小林隙剧烈,这可能是由6月正值萌芽向发叶生长期,树木的需水量较大,土壤的含水量较低所导致,而中林隙边缘木的影响作用较小林隙小,因此土壤温差较大[33]

      表 4  6—9月阔叶红松混交林林隙各土层土壤温度的描述性统计表

      Table 4.  Descriptive statistical table of soil temperature in gaps of broadleaved Korean pine mixed forest from June to September

      月份
      Month
      林隙
      Gap
      土层
      Soil layer/cm
      均值
      Mean/℃
      极小值
      Minimum value/℃
      极大值
      Maximum value/℃
      变异系数
      CV/%
      温度差
      Temperature difference/℃
      6月 June 中林隙
      Medium gap
      5 18.9 ± 1.5a 12.2 23 12.48 2.7
      10 16.2 ± 1.6c 9.5 20.7 17.73 0.8
      15 15.4 ± 1.8b 9 20 14.46 0.3
      20 15.1 ± 1.8b 8 19.5 18.01
      小林隙
      Small gap
      5 18.3 ± 1.6a 13 22.3 11.44 2.1
      10 16.2 ± 1.6c 12 20.7 9.93 1.1
      15 15.1 ± 1.8b 11.5 18.6 8.42 0.9
      20 14.2 ± 1.7b 11 16.8 8.23
      7月 July 中林隙
      Medium gap
      5 19.3 ± 2.7a 15.8 25.2 7.52 1.3
      10 18.0 ± 3.3a 15.2 21.5 5.87 0.8
      15 17.2 ± 3.78a 14.2 20 6.4 0.4
      20 16.8 ± 4.0a 13.6 19.7 6.63
      小林隙
      Small gap
      5 18.8 ± 2.6a 15.7 25 7.14 1.2
      10 17.6 ± 3.2a 15.3 22 5.46 0.7
      15 16.9 ± 3.7a 14.5 18.5 4.55 0.4
      20 16.5 ± 3.9a 14.3 18 4.2
      8月 August 中林隙
      Medium gap
      5 17.2 ± 2.0a 15.2 21.3 9.53 0.8
      10 16.4 ± 2.6a 14.8 19.3 6.89 0.5
      15 15.9 ± 3.1a 14 18.6 6.16 0.3
      20 15.6 ± 4.2a 13.3 17.8 5.29
      小林隙
      Small gap
      5 16.8 ± 2.0b 14.8 20.3 8.59 0.7
      10 16.1 ± 2.6b 14.3 19.2 6.3 0.4
      15 15.7 ± 3.1b 14 18.1 5.13 0.1
      20 15.6 ± 4.2a 13.3 17.4 3.74
      9月 September 中林隙
      Medium gap
      5 15.5 ± 1.7b 11.8 18.8 10.85 0.6
      10 14.9 ± 2.8b 12.3 17.7 7.16 0.3
      15 14.6 ± 4.1b 12.9 17 5.43 0.1
      20 14.5 ± 6.1b 13 16.5 4.25
      小林隙
      Small gap
      5 15.1 ± 1.6 11.7 18.5 9.29 0.5
      10 14.6 ± 2.7 12.5 17 5.37 0.2
      15 14.4 ± 4.0 13.4 16 3.58 0.1
      20 14.3 ± 6.0 13 15.5 2.38
      注:同列不同字母表示差异显著(P < 0.05)。Note: different letters in the same column show significant difference (P < 0.05).

      从变异系数来看,7、8月份土壤温度变异程度较弱,6、9月份土壤温度部分呈中等变异。土层由0 cm到20 cm,土壤温度的变化逐渐减小,表明下层土壤温度的日变化和月变化较小,昼夜温度变化不明显,且变化平缓。

    • 林隙地表温度和土壤温度均高于郁闭林分,且林隙最大土壤温度面积具时间动态变化特征。Latif等[34]通过在夏秋季对温带落叶阔叶林不同林隙内小气候进行观测发现,不同大小的林隙间的土壤温度最大值、最小值和平均值均存在显著差异,且林隙中的土壤温度始终高于亚冠层中的土壤温度,说明林隙中土壤温度在白天和夜间均高于亚冠层。本文与Latif等[34]所得结论相似。Schmidt等[35]对藤蔓枫树及针叶树研究后发现,较大的林隙的气温和土壤温度均为大于较小林隙,郁闭林分由于林冠层的遮蔽作用,温度低于林隙。魏全帅等[36]在对不同大小林隙里的丘坑复合体的土壤温度进行观测后,也得出了相似的结论。Han等[37]调查了日本云杉在四种基质(木屑、枯落物和土壤)上的种子萌发、成苗和苗木死亡率,结果表明,与所有基质上的对照相比,在高温下,幼苗死亡率增加了1.4倍以上,显著影响了苗木的更新。

      林隙中心的土壤温度与地面温度均高于郁闭林分,且中、小林隙日较差均大于郁闭林,上层 > 下层。杜颖等[38]的研究发现,白天土壤温度林内 < 林外,夜间林内 > 林外;而林外的土壤温度日振幅均高于林内,且上层高于下层;日最大土壤温度出现时间相比地表温度出现时间较晚,随着土层的增加,其最大值出现越晚。本文试验结果也出现了类似的现象。罗大庆等[39]在对5、7、9月的冷杉林林隙与非林隙地表的5、10、15 cm各层土壤温度进行观测后,得出如下结论,林隙的气温日变幅较旷地和林内更稳定,介于旷地与林内之间,更接近于林内。而造成与本文结论稍有不同的原因可能是由于该研究区域为藏东南地区,其夏季与雨季重叠,减弱了热量水平,加之亚高山地带气温相对较低,因此昼间气温总体变幅小。

      土壤温度日较差(5 ~ 10 cm) > 土壤温度日较差(15 ~ 20 cm)。Tajchman等[40]的研究结果表明:位于南坡的土壤温度日较差(5 ~ 10 cm)最大,北坡最小;其日较差主要受坡向与土壤热量格局的影响;随着土层深度的增加,土壤温度变异减小;最高地表温度值均出现在下午。江国华等[41]通过观察发现不同土层深度的温度发现,随着深度的增加,土壤温度呈下降趋势,20 cm为界限,温度开始有所回升,20 cm以下温度几乎无变化。土壤温度最大值的出现时间随着土层深度的增加而推迟,土层深度越大,土壤温度变化幅度越小。李洪建等[42]对不同取样尺度下亚高山草甸土壤进行观察,发现一天中所观察到的土壤温度中,最低温出现在06:00左右,最高温出现在14:00左右。随着测定深度加大,温度越低,变异系数越小。

      土壤温度与土壤湿度是代表土壤物理性质的重要指标之一。土壤温度影响着植物的生长与土壤的发育,对土壤生物也有着重要作用,如微生物活动所引起的生物化学过程和非生物化学过程,都受土壤温度的影响。土壤湿度是表示土壤干湿程度的物理量,是土壤含水量的一种相对变量。苗木更新、植物的光合作用及生长发育都与土壤湿度密切相关。因而,雨季的土壤温度与土壤含水量呈显著负相关。即土壤温度的上升速率因含水量的增加而降低。土壤含水量在气候较干旱时,是影响林地土壤温度的主要因素,土壤含水量与土壤温度呈负相关。张一平等[43]对哀牢山亚热带常绿阔叶林土壤温度观察后发现,土壤含水量因土温的升高而呈现下降的趋势,且降低幅度表现为雨季 > 旱季。影响土壤温度的关键因素之一是林冠开度[34]。本文的结论与王晓婷等[44]一致,与Redding等[45]略有不同。可能是由于地表蒸发量的增加,森林地面温度的升高会降低空地的森林地面含水量,但一般认为,由于蒸发蒸腾需求的减少,在空地上,矿质土壤的含水量会立即增加。空地上土壤水分的降低不太可能是由于下层植被的蒸发蒸腾作用更大,而是由于进入太阳辐射和土壤温度升高而导致的地表蒸发作用更大。在气候不断变化的情况下,气温升高和水分供应下降可能会限制苗木生长过程,从而阻碍森林的持久性[46]。但本试验未对土壤温度与林冠开度的相关关系进行讨论,在此后的研究中会对林冠开度进行调查,并研究土壤温度受林冠开度的影响范围。

    • 生长季内,阔叶红松混交林林隙地表温度及土壤温度呈波动态势,7月地表温度和土壤温度均升高,从而达到一年中的最大值。中林隙土壤温度大于小林隙,各土层土壤温度均值均表现为先升后降,7月为峰值,升温幅度 > 降温幅度。

      中、小林隙最低地表温度斑块连接度表现为6、9月 > 7、8月,斑块变化复杂程度则表现为7、8月 > 6、9月。6、9月土壤温度部分呈中等变异,7—8月土壤温度变异程度较弱;土壤温度的变异程度随土层深度的增加而减小。地表温度和浅层土壤温度在不同月份均呈现出不同的变化趋势,其差异程度很可能影响种子发芽和幼苗生长及发育,为更全面了解阔叶红松林的苗木更新过程、种子库等特性,仍需对红松林的小气候特征、幼苗生长及凋落物养分释放量进行长期定位监测,并按照不同林型、林隙形成时间进行对比研究。本试验仅对阔叶红松混交林不同大小林隙地表温度和浅层土壤温度的时空异质性进行了分析,尚需对苗木更新的影响因素方面作进一步的探讨。

参考文献 (46)

目录

    /

    返回文章
    返回