李猛 高志強(qiáng) 韓曉增 段文標(biāo)

摘要[目的]揭示小興安嶺紅松闊葉混交林林隙0 cm地面溫度的時(shí)空變化規(guī)律。[方法]以小興安嶺原始紅松闊葉混交林林隙為研究對(duì)象，采用網(wǎng)格法布點(diǎn)，通過對(duì)生長季內(nèi)林隙各樣點(diǎn)0 cm地面溫度的連續(xù)觀測(cè)，利用基本統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法研究林隙0 cm地面溫度的時(shí)空分布格局。[結(jié)果]林隙地面溫度不同，空間樣點(diǎn)之間存在異質(zhì)性，且異質(zhì)性的強(qiáng)度、尺度和空間結(jié)構(gòu)組成隨時(shí)間的延長而改變，各月0 cm平均地面溫度斑塊形狀復(fù)雜，林隙0 cm地面溫度從大到小依次為6、7、8、9月，月平均0 cm地溫的最大值和最小值分布位置不固定，同一月份地面溫度從大到小為空曠地、林隙、郁閉林分。[結(jié)論]該研究可為紅松闊葉混交林的可持續(xù)經(jīng)營提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論參考。

關(guān)鍵詞紅松闊葉混交林；林隙；0 cm地面溫度；地統(tǒng)計(jì)學(xué)

中圖分類號(hào)S718.54文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2017）12-0149-03

Abstract[Objective]To reveal temporal and spatial variation of forest gap 0 cm ground temperature in Pinus koraiensisdominated broadleaved mixed forest in Xiao Xingan Mountains.[Method]Taking forest gap of Pinus koraiensisdominated broadleaved mixed forest in Xiao Xingan Mountains as the research object，the growth season of the forest gaps of 0 cm ground temperature were continuously observed by the method of the grid.And spatial distribution pattern of gap 0 cm ground temperature was analyzed and revealed by method of basic statistics and geostatistics.[Result]The results showed that the heterogeneity of extreme 0 cm soil surface temperature exitd among different locations in the gap.The intensity and scale of spatial heterogeneity changed over time and the complex degree of patch shapes were also different，the maxmum 0 cm soil surface temperature was highest in June，then decreased in the sequence of July，August and September.The maxmum and minmum value of mean monthly surface temperature were not fixed at the same location.The 0 cm soil surface temperature was highest in the bare ground，medium in forest gap and lowest in understory in the same month.[Conclusion]The study can provide basic data and theoretical references for gap regeneration and sustainable management of Pinus koraiensisdominated broadleaved mixed forest.

Key wordsPinus koraiensisdominated broadleaved mixed forest；Forest gap；0 cm soil surface temperature；Geostatistics

在森林群落中，由于某一上層林冠樹木死亡而在林地上形成不連續(xù)的林中空地，該空地被稱為林隙（Forest Gap）。林隙是森林更新和樹木生長的潛在空間[1]。森林群落內(nèi)部到林隙中心光、熱、水等生態(tài)因子顯著的梯度變化，使得森林內(nèi)構(gòu)成了豐富的生態(tài)分異。林隙小氣候的研究是林隙研究的重要部分，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)林隙小氣候進(jìn)行了大量研究[2-4]，包括林隙內(nèi)小氣候因子（光照[5]、氣溫[6-8]、土壤溫度等）、林隙間小氣候因子[9]、林隙、非林隙及郁閉林分的對(duì)比分析[5]等。地面溫度是大氣與地表結(jié)合部的溫度狀況，地面表層的土壤溫度稱為地面溫度，地面以下的土壤溫度稱為地中溫度。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)林隙地面表層溫度進(jìn)行了大量研究[6-7，9-10]，但大多數(shù)學(xué)者對(duì)林隙土壤溫度的研究只限于林隙南北和東西2條樣帶，并未對(duì)整個(gè)林隙不同位置及林下進(jìn)行比較。地溫的高低對(duì)近地面氣溫和植物的種子發(fā)芽及其生長發(fā)育、微生物的繁殖及其活動(dòng)都有很大影響，地溫資料對(duì)農(nóng)、林、牧業(yè)的區(qū)域規(guī)劃有重大意義。筆者立足闊葉紅松混交林林隙，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法分析了林隙0 cm地面溫度的時(shí)空異質(zhì)性，并繪制了它們的時(shí)空變化等值線圖，較為全面地研究了林隙不同位置0 cm地面溫度的分布規(guī)律，并嘗試定量地探討林隙0 cm地面溫度的時(shí)空異質(zhì)性的強(qiáng)度和尺度，同時(shí)將林隙0 cm地面溫度與郁閉林分和空曠地進(jìn)行了對(duì)比。通過對(duì)林隙內(nèi)0 cm地面溫度的連續(xù)測(cè)定與系統(tǒng)分析，揭示小興安嶺紅松闊葉混交林林隙0 cm地面溫度的時(shí)空變化規(guī)律，旨在為其可持續(xù)經(jīng)營和生物多樣性保護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論參考。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省伊春市帶嶺區(qū)涼水國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)（128°47′08″～128°57′19″ E，47°06′49″～47°16′10″ N），處于歐亞大陸東緣，具有明顯的溫帶大陸性季風(fēng)氣候特征，冬長夏短。研究區(qū)和樣地概況詳見文獻(xiàn)[11]。

1.20 cm地面溫度空間樣點(diǎn)布設(shè)和測(cè)定方法

在大樣地內(nèi)選取面積為250 m2左右的紅松闊葉混交林林隙1個(gè)，在林隙內(nèi)按照網(wǎng)格法選取41個(gè)觀測(cè)點(diǎn)（圖1）。2008年6—9月每月選取6個(gè)晴天，在圖1觀測(cè)點(diǎn)用地面溫度表測(cè)定0 cm地面溫度。每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)6次重復(fù)，在郁閉林分和空曠地同步測(cè)量作為對(duì)照。

1.30 cm地面溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算土壤含水量的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)。通過地統(tǒng)計(jì)方法對(duì)0 cm地面溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立變異函數(shù)理論模型，并通過塊金值、基臺(tái)值、變程、結(jié)構(gòu)比和分維數(shù)等參數(shù)來分析林隙0 cm地面溫度的空間變異規(guī)律。基本統(tǒng)計(jì)分析利用SPSS 17.0完成，地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析用GS+ For Windows 3.11完成，克立格空間局部插值估計(jì)和等值線圖用Surfer 8.0完成。

2結(jié)果與分析

2.1林隙0 cm地面溫度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

林隙內(nèi)光照的增加導(dǎo)致林內(nèi)0cm地面溫度升高。林隙0cm地面溫度為6.41～21.73 ℃，

不同空間樣點(diǎn)之間相差22.28 ℃。6、7月的溫度數(shù)據(jù)較離散，不同空間樣點(diǎn)之間變異較大。根據(jù)變異程度分級(jí)規(guī)律，CV≤10%屬于弱變異性，10%由上述分析可知，林隙6月平均0 cm地面溫度最高。這可能是由于6月太陽輻射強(qiáng)，林冠層未完全郁閉，地面吸熱多，溫度較高，而7、8和9月樹木枝繁葉茂，林冠層接近郁閉，降雨較多，土壤濕潤，對(duì)林隙地面升溫起到了一定的緩沖作用，故林隙7、8和9月0 cm平均地面溫度相對(duì)較低。

2.2林隙0 cm地面溫度時(shí)空變異特征

林隙0 cm地面溫度的變異函數(shù)理論模型：6和8月是線性模型，7和9月是指數(shù)模型（表2）。從變異函數(shù)分析及理論模型擬合參數(shù)可以看出，研究樣地中0 cm地面溫度的空間異質(zhì)性極為明顯。7月具有相對(duì)較大的基臺(tái)值，這說明7月平均0 cm地面溫度的異質(zhì)性程度較大。6和9月變程較大，而7和8月變程較小，表明6和9月的空間自相關(guān)變異主要體現(xiàn)在較大尺度上，而7和8月自相關(guān)變異主要體現(xiàn)在較小尺度上。7月的空間異質(zhì)性主要由空間自相關(guān)變異構(gòu)成（98%），其余各月空間自相關(guān)變異比重較低。

上述研究發(fā)現(xiàn)，7月0 cm平均地面溫度的空間異質(zhì)性較大，這可能是由于6月林冠枝葉稀疏，較多光線可以照射到林隙地面，而7月林隙郁閉度高，光線從樹冠空隙照射進(jìn)來，在林隙內(nèi)形成光斑，林隙地面局部升溫作用明顯。8和9月多云天氣較多，直射光照射到地面較少，因此林隙7月0 cm平均地面溫度總空間變異最大。

依據(jù)變異函數(shù)的理論模型進(jìn)行空間局部插值估計(jì)，繪制了0 cm地面溫度空間變異的克立格圖（圖2），綜合分析，6月分維數(shù)較低，斑塊形狀較簡單；而7、8和9月分維數(shù)都較高，斑塊形狀較復(fù)雜。6、7月斑塊的連接度較高，而8、9月斑塊的連接度較低。生長季內(nèi)林隙各月平均0 cm地面溫度最大值出現(xiàn)位置有所不同。

2.3林隙、郁閉林分和空曠地0 cm地面溫度比較

生長季內(nèi)林隙、郁閉林分和空曠地0 cm地面溫度的變化明顯（圖3）。6、7、8月林隙、郁閉林分和空曠地的0 cm平均地面溫度較高，9月趨于下降，這恰好與植物的生長季節(jié)相吻合，植物生長高峰時(shí)地溫也高，有利于根系吸收養(yǎng)分和水分，由此可以看出植物與環(huán)境之間較好的協(xié)調(diào)性。6—9月各采樣點(diǎn)0 cm平均地面溫度從大到小依次為空曠地、林隙、郁閉林分。這是由于林隙和郁閉林分地面受到林冠遮擋，接受太陽直射光照射較少，地面獲得熱量較少，所以空曠地的0 cm月平均地面溫度高于林隙和郁閉林分。

3討論

太陽輻射能是地面溫度熱量的主要來源，土壤吸收的熱量首先決定于到達(dá)地球的有效太陽輻射能的數(shù)量。Clinton等[11]研究表明，不同小尺度微生境之間由于微地形的變化導(dǎo)致光照等因子的差異，進(jìn)而引起微生境土壤溫度的差異。明確林隙內(nèi)土壤溫度的動(dòng)態(tài)，有助于研究熱量動(dòng)態(tài)、植被生長物候及地下生態(tài)過程[12]。土壤0 cm地面溫度的空間變異特征受物理化學(xué)過程和人類活動(dòng)干擾等的影響，形成較大尺度的斑塊結(jié)構(gòu)，生物學(xué)過程可能在較小的尺度上使土壤形成斑塊結(jié)構(gòu)。這些空間變異不僅表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)上，還有重要的功能作用。該研究表明，土壤0 cm地面溫度斑塊連接度較低，這些斑塊結(jié)構(gòu)可能會(huì)影響到紅松闊葉混交林林隙的更新。

在森林更新過程中，距同種成年樹越近，更新個(gè)體的死亡率越高。這導(dǎo)致更新幼苗在空間上的分布格局，與同種成年樹的距離產(chǎn)生了特定的關(guān)聯(lián)性。因此，尋求闊葉紅松林林隙地面溫度的臨界尺度，有助于認(rèn)識(shí)哪一尺度上的異質(zhì)性對(duì)紅松闊葉混交林林隙生態(tài)學(xué)過程起主導(dǎo)控制作用。該研究的林隙面積為250 m2左右，林隙地面溫度空間異質(zhì)性尺度在5.11～15.42 m，空間異質(zhì)性的強(qiáng)度在0.003～0.107，空間自相關(guān)部分所占比重在0.600～0.982，這可以為今后定量研究

闊葉紅松林林隙0 cm地面溫度的空間異質(zhì)性提供數(shù)量參考。

土壤0 cm地面溫度的空間異質(zhì)性可能對(duì)種子萌發(fā)和幼苗生長產(chǎn)生直接影響，或通過影響土壤微生物的活動(dòng)等，對(duì)種子庫和更新產(chǎn)生間接影響。研究土壤地面溫度的空間異質(zhì)性，對(duì)于林分更新的空間格局和過程具有重要意義，是值得進(jìn)一步深入研究的重要問題。因此，研究土壤地面溫度具有重要的生態(tài)學(xué)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] YIRDAW E，LUUKKANEN O.Photosynthetically active radiation transmittance of forest plantation canopies in the Ethiopian highlands[J].Forest ecology and management，2004，188：17-24.

[2] RUNKLE J R.Patterns of disturbance in some oldgrowth mesic forests of eastern north America[J].Ecology，1982，63（5）：1533-1546.

[3] CLINTON B D.Light，temperture，and soil moisture responses to elevation，evergreen understory，and small canopy gaps in the southern Appalachians[J].Forest ecology and management，2003，186：243-255.

[4] LAWTON R O，PUTZ F E.Natural disturbance and gapphase regeneration in a windexposed tropical cloud forest[J].Ecology，1988，69（3）：764-777.

[5] 李猛，段文標(biāo)，陳立新.紅松闊葉混交林林隙光量子通量密度的時(shí)空分布格局[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，22（4）：880-884.

[6] 臧潤國，劉靜艷，董大方.林隙動(dòng)態(tài)與森林生物多樣性[M].北京：中國林業(yè)出版社，1999：55-56.

[7] 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(bào)，2001，23（4）：80-83.

[8] RAYMOND P，MUNSON A D，RUEL J C et al.Spatial patterns of soil microclimate，light，regeneration，and growth within silvicultural gaps of mixed tolerant hardwoodwhite pine stands[J].Canadian journal of forest research，2006，36（3）：639-651.

[9] 段文標(biāo)，李巖，王小梅.小興安嶺紅松闊葉混交林林隙土壤溫度的時(shí)空分布格局[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，20（10）：2357-2364.〖ZK）〗

[10] 〖ZK（#〗ZHU J J，TAN H，LEE F Q，et al.Microcimate regimes following gap formation in amontane secondary forest of eastern Liaoning Province，China[J].Journal of forestry research，2007，18（3）：167-173.

[11] CLINTON B D，BAKER C R.Catastrophic windthrow in the southern appalachians：Characteristics of pits and initial vegetation response[J].Forest ecology and management，2000，126（1）：51-60.

[12] COLLINS B S，PICKETT S T A，WHITE P S.Response of forest herbs to canopy gaps and the ecology of natural disturbance and patch dynamics[M].London：Academic Press，1985：218-234.