楊丹 楊靜 張金池 莊家堯 薛雪 成舉榮

(南京林業(yè)大學(xué)，南京，210037) (科學(xué)出版社) (南京林業(yè)大學(xué))

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南京城郊毛竹林內(nèi)外氣溫及土壤溫度特征1)

楊丹 楊靜 張金池 莊家堯 薛雪 成舉榮

(南京林業(yè)大學(xué)，南京，210037) (科學(xué)出版社) (南京林業(yè)大學(xué))

為揭示毛竹(Phyllostachysedulis)林調(diào)節(jié)林內(nèi)氣溫及土壤溫度的作用。使用Decagon微氣象監(jiān)測系統(tǒng)對南京城郊毛竹林內(nèi)太陽輻射(RAR)、氣溫(Tr)及0～40 cm土層土壤溫度(Ts)等因子進(jìn)行長期監(jiān)測，以裸地的試驗觀測作為對照，分析了南京城郊毛竹林內(nèi)Tr及Ts變化特征規(guī)律。結(jié)果表明：林內(nèi)RAR呈多峰曲線變化，毛竹林能有效削減林內(nèi)RAR，夏秋季尤其明顯；裸地與林內(nèi)Tr變化趨勢一致，均呈單峰曲線變化，毛竹林具有在夜間提高林內(nèi)Tr在白天降低林內(nèi)Tr的作用，春夏秋冬季毛竹林均能降低林內(nèi)月均Tr(約0.5 ℃)；淺層Ts日變化呈正弦函數(shù)圖像，并隨著土壤深度的增加，Ts日變化幅度越小，春夏秋季，同一土層，裸地Ts高于林內(nèi)Ts，并隨土壤深度的增加，兩者差異越不顯著，Ts季節(jié)變化曲線與林內(nèi)Tr季節(jié)變化曲線一致，毛竹林在夏季具有降低Ts(約為1 ℃)冬季具有升高Ts的作用(2～4 ℃)；毛竹林可以滯后Ts最值出現(xiàn)時刻30～90 min；裸地與林內(nèi)RAR、Tr及各土層Ts均呈極顯著的相關(guān)性(P<0.01)。毛竹林在降低林內(nèi)Tr、緩和林內(nèi)Ts變化和調(diào)節(jié)Ts方面具有極顯著作用。

林內(nèi)氣溫；土壤溫度；太陽輻射；毛竹林

Forest air temperature; Soil temperature; Solar radiation;Phyllostachysedulisforest

溫度是植被生長發(fā)育的主要環(huán)境條件，直接影響森林土壤微生物活性、枯落物分解率及土壤呼吸[1-4]。森林溫度效應(yīng)的研究對森林生態(tài)系統(tǒng)的功能研究具有重要的意義[5]。伴隨著氣候變暖，森林溫度上升，將不利于森林植被的生長發(fā)育。Janík[6]的研究表明，森林土壤溫度能直接影響植物的生長；Luxh?i et al.[7]認(rèn)為，土壤溫度對土壤微生物活性有直接影響；王俊峰[8]也認(rèn)為，氣溫溫度上升對生態(tài)系統(tǒng)平衡有重要影響。而毛竹(Phyllostachysedulis)具有生長快、成材早、經(jīng)濟(jì)價值高的特點，且具有較強的固碳能力，對氣候變化具有不可低估的影響[9-11]。

目前，相關(guān)學(xué)者對土壤溫度及林內(nèi)外氣溫變化特征研究取得了一系列的研究成果，如Brian et al.[12]通過對澳大利亞109個氣象站的氣溫、降雨及土壤溫度數(shù)據(jù)處理分析，建立了澳大利亞土壤溫度預(yù)測模型；孫金偉等[13]通過對長白山紅松(Pinuskoraiensis)林及空曠地空氣溫濕度及土壤溫度的長期對比研究，探討了森林調(diào)節(jié)林內(nèi)小氣候的效應(yīng)；陳繼康等[14]通過對冬小麥生育期土壤溫度及氣溫的長期監(jiān)測，研究了華北平原不同耕作方式麥田土壤溫度及其氣溫的響應(yīng)特征；侯建花等[15]通過分析安吉縣土壤溫度及氣溫的變化特征建立了土壤溫度預(yù)測模型，并探索了土壤溫度的滯后效應(yīng)。國內(nèi)外對土壤溫度及氣溫的研究大多分為2種：一為利用氣溫進(jìn)行土壤溫度的預(yù)測；二為探討森林調(diào)節(jié)林內(nèi)小氣候的效應(yīng)。在森林調(diào)節(jié)林內(nèi)小氣候效應(yīng)方面大多探討的也是森林調(diào)節(jié)林內(nèi)氣溫及土壤溫度的作用，在森林滯后林內(nèi)氣溫及土壤溫度方面的研究還較少。

筆者根據(jù)南京市銅山土壤溫度及氣象系統(tǒng)資料，以日、季節(jié)、年等不同尺度，對裸地與毛竹林內(nèi)各土層(0、10、15、40 cm)土壤溫度、林內(nèi)氣溫及林內(nèi)太陽輻射進(jìn)行統(tǒng)計分析與比較，探討了毛竹林調(diào)節(jié)林內(nèi)外氣溫及土壤溫度的作用，并研究了毛竹林對林內(nèi)氣溫及土壤溫度滯后效應(yīng)，旨在揭示南京城郊毛竹林小氣候效應(yīng)，加強對森林生態(tài)系統(tǒng)功能的認(rèn)識，為林內(nèi)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、森林經(jīng)營、保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地區(qū)概況

試驗區(qū)位于長江三角區(qū)西部南京市國營東善橋林場銅山分場(31°35′～31°39′N，118°50′～118°52′E)，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫15.1 ℃，無霜期229 d，年日照時間199 h，區(qū)內(nèi)氣候溫和濕潤，四季分明，水熱資源比較豐富，生長季長。年平均降水量1 100 mm，地形為蘇南丘陵，土壤類型為黃棕壤。試驗地點選擇不受林緣和林窗影響的毛竹林地與裸地，毛竹林郁閉度0.8以上，毛竹林地與裸地坡向均為東北向，立地條件一致，土壤厚度為60 cm左右，60 cm以下為砂巖風(fēng)化母質(zhì)層，海拔26.0 m，地下水位位于10.0 m以下。

2 研究方法

在土壤與光照條件一致的毛竹林與裸地內(nèi)各設(shè)2個試驗點。試驗點設(shè)在數(shù)株毛竹組成的多邊形的中心，附近10 cm內(nèi)無直徑0.5 cm以上樹根分布，并保證2試驗點在同一水平方向上。在試驗點地表覆蓋2 cm厚的毛竹凋落物，設(shè)置Decagon微氣象監(jiān)測系統(tǒng)，于2012年6月至2013年5月連續(xù)監(jiān)測毛竹林內(nèi)與裸地氣溫(Tr)、太陽輻射(RAR)及不同深度(0、10、15、40 cm)的土壤溫度(Ts)。每30 min記錄一次數(shù)據(jù)，取每個樣地的2組氣象數(shù)據(jù)的均值進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。四季的劃分采用氣候?qū)W統(tǒng)計法以公歷3至5月為春季，6至8月為夏季，9至11月為秋季，12至次年2月為冬季。取3月12日、6月14日、9月15日、12月15日(通過查南京歷史天氣，均為晴天)數(shù)據(jù)分別代表春、夏、秋、冬各季RAR、Tr及Ts的日數(shù)據(jù)；取2012至6月至2013年5月每月瞬時數(shù)據(jù)的平均值作為該月的溫度值，進(jìn)行RAR、Tr及Ts季節(jié)變化分析；并對林內(nèi)外Tr與各土層Ts每日出現(xiàn)最值時刻的頻率進(jìn)行年統(tǒng)計分析。

利用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，Origin 8.5繪圖軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及繪圖，采用SPSS 19.0進(jìn)行相關(guān)的統(tǒng)計與分析，采用配對樣本T檢驗的方法比較裸地與毛竹林不同數(shù)據(jù)組間的差異性，顯著性水平設(shè)定α=0.05，用Pearson相關(guān)系數(shù)評價不同因子間的相關(guān)性。

3 結(jié)果與分析

3.1 日變化

3.1.1 太陽輻射

由圖1可見，裸地RAR變化趨勢為單峰變化趨勢，林內(nèi)RAR呈多峰變化趨勢，裸地RAR變化幅度較毛竹林大。裸地與毛竹林內(nèi)RAR出現(xiàn)、上升與消失的時間一致，裸地日太陽輻射始終高于林內(nèi)，夏秋季，兩者差異顯著(P<0.05)，冬春季差異不顯著(P>0.05)?？芍窬哂酗@著削減林內(nèi)RAR的作用。經(jīng)分析，可能是由于毛竹林冠層對RAR的反射、過濾等原因，使林內(nèi)RAR始終小于裸地。

3.1.2 空氣溫度

由圖2所示，Tr呈單峰曲線變化，與RAR日變化趨勢一致。00:00至08:00林內(nèi)Tr略高于裸地，08:00至16:00裸地Tr高于林內(nèi)，16:00至24:00林內(nèi)Tr略高于裸地。除春季外，林內(nèi)Tr最高溫總低于裸地，最低溫總高于裸地。表明，毛竹林在夜間具有一定保溫能力，在白天具有降溫能力。Tr主要受RAR的影響：白天，毛竹林冠層削減了林內(nèi)RAR，林內(nèi)RAR小于裸地，林內(nèi)升溫比裸地慢，使毛竹林內(nèi)Tr小于裸地；夜晚由于毛竹林冠層的遮擋作用，減少氣流流動，使林內(nèi)熱量不易擴散，降溫緩慢，從而比裸地Tr高。

3.1.3 土壤溫度

由圖3所示，淺層(0～15 cm)Ts呈正弦函數(shù)曲線變化，并隨著土壤深度的增加，Ts日變化幅度越小。Ts主要受RAR及大氣Tr的影響，00:00至08:00，RAR未出現(xiàn)，Tr逐漸降低，使Ts也隨之降低，08:00過后，RAR開始緩慢上升，Tr逐漸升高，使Ts也隨之升高，并在RAR下降后下降。隨著土壤深度的增加，Ts受RAR及Tr的影響變小，導(dǎo)致Ts變化幅度變小[16]。春秋季時，00:00至08:00，林內(nèi)表層Ts高于裸地，08:00過后，裸地表層Ts逐漸高于林內(nèi)，并在12:00至14:00兩者差異最顯著；冬季，毛竹林與裸地表層Ts差異不顯著(P>0.05)，這與Tr有關(guān)，冬季溫度過低，毛竹林與裸地表層Ts差異不顯著。表明毛竹林在夜間對土壤具有一定保溫能力。

圖1 不同季節(jié)毛竹林與裸地RAR日變化

圖2 不同季節(jié)毛竹林與裸地氣溫日變化

3.2 季節(jié)變化

3.2.1 太陽輻射

由表1所示，裸地月均RAR顯著大于林內(nèi)。9月裸地月均RAR與林內(nèi)差異最大，為88.76 W·m-2，5月裸地月均RAR與林內(nèi)差異最小，為15.57 W·m-2，林內(nèi)RAR較裸地年均降低53.68 W·m-2。表明毛竹林能顯著削減林內(nèi)RAR，夏季尤其顯著?？赡苁怯捎谙募緸闃淠镜纳L旺季，郁閉度和葉面積指數(shù)等均較其他季節(jié)更高[17]，對RAR的影響更為強烈，削減RAR能力加大。

3.2.2 空氣溫度

由表1所示，裸地與林內(nèi)Tr季節(jié)變化均呈單峰變化，春季Tr緩慢上升，于7月份達(dá)到最大值，秋季溫度緩慢下降，于1月份達(dá)到最小值。裸地Tr始終高于林內(nèi)，每月均高0.5 ℃左右。表明，毛竹林能降低林內(nèi)月均Tr(約0.5 ℃)?？赡苁怯捎诹止趯酉魅趿肆謨?nèi)的RAR、降低了地面長波輻射，并且使進(jìn)入冠層的平流、亂流渦旋體受到枝葉的阻截和磨擦作用，使空氣熱量交換強度被削弱，從而導(dǎo)致林內(nèi)Tr比裸地低[18]。

3.2.3 土壤溫度

由表1所示，各層Ts季節(jié)變化趨勢為單峰型，與林內(nèi)Tr季節(jié)變化趨勢一致，Ts在7、8月份達(dá)到峰值，在12、1月達(dá)到溫度最小值，0 cm土層Ts最大值與最小值差異最大，并隨土壤深度的增加，土層Ts最大值與最小值差異逐漸減小，這是由于表層土壤受RAR及Tr影響較大，深層土壤影響較小，表明隨著土壤深度的增加，Ts變化幅度越??；1—2月，同一土層Ts，林內(nèi)高于裸地，3月至11月，林內(nèi)低于裸地，表明在冬季，毛竹林能提高月均Ts 1 ℃左右，在春、夏、秋季，毛竹林能降低Ts 2～4 ℃。分析認(rèn)為，這是由于冬季毛竹林地具有大量凋落物，對土壤有一定遮擋作用，緩解了Ts的擴散，從而有一定保溫能力，且毛竹林內(nèi)土壤微生物含量較多，土壤呼吸釋放大量熱能。

圖3 不同季節(jié)毛竹林與裸地土壤溫度日變化

月份太陽輻射(RAR)/W·m-2裸地毛竹林氣溫(Tr)/℃裸地毛竹林土壤溫度(Ts)/℃0cm裸地毛竹林10cm裸地毛竹林15cm裸地毛竹林40cm裸地毛竹林160.259.712.281.755.416.256.396.456.687.766.847.85276.2110.682.482.037.278.917.998.928.349.648.109.47386.2222.148.877.8212.7811.9912.5311.8512.6712.0712.1011.61471.0350.1717.3116.9418.3016.1317.2515.7817.3115.4416.3014.69562.1946.6220.5120.2022.3719.8621.4519.3822.3618.7620.4517.81665.7026.9624.4123.6123.8521.9222.7221.3122.1020.2321.4619.487122.1244.1128.7527.6927.7925.2426.1824.5725.8323.1024.7422.308106.9932.7327.3526.8227.8823.8926.7823.7026.5723.0725.8522.519112.3123.5521.1320.7323.3019.3322.9619.4723.1019.8922.6519.601069.3318.0517.0816.6019.5014.7519.5415.0719.5316.2919.5016.211167.0713.078.167.7912.349.5313.6010.0213.1811.9314.2212.081254.8712.304.514.456.736.148.286.598.968.509.218.73

3.3 年統(tǒng)計特征

3.3.1 滯后分析

將裸地與林內(nèi)Tr及各土層Ts每日出現(xiàn)最大值與最小值的時刻進(jìn)行頻率統(tǒng)計，結(jié)果見圖4，裸地與毛竹林Tr出現(xiàn)最大值的時刻均為13:30，出現(xiàn)最小值的時刻均為23:30，且裸地與毛竹林出現(xiàn)最值時刻的頻率分布差異不大；毛竹林各土層Ts出現(xiàn)極值時刻普遍比裸地晚30～90 min，且頻率分布較裸地分散。表明，毛竹林具有緩溫的能力，可以滯后Ts出現(xiàn)最值的時間，滯后30～90 min。

3.3.2 極值分析

對裸地與毛竹林月Ts最高溫與最低溫之差進(jìn)行統(tǒng)計分析(表2)，裸地與林內(nèi)Tr最高溫差值均為正數(shù)，春夏秋季，裸地與林內(nèi)Tr最低溫差值為正數(shù)，冬季為負(fù)數(shù)，表明，毛竹林全年具有降低Tr極大值的能力，且冬季具有升高Tr極小值的能力。表層土壤最高溫差值均為正數(shù)，除2月，10、15、40 cm土層土壤最高溫差值為負(fù)數(shù)之外，其他時間最高溫差值均為正數(shù)；各層土壤Ts最低溫差值變化趨勢一致，均為8至10月最大，1至4月為負(fù)值。表明毛竹林能降低Ts最高值，這種降溫作用在夏季尤其明顯。其原因可能是因為夏季毛竹林枝葉繁茂，削減RAR能力強，使得林內(nèi)Ts較裸地低。

圖4 裸地與毛竹林氣溫與土溫極值出現(xiàn)時刻頻率分布

月份氣溫(Tr)/℃最高溫最低溫土壤溫度(Ts)/℃0cm最高溫最低溫10cm最高溫最低溫15cm最高溫最低溫40cm最高溫最低溫115.7-5.49.3-4.80.50.50.5-1.5-0.5-1.128.9-3.14.4-3.1-0.7-0.4-0.6-2.0-0.1-1.439.40.14.90.52.11.01.0-0.61.20410.71.95.51.02.51.42.10.41.52.7510.24.05.62.63.52.72.02.42.73.3620.10.510.4-0.10.91.01.10.72.01.4726.20.718.1-0.22.40.01.30.92.71.8823.14.816.93.53.34.82.33.92.94.2920.12.114.51.22.84.32.22.82.63.51026.96.122.54.34.17.72.85.42.05.51110.44.84.13.61.55.70.23.60.83.9128.3-3.13.9-1.31.01.20.7-0.80-0.4

3.4 相關(guān)性分析

對毛竹林與裸地RAR、Tr及各土層Ts進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表3。由表3可見，各因子間相關(guān)系數(shù)均較高，均呈極顯著相關(guān)，林內(nèi)Tr與裸地Tr相關(guān)性最強，相關(guān)系數(shù)達(dá)到1。各土層Ts之間相關(guān)系數(shù)均在0.950以上，呈極顯著相關(guān)。表明Ts與RAR及林內(nèi)Tr密切相關(guān)，相互影響。

表3 毛竹林與裸地氣象因子相關(guān)性

注：** 表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

4 結(jié)論與討論

4.1 裸地與毛竹林內(nèi)太陽輻射變化特征

裸地RAR日變化呈單峰曲線，林內(nèi)RAR為多峰曲線變化，這與徐云蕾等[19]研究結(jié)果一致，經(jīng)分析，可能是因為林內(nèi)RAR受林窗影響，林冠不斷透光，加上太陽高度角的不斷變化，使林內(nèi)RAR呈多峰變化趨勢。裸地RAR顯著高于林內(nèi)，夏秋季，林內(nèi)RAR與裸地RAR差異最為顯著[19]，表明毛竹林對RAR有削減作用，夏秋季作用尤其明顯。林內(nèi)RAR受多重因素的影響，RAR通過冠層到林內(nèi)，毛竹林冠層結(jié)構(gòu)、葉的疏密程度、葉的吸收和反射特性都將影響RAR的變化特征，這還需進(jìn)一步研究。

4.2 裸地與毛竹林內(nèi)氣溫變化特征

Tr日變化趨勢為單峰變化。白天，裸地Tr高于林內(nèi)，且在11:00至13:00差異最為顯著；夜晚，林內(nèi)Tr略高于裸地，這與張一平等[20]研究結(jié)果一致，表明，毛竹林在夜間具有一定保溫能力，在白天具有降溫能力。除春季外，林內(nèi)Tr最大值總低于裸地，最小值高于裸地。裸地與林內(nèi)Tr季節(jié)變化趨勢一致，呈單峰型變化趨勢，這與馬鴻儒等[21]研究結(jié)果一致。林內(nèi)Tr始終低于裸地[22]。本研究結(jié)果表明，毛竹能降低林內(nèi)月均Tr 0.5 ℃。

4.3 裸地與毛竹林內(nèi)土壤溫度變化特征

淺層Ts日變化呈正弦函數(shù)圖像，并隨著土壤深度的增加，Ts日變化幅度越小，這與李沙等[16]研究結(jié)果一致。除冬季外，同一土層，裸地Ts均高于林內(nèi)，并隨土壤深度的增加，兩者差異越不顯著，因為毛竹林冠層對RAR的阻擋作用，使林內(nèi)Ts高于裸地，且隨土壤深度的增加，受RAR及大氣Tr的影響較小，使裸地與林內(nèi)Ts差異變小。

Ts季節(jié)變化趨勢為單峰型變化趨勢，與林內(nèi)Tr季節(jié)變化趨勢一致[23]；森林具有夏天降低Ts，冬天升高Ts的作用[18]。本研究結(jié)果為，除1至2月份之外，毛竹林月均Ts均小于裸地，毛竹林在夏天降低Ts 2～4 ℃，冬季升高Ts約1 ℃，這與馬鴻儒等[21]研究結(jié)果有所不同，可能與研究地域不同有關(guān)。Ts主要受Tr影響。本研究結(jié)果表明，冬季，毛竹林內(nèi)Tr低于裸地，但毛竹林內(nèi)Ts卻高于裸地。土壤溫度變化受許多因子影響[24]。枯落物覆蓋、土壤濕度、微生物含量等均能對其產(chǎn)生影響。林內(nèi)土壤濕度越高，土壤微生物含量就越高，而土壤微生物呼吸活動能釋放大量熱量，枯枝落葉物分解的同時也能釋放大量熱量，加上枯枝落葉物對土壤的遮擋，阻擋了土壤與空氣的熱量傳遞，雖然說氣溫是土壤溫度的主要影響因子，但是在土壤微生物、土壤濕度及枯枝落葉物的共同作用下，氣溫是否依然占據(jù)主導(dǎo)地位，還有待研究。

同一土層，林內(nèi)Ts出現(xiàn)最值的時刻比裸地晚，毛竹林Ts最大值始終比裸地小，最小值始終比裸地大，表明，毛竹林具有緩溫的能力，可以滯后Ts最值的時間30～90 min，這與林興軍[25]研究結(jié)果一致，林內(nèi)由于冠層的阻擋作用，使林內(nèi)Ts變化較為平緩，使Ts增溫慢，散熱也慢。

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楊丹，女，1994年11月生，南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，碩士研究生。E-mail：332090694@qq.com。

莊家堯，南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，副教授。E-mail：nlzjiayao@njfu.edu.cn。

2016年12月5日。

S795.9；S716.2

1)江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項目(16KJA220003)。

責(zé)任編輯：程 紅。

Regulating Air and Soil Temperature Characteristics of inside and outsidePhyllostachysedulisForest Stands in Nanjing Suburbs//Yang Dan(Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, P. R. China); Yang Jing(Science Press); Zhang Jinchi, Zhuang Jiayao, Xue Xue, Cheng Jurong(Nanjing Forestry University)//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(3)：68-73.

The experiment was conducted to study the changes of air temperature and soil temperature inside and outside thePhyllostachysedulisforest and the effect ofP.edulisforest on the air temperature and soil temperature. Decagon micro-meteorological monitoring system was used to conduct long-term monitoring on solar radiation, air temperature, soil temperature during the depth from 0 cm to 40 cm and other factors ofP.edulisforest in Nanjing suburbs. With the air and soil temperature characters inside theP.edulisforest and the effect ofP.edulisforest in Nanjing suburbs, air and soil temperature regulation were analyzed. The solar radiation had a multi-peak curve, and theP.edulisforest had the effect of decreasing the solar radiation, especially in summer and autumn. The trend of air temperature of the nudation was the same as that of theP.edulisforest, fluctuated along a single-peak curve, and theP.edulisforest had the effect of increasing the air temperature in the day time and decreasing in the evening, theP.edulisforest had the effect of decreasing the air temperature (by 0.5 ℃) all year round. The fleet soil temperature diurnal curve as Trigonometric function image, and with the increase of soil depth, the diurnal variation of soil temperature was smaller, in spring, summer and winter. The soil temperature in the same soil layer and the nudation soil were higher than those inP.edulisforest, and the difference was not significant with the increase of the soil depth. The seasonal variation curve of soil temperature was consistent with the seasonal variation curve of forest temperature.P.edulisforest could reduce the soil temperature (by 1 ℃) in summer and increase the soil temperature (by 2-4 ℃) in winter. The time of the maximum and minimum temperature of soil was lagged 30-90 min byP.edulisforest. The solar radiation, air temperature and soil temperature in the nudation land andP.edulisforest were extremely significant (P<0.01).P.edulisforest has a very significant role in reducing solar radiation and air temperature, the remission of soil temperature and soil temperature regulation.