吳仁武

晏 海

南歆格

史 琰

包志毅*

1 背景

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)，有機(jī)碳儲(chǔ)量約為1 500PgC[1]。在城市環(huán)境中，由于過(guò)多的人類活動(dòng)使土壤碳排放量比森林環(huán)境的土壤碳排量放更高。土壤呼吸作用在改變大氣CO2濃度中起著重要作用，也受到空氣溫度和土壤溫度影響[2]，呼吸速率也與土壤溫度顯著相關(guān)[3-5]。城市不同植物群落結(jié)構(gòu)通過(guò)改變土壤溫度，影響土壤呼吸作用，進(jìn)而改善城市熱島效應(yīng)，對(duì)全球碳變化具有一定積極影響[6]。影響城市綠地土壤呼吸的環(huán)境因子主要有20cm土溫、10cm土溫、5cm土溫、土壤有機(jī)質(zhì)含量、大氣CO2濃度和空氣溫度等，其中10cm土溫是影響綠地植物群落土壤呼吸的主導(dǎo)因子，并與土壤呼吸速率呈指數(shù)顯著正相關(guān)[7]。土壤溫度在很大程度上受到其上層植物冠層結(jié)構(gòu)的影響。在研究植物冠層結(jié)構(gòu)對(duì)土壤溫度的影響中，目前研究對(duì)象主要集中在農(nóng)田和草地[8-9]。研究城市綠地中植物群落對(duì)土壤溫度的影響中，主要集中在非竹類植物的研究上。Peters等研究發(fā)現(xiàn)，植物覆蓋情況及葉面積指數(shù)對(duì)土壤溫度有著重要影響，在植物生長(zhǎng)季，葉面指數(shù)高的落葉闊葉植物，其下方土壤溫度比葉面指數(shù)低的針葉類植物低7℃，表面溫度低6℃[10]。

本試驗(yàn)以中國(guó)華東地區(qū)9種常見(jiàn)竹類植物為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)地測(cè)量，分析不同竹類植物群落土壤溫度日動(dòng)態(tài)變化特征，比較不同竹類植物群落空氣溫度與土壤溫度的差異，進(jìn)而探究引起這種差異的主要影響因子。

2 研究區(qū)概況與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

浙江省杭州市臨安區(qū)(29°56′～30°23′N， 118°51′～119°52′E)位于浙江省西北部，地處中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)南緣，全年平均氣溫16.4℃，具有夏季濕熱、冬季干冷的氣候特征。本研究選取杭州竹文化園為試驗(yàn)樣地(圖1)，其總面積約70hm2，種植的竹類植物約有20屬120種(含品種)，土壤類型為水稻土。

2.2 研究方法

2.2.1 樣地與竹類植物的選擇

為了排除其他環(huán)境因素的干擾，樣地群落全部選擇在同一區(qū)域內(nèi)，被試竹類植物群落均為竹齡相近的單一竹種，竹種的生態(tài)性狀均為喜陽(yáng)類型，其結(jié)構(gòu)特征具有一定差異(表1)。測(cè)量前對(duì)測(cè)量區(qū)域范圍內(nèi)的枯葉等凋落物進(jìn)行清理，以減少凋落物呼吸作用對(duì)土壤溫度測(cè)定的影響，同時(shí)確保竹林地面均是土壤裸露無(wú)雜草、土壤含水量均等。為避免周圍植物群落對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，所選群落面積均大于900m2，且群落中心距各邊緣的距離均大于15m，距水面的距離大于30m，道路的距離大于15m。

2.2.2 測(cè)試內(nèi)容、時(shí)間及方法

試驗(yàn)選擇在晴朗、無(wú)風(fēng)(風(fēng)速≤2m/s)的天氣進(jìn)行。于2017年7月25—27日進(jìn)行了連續(xù)3d測(cè)量，每天8：00—18：00，每2h一次。

在每個(gè)群落中心以及距離中心5m的東、南、西、北4個(gè)方向上分別設(shè)置測(cè)點(diǎn)，在距離地面1.5m處用溫濕度記錄儀(Tes-1365，中國(guó)臺(tái)灣)測(cè)定竹林空氣溫度，用地溫計(jì)(Tes-1310，中國(guó)臺(tái)灣)測(cè)定土壤溫度(記錄地下5、10、20cm 3處溫度)。以及用植物冠層分析系統(tǒng)(HemiView 2.1 SR5)測(cè)定群落的葉面積指數(shù)、天空可視因子、冠層覆蓋度。將各測(cè)定點(diǎn)所測(cè)數(shù)據(jù)加以算術(shù)平均，得到該群落的空氣溫度、土壤溫度、葉面積指數(shù)、天空可視因子和冠層覆蓋度。同時(shí)，在無(wú)遮陰的草坪設(shè)置對(duì)照點(diǎn)(CK)，采用同樣的儀器和方法同步測(cè)定空氣溫度和土壤溫度。

3 結(jié)果與分析

3.1 溫度定量分析

3.1.1 空氣溫度

圖2a顯示了不同竹類植物群落空氣溫度連續(xù)3d的日變化特征。在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，9種竹類植物群落及對(duì)照點(diǎn)的空氣溫度均隨時(shí)間呈先上升后下降的單峰型變化，在12：00—14：00達(dá)到全天的最高溫度。與對(duì)照點(diǎn)相比，各個(gè)群落都有明顯的降溫效應(yīng)，且這種降溫效果在全天溫度最高的時(shí)段最為明顯。

不同群落及對(duì)照點(diǎn)日平均空氣溫度單因素(ANOVA)方差分析結(jié)果顯示(表2，圖3a)，植物群落與對(duì)照點(diǎn)的日平均溫度存在極顯著差異(Tukey HSD多重比較，P＜0.01)，表明竹類植物群落對(duì)林下環(huán)境具有明顯的降溫作用。與對(duì)照點(diǎn)相比，竹類植物群落的日平均降溫強(qiáng)度為1.5～2.6℃，降溫率達(dá)4.0%～6.8%，降溫強(qiáng)度為5.3%。

3.1.2 土壤溫度

從圖2b、2c、2d可以看出，周期性的空氣溫度和太陽(yáng)輻射作用下，不同竹類植物及對(duì)照點(diǎn)的土壤溫度也呈現(xiàn)先上升后下降的單峰型變化趨勢(shì)。在8：00—18：00，對(duì)照點(diǎn)的土壤溫度明顯高于各個(gè)竹類植物群落內(nèi)的土壤溫度。因此，各個(gè)群落均可對(duì)內(nèi)部環(huán)境的土壤溫度起到降溫作用，但是不同植物群落降溫效果有所不同。在8：00—10：00，隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度增大，對(duì)照點(diǎn)的土壤溫度升高迅速，而群落內(nèi)部的土壤溫度增速較緩；10：00以后，太陽(yáng)輻射的累積使得對(duì)照點(diǎn)的土壤溫度持續(xù)升高，逐漸達(dá)到最高值，但是不同深度到達(dá)溫度最高值的時(shí)間不一樣，5cm深度土壤最高溫度出現(xiàn)在14：00—16：00，隨著深度的增加，土壤溫度具有明顯的滯后效應(yīng)。10cm深度土壤最高溫度出現(xiàn)在16：00左右，而20cm深度的土壤最高溫度出現(xiàn)在18：00左右。而后，隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的減弱，對(duì)照點(diǎn)和竹類植物群落內(nèi)的土壤溫度均逐漸降低，且對(duì)照點(diǎn)的降幅更大，所以降溫作用也相應(yīng)地出現(xiàn)明顯減弱。與空氣溫度相比，一天中的大部分時(shí)間，土壤溫度均低于空氣溫度。

不同竹類植物群落及對(duì)照點(diǎn)日平均土壤溫度單因素方差分析結(jié)果顯示(表2，圖3c、3d、3e)，群落與對(duì)照點(diǎn)的日平均土壤溫度(5、10、20cm)均存在極顯著差異(Tukey HSD多重比較，P＜0.01)，表明竹類植物群落對(duì)土壤溫度具有明顯的影響，但是這種影響隨著土壤的深度的增加而降低。

與對(duì)照點(diǎn)相比，5cm深度土壤的日平均降溫強(qiáng)度為3.0～3.8℃，平均值為3.2℃，降溫率為9.6%～12.3%，平均值為10.6%。在不同竹類植物群落之間，四季竹與滿山爆竹和茶竿竹的降溫強(qiáng)度達(dá)到了極顯著差異。

與對(duì)照點(diǎn)相比，10cm深度土壤的日平均降溫強(qiáng)度為2.4～3.4℃，平均值為2.9℃，降溫率為8.3%～11.5%，平均值為9.0%。在不同竹類植物群落之間，四季竹與滿山爆竹、橄欖竹、斑竹和茶竿竹的日均土壤溫度達(dá)到極顯著差異；紫竹與滿山爆竹和茶竿竹的日均土壤溫度達(dá)到極顯著差異；金鑲玉竹與滿山爆竹的日均土壤溫度達(dá)到極顯著差異。

與對(duì)照點(diǎn)相比，20cm深度土壤的日平均降溫強(qiáng)度為2.3～3.0℃，平均值為2.7℃，降溫率為8.1%～10.9%，平均值為9.7%。

3.2 土壤溫度與空氣溫度的關(guān)系

由表3可以看出，竹類植物群落內(nèi)的空氣溫度與5cm深度土壤溫度(r=0.402，P=0.038)和20cm深度土壤溫度(r=0.435，P=0.023)呈現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系，而與10cm深度土壤溫度(r=0.623，P=0.001)相關(guān)關(guān)系則到達(dá)了極顯著水平。

圖2 不同群落相關(guān)參數(shù)的日變化特征(a 空氣溫度日變化；b 5cm深度土壤溫度日變化； c 10cm深度土壤溫度日變化；d 20cm深度土壤溫度日變化)

表1 竹類植物結(jié)構(gòu)特征

圖3 不同竹類植物群落及對(duì)照點(diǎn)參數(shù)日平均值[a 空氣溫度日平均值；b 5cm深度土壤溫度日平均值；c 10cm深度土壤溫度日平均值；d 20cm深度土壤溫度日平均值； 柱頂上的字母為不同群落間的多重比較(Tukey顯著差異，不同字母表示差異顯著，P＜0.01)]

表2 不同竹類植物群落空氣溫度和土壤溫度比較

3.3 土壤溫度與群落結(jié)構(gòu)特征的關(guān)系

5cm深度土壤溫度與葉面積指數(shù)(r=-0.725，P＜0.001)、冠層覆蓋度(r=-0.653，P＜0.001)、天空可視因子(r=0.486，P=0.01)分別呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)、極顯著負(fù)相關(guān)、顯著正相關(guān)；10cm深度土壤溫度與葉面積指數(shù)(r=-754，P＜0.001)、冠層覆蓋度(r=-719，P＜0.001)、天空可視因子(r=535，P=0.004)均呈現(xiàn)極顯著的相關(guān)關(guān)系；而20cm深度土壤深度與葉面積指數(shù)(r=-581，P=0.001)、冠層覆蓋度(r=-477，P=0.012)、天空可視因子(r=0.315，P=0.109)分別呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)、極顯著負(fù)相關(guān)以及正相關(guān)。由此可見(jiàn)，在群落冠層結(jié)構(gòu)特征中，葉面積指數(shù)對(duì)土壤溫度的影響最為顯著[10]，而天空可視因子對(duì)土壤深度的影響隨著深度的增加而逐漸減弱。

表3 微氣候因子與竹類植物群落冠層結(jié)構(gòu)特征間的相關(guān)性

4 討論

在本研究中，筆者通過(guò)對(duì)9種竹類植物群落空氣溫度和土壤溫度的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)在白天竹類植物群落與對(duì)照組相比，其數(shù)值均低于對(duì)照組數(shù)值，即表明竹類植物群落具有明顯的降溫效應(yīng)[11]。

不同竹類植物之間土壤溫度存在明顯的差異，產(chǎn)生此種差異的主要原因是由于竹類植物的冠層結(jié)構(gòu)不同。具有較高葉面積指數(shù)和冠層覆蓋度的竹類植物林下土壤溫度比低葉面積指數(shù)和冠層覆蓋度的林下低，土壤溫度與葉面積指數(shù)和冠層覆蓋度具有顯著的相關(guān)關(guān)系。與對(duì)照點(diǎn)相比，竹林群落對(duì)5cm深度的土壤平均降溫3.2℃，對(duì)10cm深度的土壤平均降溫2.9℃，這與Peters[10]在研究常綠植物群落的土壤降溫效益的結(jié)果類似，他在明尼蘇達(dá)州對(duì)植物群落微氣候的研究中發(fā)現(xiàn)，以常綠植物為主導(dǎo)的植物群落對(duì)土壤降溫約3.1℃(土壤深度10cm)。

土壤溫度隨葉面積指數(shù)的增加而降低，這是由于樹(shù)冠對(duì)土壤溫度具有很好的調(diào)節(jié)功能。樹(shù)冠攔截絕大部分太陽(yáng)輻射并產(chǎn)生樹(shù)蔭，降低對(duì)地面的直接輻射，進(jìn)而減緩?fù)寥罍囟鹊纳?；與此同時(shí)，樹(shù)木還可以通過(guò)蒸散作用(植物蒸騰和土壤蒸發(fā))調(diào)節(jié)樹(shù)冠下的空氣溫度，蒸散作用增加空氣濕度，將輻射能轉(zhuǎn)化為潛熱，減少顯熱，從而降低空氣溫度[12]，間接降低土壤溫度[13-14]。從竹類植物冠層結(jié)構(gòu)對(duì)土壤溫度的作用可以看出對(duì)碳循環(huán)也有積極影響。土壤溫度在0～40℃時(shí)，土壤呼吸速率隨著溫度的上升呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)[15]，而土壤呼吸導(dǎo)致碳排放受土壤溫度影響，由此可知城市土壤碳排放受到植物冠層結(jié)構(gòu)的影響。

5 結(jié)論

在夏季，竹類植物群落與對(duì)照點(diǎn)相比，日平均空氣溫度、土壤溫度之間的差異均達(dá)到了極顯著差異(P＜0.01)。在降低土壤溫度方面，竹類植物群落內(nèi)5cm深度土壤溫度降低3.0～3.8℃，平均值為3.2℃；10cm深度土壤溫度降低2.4～3.4℃，平均值為2.9℃；20cm深度土壤溫度降低2.3～3.0℃，平均值為2.7℃。

不同竹類植物群落空氣溫度和土壤溫度主要受植物冠層結(jié)構(gòu)的影響。通過(guò)對(duì)土壤溫度與群落冠層特征的相關(guān)性分析，它們之間存在顯著的相關(guān)性。植物群落的冠層特征(葉面積指數(shù)、冠層覆蓋度和天空可視因子)對(duì)群落內(nèi)的土壤溫度具有重要的調(diào)節(jié)作用。群落葉面積指數(shù)和冠層蓋度越大，天空可視因子越小，則群落內(nèi)的土壤溫度越低，如滿山爆竹、茶竿竹等相對(duì)具有更好的降低土壤溫度的作用。葉面積指數(shù)與土壤溫度的相關(guān)性最高，呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)；而天空可視因子隨著土壤深度的加深，與土壤溫度的相關(guān)性逐漸減弱。由于土壤溫度是土壤呼吸的主要環(huán)境因子，因而群落冠層結(jié)構(gòu)特征對(duì)土壤呼吸也具有重要的影響。因此，在竹類植物的選擇運(yùn)用中，其冠層結(jié)構(gòu)中的葉面積指數(shù)這一參數(shù)尤為重要，對(duì)土壤溫度調(diào)節(jié)、土壤碳排放等具有重要影響。

致謝：感謝浙江農(nóng)林大學(xué)風(fēng)景園林與建筑學(xué)院碩士研究生宋純冰、林志浩、郭曉暉、黃勝孟、姚興達(dá)、姚潔和王新茹對(duì)數(shù)據(jù)收集提供的幫助。