大別山五針?biāo)闪至执?、林緣和林下的微氣候特?/h1>
2017-08-16 10:23:11吳甘霖羊禮敏段仁燕王志高張中信
生物學(xué)雜志 2017年4期
吳甘霖， 羊禮敏， 段仁燕， 王志高， 張中信
(安慶師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 安慶 246133)
大別山五針?biāo)闪至执?、林緣和林下的微氣候特?/p>
吳甘霖， 羊禮敏， 段仁燕， 王志高， 張中信
(安慶師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 安慶 246133)
自然干擾形成林窗后，會(huì)造成林窗下的光照和溫度發(fā)生明顯變化。通過調(diào)查大別山五針?biāo)闪至执?、林緣和林下微氣候?dòng)態(tài)變化規(guī)律，結(jié)果表明：林窗、林緣和林下，環(huán)境因子的日變化差異明顯。其中，在林窗階段的微氣候要比其他2個(gè)階段變化更大。不同斑塊類型下光照、空氣溫度和土壤表面溫度存在顯著差異。
光照；溫度；異質(zhì)性；斑塊類型
林窗(Gap)指的是森林群落內(nèi)林冠層優(yōu)勢(shì)樹木的死亡而形成的森林空隙。林窗的形成為新的個(gè)體更新與生長(zhǎng)提供了適宜的空間[1-6]，直接或間接影響著森林群落的物種組成、個(gè)體更新及種群的結(jié)構(gòu)[7-8]。
自然干擾形成林窗后，會(huì)造成林窗下的光照和溫度發(fā)生明顯變化[1,3]。相比沒有林窗的林下，林窗的出現(xiàn)，增加了斑塊內(nèi)的平均光照強(qiáng)度、最大光照強(qiáng)度和光的持續(xù)時(shí)間[5,9]。林窗內(nèi)光照強(qiáng)度的提高及光照時(shí)間的增加，可造成林窗邊緣及與林窗相鄰的林下光照條件的改善。此外，林窗內(nèi)光照環(huán)境的改變，也將進(jìn)一步造成水熱條件的改變。一般而言，林窗內(nèi)的水熱日變化要比郁閉林下要大。也有研究證實(shí)，林窗的垂直方向上，光照、溫度等微氣候特征也存在差異，其主要的原因是林窗斑塊與周邊的郁閉林存在著水分、熱量的水平運(yùn)輸和垂直擴(kuò)散。例如，張一平等[1]系統(tǒng)探討了西雙版納熱帶次生林林窗不同水平位置及不同季節(jié)下溫度的時(shí)空差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，熱量在不同介質(zhì)之間的傳遞方向隨時(shí)間和季節(jié)的不同而不同；林窗溫度的時(shí)空差異受到研究樣地的氣候特征、太陽(yáng)高度角及周邊樹木的影響。光照和溫度的差異影響著動(dòng)植物生命活動(dòng)的周期變化，同時(shí)對(duì)其他生態(tài)因子也具有間接地影響。目前，較多的研究集中在林窗內(nèi)不同空間、林窗與非林窗上，而關(guān)于林窗、林緣和林下微氣候特征的研究相對(duì)較少。大別山五針?biāo)?Pinusdabeshanensis)僅分布在大別山區(qū)少數(shù)地點(diǎn)，數(shù)量稀少，幼苗生長(zhǎng)更新對(duì)環(huán)境比較敏感。有必要深入探討大別山五針?biāo)闪植煌邏K內(nèi)(林窗、林緣和林下)微氣候特征的差異。
1 研究方法
2014年7月—8月在安慶市岳西縣大別山五針?biāo)商烊涣謨?nèi)選擇3個(gè)不同類型的生境(林窗、林緣和林下)。在每個(gè)生境中央1.3 m高度處, 從7:00到18:00, 每隔2 h測(cè)定1次微環(huán)境。用溫度計(jì)測(cè)定空氣溫度，用照度計(jì)測(cè)定光照強(qiáng)度。因?yàn)樽匀簧持泄庹蘸蜏囟茸兓^快，每個(gè)生境在1 min內(nèi)測(cè)定10次，計(jì)算其平均值。我們通過在土壤深度為1 cm的地方放置土壤溫度計(jì)來(lái)測(cè)定土壤表面溫度。通過SPSS13.0比較差異顯著性水平。
2 結(jié)果
2.1 光照強(qiáng)度的日變化
不同類型斑塊的光照強(qiáng)度日變化結(jié)果表明, 在15:00 以前, 林窗斑塊的光照強(qiáng)度明顯高于林緣及林下(圖1)，其光照強(qiáng)度值符合下列順序：林窗>林緣>林下。在中午12:00，林窗與林緣的光照強(qiáng)度約為林下光照強(qiáng)度的3倍。
圖1 大別山五針?biāo)闪至窒隆⒘志壓土执肮庖蜃拥娜兆兓?/p>
2.2 溫度的日變化
不同類型斑塊的空氣溫度和土壤表面溫度日變化結(jié)果表明，在15:00以前，林窗斑塊的溫度明顯高于林緣及林下(圖2、3)。在白天大部分時(shí)間內(nèi)(8:00—18:00)，不同斑塊類型的溫度符合下列順序：林窗>林緣>林下。不同斑塊類型下光照、空氣溫度和土壤表面溫度存在顯著的差異(圖4-A～I(xiàn))。
圖2 大別山五針?biāo)闪至窒?、林緣和林窗空氣溫度的日變?/p>
3 討論
與很多其他的研究結(jié)果類似，大別山五針?biāo)闪执暗钠骄鶞囟?、最大溫度及日變化均高于林緣和林下。林窗的太?yáng)輻射、空氣和土壤溫度均受到森林內(nèi)形成的林窗影響[4-5,10]，結(jié)果進(jìn)一步支持了這個(gè)結(jié)論。林窗內(nèi)較高的陽(yáng)光照射有利于維持其較高的空氣和土壤溫度。Ritter等[11]的研究也證實(shí)，林窗的土壤和空氣問題要高于其他的斑塊類型。
圖3 大別山五針?biāo)闪至窒隆⒘志壓土执巴寥辣砻鏈囟鹊娜兆兓?/p>
圖4 大別山五針?biāo)闪至窒?、林緣和林窗微氣候的最大值、最小值及極差
注：不同字母表示差異顯著(P<0.05)
隨著林窗的發(fā)育，群落內(nèi)植物的生長(zhǎng)及密度增加。在其他斑塊階段，其光照和溫度的日變化并不明顯。有研究證實(shí)，隨著林窗的郁閉，更新層的光照僅為全光照的10%，而林下層僅為3%。隨著林窗的郁閉，光輻射會(huì)下降。非林窗斑塊的空氣溫度較低可能是一個(gè)或者幾個(gè)機(jī)制起作用的結(jié)果[7,12]。比如，高強(qiáng)度生長(zhǎng)的更新層阻止了大多數(shù)光線到達(dá)土壤表面，并通過蒸發(fā)作用使空氣涼爽下來(lái)，阻止了土壤溫度的增加；而高密度的植被具有一定隔熱效應(yīng)。除了更新層的影響外，周圍林冠樹木的生長(zhǎng)和遮陰也可能改變小氣候[5]。所以在林下和林緣，觀察到氣溫的變化較緩和，不像林窗比較劇烈。
森林內(nèi)不同斑塊的異質(zhì)性對(duì)群落內(nèi)物種的特征、豐富度及共存會(huì)造成一定的影響[13-14]。有研究證實(shí)，環(huán)境的異質(zhì)性對(duì)斑塊內(nèi)生物多樣性的維持呈正相關(guān)，因?yàn)楫愘|(zhì)性的斑塊有利于植物傳粉和種子擴(kuò)散，這將進(jìn)一步促進(jìn)生境的異質(zhì)性，從而提高生物多樣性。
[1]張一平,王進(jìn)欣,馬友鑫,等.西雙版納熱帶次生林林窗近地層溫度時(shí)空分布特征[J]. 林業(yè)科學(xué), 2002, 38(6):1-5.
[2]段仁燕,王孝安,吳甘霖. 林窗干擾與森林群落演替[J]. 廣西植物,2005,25(5):419-423.
[3]朱教君, 譚 輝, 李鳳芹, 等. 遼東山區(qū)次生林3種大小林窗夏季近地面氣溫及土壤溫度比較[J]. 林業(yè)科學(xué), 2009, 45(8):161-165.
[4]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.
[6]SCHLIEMANN S A, BOCKHEIM J G. Influence of gap size on carbon and nitrogen biogeochemical cycling in Northern hardwood forests of the Upper Peninsula, Michigan[J]. Plant & Soil, 2014, 377(1-2):323-335.
[7]MONTGOMERY R, CHAZDON R. Light gradient partitioning by tropical tree seedlings in the absence of canopy gaps[J]. Oecologia, 2002, 131(2):165-174.
[8]ZHAO Q, PANG X, BAO W, et al. Effects of gap-model thinning intensity on the radial growth of gap-edge trees with distinct crown classes in a spruce plantation[J]. Trees, 2015, 29(6):1-10.
[9]FAYE E, HERRERA M, BELLOMO L, et al. Strong discrepancies between local temperature mapping and interpolated climatic grids in tropical mountainous agricultural landscapes.[J]. Plos One, 2014, 9(8):e105541.
[10]DUAN R Y, HUANG M Y, WANG X A. The distribution pattern of different patch types and heterogeneity of the light and temperature:Larixchinensis, Beissn in Qinling Mountains (China)[J]. Russian Journal of Ecology, 2014, 45(3):209-214.
[11]RITTER E, DALSGAARD L, EINHORN K S. Light, temperature and soil moisture regimes following gap formation in a semi-natural beech-dominated forest in Denmark[J]. Forest Ecology & Management, 2005, 206(1):15-33.
[12]段仁燕,王孝安,黃敏毅,等.太白紅杉林斑塊結(jié)構(gòu)與群落特征[J]. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 33(3)：460-468.
[13]HARDWICK S R, TOUMI R, PFEIFER M, et al. The relationship between leaf area index and microclimate in tropical forest and oil palm plantation: Forest disturbance drives changes in microclimate [J]. Agricultural & Forest Meteorology, 2015, 201:187-195.
[14]SILVESTRINI M, MCCAULEY D E, ZUCCHI M I, et al. How do gap dynamics and colonization of a human disturbed area affect genetic diversity and structure of a pioneer tropical tree species?[J]. Forest Ecology & Management, 2015, 344:38-52.
The microclimate characteristics in the gap, gap adjacent and closed canopy ofPinusdabeshanensisforest
WU Gan-lin, YANG Li-min, DUAN Ren-yan, WANG Zhi-gao, ZHANG Zhong-xin
(College of Life Sciences, Anqing Normal University, Anqing 246133, China)
Gap, caused by natural disturbance, can cause the change of light and temperature in the forest patch obviously. Based on an investigation in a sample of aPinusdabeshanensisforest in Dabieshan Mountains, we recognized three patch types including gap, gap adjacent and closed canopy and analyzed their microclimate characteristics. The daily change patterns of microclimate characteristics in three patch types were different. The light intensity and air temperature were much greater in gap than in the gap adjacent and closed canopy. The light intensity, air temperature and soil surface temperature had significant difference under different patch types.
light; temperature; heterogeneity; patch type
2016-04-29；
2016-05-10
國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201304314)；安徽省自然科學(xué)基金(1608085MC63)
吳甘霖，碩士，教授，研究方向?yàn)橹参锷鷳B(tài)學(xué)和生物多樣性研究，E-mail:wugl@sina.com
S718.54
A
2095-1736(2017)04-0064-03
doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2017.04.064
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吳甘霖， 羊禮敏， 段仁燕， 王志高， 張中信
(安慶師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 安慶 246133)
大別山五針?biāo)闪至执?、林緣和林下的微氣候特?/p>
吳甘霖， 羊禮敏， 段仁燕， 王志高， 張中信
(安慶師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 安慶 246133)
自然干擾形成林窗后，會(huì)造成林窗下的光照和溫度發(fā)生明顯變化。通過調(diào)查大別山五針?biāo)闪至执?、林緣和林下微氣候?dòng)態(tài)變化規(guī)律，結(jié)果表明：林窗、林緣和林下，環(huán)境因子的日變化差異明顯。其中，在林窗階段的微氣候要比其他2個(gè)階段變化更大。不同斑塊類型下光照、空氣溫度和土壤表面溫度存在顯著差異。
光照；溫度；異質(zhì)性；斑塊類型
林窗(Gap)指的是森林群落內(nèi)林冠層優(yōu)勢(shì)樹木的死亡而形成的森林空隙。林窗的形成為新的個(gè)體更新與生長(zhǎng)提供了適宜的空間[1-6]，直接或間接影響著森林群落的物種組成、個(gè)體更新及種群的結(jié)構(gòu)[7-8]。
自然干擾形成林窗后，會(huì)造成林窗下的光照和溫度發(fā)生明顯變化[1,3]。相比沒有林窗的林下，林窗的出現(xiàn)，增加了斑塊內(nèi)的平均光照強(qiáng)度、最大光照強(qiáng)度和光的持續(xù)時(shí)間[5,9]。林窗內(nèi)光照強(qiáng)度的提高及光照時(shí)間的增加，可造成林窗邊緣及與林窗相鄰的林下光照條件的改善。此外，林窗內(nèi)光照環(huán)境的改變，也將進(jìn)一步造成水熱條件的改變。一般而言，林窗內(nèi)的水熱日變化要比郁閉林下要大。也有研究證實(shí)，林窗的垂直方向上，光照、溫度等微氣候特征也存在差異，其主要的原因是林窗斑塊與周邊的郁閉林存在著水分、熱量的水平運(yùn)輸和垂直擴(kuò)散。例如，張一平等[1]系統(tǒng)探討了西雙版納熱帶次生林林窗不同水平位置及不同季節(jié)下溫度的時(shí)空差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，熱量在不同介質(zhì)之間的傳遞方向隨時(shí)間和季節(jié)的不同而不同；林窗溫度的時(shí)空差異受到研究樣地的氣候特征、太陽(yáng)高度角及周邊樹木的影響。光照和溫度的差異影響著動(dòng)植物生命活動(dòng)的周期變化，同時(shí)對(duì)其他生態(tài)因子也具有間接地影響。目前，較多的研究集中在林窗內(nèi)不同空間、林窗與非林窗上，而關(guān)于林窗、林緣和林下微氣候特征的研究相對(duì)較少。大別山五針?biāo)?Pinusdabeshanensis)僅分布在大別山區(qū)少數(shù)地點(diǎn)，數(shù)量稀少，幼苗生長(zhǎng)更新對(duì)環(huán)境比較敏感。有必要深入探討大別山五針?biāo)闪植煌邏K內(nèi)(林窗、林緣和林下)微氣候特征的差異。
1 研究方法
2014年7月—8月在安慶市岳西縣大別山五針?biāo)商烊涣謨?nèi)選擇3個(gè)不同類型的生境(林窗、林緣和林下)。在每個(gè)生境中央1.3 m高度處, 從7:00到18:00, 每隔2 h測(cè)定1次微環(huán)境。用溫度計(jì)測(cè)定空氣溫度，用照度計(jì)測(cè)定光照強(qiáng)度。因?yàn)樽匀簧持泄庹蘸蜏囟茸兓^快，每個(gè)生境在1 min內(nèi)測(cè)定10次，計(jì)算其平均值。我們通過在土壤深度為1 cm的地方放置土壤溫度計(jì)來(lái)測(cè)定土壤表面溫度。通過SPSS13.0比較差異顯著性水平。
2 結(jié)果
2.1 光照強(qiáng)度的日變化
不同類型斑塊的光照強(qiáng)度日變化結(jié)果表明, 在15:00 以前, 林窗斑塊的光照強(qiáng)度明顯高于林緣及林下(圖1)，其光照強(qiáng)度值符合下列順序：林窗>林緣>林下。在中午12:00，林窗與林緣的光照強(qiáng)度約為林下光照強(qiáng)度的3倍。
圖1 大別山五針?biāo)闪至窒隆⒘志壓土执肮庖蜃拥娜兆兓?/p>
2.2 溫度的日變化
不同類型斑塊的空氣溫度和土壤表面溫度日變化結(jié)果表明，在15:00以前，林窗斑塊的溫度明顯高于林緣及林下(圖2、3)。在白天大部分時(shí)間內(nèi)(8:00—18:00)，不同斑塊類型的溫度符合下列順序：林窗>林緣>林下。不同斑塊類型下光照、空氣溫度和土壤表面溫度存在顯著的差異(圖4-A～I(xiàn))。
圖2 大別山五針?biāo)闪至窒?、林緣和林窗空氣溫度的日變?/p>
3 討論
與很多其他的研究結(jié)果類似，大別山五針?biāo)闪执暗钠骄鶞囟?、最大溫度及日變化均高于林緣和林下。林窗的太?yáng)輻射、空氣和土壤溫度均受到森林內(nèi)形成的林窗影響[4-5,10]，結(jié)果進(jìn)一步支持了這個(gè)結(jié)論。林窗內(nèi)較高的陽(yáng)光照射有利于維持其較高的空氣和土壤溫度。Ritter等[11]的研究也證實(shí)，林窗的土壤和空氣問題要高于其他的斑塊類型。
圖3 大別山五針?biāo)闪至窒隆⒘志壓土执巴寥辣砻鏈囟鹊娜兆兓?/p>
圖4 大別山五針?biāo)闪至窒?、林緣和林窗微氣候的最大值、最小值及極差
注：不同字母表示差異顯著(P<0.05)
隨著林窗的發(fā)育，群落內(nèi)植物的生長(zhǎng)及密度增加。在其他斑塊階段，其光照和溫度的日變化并不明顯。有研究證實(shí)，隨著林窗的郁閉，更新層的光照僅為全光照的10%，而林下層僅為3%。隨著林窗的郁閉，光輻射會(huì)下降。非林窗斑塊的空氣溫度較低可能是一個(gè)或者幾個(gè)機(jī)制起作用的結(jié)果[7,12]。比如，高強(qiáng)度生長(zhǎng)的更新層阻止了大多數(shù)光線到達(dá)土壤表面，并通過蒸發(fā)作用使空氣涼爽下來(lái)，阻止了土壤溫度的增加；而高密度的植被具有一定隔熱效應(yīng)。除了更新層的影響外，周圍林冠樹木的生長(zhǎng)和遮陰也可能改變小氣候[5]。所以在林下和林緣，觀察到氣溫的變化較緩和，不像林窗比較劇烈。
森林內(nèi)不同斑塊的異質(zhì)性對(duì)群落內(nèi)物種的特征、豐富度及共存會(huì)造成一定的影響[13-14]。有研究證實(shí)，環(huán)境的異質(zhì)性對(duì)斑塊內(nèi)生物多樣性的維持呈正相關(guān)，因?yàn)楫愘|(zhì)性的斑塊有利于植物傳粉和種子擴(kuò)散，這將進(jìn)一步促進(jìn)生境的異質(zhì)性，從而提高生物多樣性。
[1]張一平,王進(jìn)欣,馬友鑫,等.西雙版納熱帶次生林林窗近地層溫度時(shí)空分布特征[J]. 林業(yè)科學(xué), 2002, 38(6):1-5.
[2]段仁燕,王孝安,吳甘霖. 林窗干擾與森林群落演替[J]. 廣西植物,2005,25(5):419-423.
[3]朱教君, 譚 輝, 李鳳芹, 等. 遼東山區(qū)次生林3種大小林窗夏季近地面氣溫及土壤溫度比較[J]. 林業(yè)科學(xué), 2009, 45(8):161-165.
[4]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.
[6]SCHLIEMANN S A, BOCKHEIM J G. Influence of gap size on carbon and nitrogen biogeochemical cycling in Northern hardwood forests of the Upper Peninsula, Michigan[J]. Plant & Soil, 2014, 377(1-2):323-335.
[7]MONTGOMERY R, CHAZDON R. Light gradient partitioning by tropical tree seedlings in the absence of canopy gaps[J]. Oecologia, 2002, 131(2):165-174.
[8]ZHAO Q, PANG X, BAO W, et al. Effects of gap-model thinning intensity on the radial growth of gap-edge trees with distinct crown classes in a spruce plantation[J]. Trees, 2015, 29(6):1-10.
[9]FAYE E, HERRERA M, BELLOMO L, et al. Strong discrepancies between local temperature mapping and interpolated climatic grids in tropical mountainous agricultural landscapes.[J]. Plos One, 2014, 9(8):e105541.
[10]DUAN R Y, HUANG M Y, WANG X A. The distribution pattern of different patch types and heterogeneity of the light and temperature:Larixchinensis, Beissn in Qinling Mountains (China)[J]. Russian Journal of Ecology, 2014, 45(3):209-214.
[11]RITTER E, DALSGAARD L, EINHORN K S. Light, temperature and soil moisture regimes following gap formation in a semi-natural beech-dominated forest in Denmark[J]. Forest Ecology & Management, 2005, 206(1):15-33.
[12]段仁燕,王孝安,黃敏毅,等.太白紅杉林斑塊結(jié)構(gòu)與群落特征[J]. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 33(3)：460-468.
[13]HARDWICK S R, TOUMI R, PFEIFER M, et al. The relationship between leaf area index and microclimate in tropical forest and oil palm plantation: Forest disturbance drives changes in microclimate [J]. Agricultural & Forest Meteorology, 2015, 201:187-195.
[14]SILVESTRINI M, MCCAULEY D E, ZUCCHI M I, et al. How do gap dynamics and colonization of a human disturbed area affect genetic diversity and structure of a pioneer tropical tree species?[J]. Forest Ecology & Management, 2015, 344:38-52.
The microclimate characteristics in the gap, gap adjacent and closed canopy ofPinusdabeshanensisforest
WU Gan-lin, YANG Li-min, DUAN Ren-yan, WANG Zhi-gao, ZHANG Zhong-xin
(College of Life Sciences, Anqing Normal University, Anqing 246133, China)
Gap, caused by natural disturbance, can cause the change of light and temperature in the forest patch obviously. Based on an investigation in a sample of aPinusdabeshanensisforest in Dabieshan Mountains, we recognized three patch types including gap, gap adjacent and closed canopy and analyzed their microclimate characteristics. The daily change patterns of microclimate characteristics in three patch types were different. The light intensity and air temperature were much greater in gap than in the gap adjacent and closed canopy. The light intensity, air temperature and soil surface temperature had significant difference under different patch types.
light; temperature; heterogeneity; patch type
2016-04-29；
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吳甘霖，碩士，教授，研究方向?yàn)橹参锷鷳B(tài)學(xué)和生物多樣性研究，E-mail:wugl@sina.com
S718.54
A
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