樟树人工林内和林内空地土壤温度分布的研究

吴湘雄 ，康文星 ,2，傅 强 ，宿少峰 ，王 灿

（1.中南林业科技大学 生命科学与技术学院，湖南 长沙 410004;2. 南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004)

樟树人工林内和林内空地土壤温度分布的研究

吴湘雄1，康文星1,2，傅 强1，宿少峰1，王 灿1

（1.中南林业科技大学 生命科学与技术学院，湖南 长沙 410004;2. 南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004)

以一年的观测数据为依据，剖析了樟树人工林内和林内空地地表温、土壤温度、温度梯度分布及其波动状态和土壤热力流向。结果表明：林内和林内空旷地土壤温度特征不一样，林内空旷地的地表温和各层土温的年、月、日均值及其振幅，都显著高于树林内，两者的土壤温度梯度和热力流向与途径有着较大差异；林内和林内空旷地地表最高、低温出现时刻不一样，林冠有推迟地表最高温出现的作用；林冠的遮拦，以及枝叶凋落物对地表的覆盖，使林内土温振幅衰减速率加快，土温的波动幅度减少，为树木的生长创造了适宜的土壤环境。

地表温；土温；温度梯度；土壤温度波动

多年来，国内外一些农业气象学家、生态环境学家、微气象学家都十分重视研究分析农田、绿洲、干旱和半干旱地区等特定生态环境下的热量平衡过程[1-5]，以达到在了解近地面层土壤--植被--大气统一体中动量、热量、水汽交换过程的特点[6-10]；国外一些学者还对植物下垫面的地面热量平衡各分量的估算方法进行比较[11-13]，并对大城市中心的地面热量平衡进行模拟分析[14]。但是，对于林带如何影响周围水热光资源的分布及水热在土壤中输送过程的研究却很少。

土壤温度不仅影响着植物的光合作用、种子的萌发、幼苗和根系的生长，而且还影响着植物对水分的吸收与输送以及土壤中有效养分的变化等，因此，土壤温度是土壤环境的重要因素之一[15-17]，一些科技工作者对土壤温度进行了相关的研究[18-24]。不言而喻，从系统的角度来研究森林，不仅要研究森林生态系统的结构、功能和生产力，而且要研究森林生态系统与生物环境间的交换和适应与稳定性，本研究以一年的实验观察数据为基础，探讨了中南林业科技大学长沙校区内城市生态站的树林内外土壤温度分布状况，揭示城市生态站樟树人工林内土壤能量流动和物质交换的规律，以期对常绿阔叶植物赖以生存的土壤小生境有一定的了解。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区域概况

本研究是在长沙市中南林业科技大学城市生态站樟树人工林内进行的，长沙市是湖南省省会，位于湖南省东部偏北，111°53′～ 114°15′E，27°51′～28°41′N。辖芙蓉、天心、岳麓、开福、雨花五区，市区面积948 km2，建城区面积182 km2，常住人口268万。长沙属中亚热带季风湿润气候区，受季风影响比较强烈，冷暖空气交替明显，夏季高温持续时间长，梅雨季节雨水较多；春季寒潮频繁，温度变化幅疲大；秋天来临较迟，但不久又进入冬季；冬季时间虽长，但寒冷天气较少。年平均气温16.8～17.3℃，年降水量1 360～2 200 mm，降水比较集中在春末夏初，无霜期达255～275 d，光热能和水分条件较好，适宜多种林木生长。

城市生态站樟树人工林，林龄35年，树木平均高度17.5 m，林穷郁闭度0.9左右，林下灌木丛荗密。樟树人工林内有一块面积约为40 m×20 m的林间空地。本研究的实验就是在樟树人工林内和林间空地进行的。

1.2 研究方法

分别在城市生态站樟树人工林内和林内空地各设一个小气候观测场。用普通玻璃地温表和曲管玻璃地温表将测定林内和林内空地地表温度，地表的最高温和最低温度以及5、10、15、20 cm深处土壤温度。

从2010年9到2011年8月，每月上、中、下3旬每旬随机观测1天，每天每2 h观测一次，一天共12次，1年共观测36 d。观测的数据根据中央气象局规定的地面气象观测规范，对所测数据进行核实、校对、统计、分析。采用SPSS 18.0和Excel 2003进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 地表温

观测数据表明（表1），空旷地与树林内地表温度的时态变化基本趋势一致，但空旷地的年、月、日平均温度均高于树林内，特别是气辐射较强的月份，这种差异尤为显著。在日变化中，白天空旷地的温度明显高于林内，而在深夜至凌晨这段时间内，空旷地与林内相差不大，且后者略高于前者。

对于樟树人工林来说，辐射能流首先到樟树人工林上部冠层，在这里，辐射能进行一次分配，一部分被植被反射回太空，大部分被冠层吸收，只有小部分能流穿透冠层到达林下，林下空间接受的热量比冠上表面少多了。没有植被覆盖，空旷地裸露的地表面直接承受来自于太空的各种辐射能流，地表面产生相当大的热负荷，急剧地增加了地表面温度。以上分析表明，林内地表面接受的净辐射比空旷地大为减少，净辐射是地表有效能流的度量值，因此不难理解空旷地和树林内的地表温存在差异。

深夜，林内地表散发的地面长波辐射被密集的林冠层阻档不易散失，空旷地地面长波辐射却毫无阻拦地散逸在外环境中，致使深夜至凌晨这段时间内，林内地表温度略高于空旷地。

表1 空旷地和树林内地表月即时平均温度†Table 1 Monthly and moment average temperature of surface soil in the forest clearing and plantation ℃

树林内地表日最高温出现时刻与空旷地并不一样，前者比后者要延时两个小时出现日最高温（表2）。因为太阳辐射投入到樟树人工林林冠，林冠层吸收辐射能后首先加热自己。然后，林冠层吸收的热量再以长波辐射和湍流过程传给林下空间，随着时间的推移，林下空间热量逐渐增加，使得林内地表的升温变慢。而太阳辐射直接照射在空旷地表面上，地表面产生一股很大的热力，迅速地提高了空旷地表面温度。

表2 各月每天地表最高（低）温度出现时刻Table 2 Monthly appearance moment of maximum (minimum) temperature of surface soil ℃

林内和空旷地地表日最低温出现时刻，不同的季节两者出现的时间不同。辐射较弱的月份，林内比空旷地提前两个小时出现，辐射强的季节，林内的日最低温与空旷地同步出现。地表日最低温一般出现深夜到凌晨这段时间内，辐射较弱的月份，林内地表发射长波辐射因林冠层的阻档，而且林内空气的乱流扩散运动比空旷地弱很多，林内空间的热量不容易散失，因而推迟了林内地表日最低温出现时刻。高温季节，虽然林冠同样阻止林内地表热量散失，但是白天空旷地获得太阳辐射能流比林内多，夜晚深层土壤向地表传递热量也比林内多，也就推迟了空旷地地表日最低温出现时刻，几乎与林内出现时刻同步。

表3表明，一个月内最大日振幅和月平均日振幅，都是空旷地高于林内，表明空旷地地表温度的变化比林内剧烈。空旷地和林内的最大日振幅及最大月振幅容易发生在冷热气流对流强烈、季节交替的月份，空旷地最大日振幅及最大月振幅发生在5月，林内的最大日振幅及最大月振幅却发生在3月。从全年来看，炎热的季节空旷地最大日振幅或日振幅在明显高于树林内。由此可知，辐射强度越大，空旷地与林内地表温度日波动变化的差异也就越大。气象学者研究认为，凡是吸收和发射辐射能流，并不断与周围环境进行热量和水分交换，调节周围温度和湿度等气象要素的下垫面，都称之为作用面。地表面的热性质决定土壤热量和水分的交换，是土壤和近地面空间的小气候形成的物理基础。这种空旷地和林内这种地表温度分布规律的差别，决定了它们地表周围小生境的差异。

表3 空旷地和树林内地表温每月日平均和最大日振幅Table 3 Daily average monthly temperature and the daily maximum amplitude of the surface soil in the forest clearing and plantation ℃

2.2 土壤温度

由表4可知，空旷地与林内5～20 cm各层的土温年变律，均与其他表温一致。各层土温的月均值，均为空旷地大于树林内，并以辐射较强的月份更为显著。土温的年空间分布，都遵循辐射弱的月份随土层深度递增，反之则是依次递减的规律。只有当气候由冷进入渐热或由热进入渐冷的过渡性月份（即3月和9月），为了准备下一个顺序而完全颠倒的分布出现，这种规律才被打破。

无论何时，空旷地的日平均土温变化，都要比林内更明显（表5）。土温日平均变化中，土温随土层深度增加而升高和随土层深度增加而降低两种完全相反的布局，空旷地这种变更的时间发生在10时和22时，林内的变更时间在12时和22时。

最冷的1月，林内各层土温日变化略有起伏，但仍保留着低温时常有的空间动律，空旷地不同，各层土温日变化加大，在一日内，仍可完成顺序完全相反的两种分布。在炎热的季节，空旷地各层土温降低剧烈，地温曲线相互交错的时间较短，很快进入到另一种格局。相对来说林内土温变化较为平缓，地温曲线彼此交织在一起的时间较长。以上分析表明，空旷地和林内的土温分布存在很大差异，这是由于林内冠层对辐射能流的阻挡作用所导致的。

表4 空旷地和树林内各土层平面温度月均值及t检验†Table 4 Monthly average temperature of each layer soil and T-test in forest clearing and plantation ℃

表5 空旷地和树林内各土层平面温度时平均值及t检验†Table 5 Moment average temperature of each layer soil and T test in forest clearing and plantation ℃

从表6中可以看出，空旷地和林内的温度梯度存在着较大差别。温度梯度不仅决定着土壤热力流向，而且制约着热通量的大小。由于林冠的存在，使得林内和空旷地的土壤流动和分配规律存在差异。

表6 空旷地和树林内各层土壤温度月变化梯度Table 6 Monthly temperature change gradient of each soil layer in forest clearing and plantation ℃

如图1和图2所示，空旷地和林内的月平均土壤热力流向和途径（以地表垂直向土壤深处传递热量为正）大致相同。寒冷的季节，土壤深处土层会向上层土层进行热传递，同时地表也向下层土壤传热量。而在1月份，受降雪的影响，则是深层土壤热量经过所测层次向地表传输；在炎热月份是地表热能向下层土壤运输，其流程可跨越20 cm。2月、3月及9月，在所测的20 cm土层内，会出现相对、相背或两者兼有的多向流动。

尽管空旷地和林内月平均土壤热力流向和途径大致相同，但从表7可以看出，进入空旷地和林内的各土层平面的热通量是不一致的。从日平均变化可以看出，午夜至6时空旷地是20 cm以下土壤热向地表传导，8时开始由地表向土壤深处进行下传，而18～24时，5～15 cm土层成了上导和下传热量的汇集场所。林内由地表开始向土壤传导热量也在8时，与空旷地一致；在18～24时，15 cm 深处的土壤热源，成为上下输送的热源；2～8时，由土壤深处向地表传递热量，比空旷地推迟了2 h。

图1 空旷地月和即时平均热力流向与途径Fig. 1 Monthly and moment average heat flow and way in the clearing area of the forest

图2 树林内月和即时平均热力流向与途径Fig. 2 Monthly and moment average heat flow and way in the forest plantation

表7 空旷地和树林内各层土壤温度日变化梯度Table 7 Moment temperature change gradient of each soil layer in forest clearing and plantation ℃

系统的功能动力学主要是用在物质的交换上，土壤热量流动将对土壤水份、无机离子和气态物质的运输产生影响。这些因素又是土壤微生物、植物根系维持生命功能所不可缺少的。由于林冠的存在，造就了空旷地和林内两种不同的土壤温度特征，从而使树林内0～20 cm土层在热力操纵下运输水份、无机离子、土壤养分等，有利于植物根系吸收，尤其是高温季节， 土壤水份在热力控制下运动，极有利于土壤水份的保养，从而促进林木的生长。

2.3 土壤温度波动

从表8看出，空旷地土温波动变化幅度比林内大得多。变化幅度是衡量温度变化的唯一因子。表明空旷地土壤温度的变化比林内剧变得多。

温度振幅的大小，首先取决于到达地面的辐射能流。由于树林内地表比空旷地所接受的辐射能流要小得多，所以，空旷地的土温波动要大得多；其次，土温的日变化，可看作是地表温日变化向土壤深处的传递，由于空旷地的地表温度比树林内的变化激烈，使其各层土温的变化，也比树林内大；第三，地表温日变化以及向土壤传递过程中的衰减速率，也限制着土温振幅的大小。树林内有林冠的遮拦，以及枝叶凋落物对地表的覆盖，使林内土温振幅衰减速率加快，土温的波动幅度减少。林内各层土温的年、日变化相当小，为树木的生长创造了适宜的土壤环境。

表8 各深度土温月平均日振幅及t检验†Table 8 Monthly average amplitude of each layer of the soil temperature and t-test ℃

3 结 论

由于林冠层对辐射能流的截留，树林内和林内空旷地土壤温度特征不一样，林内空旷地的地表温和各层土温的年、月、日均值及其振幅，都显著高于树林内，两者的土壤温度梯度和热力流向与途径有着较大差异。

在辐射较强的6月份，樟树林内的空旷地的平均地表温度比树林内高出了4.3℃，辐射较弱的12月份，它们的差值最小，只有0.1℃。在日变化中，樟树林内的空旷地地表平均温度显著高于树林内，12时达到最大差值为9.3℃。但在深夜至凌晨这段时间内，空旷地与林内相差不大，且后者略高于前者。樟树林内的地表日最高温的出现在12时，而林内空旷地则出现在14时。樟树林内和空旷地地表日最低温出现时刻，随着季节的不同而不同，在辐射较弱的月份（11月至次年4月）樟树林内是4时出现，林内空地是6时出现，在辐射较强的月份（5月至10月），樟树林内和空旷地地表日最低温出现时刻都在6时。樟树林内空旷地最大日振幅及最大月振幅发生在5月，树林内的最大日振幅及最大月振幅却发生在3月。

土温的年空间分布，都遵循辐射弱的月份随土层深度递增，反之则是依次递减的规律存在，在3月和9月会出现完全颠倒的分布。樟树林内空旷地与树林内5～20 cm 4个土层的土温最大差值都出现在7月份，依次为4、3.8、3.5和3.7℃。土温日平均变化中，土温随土层深度增加而升高和随土层深度增加而降低两种完全相反的布局，樟树林内空旷地这种变更的时间发生在10时和22时，树林内的变更时间在12时和22时，4个土层最大差值出现时刻为14时、16时、16时和20时，其大小依次为4.5、3.2、2.6和2.4℃。

在树林里0～20 cm的土层内，在热力主导作用下的水份和无机物的运输，极利于植物的浅根吸收。尤其是在炎热的季节，由于热力流向20 cm以下深处，由此所引起的水份运动，有利于水份的保养和林木的生长。另外，由于树林内有林冠层的遮蔽和凋落物对地表的覆盖，使其各土层的温度变化比林内空旷地平缓许多。林内土壤温度分布化的特征状态，为植物的生长营造了一个适宜的土壤环境。

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Studies on soil temperature distribution of camphor plantations and forest clearance area

WU Xiang-xiong1, KANG Wen-xing1,2, FU Qiang1, SU Shao-feng1, WANG Сan1
(1.Сentral South University of Forestry and Technology, Сhangsha 410004, Hunan, Сhina;2. National Engineering Lab. for Applied Technology of Forestry & Ecology in South Сhina, Сhangsha 41004, Hunan, Сhina)

Based on the observation data in one year, the surface temperature, soil temperature, distribution of temperature gradient and state of temperature fl uctuation，and soil thermal fl ow direction in the clearance area of the camphor plantation were investigated and analyzed.The results show that the soil temperature characteristics of the plantation and the clearance area were unlike, the year, month and day values of the surface soil temperature, that of soil temperature in each layer and the amplitude in the clearance area were higher than those in the forest, the soil temperature gradient and heat fl ow direction and the way had a bigger difference; the maximum temperature and the minimum temperature didn’t appeared at the same moment, the canopy delayed the highest surface temperature to appear; that the canopy blocked or the branches and leaves litter covered the earth’s surface could make the plantations soil temperature amplitude decay to be faster, reduced the fl uctuation range of soil temperature, and created the proper soil environment for the trees growth.

soil surface temperature; soil temperature; temperature gradient; soil temperature fl uctuation

S718.1

A

1673-923X (2012)05-0113-07

2011-12-22

国家野外科学观测研究站项目（2010-05）

吴湘雄(1986-)，男，湖南郴州人，硕士研究生，主要从事森林生态学研究

康文星(1947-)，男，湖南衡东人，教授，博士生导师，主要从事森林生态教学与科研工作； E-mail：kwx1218@126.com

[本文编校：欧阳钦]