华南退化生态系统三种典型生态恢复模式的小气候效应研究

段文军，王金叶，李海防

桂林理工大学旅游学院；桂林理工大学生态规划与工程研究所，广西 桂林 541004

森林小气候是在森林植被影响下形成的特殊小气候，是森林中水、气、热等各种气象要素综合作用的结果（曾庆波等，1997；李意德，2009）。森林小气候能影响森林的水分与能量平衡、土壤营养元素的积累与释放、种子的萌发与幼苗成活、森林生物的栖息与繁殖，从而影响森林的生产力、生物多样性和生态平衡，森林小气候研究也一直是森林生态学研究的重要内容（Roger，1985；Christopher et al, 1999；任海等，2008；王俊，2009）。

生态退化在中国较为突出，据《求是》杂志报道，我国是世界上水土流失最严重的国家之一，全国水土流失面积仍达 295万 km2，占国土面积的30.7%，急需进行生态恢复理论及实践研究。目前退化荒坡地主要采用2种生态恢复措施，一种就是封山育林，也就是排除人类干扰，让植物自然演替来恢复原来的植被；另一种就是种植人工林来提高植被覆盖度，增加植物多样性。2种生态恢复措施优缺点不同，前者能最大限度地恢复生态系统的原始状态，但恢复速度很慢，需要数百年的时间。后者虽能大大加快荒坡植被建立的速度，但建立的生态系统往往结构简单、生态服务功能低下（任海等，2008）。

生态恢复过程中，森林小气候能影响乡土树种的定居和繁殖，进而影响生物的演替进程和群落结构，是评价不同恢复模式的生态效益和衡量生态恢复进程的重要指标（林永标等，2003；王平平等，2010）。本文选择自然恢复草坡、针叶林人工林、阔叶人工林3种华南地区典型生态恢复模式进行研究，评价不同恢复模式下森林小气候调节效益，从而评价不同生态恢复模式的生态功能和生态效益。

表1 研究样地基本概况Table 1 Introduction of the sample plots

1 试验区概况

广东鹤山森林生态系统国家野外科学观测研究站（文中简称鹤山站）位于广东省中部的鹤山市，东经 112°54'，北纬 22°41'，是中国生态系统研究网络（Chinese Ecosystem Research Network，简称CERN）的重点台站之一。鹤山站由华南植物所和鹤山市于1984年共同建立，占地面积2000余亩。试验区在退化的光坡地上按集水区的形式，划分为自然恢复草坡（对照，目前已发展到灌木占主要优势，也有少量乔木的阶段）、针叶人工林、针阔混交人工林、豆科混交人工林、乡土人工林（荷木为主）、桉树人工林、马占相思人工林、林果苗复合生态系统试验区（表1）。

试验区属南亚热带丘陵地区，顶极森林群落是亚热带季风常绿阔叶林。试验区为亚热带季风气候区，温暖多雨，年平均气温 21.7 ℃，其中最高月平均温度29.2 ℃，最低月平均温度12.6 ℃，年辐射量为110 kcal·cm-2，全年降雨量1801 mm，但分布不均。集中分布于5─9月份的雨季，达1400 mm，有明显的干、湿季之分。试验区地带性土壤为赤红壤，土壤有机质质量分数为0.56%～1.64%。

2 材料与方法

2.1 试验样地

本试验选择广东鹤山森林生态系统国家野外科学观测研究站的自然恢复草坡、针叶人工林、阔叶人工林3种典型生态恢复模式作为研究对象，分析自然恢复和人工林恢复、针叶人工林和阔叶人工林恢复模式的森林小气候调节效益。其中马占相思为外来固氮树种，马尾松、杉木为乡土树种，梅叶冬青、桃金娘、三叉苦、梅叶冬青为林下灌木，小花露珠草、乌毛蕨、芒萁为林下草本植物。

2.2 小气候观测

人工林及草坡小气候测定是使用美国进口的HOBO小气候仪自动观测，设定每30 min数据采集器记录一次数据。记录项目包括太阳辐射、风速风向、气温、降水、土壤温度、土壤含水量等。其中，测定太阳辐射、降水、风速风向的传感器安装在2 m左右，低于自然恢复草坡主要冠层（约2.5 m）。土壤温度传感器安装在地表、10 cm、20 cm土壤层次。观测数据运用Excel2010和spss17.0进行整理和分析。

3 结果与分析

3.1 林间气温比较

森林内的温度能影响林内水分的平衡、林下动物及微生物的种类及组成、森林土壤营养元素的循环，以及植物的物候及幼苗的生长，森林对气温的调节能力也是衡量森林生态系统服务功能的一项重要指标。

从图1可以看出，在气温比较低的月份（1月、2月、3月、11月、12月），草坡与人工林的月平均气温相差不是很大，一般在1 ℃以内，草坡的平均林间气温略高于人工林。这主要是因为自然恢复草坡冠层层次简单、郁闭度较低，接收的太阳辐射更多。在降温比较明显的季节（如11月），草坡的温度甚至低于人工林，这说明草坡的保温、恒湿能力较差。而在6到10月份，人工林的温度明显低于草坡，降温效果明显。

在秋冬季节，草坡和人工林的最低温度基本持平，差异很少，一般少于1 ℃。而在春夏季节，草坡的最低温度明显低于人工林，而且差异非常明显，大多数月份都在1 ℃以上。这说明草坡的保温能力较弱（图2）。

在全年所有月份中，草坡的月最高温度都明显高于人工林，而且这种温差基本都在2 ℃左右。全年的最高温差出现在9月，这时草坡的温度比针叶林的温度高出将近 5 ℃（图 3）。这说明草坡调节温度的能力相对偏弱。

此外全年所有月份中，草坡的温度的日较差和变异系数都显著大于人工林（表2），说明草坡的温度变化较2种人工林剧烈，其调节气温的能力较人工林恢复模式弱。

对比2种人工林，还可以看出，不管是平均温度，还是最高温度马占相思林都略大于针叶林，而二者最低温度相差不是非常明显。此外，针叶林的气温日较差和变异系统也显著小于马占相思林。这是因为马占相思是外来速生树种，存在早衰现象，立枯木较多，且部分冠层不完整，透光率较高，影响了温度调节功能。

3.2 土壤温度比较

表2比较了草坡及2种人工林恢复模式在二个不同土壤层次上的土壤温度的月变化。从这个表中我们可以看出，地表温度全年基本都表现为草坡>马占相思林>针叶林（全年仅有12月份这种排列刚好相反）。同时，从表2中还可以看出，4月和7月三者的土壤地表温度差值较大，而在1月和12月，这种差值较少。此外，从日均差来看，同林间气温一样，草坡的地表温度的波动远大于2种人工林。

20 cm土层的土壤温度观测发现，相比地表温度，3种恢复模式的差异较少，春秋冬季都在1 ℃以内，而夏季差异在2 ℃左右。全年20 cm土壤温度 2─12月都表现为草坡>马占相思林>针叶林，1─2月，这种排列刚好相反。同时，从日均差和变异系数来看，草坡20 cm土层的土壤温度波动相对较大，人工林的波动很小。

3.3 林下辐射比较

人工林的林下太阳辐射能影响林下动植物的种类及其分布，决定森林生态系统的能量收支，从而影响凋落物的分解、土壤结构、土壤水分及森林生态系统的一系列生理生态过程。

图4记录了自然恢复草坡及2种人工林林下太阳辐射的月变化。太阳辐射主要受云层及太阳辐射角度的影响。从图4可知，草坡的林下辐射量最大，且波动最大；针叶林林下辐射量最小，且波动最小。在1─8月份，虽然太阳直射点发生了很大的变化，但三者的太阳辐射的增加速度较慢，而且在6月和8月还有下降的趋势。这主要是因为4─8月为华南地区的雨季，阴雨天气较多，云层的遮蔽影响了太阳辐射。在9月份以后阴雨天减少，受云层的影响较少，因而太阳辐射的变化主要受太阳直射角度的影响。2种人工林的林下辐射量在11─12月份有一个上升的趋势，与太阳直射角度的变化趋势相反，这主要受人工林落叶的影响。

3种恢复模式中，自然恢复草坡的林下辐射强度明显高于2种人工林，年林下辐射总量分别马占相思林和针叶林的1.9和5.8倍，马占相思林的年辐射量为针叶林的3倍。此外，草坡和马占相思林的林下辐射强度的月变幅分别为 119.08、57.92 W·m-2显著大于针叶林的19.29 W·m-2。同时，由表2可知，草坡的林下辐射的日较差和变异系数显著大于 2种人工林，这说明人工林，特别是乡土的针叶林能给林下生物构建更为稳定、适中的辐射环境。

3.4 林间风速比较

森林中的风速是森林中气体扰动的体现。风进入森林后，由于摩擦和阻挡作用，风速会很快减小。观测表明，人工林中的平均风速显著少于草坡。马占相思林和针叶林全年的平均阵风风速分别为草坡的64%和51%。针叶林的年平均阵风风速为马占相思林的79%（表2）。同时，从图5可知，相对于平均阵风风速，最大阵风风速的差距更为明显，针叶林降低风速的效果明显好于相思林和草坡。

表2 3种典型恢复模式的小气候效应Table 2 Microclimate of three restoration models

3.5 林间相对湿度和气压比较

从表2可知，人工林的林间相对湿度均高于草坡，尤其是在太阳辐射较大的7月和降水偏少的10月，且这2个月草坡湿度的波动也是最大的。从人工林来看，针叶林的林间空气湿度略大于相思林，说明针叶林的保湿效果更好。

4 结论与讨论

4.1 讨论

调节小气候是森林生态系统的基本功能之一，森林小气候研究也是开展森林生态系统结构和功能研究的基础（林永标等，2003）。生态恢复既包括对生态系统结构的恢复，也包括对其功能的恢复，而且这二者在生态恢复过程中可能不同步（任海等，2008）。调节小气候是森林生态系统的基本功能之一，从这一点来看，人工林能截留并涵养更多水分，减少气温和土温的变幅，降低气温和土温的峰值，降低风速，提供适当的遮荫，因而比草坡有更好的调节小气候的能力，也说明这部分生态功能恢复效果更好。二种人工林调节小气候的能力没有太大的差别，针叶林略优于马占相思林。

要尽量恢复天然的地带性植被，人工林必须进行林分改造，促进其由人工林向天然林的转化。草坡也要加快其演替速度，促使其由目前灌木为优势群落的阶段向以乡土树种为优势群落的阶段演替（任海等，2008）。无论是草坡还是人工林，要进一步恢复其结构和功能都要克服后续物种的定居问题，特别是乡土树种种子的萌发及幼苗建立（王俊，2009）。乡土树种种子的萌发一般需要较高的空气湿度、土壤水分含量和适宜温度。人工林气温及土温变幅小，土壤水分含量高，因而更适宜种子萌发。过强的光照及水分亏缺是造成树苗大量死亡的主要原因。由于草坡地表缺乏凋落物覆盖、土壤结构较差、透光率高，容易使其林下幼苗和种子面临更为恶劣的环境。此外，草坡在遇到强度较大的降雨时会产生较大的地表径流，这也很容易把种子和幼苗冲走。作为外来固氮树种，马占相思林有较多林隙，这些林隙的透光率也很高，但由于其林下凋落物多，能够起到很好的保温保湿作用。同时，这个凋落物层也能对种子和幼苗起到护理作用，使其免受一些动物的破坏（任海等，2008；王俊，2009；徐丽萍等，2008；徐丽萍等，2010；张学伍等，2012），从而对华南退化生态系统的恢复具有积极意义。

在本研究中，观测表明针叶林的小气候调节能力略好于相思林，这与前人研究中的阔叶林的小气候调节能力强于针叶林略有不同（林永标等，2003；王平平等，2010；毛丹等，2009；陈亚峰，2011；闫文德和田大伦，2006）。主要原因在于相思林为引入的外来速生人工林品种，其生长迅速、抗逆性强，对退化生态系统的早期恢复能力较强。但相思林存在严重的早衰现象，据我们调查，实验样地存在10%的立枯木。同时，由于试验区受台风影响较多，相思林的冠层折损严重，影响了小气候调节功能。

4.2 结论

华南退化生态系统3种典型生态恢复模式具有不同的小气候效应，在林间温度调节方面，人工林和草坡的平均林间温度相差不大，但草坡的最低、最高温度均比人工林低和高。人工林的林间温度变化较草坡小，具有更好的保温调节作用。对比2种人工林，不管是平均温度，还是最高温度马占相思林都略大于针叶林，而二者最低温度相差不明显。针叶林的保温调节作用略优于阔叶的马占相思林。在土壤温度方面，地表温度全年基本都表现为草坡>马占相思林>针叶林，草坡的地表温度的波动远大于2种人工林；全年20 cm土壤温度3─12月都表现为草坡>马占相思林>针叶林，1─2月相反，草坡20 cm土层的土壤温度波动相对较大，人工林的波动很小。

3种恢复模式中，自然恢复草坡的辐射强度明显高于2种人工林，年辐射总量分别马占相思林和针叶林的1.9和5.8倍，马占相思林的年辐射量为针叶林的3倍。此外，草坡和马占相思林辐射强度的月变幅分别为119.08、57.92 W·m-2，显著大于针叶林的19.29 W·m-2。人工林，特别是乡土的针叶林能给林下生物构建更为稳定、适中的辐射环境。人工林的平均林间风速、最大阵风风速均少于草坡，针叶林的风速小于阔叶林，针叶林降低风速的效果好于相思林和草坡。人工林的林间相对湿度均高于草坡，针叶林的林间空气湿度略大于相思林，针叶林的保湿效果更好。

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