中国森林土壤温度研究进展

袁孟 李浩燕 王东焱

摘要：森林土壤温度是森林生态系统的重要环境因素之一。对文献作者数、研究机构类型、研究区域的分布以及研究领域等方面进行综述，分析近30年来中国森林土壤温度的研究现状，对目前研究中存在的问题以及未来的研究趋势进行展望。

关键词：森林;土壤温度;森林土壤温度;喀斯特

中图分类号：S714.2文献标识码：A文章编号：1004-3020（2015）03-0037-05

ResearchProgressofForestSoilTemperatureinChina

YuanMengLiHaoyanWangDongyan

（CollegeofTourismandGeographicalScience，YunnanNormalUniversityKunming650500）

Abstract：Thesoiltemperatureofforestisoneoftheimportantenvironmentalfactorsofforest

ecologicalsystem.Inthispaper，wereviewedtheauthorsofthearticles，typesoftheresearchinstitution，thedistributionofthestudyareasandtheresearchfieldetc.Atlast，weanalyzedtheresearchstatusofforestsoiltemperatureinChinafornearly30years，andthecurrentexistingproblemsandfutureresearchtrendintheresearchareprospected.

Keywords：forest;soiltemperature;forestsoiltemperature;Karst

森林约占陆地面积的30%，土壤是森林生态系统中的重要组成部分，其稳定性依赖于土壤系统的稳定性[1]。而森林土壤温度是森林植物地下部分的重要环境要素之一[2]。Gerrish等[3]的研究表明森林土壤温度的上升可能会引起土壤中HNO3过量和养分失调，导致细根坏死。肖辉林[1]等也认为：土壤温度上升可能会改变土壤有机质动力学、土壤水文学和土壤物理学，导致生境变化。21世纪以来，不少科研工作者做了森林土壤温度的相关研究，主要集中在森林土壤呼吸、森林小气候、土壤理化性质研究等领域，本文综述了30余年来国内关于森林土壤温度的研究进展，总结森林土壤温度的研究成果，揭示研究现状，展望未来森林土壤温度的研究热点和趋势。

1文献来源与筛选分析

1.1文献来源

本文以中国期刊全文数据库（CNKI）、万方数据库系统期刊、维普中文科技期刊全文数据库（VIP）、国家科技图书文献中心电子数据库为主要检索方式，对正式出版的学术论文汇编刊物进行筛检符合条件的中文文献作为补充;中文检索词包括“森林”、“森林土壤温度”、“森林土壤”、“土壤温度”、“喀斯特森林”、“喀斯特森林土壤温度”，以主题、关键词和篇名等检索方式为主。文献检索起止日期为1979年1月1日～2013年12月31日。

对检索到的文献进行分类汇总，从森林土壤温度研究的文献数量、涉及的研究区域、研究领域、作者所属单位等方面进行分析;通过归类、排重、删除不相关文献，最终获得242篇文献。所有文献几乎全为中文类核心学术论文，虽然难以穷尽全部已发表的论文，但相信这对分析结果不会造成太大影响。

1.2文献分析结果

1.2.1文献发表年次分析

关于土壤温度的研究可追溯到1875年努库斯对气温和不同深度土温日变化的观测[4]，但从检索文献看，张万儒[5]等最早做了森林土壤温度研究。其后，森林土壤温度的相关研究文献逐渐有发表，虽然年际之间存在差异，但受国家政策方针以及一些国际性会议举办的影响，自90年代开始逐渐增长（图1），2011年最多（34篇）。

1.2.2文献作者数分析

在统计的242篇文献中，3人以上合著的文章远多于两人合著及一人独著（表1），说明了森林土壤温度研究过程中的复杂性，团队合作的重要性。

1.2.3文章所属单位分析

在统计的242篇文献中，总共涉及105个单位，其中，中国科学院系统中，沈阳应用生态研究所发文最多（19篇）;政府部门系统中，辽宁省林业科学研究院、黑龙江省森林工程与环境研究所发文最多（均3篇）;高等院校系统中，东北林业大学最多（18篇），此外，有两个社会团体共发文3篇（表2）。从以上分析可以出，发文最多的单位所在地为原始森林保存面积较大的东北地区（大小兴安岭一带）、热带植被发育的华南地区，以及水热匹配良好的华中亚热带地区，这与森林的分布有极大的关系，此外，从单位性质看，均以林业为主的科研单位，这表明，森林土壤温度的研究也与各科研单位的知识背景，科研惯例、单位性质有关。

1.2.4文献研究区域分析

对统计的242篇文章进行统计分析，发现除香港、澳门、天津、台湾、上海五省、市、区无文献，国内其他省区均有科研文献，其中，广东最多（22篇）（表2）。此外，中国以外区域（韩国、非洲（埃塞俄比亚高原））的文章有两篇，说明森林土壤温度的相关研究涉及区域广泛，但国内较集中，研究区域出现频率的高低与文章挂靠单位的次数具有一定的对应关系，其他省区文献相对较少，一定程度说明森林土壤温度的研究具有一定的区域限制性。

1.2.5文献研究领域分析

通过对森林土壤温度的研究内容进行统计分析，近30余年来的研究内容可概括为8个领域（表4）。可以看出其内容主要集中在森林土壤温度与土壤理化性质研究方面，其中包含了土壤呼吸、CO2通量、土壤N、P等方面;森林土壤温度与气候、生物（根系、土壤动物与微生物等）以及森林土壤温度的研究，其他领域较为薄弱。

2森林土壤温度文献的研究内容分析

2.1森林土壤温度规律研究

2.1.1非喀斯特区域森林土壤温度特征

研究表明：森林上层土壤温度的季节性动态变化较明显（7，8月份土壤温度升高），且林型不同，土壤温度状况也不同[5]。一般来讲，混交林对土壤温度的影响大于纯林，其日较差和最高温均低于纯林，而且混交林内各土层温度比纯林低1℃左右[6-7]。总体上来讲，森林土壤温度的日变幅和季节变幅都是上层较大，越向下层越小[8]。

森林植被的遮盖作用，使得林内地表及其以下各深度的土壤温度比林外低，且温差、变幅小，季节变化表现为：夏季土壤温度上层高于下层，冬季相反;春、秋两季白天上层土温高于下层，夜间则相反;森林具有夏季降低林内土壤温度，冬、春季提高林内土壤温度的作用[7，9，10，11]。而且森林覆盖度好的区域其土壤温度低于覆盖度差的区域，更有利于植物幼苗的更新、实生苗以及植物根系的生长等，因此能提高森林生态系统的稳定性[12]。

此外，森林郁闭度、冠幅和冠长对40～60cm深度处的土壤温度影响最大，胸径和树高生长与土壤温度成反比;因此，加强森林资源的更新和保护，是减缓土壤变暖的有效途径[13]。

城市森林中的土壤温度年际变化趋势与当地大气候的时态一致（包括气候异常在土温方面的表现），月均最高温为7月或8月，1月最低;11月～翌年2月，林内土温高于林外，12月差值最大;3～10月林外高于林内，7月差值最大;土温的年均值、月际差、月变幅、日均垂直梯度分布范围，通常是林内小于林外，地内小于地面;此外，吴力立等理论上算出林内土壤年恒温层的起始深度比空旷地低2～5m，说明城市森林土壤贮存热量的能力强于无林地，但是否另有热量（源）有待考证[14]。徐文铎等[15]在沈阳的研究表明：森林生长季前期、中期、后期土壤温度为白天高于夜间，而停止生长期（休眠期）为夜间高于白天;不同生长期土温日振幅上层（20cm）>中层（40cm）>下层（80cm），但同一层不同生长期的土温日振幅相对复杂。

2.1.2喀斯特区森林土壤温度特征

喀斯特森林是发育在富含钙镁离子的中性至微碱性的隐（域）性石灰土及喀斯特地貌上的生态系统，其地貌的特殊性导致在其上发育的森林有别于常态地貌上发育的森林，以常态地貌上发育的马尾松林与草地作为对照，对发育在喀斯特地貌上的常绿阔叶林（生境较好的贵州花溪公园）林内土壤温度和土壤热通量的变化分析结果表明：土壤温度与热通量的变幅均为常绿阔叶林<马尾松林<草地，说明植被覆盖等级越高的区域其小气候更稳定，更有利于植被的更新和繁殖[16]。随着演替的进行，群落内小气候环境朝着更为阴、凉、潮湿的环境演化，波动性减弱，稳定性不断增强，森林土壤环境也更适宜植物的生长，从而有利于演替的顺向进行[17];俞国松等[18]在茂兰国家自然保护区的研究，向悟生等[19]对广西典型岩溶区岩溶植被演替过程中主要小气候因子的日变化特征的研究结果都与其相一致。此外，黄承标等[2]认为：森林对于减缓土壤年、日温度振幅以及夏季的缓热降温和冬季的缓冷保温作用，均表现为密度及郁闭度大的林分优于密度及郁闭度小的林分、天然常绿阔叶林优于人工杉木林，且缓热降温>缓冷保温作用;由于同一区域森林与空旷地的土壤温度呈极显著的直线相关关系，因此，可根据空旷地的土壤温度来估测森林的土壤温度。

2.2森林土壤温度与土壤呼吸

土壤呼吸是指土壤释放CO2的过程，是碳循环过程中的一个重要环节[20]。森林土壤呼吸是陆地生态系统土壤呼吸的重要组成部分[21]，据估计，全球土壤呼吸作用每年向大气中释放的碳（约为75～120pg）仅次于GPP（全球陆地总初级生产力）的估算值[22]。而森林土壤及其有机层却储存了森林生态系统39%的碳[23]。因此，森林土壤呼吸的研究具有重要意义。

土壤温度的变化，可促进或减弱土壤的呼吸作用[21]。一些学者指出：5cm土壤温度与森林土壤呼吸具有良好的相关性，可以解释土壤呼吸速率季节变异的60%～80%[24-25]。其他一些研究者也得到相类似的结果。而王凤文等认为，森林土壤呼吸与0～10cm土层温度具有很好的相关性[26].。指数回归模型说明土壤呼吸速率与10cm土温的相关性更好[27]。也有研究认为：气温、地表温度以及5cm，10cm，15cm和20cm的土壤温度均与土壤呼吸速率呈显著的指数关系，而且温度对土壤呼吸的影响效果表现为低温时比高温时更为显著[28]。此外，土壤呼吸速率与气温和不同深度土壤温度也存在显著的指数相关关系，但与气温的相关性最好，其次是地表温度[29]。随着海拔的增加，可以用一个指数关系描述森林土壤CO2释放与土壤温度间表现出的显著正相关关系（R2=0.34，P<0.05）[30]。

刘颖等[31]在长白山的研究认为：阔叶红松林、红松云冷杉林、岳桦、云冷杉林和岳桦林四种森林的土壤呼吸与土壤温度间都呈极显著（p<0.01）指数相关关系。龚斌[32]等在井冈山保护区的研究结果与其相似。常建国等[33]对北亚热带-南暖温带过渡区典型森林生态系统进行观测结果表明：森林土壤温度对土壤呼吸速率的影响高于土壤含水率的影响。在0～35℃范围内的实验室条件下，土壤呼吸速率与土壤温度呈正相关关系，土壤温度和水分对土壤呼吸作用存在明显的交互作用[34]。在水分含量充足、不成为限制因子的条件下，土壤温度是控制土壤CO2释放的主要因子[35]。

2.3森林土壤温度与土壤微生物的关系

温度对土壤呼吸的影响主要是通过对土壤微生物活性以及根系生长的影响来实现的[36]。土壤微生物推动着生态系统的能量流动和物质循环，维持着生态系统的正常运转;许多研究表明，土壤微生物生物量的动态变化与土壤温度或土壤湿度的季节动态变化呈显著相关[37-40]。

陈国潮[37]等认为：土地利用方式、肥力水平不相同的情况下，酸性红壤的土壤微生物量C、N总的趋势均表现为夏季高、冬季低，与春秋两季较为接近，介于两者之间。一些研究者的结果与其类似，但认为其季节性变化规律还表现为5～9月份逐渐增加，峰值出现在9月，10月份以后呈下降趋势，并且根际的变化比根围更加明显[38，39，41]。土壤温度、湿度对土壤微生物具有较大影响。

2.4森林土壤温度与土壤酶

土壤酶参与土壤的各种生物化学过程，在凋落物分解、碳氮矿化和养分循环过程中起重要作用，但其活性受到土壤水热等因素的影响[42]。

土壤完全冻结期，森林群落各水解酶的活性相对较高;土壤融化前期，随土壤温度升高，除中性磷酸酶外，其他水解酶活性均出现了一个爆发性增高，然后迅速降低的过程;随后，除转化酶外，其他水解酶活性均随土壤温度的升高而持续增高;相对于矿质土壤层，冻融末期土壤有机层的水解酶对土壤温度变化的响应更加明显[43]。

3森林土壤温度研究的问题与展望

3.1森林土壤温度研究面临的问题

森林土壤温度研究具有重要的生态意义与社会意义，其相关研究起步虽早，但是直到本世纪初期才开始缓慢发展。

从文献作者数分析结果来看，团队合作对于森林土壤温度的研究进展较为有利，但某些因素导致了这种优势发挥受限;该类研究主要集中于高等院校以及部分政府部门，缺乏社会关注度，应增加公众教育，鼓励社会集体参与探讨;从研究所涉及的区域来看，主要集中于森林资源相对丰富，且科研机构集中的中国热带、亚热带，以及原始森林发育保存相对完好的东北大小兴安岭、长白山一带，而我国西南喀斯特片区较少，研究区域具有一定的局限性;从森林土壤相关研究涉及的研究领域来看，虽然近30余年来的研究涉及10余个领域，但研究方向集中，其他领域较为薄弱，体系单一。

3.2未来研究的展望

（1）应加强基础学科的建设，增强社会关注度，在森林土壤温度对林木生长及林木经营等方面研究有待加强，可为林木的可持续经营提供理论依据。

（2）中国西南喀斯特地区是“世界上最大的喀斯特连续带”，该区存在生态系统养分不平衡，石质山地土壤-植被系统中矿质养分不足[44-46]，地质环境脆弱，贫困人口集中，人地矛盾尖锐等问题，导致了整个喀斯特地区生态系统失调。因此，加强喀斯特岩溶区特别是中国西南喀斯特区的研究具有一定的紧迫性。

（3）在研究方向上，应加强森林土壤温度与森林生态系统关系的研究。例如，在区域生态恢复工程中，可以通过区域土壤温度特征选择适当的种苗，可减轻大面积快速生态恢复但造林成活率低的损失。

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（责任编辑：郑京津）