夏季竹类植物冠层结构对其土壤温度的调节作用

吴仁武

晏 海

南歆格

史 琰

包志毅*

1 背景

土壤是陆地生态系统中最大的碳库，有机碳储量约为1 500PgC[1]。在城市环境中，由于过多的人类活动使土壤碳排放量比森林环境的土壤碳排量放更高。土壤呼吸作用在改变大气CO2浓度中起着重要作用，也受到空气温度和土壤温度影响[2]，呼吸速率也与土壤温度显著相关[3-5]。城市不同植物群落结构通过改变土壤温度，影响土壤呼吸作用，进而改善城市热岛效应，对全球碳变化具有一定积极影响[6]。影响城市绿地土壤呼吸的环境因子主要有20cm土温、10cm土温、5cm土温、土壤有机质含量、大气CO2浓度和空气温度等，其中10cm土温是影响绿地植物群落土壤呼吸的主导因子，并与土壤呼吸速率呈指数显著正相关[7]。土壤温度在很大程度上受到其上层植物冠层结构的影响。在研究植物冠层结构对土壤温度的影响中，目前研究对象主要集中在农田和草地[8-9]。研究城市绿地中植物群落对土壤温度的影响中，主要集中在非竹类植物的研究上。Peters等研究发现，植物覆盖情况及叶面积指数对土壤温度有着重要影响，在植物生长季，叶面指数高的落叶阔叶植物，其下方土壤温度比叶面指数低的针叶类植物低7℃，表面温度低6℃[10]。

本试验以中国华东地区9种常见竹类植物为研究对象，通过实地测量，分析不同竹类植物群落土壤温度日动态变化特征，比较不同竹类植物群落空气温度与土壤温度的差异，进而探究引起这种差异的主要影响因子。

2 研究区概况与研究方法

2.1 研究区概况

浙江省杭州市临安区(29°56′～30°23′N， 118°51′～119°52′E)位于浙江省西北部，地处中亚热带季风气候区南缘，全年平均气温16.4℃，具有夏季湿热、冬季干冷的气候特征。本研究选取杭州竹文化园为试验样地(图1)，其总面积约70hm2，种植的竹类植物约有20属120种(含品种)，土壤类型为水稻土。

2.2 研究方法

2.2.1 样地与竹类植物的选择

为了排除其他环境因素的干扰，样地群落全部选择在同一区域内，被试竹类植物群落均为竹龄相近的单一竹种，竹种的生态性状均为喜阳类型，其结构特征具有一定差异(表1)。测量前对测量区域范围内的枯叶等凋落物进行清理，以减少凋落物呼吸作用对土壤温度测定的影响，同时确保竹林地面均是土壤裸露无杂草、土壤含水量均等。为避免周围植物群落对测量结果的影响，所选群落面积均大于900m2，且群落中心距各边缘的距离均大于15m，距水面的距离大于30m，道路的距离大于15m。

2.2.2 测试内容、时间及方法

试验选择在晴朗、无风(风速≤2m/s)的天气进行。于2017年7月25—27日进行了连续3d测量，每天8：00—18：00，每2h一次。

在每个群落中心以及距离中心5m的东、南、西、北4个方向上分别设置测点，在距离地面1.5m处用温湿度记录仪(Tes-1365，中国台湾)测定竹林空气温度，用地温计(Tes-1310，中国台湾)测定土壤温度(记录地下5、10、20cm 3处温度)。以及用植物冠层分析系统(HemiView 2.1 SR5)测定群落的叶面积指数、天空可视因子、冠层覆盖度。将各测定点所测数据加以算术平均，得到该群落的空气温度、土壤温度、叶面积指数、天空可视因子和冠层覆盖度。同时，在无遮阴的草坪设置对照点(CK)，采用同样的仪器和方法同步测定空气温度和土壤温度。

3 结果与分析

3.1 温度定量分析

3.1.1 空气温度

图2a显示了不同竹类植物群落空气温度连续3d的日变化特征。在观测时间内，9种竹类植物群落及对照点的空气温度均随时间呈先上升后下降的单峰型变化，在12：00—14：00达到全天的最高温度。与对照点相比，各个群落都有明显的降温效应，且这种降温效果在全天温度最高的时段最为明显。

不同群落及对照点日平均空气温度单因素(ANOVA)方差分析结果显示(表2，图3a)，植物群落与对照点的日平均温度存在极显著差异(Tukey HSD多重比较，P＜0.01)，表明竹类植物群落对林下环境具有明显的降温作用。与对照点相比，竹类植物群落的日平均降温强度为1.5～2.6℃，降温率达4.0%～6.8%，降温强度为5.3%。

3.1.2 土壤温度

从图2b、2c、2d可以看出，周期性的空气温度和太阳辐射作用下，不同竹类植物及对照点的土壤温度也呈现先上升后下降的单峰型变化趋势。在8：00—18：00，对照点的土壤温度明显高于各个竹类植物群落内的土壤温度。因此，各个群落均可对内部环境的土壤温度起到降温作用，但是不同植物群落降温效果有所不同。在8：00—10：00，随着太阳辐射强度增大，对照点的土壤温度升高迅速，而群落内部的土壤温度增速较缓；10：00以后，太阳辐射的累积使得对照点的土壤温度持续升高，逐渐达到最高值，但是不同深度到达温度最高值的时间不一样，5cm深度土壤最高温度出现在14：00—16：00，随着深度的增加，土壤温度具有明显的滞后效应。10cm深度土壤最高温度出现在16：00左右，而20cm深度的土壤最高温度出现在18：00左右。而后，随着太阳辐射强度的减弱，对照点和竹类植物群落内的土壤温度均逐渐降低，且对照点的降幅更大，所以降温作用也相应地出现明显减弱。与空气温度相比，一天中的大部分时间，土壤温度均低于空气温度。

不同竹类植物群落及对照点日平均土壤温度单因素方差分析结果显示(表2，图3c、3d、3e)，群落与对照点的日平均土壤温度(5、10、20cm)均存在极显著差异(Tukey HSD多重比较，P＜0.01)，表明竹类植物群落对土壤温度具有明显的影响，但是这种影响随着土壤的深度的增加而降低。

与对照点相比，5cm深度土壤的日平均降温强度为3.0～3.8℃，平均值为3.2℃，降温率为9.6%～12.3%，平均值为10.6%。在不同竹类植物群落之间，四季竹与满山爆竹和茶竿竹的降温强度达到了极显著差异。

与对照点相比，10cm深度土壤的日平均降温强度为2.4～3.4℃，平均值为2.9℃，降温率为8.3%～11.5%，平均值为9.0%。在不同竹类植物群落之间，四季竹与满山爆竹、橄榄竹、斑竹和茶竿竹的日均土壤温度达到极显著差异；紫竹与满山爆竹和茶竿竹的日均土壤温度达到极显著差异；金镶玉竹与满山爆竹的日均土壤温度达到极显著差异。

与对照点相比，20cm深度土壤的日平均降温强度为2.3～3.0℃，平均值为2.7℃，降温率为8.1%～10.9%，平均值为9.7%。

3.2 土壤温度与空气温度的关系

由表3可以看出，竹类植物群落内的空气温度与5cm深度土壤温度(r=0.402，P=0.038)和20cm深度土壤温度(r=0.435，P=0.023)呈现显著相关关系，而与10cm深度土壤温度(r=0.623，P=0.001)相关关系则到达了极显著水平。

图2 不同群落相关参数的日变化特征(a 空气温度日变化；b 5cm深度土壤温度日变化； c 10cm深度土壤温度日变化；d 20cm深度土壤温度日变化)

表1 竹类植物结构特征

图3 不同竹类植物群落及对照点参数日平均值[a 空气温度日平均值；b 5cm深度土壤温度日平均值；c 10cm深度土壤温度日平均值；d 20cm深度土壤温度日平均值； 柱顶上的字母为不同群落间的多重比较(Tukey显著差异，不同字母表示差异显著，P＜0.01)]

表2 不同竹类植物群落空气温度和土壤温度比较

3.3 土壤温度与群落结构特征的关系

5cm深度土壤温度与叶面积指数(r=-0.725，P＜0.001)、冠层覆盖度(r=-0.653，P＜0.001)、天空可视因子(r=0.486，P=0.01)分别呈现极显著负相关、极显著负相关、显著正相关；10cm深度土壤温度与叶面积指数(r=-754，P＜0.001)、冠层覆盖度(r=-719，P＜0.001)、天空可视因子(r=535，P=0.004)均呈现极显著的相关关系；而20cm深度土壤深度与叶面积指数(r=-581，P=0.001)、冠层覆盖度(r=-477，P=0.012)、天空可视因子(r=0.315，P=0.109)分别呈现极显著负相关、极显著负相关以及正相关。由此可见，在群落冠层结构特征中，叶面积指数对土壤温度的影响最为显著[10]，而天空可视因子对土壤深度的影响随着深度的增加而逐渐减弱。

表3 微气候因子与竹类植物群落冠层结构特征间的相关性

4 讨论

在本研究中，笔者通过对9种竹类植物群落空气温度和土壤温度的测定，发现在白天竹类植物群落与对照组相比，其数值均低于对照组数值，即表明竹类植物群落具有明显的降温效应[11]。

不同竹类植物之间土壤温度存在明显的差异，产生此种差异的主要原因是由于竹类植物的冠层结构不同。具有较高叶面积指数和冠层覆盖度的竹类植物林下土壤温度比低叶面积指数和冠层覆盖度的林下低，土壤温度与叶面积指数和冠层覆盖度具有显著的相关关系。与对照点相比，竹林群落对5cm深度的土壤平均降温3.2℃，对10cm深度的土壤平均降温2.9℃，这与Peters[10]在研究常绿植物群落的土壤降温效益的结果类似，他在明尼苏达州对植物群落微气候的研究中发现，以常绿植物为主导的植物群落对土壤降温约3.1℃(土壤深度10cm)。

土壤温度随叶面积指数的增加而降低，这是由于树冠对土壤温度具有很好的调节功能。树冠拦截绝大部分太阳辐射并产生树荫，降低对地面的直接辐射，进而减缓土壤温度的升高；与此同时，树木还可以通过蒸散作用(植物蒸腾和土壤蒸发)调节树冠下的空气温度，蒸散作用增加空气湿度，将辐射能转化为潜热，减少显热，从而降低空气温度[12]，间接降低土壤温度[13-14]。从竹类植物冠层结构对土壤温度的作用可以看出对碳循环也有积极影响。土壤温度在0～40℃时，土壤呼吸速率随着温度的上升呈指数级增长[15]，而土壤呼吸导致碳排放受土壤温度影响，由此可知城市土壤碳排放受到植物冠层结构的影响。

5 结论

在夏季，竹类植物群落与对照点相比，日平均空气温度、土壤温度之间的差异均达到了极显著差异(P＜0.01)。在降低土壤温度方面，竹类植物群落内5cm深度土壤温度降低3.0～3.8℃，平均值为3.2℃；10cm深度土壤温度降低2.4～3.4℃，平均值为2.9℃；20cm深度土壤温度降低2.3～3.0℃，平均值为2.7℃。

不同竹类植物群落空气温度和土壤温度主要受植物冠层结构的影响。通过对土壤温度与群落冠层特征的相关性分析，它们之间存在显著的相关性。植物群落的冠层特征(叶面积指数、冠层覆盖度和天空可视因子)对群落内的土壤温度具有重要的调节作用。群落叶面积指数和冠层盖度越大，天空可视因子越小，则群落内的土壤温度越低，如满山爆竹、茶竿竹等相对具有更好的降低土壤温度的作用。叶面积指数与土壤温度的相关性最高，呈现极显著负相关；而天空可视因子随着土壤深度的加深，与土壤温度的相关性逐渐减弱。由于土壤温度是土壤呼吸的主要环境因子，因而群落冠层结构特征对土壤呼吸也具有重要的影响。因此，在竹类植物的选择运用中，其冠层结构中的叶面积指数这一参数尤为重要，对土壤温度调节、土壤碳排放等具有重要影响。

致谢：感谢浙江农林大学风景园林与建筑学院硕士研究生宋纯冰、林志浩、郭晓晖、黄胜孟、姚兴达、姚洁和王新茹对数据收集提供的帮助。