雪被厚度对土壤温湿度的影响

闫超 刘强 孟庆峰 李靖彤 李琳 王文帆

收稿日期：2022-09-20

* 基金项目：黑龙江省省属科研院所科研业务费项目“雪被厚度对土壤微生物群落结构的影响”（CZKYF2020C010）;黑龙江省科技厅联合引导项目（LH2020C102）;黑龙江省应用计划重大专项（GA19C006-3）

第1作者：闫超（1981-），  男，  研究员，  从事林学研究。

**通讯作者：李琳（1983-），  女，  副研究员，  从事微生物生态学研究。

引文格式：闫超，  刘强，  孟庆峰，  等.  雪被厚度对土壤温湿度的影响［J］.  林业科技，  2024，  49（1）：  16 - 18.

DOI ： 10. 19750 / j. cnki. 1001 - 9499. 2024. 01.  004

摘要：  以牡丹江森林生态系统国家定位观测研究站为平台，针对雪被覆盖期（积雪形成期、积雪稳定期、积雪融化期）雪被厚度、土壤温度、土壤含水量三者间的相关关系开展研究。结果表明，土壤含水量在积雪期呈现先降低再升高趋势，同一时期的不同雪被厚度土壤含水量无显著差异；积雪形成期及稳定期，雪被厚度与土壤温度呈显著正相关，随着雪被厚度增加，土壤温度升高。该研究对加深非生长季土壤生态认知、解释温度升高、林窗或林冠下生境变化等规律具有重要意义。

关键词：  雪被；  土壤；  温带针阔混交林

中图分类号：   S 714. 2               文献标识码：   A                文章编号：１００1 － 9499（２０24）01 － 0016 － 0３

Effect of Snow Cover Thickness on Soil Temperature and Humidity

YAN Chao1 LIU Qiang1 MENG Qingfeng1 LI Jingtong1，LI Lin1 ， 2** WANG Wenfan1 ， 3

（1.  Heilongjiang Academy of Forestry，  Heilongjiang Harbin 150081;  2.  Heilongjiang Institute of Ecology，  Heilongjiang Harbin 150081;  3.  Mudanjiang Heilongjiang National Positioning Observation and Research Station of Forest Ecosystem，  Heilongjiang Mudanjiang 157500）

Abstract Based on the national positioning observation and research station of forest ecosystem in Mudanjiang， the relationship among snow cover thickness， soil temperature and soil water content during snow cover period （snow formation period， snow stabilization period and snow melting period） was studied. The results showed that the soil water content first decreased and then increased during the snowpack period， and there was no significant difference in the soil water content of different snow cover thickness during the same period， the snow cover thickness was positively correlated with soil temperature， and the soil temperature increased with the increase of snow cover thickness. This study is of great significance for deepening soil ecological cognition in non-growing season， explaining the laws of temperature rise and habitat change in gap or under canopy.

Key words snow cover; soil; temperate coniferous-broadleaved mixed forest

隨着全球温度升高及森林经营活动的开展，温带森林冬季雪被厚度随环境温度及林窗微生态系统的改变发生变化，进而改变了土壤理化性状及养分循环等土壤生态过程。作为一种固态降水形式，积雪在保温蓄水的同时改善土壤质量，增加土壤肥力。研究表明，积雪的隔离作用通过减少土壤热量损失，阻挡寒气入侵，使土壤温度波动较小，在冬季更加稳定[ 1 ， 2 ]，而这种隔离作用的强弱取决于积雪的厚度与密度[ 3 ]。目前通常认为气温升高将导致积雪面积减少、积雪深度降低，而人工抚育、林分改造等生产经营活动导致林窗形成，树冠层对积雪的阻拦效应减少，局部积雪增加。不同雪被覆盖下温带草地生态系不同土层深度土壤含水率、土壤温度、土壤速效养分、微生物生物量碳等存在显著差异[ 4 ]，这些差异影响了土壤微生物的群落与活性，改变了土壤呼吸强弱及凋落叶分解速率[ 5 ]，有显著的瞬时效应和延迟效应。另一方面，积雪融化过程中，雪被转变为水分影响土壤含水量及地表水文状态[ 6 ]，这一水分来源影响植被早春生长，土壤养分供给等根际土壤生态系统物质能量循环。

本研究以牡丹江森林生态系统国家定位观测研究站为平台，针对雪被覆盖期（积雪形成期、积雪稳定期、积雪融化期）雪被厚度、土壤温度、土壤含水量三者间的相关关系开展研究，对加深非生长季土壤生态认知、解释温度升高、林窗或林冠下生境变化等规律具有重要意义。

1 研究区域概况与研究方法

1. 1 研究区域概况

研究区位于穆棱东北红豆杉国家级自然保护区（43°49'～44°06'N、130°00'～130°28'E）。地处长白山脉北端，小兴安岭南麓，海拔高度500～700 m，为中纬度北温带大陆性季风气候，年均温-2 ℃，年均降水量500 mm，地带性植被是以红松（Pinus koraiensis）为主的温带针阔混交林。

1. 2 控雪设置

2020年10月在研究区域内的云冷杉林随机设置3个20 m×20 m的平行样地，各样方间隔大于50 m。每个样方内设置5个5 m×5 m的样方，小样方间隔大于2 m并设置挡雪板以减少干扰。5种控雪处理为P1对照、P2增雪50%、P3增雪100%、P4除雪50%、P5除雪100%。于2020年～2022年冬季降雪期（11月～次年4月）每次有效降雪后，采用人工进行除雪及增雪处理，将P5样方中积雪用大号筛网均匀转移至P3样方中，将P4样方中50%积雪用大号网筛均匀转移到P2样方中，每次转移积雪后，用直尺进行多点测量确保转移后的雪被厚度满足控雪条件。每个样方中设置土壤温湿度传感器（TDR315H，Campbell Scientific Inc. USA），每半小时自动记录一次10 cm处土壤含水率及土壤温度。

1. 3 数据统计与分析

采用SPSS19.0对试验数据进行统计分析，雪被厚度土壤温湿度和大气温度为日均值，用方差分析（ANOVA）Duncan 检验判断不同雪被厚度土壤温湿度的差异显著性，采用Pearson相关系数分析雪被厚度与土壤温湿度的相关性。

2 结果与分析

2. 1 雪被厚度对土壤温湿度的影响

于2020年11月～2022年3月（表1），每次控雪处理后对积雪厚度土壤温湿度数据进行采集，11月为积雪形成期，12月～2月为积雪稳定期，3月末为积雪融化期。结果表明，土壤含水率呈现先降低再升高趨势，这是因为环境温度的改变，导致土壤水分由液态转变为固态形式，而同一时期不同雪被控制条件下，土壤含水率无显著差异。不同雪被对土壤温度的影响结果表明，除雪100%处理下，土壤温度显著低于其他控制，而其他雪被厚度下，土壤温度的差异不显著，这可能是因为设置的雪被厚度差异不足以对土壤的温度产生影响。

2. 2 雪被厚度与土壤温湿度的相关性分析

相关性分析表明积雪形成期、积雪稳定期的土壤含水率与雪被厚度无显著相关性，而积雪融化期的土壤含水量与雪被厚度呈显著负相关（p＜0.01），这是因为3月份积雪融化期雪被厚度的降低，土壤昼夜温差加大、土壤冻融频率增加，导致土壤含水率升高。积雪形成期及积雪稳定期，雪被厚度与土壤温度成显著正相关（p＜0.05），结果说明雪被对土壤存在增温效果。二月末至三月，随着气温的升高，雪被厚度对土壤温度的增温效果减弱，气温的影响可能起到了主导作用，因此雪被厚度与土壤温度不存在显著相关性。

表2 雪被厚度与土壤温湿度的相关系数

注：**p<0.01水平上相关极显著；*p<0.05水平上相关显著

3 结论与讨论

雪对气候环境变化产生许多物理和化学反馈。目前对雪被的绝热效果存在争议，对美国尼敖特山研究结果表明30～40 cm的雪被厚度能够降低土壤温度的波动[ 7 ]，而加拿大亚高山杉木林雪被厚度40～50 cm才能有效的隔绝气温影响[ 8 ]，这一差异可能与其他环境因素有关。本研究各时期自然雪被厚度在35～45 cm，通过控制实验，雪被厚度最高达到90 cm，足够产生隔绝气温的影响，由于研究缺乏环境温度及土壤理化性质，无法识别复杂的反馈作用。要阐明这些现象，需要未来研究中通过精确雪被厚度梯度，建立多参数耦合模型，更重要的是，还需要新的观测结果，这些观测结果在更精细的时间序列上大范围内平均，对于进一步研究雪被动态具有重要意义。

参考文献

［1］ Brooks PD， McKnight D， Elder K. Carbon limitation of soil respiration under winter snowpacks： potential feedbacks between growing season and winter carbon fluxes［J］. Global Change Biology， 2005， 11（2）： 231 - 238.

［2］ Pomeroy JW， Marsh P， Gray DM. Application of a distributed blowing snow model to the arctic［J］. Hydrological Processes， 1997， 11（11）： 1451 - 1464.

［3］ Domine F， Taillandier A， Houdier S， et al. Interactions between snow metamorphism and climate： Physical and chemical aspects［J］. Special Publication-royal Society of Chemistry， 2006， 311： 27.

［4］ 窦佳，  王传宽，  武启骞.  模拟雪被变化对水曲柳和兴安落叶松凋落叶分解的影响［J］. 应用生态学报， 2019， 30（1）： 77 - 84.

［5］ 刘彦琪.  雪被变化对温带典型草地非生长季土壤呼吸以及微生物群落的影响［D］.  天津：  天津师范大学， 2022.

［6］ Li P， Sayer EJ， Jia Z， et al. Deepened winter snow cover enhances net ecosystem exchange and stabilizes plant community composition and productivity in a temperate grassland［J］. Global Change Biology，2020， 26（5）： 3015 - 3027.

［7］ Cline D W. Snow surface energy exchanges and snowmelt at a continental， midlatitude Alpine site［J］. Water Resources Research， 1997， 33（4）： 689 - 701.

［8］ Taylor B R， Jones H G. Litter decomposition under snow cover in a balsam fir forest［J］. Canadian Journal of Botany， 1990， 68（1）： 112 - 120.