地溫與森林生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系

地溫與森林生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系

森林是地球生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，在世界碳循環(huán)中起著非常重要的作用，森林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)、呼吸和其他生態(tài)過程受到溫度的限制（王力等，2003）。對森林溫度特征的研究,是揭示森林生態(tài)系統(tǒng)功能和評估森林對環(huán)境綜合效益的基礎(chǔ)(吳家兵等,2002;杜穎等,2007)。早在20世紀(jì)初,Geiger(1965)就做了歐洲赤松林氣溫日變化的研究,隨之,Stathers等(1985)、Fuchs(1990)、Otterman等(1992)也作了大量的相關(guān)工作,對森林溫度特征的認識逐步深化。有研究表明,地溫是影響土壤呼吸的最主要因子(Moore&Knowles,1989;Moore&Dalva,1993;Kirschbaum,1995),而土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的一個重要組成部分。因此研究森林的地溫特征,對深入研究森林的土壤呼吸和碳循環(huán)過程均具有重要意義(沙麗清等,2004;馮文婷等,2008)。哀牢山亞熱帶常綠闊葉林作為我國保存面積最大的常綠闊葉林,是該地區(qū)重要的森林植被類型之一,劉玉洪(1993)的研究表明哀牢山的山地地溫資源較氣溫資源豐富,對喜溫農(nóng)作物和森林植被在山地抬升有利,但是僅僅分析了0～20cm深度的地溫。本文應(yīng)用ChinaFlux在哀牢山生態(tài)站的通量觀測塔和林外曠地常規(guī)氣象觀測站地下0～100cm的地溫數(shù)據(jù),通過研究不同觀測深度土壤溫度的時間變化,為正確評估哀牢山亞熱帶常綠闊葉林的碳收支提供依據(jù)。1研究領(lǐng)域和方法1.1土壤條件及礦質(zhì)研究樣地位于哀牢山北段國家級自然保護區(qū)試驗區(qū)的徐家壩地區(qū),中國科學(xué)院哀牢山亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)研究站(24°32′N,101°01′E,海拔2400～2600m)。該地區(qū)年均溫為11.0℃,月均最高溫為15.8℃,月均最低溫為4.5℃;受西南季風(fēng)影響,干、濕季分明,年降水量1947mm,85%以上的降水集中在雨季(5—10月)。以木果石櫟(Lithocarpusxylocarpus)為標(biāo)志的亞熱帶中山濕性常綠闊葉林是徐家壩地區(qū)分布面積最大、保存最完好的原生植被,系130年以上的成熟林(邱學(xué)忠,1998)。哀牢山林內(nèi)土壤為山地黃棕壤,其特征為:地表幾乎為植被凋落物所覆蓋,厚度一般3～7cm;土壤腐殖質(zhì)成棕黑色,厚達10～15cm;礦質(zhì)土層質(zhì)地疏松,以團粒結(jié)構(gòu)為主。有機質(zhì)含量較高,含氮量豐富;C/N比適中,土壤呈酸性(pH<5);表土層透水性良好,涵養(yǎng)水的能力很強;陽離子交換量較高,高于水平地帶的黃棕壤。0～30cm土層土壤偏酸性(pH=4.2),有機質(zhì)含量為5%～9%,氮(N,0.35%)、磷(P,0.07%)、鉀(K,0.37%)的含量在哀牢山山地垂直分布中屬于含量較高的一個地帶(游承俠,1983)。1.2溫度傳感器與數(shù)據(jù)林內(nèi)地溫是利用ChinaFlux設(shè)置在哀牢山亞熱帶常綠闊葉林通量觀測塔2009—2010年的地溫觀測數(shù)據(jù),在0、5、10、15、20、40、60、100cm中設(shè)置的溫度傳感器為107.L(CampbellScientific,USA)。數(shù)據(jù)為自動記錄的30min數(shù)據(jù)。通過分析各層地溫的日變化、季節(jié)變化和年際變化以及地溫垂直變化來探討地溫的時空分布特征。林外地溫是利用林外曠地上的常規(guī)氣象觀測站2009—2010年的0、5、10、15、20、40、60、100cm的地溫數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)為自動記錄的60min數(shù)據(jù)。1.3冬季不同差值季節(jié)劃分為,春季:3—5月;夏季:6—8月;秋季:9—11月;冬季:12月—翌年2月。差值是指同一深度、同一時刻的林外地溫減去林內(nèi)地溫。用SPSS18.0做統(tǒng)計分析、線性回歸、相關(guān)性分析等,SigmaPlot11.0作圖。2結(jié)果與分析2.1林外地溫日變化圖1a顯示了林內(nèi)40cm以上各層平均地溫的日變化。各層地溫均呈現(xiàn)近似單峰變化,愈靠近地表這個變化趨勢愈明顯,地溫的最低值和最高值出現(xiàn)時刻隨深度增加呈現(xiàn)滯后現(xiàn)象,顯示了不同深度地溫日變化的相位存在明顯差異,但是隨著深度的增加,其變幅急劇減小,20cm深度地溫的變化趨勢已經(jīng)很小,到40cm深度時變幅已趨于0。圖1b是林外60cm深度以上平均地溫的日變化,其各層地溫日變化的幅度大于林內(nèi),具有明顯日變化的深度較林內(nèi)的深;5cm地溫的日變幅林外為9.5℃,林內(nèi)為0.4℃。圖1c是林外地溫減去林內(nèi)地溫所得的差值圖,各層地溫的差值也呈現(xiàn)單峰變化,并且隨著深度的增加,其變幅減小,到40cm深度時,變幅已基本消失。進一步分析林內(nèi)和林外不同季節(jié)的日變化(圖2,圖3),對于林內(nèi)地溫,春季和秋季的日變幅較深,達到20cm,而夏季和冬季的日變幅只有15cm;秋季和冬季,隨著深度的增加,地溫逐漸升高,其日變化的幅度逐步減小,而春季和夏季,隨著深度的增加,地溫逐漸降低。對于林外地溫,各季節(jié)日變幅較大(5cm為例):春季為13.3℃,夏季為6.8℃,秋季為6.3℃,冬季為11.8℃,并且其日變幅的深度可達到40cm。2.2深度和夜溫變化由圖4可見,林內(nèi)和林外均是冬季不同深度的地溫最低,并呈現(xiàn)隨深度增加,地溫升高的垂直變化特征;林內(nèi)春季各深度的平均地溫值高于冬季,但低于夏季和秋季,其垂直變化不大,呈現(xiàn)隨深度增加略有降低的趨勢;在夏季,林內(nèi)地溫在深度100cm以下,其平均地溫為最高,而林外地溫在各層均最高,且林內(nèi)和林外的地溫均呈現(xiàn)隨深度增加而降低的垂直變化特征,并且其變率較明顯;到了秋季,林內(nèi)100cm平均地溫最高,垂直變化表現(xiàn)為,隨著深度的增加地溫逐漸升高。綜合年平均地溫的垂直變化(圖5),對于年平均地溫,總體上呈現(xiàn)隨深度增加地溫升高的趨勢,但林內(nèi)晝間的平均地溫在15cm以上,隨深度增加地溫降低,并且0cm的晝間地溫明顯高于0cm的夜間地溫。對于林外年平均地溫,10cm深度及其以上,晝間地溫高于夜間地溫,并且其晝夜間變化幅度要大于林內(nèi)地溫的晝夜溫差。另外,圖5同樣顯示了地溫的晝夜差異,僅在20cm以下差異不明顯。2.3地溫年變幅的變化由圖6可見,林內(nèi)和林外不同深度的地溫年變化趨勢相似,均呈現(xiàn)單峰分布。林內(nèi)100cm深度的地溫最低值出現(xiàn)在2月,其他深度的地溫最低值均在1月;0cm地溫最高值出現(xiàn)在7月,其他深度的地溫最高值出現(xiàn)在8月,其5cm地溫的年變幅為8.6℃。林外的各層地溫最低值均出現(xiàn)在1月,0cm的地溫最高值在7月,其他深度的地溫最高值均在8月,5cm地溫的年變幅為11.2℃。并且林內(nèi)和林外年平均地溫,總體上均呈現(xiàn)隨深度增加地溫變幅減小的趨勢。利用林內(nèi)外的地溫計算得到線性回歸方程:y=1.3025x,R2=0.912,P<0.01,其中,y為林外地溫,x為林內(nèi)地溫。3不同深度林內(nèi)地溫日變化的變化土壤是由大小不同的固相顆粒按不同比例組合而成的,土壤對水分和熱量均具有吸收作用。哀牢山亞熱帶常綠闊葉林內(nèi)太陽輻射一方面被各層植被反射和吸收,另一方面,土壤對太陽輻射也有削弱作用,土壤深度越深削弱作用越明顯,因而土壤的最高溫一般出現(xiàn)在表層土壤,并且表層土壤由于受太陽輻射以及晝夜氣溫交替影響較大,地溫僅在20cm深度以上呈現(xiàn)出明顯的日變化特征(圖1),從表1可以看出,哀牢山亞熱帶常綠闊葉林林內(nèi)20cm深度的地溫日變幅為0℃,明顯低于同深度的西雙版納季節(jié)雨林(0.8℃)、長白山闊葉紅松林(1℃)和天山雪嶺云杉林(2℃)(吳家兵等,2002;高舉明等,2008;馬鴻儒等,2010),日變幅的深度較淺。而深層土壤受到外界環(huán)境的影響較小,使得深層地溫的晝夜變化較小,接近恒值(圖1),這與其他地區(qū)的研究結(jié)果基本一致(Lloyd&Taylor,1994;吳家兵等,2002)。劉玉洪(1991)做過哀牢山地溫的研究,本文與其比較分析,見表2。哀牢山亞熱帶常綠闊葉林林內(nèi)各個季節(jié)地溫的垂直變化存在較大差異(圖4),秋季和冬季隨深度增加地溫升高,顯示了土壤作為熱源,熱量從深層傳遞到表層;而春季和夏季恰恰相反,隨深度增加地溫呈現(xiàn)降低趨勢,表明土壤作為熱匯,熱量從表層向深層傳遞。Keith等(1997)在堪培拉西部50km處雪桉林的研究發(fā)現(xiàn),10cm處的地溫在1年內(nèi)的絕大部分時間均低于0cm處的地溫,特別在夏季差異顯著。本研究表明,哀牢山亞熱帶常綠闊葉林林內(nèi)不同深度的地溫年變化趨勢相似,均呈現(xiàn)單峰分布,100cm深度的地溫最低值出現(xiàn)在2月,其他深