藏東南色季拉山急尖長(zhǎng)翹冷杉林林隙非林隙小氣候特征

藏東南色季拉山急尖長(zhǎng)翹冷杉林林隙非林隙小氣候特征

森林邊界是森林受到干擾后形成的異質(zhì)空間，通常存在于森林生態(tài)系統(tǒng)中。林隙的出現(xiàn)改變了森林內(nèi)部環(huán)境、物種組成以及多樣性等,進(jìn)而對(duì)森林群落的結(jié)構(gòu)和功能、演替進(jìn)程甚至演替方向產(chǎn)生影響。研究林隙的形成、變化和發(fā)展動(dòng)態(tài)過程,是揭示森林動(dòng)態(tài)與森林更新和演替的重要基礎(chǔ)。林隙小氣候特征及其時(shí)空變化是環(huán)境異質(zhì)性的重要組成部分之一,林隙中光照、溫度、濕度等對(duì)森林植物的生長(zhǎng)發(fā)育及其他多種生態(tài)條件有著深刻影響,對(duì)其開展研究有助于詮釋林隙形成后其內(nèi)部生態(tài)環(huán)境的時(shí)空分布格局及其生態(tài)學(xué)意義,因而在森林生態(tài)環(huán)境異質(zhì)性影響研究中備受關(guān)注。近10年來(lái)我國(guó)在熱帶、溫帶森林中涉及林隙光照、氣溫、土溫等小氣候因子的時(shí)空變化研究逐漸增多。藏東南是西藏森林的主要分布區(qū),也是我國(guó)重點(diǎn)林區(qū)之一,其生態(tài)地位與安全屏障作用極為重要。以云(Picea)、冷杉(Abies)屬為主的暗針葉林分布于藏東南亞高山地帶,約占該區(qū)域森林總面積的40%。通過多年的定位研究,我們相繼對(duì)冷杉林林隙特征、更新動(dòng)態(tài)方面進(jìn)行了研究報(bào)道。為了進(jìn)一步探討林隙生態(tài)因子的變化規(guī)律及其與植物生命活動(dòng)關(guān)系,近年開始在該類型森林林隙中開展小氣候觀測(cè)研究,旨在為揭示原始冷杉林的更新、物種共存和物種多樣性的維持機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。1研究區(qū)域的基本內(nèi)容和研究方法1.1主林喬木層生物量和組成研究區(qū)色季拉山屬于念青唐古拉山向南延伸的余脈,位于西藏東南部林芝縣境內(nèi),地處南迦巴瓦西側(cè),為尼洋曲與帕隆藏布的分水嶺,山體垂直海拔大致在2100~5300m之間。研究樣地設(shè)在東坡海拔3800m附近林芝生態(tài)站急尖長(zhǎng)苞冷杉(Abiesgeorgeivar.smithii)林長(zhǎng)期固定標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)(1.0hm2)。該海拔地帶屬亞高山寒溫帶濕潤(rùn)氣候區(qū),根據(jù)林芝生態(tài)站多年觀測(cè)顯示,該地帶年平均氣溫3.5℃,最暖月(7月)平均氣溫11.15℃,最冷月(1月)平均氣溫-4.1℃;年降水量1095.4mm,主要集中于6—9月;年平均相對(duì)濕度83%。林分喬木樹種組成僅急尖長(zhǎng)苞冷杉1種,主林層平均高度35m;下木主要有峨眉薔薇(Rosaomeiensis)、柳葉忍冬(Loniceralanceolata)、杯萼忍冬(L.inconspicua)、白毛小葉栒子(Cotoneastermicrophyllusvar.cochieatus)、山育杜鵑(Rhododendronoreotrephes)等;草本包括涼山懸鉤子(Rubusfockeanus)、草莓鳳仙花(Impatiensfragicolor)、無(wú)翅兔耳風(fēng)(Ainsliaeaaptera)、糙野青茅(Deyeuxiascabrescens)、光莖四川堇菜(Violaszetschwanensis)、五裂蟹甲草(Cacaliapentaloba)等,層間植物為防己葉菝葜(Smilaxmenispermodes)。土壤類型為酸性棕壤,土層平均厚度60cm,土壤發(fā)育程度低,腐殖質(zhì)化過程不明顯。1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1林內(nèi)、闊葉山程序根據(jù)本研究區(qū)冷杉林林隙調(diào)查結(jié)果,擴(kuò)展林隙面積主要在600m2以下,其中以300~400m2的擴(kuò)展林隙居多。因此,在1.0hm2固定標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)選取面積相當(dāng)?shù)牧窒蹲鳛橛^測(cè)樣地,林隙投影形狀不規(guī)則,大致呈橢圓形,長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為26.7m、短軸長(zhǎng)度17.5m,面積為366m2,林隙周邊主林層平均胸徑50cm,優(yōu)勢(shì)木胸徑110cm,平均樹高31.6m,優(yōu)勢(shì)木樹高51.6m。林隙灌木層植物主要有柳葉忍冬、峨眉薔薇、山育杜鵑等,平均蓋度20%,草本層植物主要有巨傘鐘報(bào)春(Primulaflorindae)、箭葉橐吾(Ligulariasagitta)、粗根苔草(Carexpachyrrhiza)、蘚類等,平均蓋度90%。非林隙的林內(nèi)和曠地觀測(cè)樣地為同海拔范圍、相同坡向附近的林芝生態(tài)站2008年設(shè)置的急尖長(zhǎng)苞冷杉林林內(nèi)長(zhǎng)期觀測(cè)場(chǎng)和冷杉林采伐跡地長(zhǎng)期觀測(cè)場(chǎng)。林內(nèi)觀測(cè)場(chǎng)喬木層平均胸徑48.6cm,平均樹高27.8m,郁閉度65%左右;灌木層植物主要有山育杜鵑、柳葉忍冬、杯萼忍冬等,平均蓋度15%;草本層植物主要有五裂蟹甲草、涼山懸鉤子、粗根苔草、平均蓋度15%;蘚類蓋度85%。曠地觀測(cè)場(chǎng)灌木層植物主要有峨眉薔薇、西南花楸(Sorbusrehderiana)等,平均蓋度10%;草本層植物主要有五裂蟹甲草、西南草莓(Fragariamoupinensis)、多穗蓼(Polygonumpolystachyum)等,平均蓋度85%。觀測(cè)樣地其他信息詳見表1。1.2.2土壤溫度、風(fēng)速、水質(zhì)在林隙中心點(diǎn)位置安裝一套全自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng),觀測(cè)項(xiàng)目包括總輻射、氣溫、相對(duì)濕度、土壤溫度?？諝鉁貪穸葌鞲衅鳛镃S215(相對(duì)濕度傳感器量程:0~100%RH,精度:±2%;溫度傳感器量程:-40~70℃,精度:±0.3℃);風(fēng)向風(fēng)速,傳感器為R.MYoung公司03002(風(fēng)速量程:0~50m/s,精度:±0.5m/s,風(fēng)向量程:360°,精度:±5°);5、10、15cm土壤溫度,采用Campbell公司109SS傳感器(溫度量程:-40~70℃,可交換性誤差:±0.3℃);地表溫度為SI-111紅外探頭(精度:±0.2℃);總輻射為CS300總輻射儀(絕對(duì)精度:日照輻射量的±5%,量程:0~2000W/m2);數(shù)據(jù)采集器為Campbell公司CR1000-XT型。小氣候觀測(cè)從2010年10月—2012年12月連續(xù)進(jìn)行,數(shù)據(jù)記錄時(shí)間分別有10min、1h和1d。林內(nèi)和曠地全自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)均為Campbell公司CR3000,傳感器均與林隙一致。1.3土壤溫度月變化統(tǒng)計(jì)分析總輻射年變化過程按月總輻射值統(tǒng)計(jì);總輻射日變化以夏季典型晴天(8月13日,晝間無(wú)云量)和典型陰天(8月17日,晝間云量100%)08:00—20:00時(shí)的整點(diǎn)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì);氣溫、相對(duì)濕度、地表溫度、5、10、15cm土壤溫度的月變化分別以5、7、9月每日的06:00—19:00整點(diǎn)數(shù)據(jù)平均值統(tǒng)計(jì)分析。數(shù)據(jù)的計(jì)算分析、圖表繪制均采用MicrosoftExcel。2結(jié)果與分析2.1總輻射2.1.1林隙與闊地總輻射特征在森林環(huán)境特征各要素中,太陽(yáng)輻射分布及變化對(duì)森林小氣候的形成及環(huán)境影響極大。藏東南地處中低緯度,太陽(yáng)高度角大,加之海拔抬升作用,太陽(yáng)輻射強(qiáng)度應(yīng)比同緯度的低海拔區(qū)高,但夏季受云雨的影響,其年總輻射還低于高原南部的雨影區(qū)。對(duì)亞高山暗針葉林林隙和曠地的總輻射分析結(jié)果顯示(圖1),林隙與曠地的總輻射季節(jié)變化趨勢(shì)基本一致,以夏季(5—9月)最大,春季和秋季次之,冬季最小;年變化呈雙峰曲線,峰值出現(xiàn)在5月和8月,以5月最高,林隙為139.57MJ/m2,林外曠地為543.28MJ/m2;2次峰值之間,恰逢雨季盛期,受云量影響,6—7月出現(xiàn)明顯的峰谷區(qū),其輻射值與春秋季相當(dāng);林隙與曠地的總輻射最低值分別出現(xiàn)在12月(57.26MJ/m2)和1月(311.37MJ/m2)。從年進(jìn)程比較來(lái)看,林隙各月的總輻射量均顯著低于曠地(P<0.01),5月峰值時(shí)林隙與曠地相差403.71MJ/m2,12月峰谷時(shí)林隙與曠地相差274.96MJ/m2;林隙的年總輻射量為1173.28MJ/(m2·a),林外曠地為5100.66MJ/(m2·a),年較差3927.38MJ/(m2·a),差異明顯。2.1.2林隙輻射日變化從總輻射年變化的分析可知,藏東南亞高山地帶的總輻射季節(jié)變化與同緯度其他地區(qū)一樣均為夏季最高。因此,選擇夏季典型晴天和無(wú)雨陰天的總輻射日進(jìn)程進(jìn)行分析并與曠地比較。由圖2可見,林隙的總輻射日變化趨勢(shì)與曠地基本一致,均呈單峰曲線,早晚低、正午高,晴天13:00時(shí)的峰值為534.23W/m2;陰天峰值出現(xiàn)時(shí)間約滯后1h,為144.66W/m2,僅是晴天峰值的27%。晴天的林隙總輻射日總量為8.60MJ/m2,陰天為5.57MJ/m2,比曠地的日總量低68%;日進(jìn)程的方差分析顯示,晴天和陰天時(shí)林隙的日總輻射量均顯著低于曠地(P<0.05),晴天正午時(shí)可相差575.02W/m2,峰值相差49%,陰天的峰值相差69%。2.2溫度和相對(duì)濕度2.2.1氣溫、林隙、表1、2.通過夏季5、7和9月急尖長(zhǎng)苞冷杉林林隙與非林隙晝間氣溫變化過程分析(如圖3所示),林隙與林內(nèi)、曠地夏季各月的晝間氣溫變化曲線均呈倒S型,07:00—08:00時(shí)的氣溫低,14:00—16:00時(shí)氣溫升至最高。夏季氣溫以7月最高,9月次之,5月最低。最熱月7月平均氣溫以曠地最高(12.9℃),林隙次之(11.8℃),林內(nèi)最低(11.4℃)。晝間氣溫變化最大為5月,其日較差曠地為9.4℃、林隙為8.1℃、林內(nèi)為7.7℃。從晝間氣溫最大值及出現(xiàn)時(shí)間來(lái)看:5月,林隙與曠地、林內(nèi)的最高氣溫均出現(xiàn)在15:00時(shí)左右,介于10.1~11.0℃之間,相差不大;7月,林隙與曠地的最高氣溫出現(xiàn)在14:00時(shí),比林內(nèi)提前1h左右,林隙與曠地相差1.7℃,與林內(nèi)相差0.5℃;9月,林隙最高氣溫值仍出現(xiàn)在14:00時(shí),而曠地和林內(nèi)延后2h出現(xiàn),林隙與曠地相差1.7℃,與林內(nèi)相差0.1℃。2.2.2密度對(duì)林隙與非林隙相對(duì)濕度的影響藏東南地區(qū)5月初進(jìn)入夏季,氣溫逐漸回升的同時(shí)降雨增加、水汽壓升高,空氣濕度亦隨之增大,已有研究顯示,該區(qū)域同期的相對(duì)濕度在西藏范圍內(nèi)屬于較高水平。分析夏季5、7和9月晝間的相對(duì)濕度,由圖3可見,無(wú)論在林隙還是非林隙,相對(duì)濕度日變化曲線均呈反S型。進(jìn)一步分析林隙與非林隙夏季各月相對(duì)濕度的日進(jìn)程:5月,林隙與非林隙相對(duì)濕度日變化趨勢(shì)基本相近,但相對(duì)濕度的日變幅在夏季各月中較大,林隙的變幅為30.59%、曠地為33.59%、林內(nèi)為36.93%,比較而言,林隙的日變幅要小于曠地和林內(nèi)。7月的相對(duì)濕度在夏季各月中最高,林隙與曠地的日較差達(dá)極顯著(P<0.01),14:00時(shí)林隙的相對(duì)濕度比曠地高出12%,比林內(nèi)高4%,林隙的晝間變幅最小。9月,林隙與非林隙的相對(duì)濕度日較差雖未達(dá)顯著水平,但各時(shí)段林隙的相對(duì)濕度高于曠地和林內(nèi),而日變幅低于曠地和林內(nèi)。2.3土壤溫度日振幅變化生長(zhǎng)季隨著太陽(yáng)輻射的變化林地土壤溫度也隨之產(chǎn)生周期性變化,其變化特征通常以土壤溫度的時(shí)間和空間差異體現(xiàn);林地淺層土壤溫度的變幅對(duì)于種子的萌發(fā)以及幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育具有深刻的影響。圖4為夏季5、7、9月林隙與非林隙地表、5、10、15cm各層土壤溫度的日變化曲線。從圖中可以看出,林隙與非林隙的地表溫度日振幅最大,曲線呈倒S型;而10cm以下土壤溫度日變幅極小,無(wú)明顯的日變化。溫度隨土層深度的增加而降低,林隙和林內(nèi)的土壤溫度顯著低于曠地(P<0.01)。進(jìn)一步分析土壤溫度的日變幅,在太陽(yáng)輻射量最大的5月,地表溫度的日變化也最劇烈,曠地日變幅達(dá)19℃,林隙為10℃,林內(nèi)為11℃;5cm處的日均溫較地表有明顯下降,變幅趨緩,雖然曠地仍高于林隙和林內(nèi),但該層的土壤溫度變幅則是林隙略高于曠地和林內(nèi);10和15cm處林隙與非林隙的土壤溫度變化范圍在3.7~11.1℃之間,日均溫仍是曠地顯著高于林隙和林內(nèi),但日變幅均小于1℃。7和9月,地表溫度的日變幅比5月明顯減小,地表溫度仍是曠地大于林隙和林內(nèi);5~15cm各層的土壤日均溫降低,日變幅進(jìn)一步縮小,10cm以下土壤溫度基本維持在8.6℃左右,無(wú)明顯日變化。3溫度日變化分析1)冷杉林林隙的年總輻射量為1173.28MJ/m2,相當(dāng)于該海拔地帶年總輻射量的23%,總輻射年變化呈雙峰曲線,峰值分別出現(xiàn)在5和8月,5月的總輻射量139.57MJ/m2,占全年總輻射量的12%。夏季典型晴天和陰天時(shí)林隙的日總輻射量?jī)H是曠地的32%,相對(duì)于曠地而言,林隙的總輻射日變幅和年變幅較小且相對(duì)平緩。林隙周邊樹木的遮蔽作用,有效減弱了其內(nèi)部的太陽(yáng)直接輻射,改善了林地微環(huán)境,有利于幼苗生長(zhǎng)。2)林隙與非林隙的夏季晝間氣溫變化趨勢(shì)相同,且相差不大,最熱月(7月)時(shí)林隙的氣溫較林內(nèi)和曠地低0.4和1.1℃。這是由于藏東南地區(qū)夏季與雨季重疊,減弱了熱量水平,加之亞高山地帶氣溫相對(duì)較低,因此晝間氣溫總體變幅小。比較而言,冷杉林林隙的氣溫日變幅較曠地和林內(nèi)更穩(wěn)定,介于曠地與林內(nèi)之間,更接近于林內(nèi)。3)