華南退化生態(tài)系統(tǒng)三種典型生態(tài)恢復模式的小氣候效應研究

段文軍，王金葉，李海防

桂林理工大學旅游學院；桂林理工大學生態(tài)規(guī)劃與工程研究所，廣西 桂林 541004

森林小氣候是在森林植被影響下形成的特殊小氣候，是森林中水、氣、熱等各種氣象要素綜合作用的結(jié)果（曾慶波等，1997；李意德，2009）。森林小氣候能影響森林的水分與能量平衡、土壤營養(yǎng)元素的積累與釋放、種子的萌發(fā)與幼苗成活、森林生物的棲息與繁殖，從而影響森林的生產(chǎn)力、生物多樣性和生態(tài)平衡，森林小氣候研究也一直是森林生態(tài)學研究的重要內(nèi)容（Roger，1985；Christopher et al, 1999；任海等，2008；王俊，2009）。

生態(tài)退化在中國較為突出，據(jù)《求是》雜志報道，我國是世界上水土流失最嚴重的國家之一，全國水土流失面積仍達 295萬 km2，占國土面積的30.7%，急需進行生態(tài)恢復理論及實踐研究。目前退化荒坡地主要采用2種生態(tài)恢復措施，一種就是封山育林，也就是排除人類干擾，讓植物自然演替來恢復原來的植被；另一種就是種植人工林來提高植被覆蓋度，增加植物多樣性。2種生態(tài)恢復措施優(yōu)缺點不同，前者能最大限度地恢復生態(tài)系統(tǒng)的原始狀態(tài)，但恢復速度很慢，需要數(shù)百年的時間。后者雖能大大加快荒坡植被建立的速度，但建立的生態(tài)系統(tǒng)往往結(jié)構簡單、生態(tài)服務功能低下（任海等，2008）。

生態(tài)恢復過程中，森林小氣候能影響鄉(xiāng)土樹種的定居和繁殖，進而影響生物的演替進程和群落結(jié)構，是評價不同恢復模式的生態(tài)效益和衡量生態(tài)恢復進程的重要指標（林永標等，2003；王平平等，2010）。本文選擇自然恢復草坡、針葉林人工林、闊葉人工林3種華南地區(qū)典型生態(tài)恢復模式進行研究，評價不同恢復模式下森林小氣候調(diào)節(jié)效益，從而評價不同生態(tài)恢復模式的生態(tài)功能和生態(tài)效益。

表1 研究樣地基本概況Table 1 Introduction of the sample plots

1 試驗區(qū)概況

廣東鶴山森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站（文中簡稱鶴山站）位于廣東省中部的鶴山市，東經(jīng) 112°54'，北緯 22°41'，是中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡（Chinese Ecosystem Research Network，簡稱CERN）的重點臺站之一。鶴山站由華南植物所和鶴山市于1984年共同建立，占地面積2000余畝。試驗區(qū)在退化的光坡地上按集水區(qū)的形式，劃分為自然恢復草坡（對照，目前已發(fā)展到灌木占主要優(yōu)勢，也有少量喬木的階段）、針葉人工林、針闊混交人工林、豆科混交人工林、鄉(xiāng)土人工林（荷木為主）、桉樹人工林、馬占相思人工林、林果苗復合生態(tài)系統(tǒng)試驗區(qū)（表1）。

試驗區(qū)屬南亞熱帶丘陵地區(qū)，頂極森林群落是亞熱帶季風常綠闊葉林。試驗區(qū)為亞熱帶季風氣候區(qū)，溫暖多雨，年平均氣溫 21.7 ℃，其中最高月平均溫度29.2 ℃，最低月平均溫度12.6 ℃，年輻射量為110 kcal·cm-2，全年降雨量1801 mm，但分布不均。集中分布于5─9月份的雨季，達1400 mm，有明顯的干、濕季之分。試驗區(qū)地帶性土壤為赤紅壤，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為0.56%～1.64%。

2 材料與方法

2.1 試驗樣地

本試驗選擇廣東鶴山森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站的自然恢復草坡、針葉人工林、闊葉人工林3種典型生態(tài)恢復模式作為研究對象，分析自然恢復和人工林恢復、針葉人工林和闊葉人工林恢復模式的森林小氣候調(diào)節(jié)效益。其中馬占相思為外來固氮樹種，馬尾松、杉木為鄉(xiāng)土樹種，梅葉冬青、桃金娘、三叉苦、梅葉冬青為林下灌木，小花露珠草、烏毛蕨、芒萁為林下草本植物。

2.2 小氣候觀測

人工林及草坡小氣候測定是使用美國進口的HOBO小氣候儀自動觀測，設定每30 min數(shù)據(jù)采集器記錄一次數(shù)據(jù)。記錄項目包括太陽輻射、風速風向、氣溫、降水、土壤溫度、土壤含水量等。其中，測定太陽輻射、降水、風速風向的傳感器安裝在2 m左右，低于自然恢復草坡主要冠層（約2.5 m）。土壤溫度傳感器安裝在地表、10 cm、20 cm土壤層次。觀測數(shù)據(jù)運用Excel2010和spss17.0進行整理和分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 林間氣溫比較

森林內(nèi)的溫度能影響林內(nèi)水分的平衡、林下動物及微生物的種類及組成、森林土壤營養(yǎng)元素的循環(huán)，以及植物的物候及幼苗的生長，森林對氣溫的調(diào)節(jié)能力也是衡量森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能的一項重要指標。

從圖1可以看出，在氣溫比較低的月份（1月、2月、3月、11月、12月），草坡與人工林的月平均氣溫相差不是很大，一般在1 ℃以內(nèi)，草坡的平均林間氣溫略高于人工林。這主要是因為自然恢復草坡冠層層次簡單、郁閉度較低，接收的太陽輻射更多。在降溫比較明顯的季節(jié)（如11月），草坡的溫度甚至低于人工林，這說明草坡的保溫、恒濕能力較差。而在6到10月份，人工林的溫度明顯低于草坡，降溫效果明顯。

在秋冬季節(jié)，草坡和人工林的最低溫度基本持平，差異很少，一般少于1 ℃。而在春夏季節(jié)，草坡的最低溫度明顯低于人工林，而且差異非常明顯，大多數(shù)月份都在1 ℃以上。這說明草坡的保溫能力較弱（圖2）。

在全年所有月份中，草坡的月最高溫度都明顯高于人工林，而且這種溫差基本都在2 ℃左右。全年的最高溫差出現(xiàn)在9月，這時草坡的溫度比針葉林的溫度高出將近 5 ℃（圖 3）。這說明草坡調(diào)節(jié)溫度的能力相對偏弱。

此外全年所有月份中，草坡的溫度的日較差和變異系數(shù)都顯著大于人工林（表2），說明草坡的溫度變化較2種人工林劇烈，其調(diào)節(jié)氣溫的能力較人工林恢復模式弱。

對比2種人工林，還可以看出，不管是平均溫度，還是最高溫度馬占相思林都略大于針葉林，而二者最低溫度相差不是非常明顯。此外，針葉林的氣溫日較差和變異系統(tǒng)也顯著小于馬占相思林。這是因為馬占相思是外來速生樹種，存在早衰現(xiàn)象，立枯木較多，且部分冠層不完整，透光率較高，影響了溫度調(diào)節(jié)功能。

3.2 土壤溫度比較

表2比較了草坡及2種人工林恢復模式在二個不同土壤層次上的土壤溫度的月變化。從這個表中我們可以看出，地表溫度全年基本都表現(xiàn)為草坡>馬占相思林>針葉林（全年僅有12月份這種排列剛好相反）。同時，從表2中還可以看出，4月和7月三者的土壤地表溫度差值較大，而在1月和12月，這種差值較少。此外，從日均差來看，同林間氣溫一樣，草坡的地表溫度的波動遠大于2種人工林。

20 cm土層的土壤溫度觀測發(fā)現(xiàn)，相比地表溫度，3種恢復模式的差異較少，春秋冬季都在1 ℃以內(nèi)，而夏季差異在2 ℃左右。全年20 cm土壤溫度 2─12月都表現(xiàn)為草坡>馬占相思林>針葉林，1─2月，這種排列剛好相反。同時，從日均差和變異系數(shù)來看，草坡20 cm土層的土壤溫度波動相對較大，人工林的波動很小。

3.3 林下輻射比較

人工林的林下太陽輻射能影響林下動植物的種類及其分布，決定森林生態(tài)系統(tǒng)的能量收支，從而影響凋落物的分解、土壤結(jié)構、土壤水分及森林生態(tài)系統(tǒng)的一系列生理生態(tài)過程。

圖4記錄了自然恢復草坡及2種人工林林下太陽輻射的月變化。太陽輻射主要受云層及太陽輻射角度的影響。從圖4可知，草坡的林下輻射量最大，且波動最大；針葉林林下輻射量最小，且波動最小。在1─8月份，雖然太陽直射點發(fā)生了很大的變化，但三者的太陽輻射的增加速度較慢，而且在6月和8月還有下降的趨勢。這主要是因為4─8月為華南地區(qū)的雨季，陰雨天氣較多，云層的遮蔽影響了太陽輻射。在9月份以后陰雨天減少，受云層的影響較少，因而太陽輻射的變化主要受太陽直射角度的影響。2種人工林的林下輻射量在11─12月份有一個上升的趨勢，與太陽直射角度的變化趨勢相反，這主要受人工林落葉的影響。

3種恢復模式中，自然恢復草坡的林下輻射強度明顯高于2種人工林，年林下輻射總量分別馬占相思林和針葉林的1.9和5.8倍，馬占相思林的年輻射量為針葉林的3倍。此外，草坡和馬占相思林的林下輻射強度的月變幅分別為 119.08、57.92 W·m-2顯著大于針葉林的19.29 W·m-2。同時，由表2可知，草坡的林下輻射的日較差和變異系數(shù)顯著大于 2種人工林，這說明人工林，特別是鄉(xiāng)土的針葉林能給林下生物構建更為穩(wěn)定、適中的輻射環(huán)境。

3.4 林間風速比較

森林中的風速是森林中氣體擾動的體現(xiàn)。風進入森林后，由于摩擦和阻擋作用，風速會很快減小。觀測表明，人工林中的平均風速顯著少于草坡。馬占相思林和針葉林全年的平均陣風風速分別為草坡的64%和51%。針葉林的年平均陣風風速為馬占相思林的79%（表2）。同時，從圖5可知，相對于平均陣風風速，最大陣風風速的差距更為明顯，針葉林降低風速的效果明顯好于相思林和草坡。

表2 3種典型恢復模式的小氣候效應Table 2 Microclimate of three restoration models

3.5 林間相對濕度和氣壓比較

從表2可知，人工林的林間相對濕度均高于草坡，尤其是在太陽輻射較大的7月和降水偏少的10月，且這2個月草坡濕度的波動也是最大的。從人工林來看，針葉林的林間空氣濕度略大于相思林，說明針葉林的保濕效果更好。

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

調(diào)節(jié)小氣候是森林生態(tài)系統(tǒng)的基本功能之一，森林小氣候研究也是開展森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構和功能研究的基礎（林永標等，2003）。生態(tài)恢復既包括對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構的恢復，也包括對其功能的恢復，而且這二者在生態(tài)恢復過程中可能不同步（任海等，2008）。調(diào)節(jié)小氣候是森林生態(tài)系統(tǒng)的基本功能之一，從這一點來看，人工林能截留并涵養(yǎng)更多水分，減少氣溫和土溫的變幅，降低氣溫和土溫的峰值，降低風速，提供適當?shù)恼谑a，因而比草坡有更好的調(diào)節(jié)小氣候的能力，也說明這部分生態(tài)功能恢復效果更好。二種人工林調(diào)節(jié)小氣候的能力沒有太大的差別，針葉林略優(yōu)于馬占相思林。

要盡量恢復天然的地帶性植被，人工林必須進行林分改造，促進其由人工林向天然林的轉(zhuǎn)化。草坡也要加快其演替速度，促使其由目前灌木為優(yōu)勢群落的階段向以鄉(xiāng)土樹種為優(yōu)勢群落的階段演替（任海等，2008）。無論是草坡還是人工林，要進一步恢復其結(jié)構和功能都要克服后續(xù)物種的定居問題，特別是鄉(xiāng)土樹種種子的萌發(fā)及幼苗建立（王俊，2009）。鄉(xiāng)土樹種種子的萌發(fā)一般需要較高的空氣濕度、土壤水分含量和適宜溫度。人工林氣溫及土溫變幅小，土壤水分含量高，因而更適宜種子萌發(fā)。過強的光照及水分虧缺是造成樹苗大量死亡的主要原因。由于草坡地表缺乏凋落物覆蓋、土壤結(jié)構較差、透光率高，容易使其林下幼苗和種子面臨更為惡劣的環(huán)境。此外，草坡在遇到強度較大的降雨時會產(chǎn)生較大的地表徑流，這也很容易把種子和幼苗沖走。作為外來固氮樹種，馬占相思林有較多林隙，這些林隙的透光率也很高，但由于其林下凋落物多，能夠起到很好的保溫保濕作用。同時，這個凋落物層也能對種子和幼苗起到護理作用，使其免受一些動物的破壞（任海等，2008；王俊，2009；徐麗萍等，2008；徐麗萍等，2010；張學伍等，2012），從而對華南退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復具有積極意義。

在本研究中，觀測表明針葉林的小氣候調(diào)節(jié)能力略好于相思林，這與前人研究中的闊葉林的小氣候調(diào)節(jié)能力強于針葉林略有不同（林永標等，2003；王平平等，2010；毛丹等，2009；陳亞峰，2011；閆文德和田大倫，2006）。主要原因在于相思林為引入的外來速生人工林品種，其生長迅速、抗逆性強，對退化生態(tài)系統(tǒng)的早期恢復能力較強。但相思林存在嚴重的早衰現(xiàn)象，據(jù)我們調(diào)查，實驗樣地存在10%的立枯木。同時，由于試驗區(qū)受臺風影響較多，相思林的冠層折損嚴重，影響了小氣候調(diào)節(jié)功能。

4.2 結(jié)論

華南退化生態(tài)系統(tǒng)3種典型生態(tài)恢復模式具有不同的小氣候效應，在林間溫度調(diào)節(jié)方面，人工林和草坡的平均林間溫度相差不大，但草坡的最低、最高溫度均比人工林低和高。人工林的林間溫度變化較草坡小，具有更好的保溫調(diào)節(jié)作用。對比2種人工林，不管是平均溫度，還是最高溫度馬占相思林都略大于針葉林，而二者最低溫度相差不明顯。針葉林的保溫調(diào)節(jié)作用略優(yōu)于闊葉的馬占相思林。在土壤溫度方面，地表溫度全年基本都表現(xiàn)為草坡>馬占相思林>針葉林，草坡的地表溫度的波動遠大于2種人工林；全年20 cm土壤溫度3─12月都表現(xiàn)為草坡>馬占相思林>針葉林，1─2月相反，草坡20 cm土層的土壤溫度波動相對較大，人工林的波動很小。

3種恢復模式中，自然恢復草坡的輻射強度明顯高于2種人工林，年輻射總量分別馬占相思林和針葉林的1.9和5.8倍，馬占相思林的年輻射量為針葉林的3倍。此外，草坡和馬占相思林輻射強度的月變幅分別為119.08、57.92 W·m-2，顯著大于針葉林的19.29 W·m-2。人工林，特別是鄉(xiāng)土的針葉林能給林下生物構建更為穩(wěn)定、適中的輻射環(huán)境。人工林的平均林間風速、最大陣風風速均少于草坡，針葉林的風速小于闊葉林，針葉林降低風速的效果好于相思林和草坡。人工林的林間相對濕度均高于草坡，針葉林的林間空氣濕度略大于相思林，針葉林的保濕效果更好。

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