藏東南色季拉山急尖長翹冷杉林林隙非林隙小氣候特征

藏東南色季拉山急尖長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,進而對森林群落的結(jié)構(gòu)和功能、演替進程甚至演替方向產(chǎn)生影響。研究林隙的形成、變化和發(fā)展動態(tài)過程,是揭示森林動態(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、濕度等對森林植物的生長發(fā)育及其他多種生態(tài)條件有著深刻影響,對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年來我國在熱帶、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),也是我國重點林區(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,我們相繼對冷杉林林隙特征、更新動態(tài)方面進行了研究報道。為了進一步探討林隙生態(tài)因子的變化規(guī)律及其與植物生命活動關(guān)系,近年開始在該類型森林林隙中開展小氣候觀測研究,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)站急尖長苞冷杉(Abiesgeorgeivar.smithii)林長期固定標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)(1.0hm2)。該海拔地帶屬亞高山寒溫帶濕潤氣候區(qū),根據(jù)林芝生態(tài)站多年觀測顯示,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;年平均相對濕度83%。林分喬木樹種組成僅急尖長苞冷杉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,擴展林隙面積主要在600m2以下,其中以300~400m2的擴展林隙居多。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^測樣地,林隙投影形狀不規(guī)則,大致呈橢圓形,長軸長度為26.7m、短軸長度17.5m,面積為366m2,林隙周邊主林層平均胸徑50cm,優(yōu)勢木胸徑110cm,平均樹高31.6m,優(yōu)勢木樹高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)置的急尖長苞冷杉林林內(nèi)長期觀測場和冷杉林采伐跡地長期觀測場。林內(nèi)觀測場喬木層平均胸徑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%。曠地觀測場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)在林隙中心點位置安裝一套全自動氣象觀測系統(tǒng),觀測項目包括總輻射、氣溫、相對濕度、土壤溫度?？諝鉁貪穸葌鞲衅鳛镃S215(相對濕度傳感器量程: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。小氣候觀測從2010年10月—2012年12月連續(xù)進行,數(shù)據(jù)記錄時間分別有10min、1h和1d。林內(nèi)和曠地全自動觀測系統(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)計分析總輻射年變化過程按月總輻射值統(tǒng)計;總輻射日變化以夏季典型晴天(8月13日,晝間無云量)和典型陰天(8月17日,晝間云量100%)08:00—20:00時的整點值進行統(tǒng)計;氣溫、相對濕度、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整點數(shù)據(jù)平均值統(tǒng)計分析。數(shù)據(jù)的計算分析、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,太陽輻射分布及變化對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,太陽高度角大,加之海拔抬升作用,太陽輻射強度應(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)。從年進程比較來看,林隙各月的總輻射量均顯著低于曠地(P<0.01),5月峰值時林隙與曠地相差403.71MJ/m2,12月峰谷時林隙與曠地相差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雨陰天的總輻射日進程進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與曠地基本一致,均呈單峰曲線,早晚低、正午高,晴天13:00時的峰值為534.23W/m2;陰天峰值出現(xiàn)時間約滯后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%;日進程的方差分析顯示,晴天和陰天時林隙的日總輻射量均顯著低于曠地(P<0.05),晴天正午時可相差575.02W/m2,峰值相差49%,陰天的峰值相差69%。2.2溫度和相對濕度2.2.1氣溫、林隙、表1、2.通過夏季5、7和9月急尖長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時的氣溫低,14:00—16:00時氣溫升至最高。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)時間來看:5月,林隙與曠地、林內(nèi)的最高氣溫均出現(xiàn)在15:00時左右,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,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,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密度對林隙與非林隙相對濕度的影響藏東南地區(qū)5月初進入夏季,氣溫逐漸回升的同時降雨增加、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月晝間的相對濕度,由圖3可見,無論在林隙還是非林隙,相對濕度日變化曲線均呈反S型。進一步分析林隙與非林隙夏季各月相對濕度的日進程:5月,林隙與非林隙相對濕度日變化趨勢基本相近,但相對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月的相對濕度在夏季各月中最高,林隙與曠地的日較差達極顯著(P<0.01),14:00時林隙的相對濕度比曠地高出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濕度日較差雖未達顯著水平,但各時段林隙的相對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季隨著太陽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間和空間差異體現(xiàn);林地淺層土壤溫度的變幅對于種子的萌發(fā)以及幼苗的生長發(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)。進一步分析土壤溫度的日變幅,在太陽輻射量最大的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,日變幅進一步縮小,10cm以下土壤溫度基本維持在8.6℃左右,無明顯日變化。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林隙的日總輻射量僅是曠地的32%,相對于曠地而言,林隙的總輻射日變幅和年變幅較小且相對平緩。林隙周邊樹木的遮蔽作用,有效減弱了其內(nèi)部的太陽直接輻射,改善了林地微環(huán)境,有利于幼苗生長。2)林隙與非林隙的夏季晝間氣溫變化趨勢相同,且相差不大,最熱月(7月)時林隙的氣溫較林內(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)