论文部分内容阅读
摘要[目的]揭示小兴安岭红松阔叶混交林林隙0 cm地面温度的时空变化规律。[方法]以小兴安岭原始红松阔叶混交林林隙为研究对象，采用网格法布点，通过对生长季内林隙各样点0 cm地面温度的连续观测，利用基本统计学和地统计学的方法研究林隙0 cm地面温度的时空分布格局。[结果]林隙地面温度不同，空间样点之间存在异质性，且异质性的强度、尺度和空间结构组成随时间的延长而改变，各月0 cm平均地面温度斑块形状复杂，林隙0 cm地面温度从大到小依次为6、7、8、9月，月平均0 cm地温的最大值和最小值分布位置不固定，同一月份地面温度从大到小为空旷地、林隙、郁闭林分。[结论]该研究可为红松阔叶混交林的可持续经营提供基础数据和理论参考。
关键词红松阔叶混交林；林隙；0 cm地面温度；地统计学
中图分类号S718.54文献标识码
A文章编号0517-6611（2017）12-0149-03
Abstract[Objective]To reveal temporal and spatial variation of forest gap 0 cm ground temperature in Pinus koraiensisdominated broadleaved mixed forest in Xiao Xing’an Mountains.[Method]Taking forest gap of Pinus koraiensisdominated broadleaved mixed forest in Xiao Xing’an Mountains as the research object，the growth season of the forest gaps of 0 cm ground temperature were continuously observed by the method of the grid.And spatial distribution pattern of gap 0 cm ground temperature was analyzed and revealed by method of basic statistics and geostatistics.[Result]The results showed that the heterogeneity of extreme 0 cm soil surface temperature exitd among different locations in the gap.The intensity and scale of spatial heterogeneity changed over time and the complex degree of patch shapes were also different，the maxmum 0 cm soil surface temperature was highest in June，then decreased in the sequence of July，August and September.The maxmum and minmum value of mean monthly surface temperature were not fixed at the same location.The 0 cm soil surface temperature was highest in the bare ground，medium in forest gap and lowest in understory in the same month.[Conclusion]The study can provide basic data and theoretical references for gap regeneration and sustainable management of Pinus koraiensisdominated broadleaved mixed forest.
Key wordsPinus koraiensisdominated broadleaved mixed forest；Forest gap；0 cm soil surface temperature；Geostatistics
在森林群落中，由于某一上層林冠树木死亡而在林地上形成不连续的林中空地，该空地被称为林隙（Forest Gap）。林隙是森林更新和树木生长的潜在空间[1]。森林群落内部到林隙中心光、热、水等生态因子显著的梯度变化，使得森林内构成了丰富的生态分异。林隙小气候的研究是林隙研究的重要部分，国内外学者对林隙小气候进行了大量研究[2-4]，包括林隙内小气候因子（光照[5]、气温[6-8]、土壤温度等）、林隙间小气候因子[9]、林隙、非林隙及郁闭林分的对比分析[5]等。地面温度是大气与地表结合部的温度状况，地面表层的土壤温度称为地面温度，地面以下的土壤温度称为地中温度。国内外学者对林隙地面表层温度进行了大量研究[6-7，9-10]，但大多数学者对林隙土壤温度的研究只限于林隙南北和东西2条样带，并未对整个林隙不同位置及林下进行比较。地温的高低对近地面气温和植物的种子发芽及其生长发育、微生物的繁殖及其活动都有很大影响，地温资料对农、林、牧业的区域规划有重大意义。笔者立足阔叶红松混交林林隙，运用地统计学的方法分析了林隙0 cm地面温度的时空异质性，并绘制了它们的时空变化等值线图，较为全面地研究了林隙不同位置0 cm地面温度的分布规律，并尝试定量地探讨林隙0 cm地面温度的时空异质性的强度和尺度，同时将林隙0 cm地面温度与郁闭林分和空旷地进行了对比。通过对林隙内0 cm地面温度的连续测定与系统分析，揭示小兴安岭红松阔叶混交林林隙0 cm地面温度的时空变化规律，旨在为其可持续经营和生物多样性保护提供基础数据和理论参考。 1材料与方法
1.1研究区概况
研究区位于黑龙江省伊春市带岭区凉水国家级自然保护区（128°47′08″～128°57′19″ E，47°06′49″～47°16′10″ N），处于欧亚大陆东缘，具有明显的温带大陆性季风气候特征，冬長夏短。研究区和样地概况详见文献[11]。
1.20 cm地面温度空间样点布设和测定方法
在大样地内选取面积为250 m2左右的红松阔叶混交林林隙1个，在林隙内按照网格法选取41个观测点（图1）。2008年6—9月每月选取6个晴天，在图1观测点用地面温度表测定0 cm地面温度。每个观测点6次重复，在郁闭林分和空旷地同步测量作为对照。
1.30 cm地面温度数据统计方法
采用经典统计方法计算土壤含水量的平均值、标准差和变异系数。通过地统计方法对0 cm地面温度数据进行分析，建立变异函数理论模型，并通过块金值、基台值、变程、结构比和分维数等参数来分析林隙0 cm地面温度的空间变异规律。基本统计分析利用SPSS 17.0完成，地统计学分析用GS+ For Windows 3.11完成，克立格空间局部插值估计和等值线图用Surfer 8.0完成。
2结果与分析
2.1林隙0 cm地面温度统计结果
林隙内光照的增加导致林内0cm地面温度升高。林隙0cm地面温度为6.41～21.73 ℃，
不同空间样点之间相差22.28 ℃。6、7月的温度数据较离散，不同空间样点之间变异较大。根据变异程度分级规律，CV≤10%属于弱变异性，10% 由上述分析可知，林隙6月平均0 cm地面温度最高。这可能是由于6月太阳辐射强，林冠层未完全郁闭，地面吸热多，温度较高，而7、8和9月树木枝繁叶茂，林冠层接近郁闭，降雨较多，土壤湿润，对林隙地面升温起到了一定的缓冲作用，故林隙7、8和9月0 cm平均地面温度相对较低。
2.2林隙0 cm地面温度时空变异特征
林隙0 cm地面温度的变异函数理论模型：6和8月是线性模型，7和9月是指数模型（表2）。从变异函数分析及理论模型拟合参数可以看出，研究样地中0 cm地面温度的空间异质性极为明显。7月具有相对较大的基台值，这说明7月平均0 cm地面温度的异质性程度较大。6和9月变程较大，而7和8月变程较小，表明6和9月的空间自相关变异主要体现在较大尺度上，而7和8月自相关变异主要体现在较小尺度上。7月的空间异质性主要由空间自相关变异构成（98%），其余各月空间自相关变异比重较低。
上述研究发现，7月0 cm平均地面温度的空间异质性较大，这可能是由于6月林冠枝叶稀疏，较多光线可以照射到林隙地面，而7月林隙郁闭度高，光线从树冠空隙照射进来，在林隙内形成光斑，林隙地面局部升温作用明显。8和9月多云天气较多，直射光照射到地面较少，因此林隙7月0 cm平均地面温度总空间变异最大。
依据变异函数的理论模型进行空间局部插值估计，绘制了0 cm地面温度空间变异的克立格图（图2），综合分析，6月分维数较低，斑块形状较简单；而7、8和9月分维数都较高，斑块形状较复杂。6、7月斑块的连接度较高，而8、9月斑块的连接度较低。生长季内林隙各月平均0 cm地面温度最大值出现位置有所不同。
2.3林隙、郁闭林分和空旷地0 cm地面温度比较
生长季内林隙、郁闭林分和空旷地0 cm地面温度的变化明显（图3）。6、7、8月林隙、郁闭林分和空旷地的0 cm平均地面温度较高，9月趋于下降，这恰好与植物的生长季节相吻合，植物生长高峰时地温也高，有利于根系吸收养分和水分，由此可以看出植物与环境之间较好的协调性。6—9月各采样点0 cm平均地面温度从大到小依次为空旷地、林隙、郁闭林分。这是由于林隙和郁闭林分地面受到林冠遮挡，接受太阳直射光照射较少，地面获得热量较少，所以空旷地的0 cm月平均地面温度高于林隙和郁闭林分。
3讨论
太阳辐射能是地面温度热量的主要来源，土壤吸收的热量首先决定于到达地球的有效太阳辐射能的数量。Clinton等[11]研究表明，不同小尺度微生境之间由于微地形的变化导致光照等因子的差异，进而引起微生境土壤温度的差异。明确林隙内土壤温度的动态，有助于研究热量动态、植被生长物候及地下生态过程[12]。土壤0 cm地面温度的空间变异特征受物理化学过程和人类活动干扰等的影响，形成较大尺度的斑块结构，生物学过程可能在较小的尺度上使土壤形成斑块结构。这些空间变异不仅表现在结构上，还有重要的功能作用。该研究表明，土壤0 cm地面温度斑块连接度较低，这些斑块结构可能会影响到红松阔叶混交林林隙的更新。
在森林更新过程中，距同种成年树越近，更新个体的死亡率越高。这导致更新幼苗在空间上的分布格局，与同种成年树的距离产生了特定的关联性。因此，寻求阔叶红松林林隙地面温度的临界尺度，有助于认识哪一尺度上的异质性对红松阔叶混交林林隙生态学过程起主导控制作用。该研究的林隙面积为250 m2左右，林隙地面温度空间异质性尺度在5.11～15.42 m，空间异质性的强度在0.003～0.107，空间自相关部分所占比重在0.600～0.982，这可以为今后定量研究
阔叶红松林林隙0 cm地面温度的空间异质性提供数量参考。
土壤0 cm地面温度的空间异质性可能对种子萌发和幼苗生长产生直接影响，或通过影响土壤微生物的活动等，对种子库和更新产生间接影响。研究土壤地面温度的空间异质性，对于林分更新的空间格局和过程具有重要意义，是值得进一步深入研究的重要问题。因此，研究土壤地面温度具有重要的生态学意义。 參考文献
[1] YIRDAW E，LUUKKANEN O.Photosynthetically active radiation transmittance of forest plantation canopies in the Ethiopian highlands[J].Forest ecology and management，2004，188：17-24.
[2] RUNKLE J R.Patterns of disturbance in some oldgrowth mesic forests of eastern north America[J].Ecology，1982，63（5）：1533-1546.
[3] CLINTON B D.Light，temperture，and soil moisture responses to elevation，evergreen understory，and small canopy gaps in the southern Appalachians[J].Forest ecology and management，2003，186：243-255.
[4] LAWTON R O，PUTZ F E.Natural disturbance and gapphase regeneration in a windexposed tropical cloud forest[J].Ecology，1988，69（3）：764-777.
[5] 李猛，段文标，陈立新.红松阔叶混交林林隙光量子通量密度的时空分布格局[J].应用生态学报，2011，22（4）：880-884.
[6] 臧润国，刘静艳，董大方.林隙动态与森林生物多样性[M].北京：中国林业出版社，1999：55-56.
[7] 张一平，马友鑫，刘玉洪，等.哀牢山北部常绿阔叶林林窗小气候空间分布特征[J].北京林业大学学报，2001，23（4）：80-83.
[8] RAYMOND P，MUNSON A D，RUEL J C et al.Spatial patterns of soil microclimate，light，regeneration，and growth within silvicultural gaps of mixed tolerant hardwoodwhite pine stands[J].Canadian journal of forest research，2006，36（3）：639-651.
[9] 段文标，李岩，王小梅.小兴安岭红松阔叶混交林林隙土壤温度的时空分布格局[J].应用生态学报，2009，20（10）：2357-2364.〖ZK）〗
[10] 〖ZK（#〗ZHU J J，TAN H，LEE F Q，et al.Microcimate regimes following gap formation in amontane secondary forest of eastern Liaoning Province，China[J].Journal of forestry research，2007，18（3）：167-173.
[11] CLINTON B D，BAKER C R.Catastrophic windthrow in the southern appalachians：Characteristics of pits and initial vegetation response[J].Forest ecology and management，2000，126（1）：51-60.
[12] COLLINS B S，PICKETT S T A，WHITE P S.Response of forest herbs to canopy gaps and the ecology of natural disturbance and patch dynamics[M].London：Academic Press，1985：218-234.
关键词红松阔叶混交林；林隙；0 cm地面温度；地统计学
中图分类号S718.54文献标识码
A文章编号0517-6611（2017）12-0149-03
Abstract[Objective]To reveal temporal and spatial variation of forest gap 0 cm ground temperature in Pinus koraiensisdominated broadleaved mixed forest in Xiao Xing’an Mountains.[Method]Taking forest gap of Pinus koraiensisdominated broadleaved mixed forest in Xiao Xing’an Mountains as the research object，the growth season of the forest gaps of 0 cm ground temperature were continuously observed by the method of the grid.And spatial distribution pattern of gap 0 cm ground temperature was analyzed and revealed by method of basic statistics and geostatistics.[Result]The results showed that the heterogeneity of extreme 0 cm soil surface temperature exitd among different locations in the gap.The intensity and scale of spatial heterogeneity changed over time and the complex degree of patch shapes were also different，the maxmum 0 cm soil surface temperature was highest in June，then decreased in the sequence of July，August and September.The maxmum and minmum value of mean monthly surface temperature were not fixed at the same location.The 0 cm soil surface temperature was highest in the bare ground，medium in forest gap and lowest in understory in the same month.[Conclusion]The study can provide basic data and theoretical references for gap regeneration and sustainable management of Pinus koraiensisdominated broadleaved mixed forest.
Key wordsPinus koraiensisdominated broadleaved mixed forest；Forest gap；0 cm soil surface temperature；Geostatistics
在森林群落中，由于某一上層林冠树木死亡而在林地上形成不连续的林中空地，该空地被称为林隙（Forest Gap）。林隙是森林更新和树木生长的潜在空间[1]。森林群落内部到林隙中心光、热、水等生态因子显著的梯度变化，使得森林内构成了丰富的生态分异。林隙小气候的研究是林隙研究的重要部分，国内外学者对林隙小气候进行了大量研究[2-4]，包括林隙内小气候因子（光照[5]、气温[6-8]、土壤温度等）、林隙间小气候因子[9]、林隙、非林隙及郁闭林分的对比分析[5]等。地面温度是大气与地表结合部的温度状况，地面表层的土壤温度称为地面温度，地面以下的土壤温度称为地中温度。国内外学者对林隙地面表层温度进行了大量研究[6-7，9-10]，但大多数学者对林隙土壤温度的研究只限于林隙南北和东西2条样带，并未对整个林隙不同位置及林下进行比较。地温的高低对近地面气温和植物的种子发芽及其生长发育、微生物的繁殖及其活动都有很大影响，地温资料对农、林、牧业的区域规划有重大意义。笔者立足阔叶红松混交林林隙，运用地统计学的方法分析了林隙0 cm地面温度的时空异质性，并绘制了它们的时空变化等值线图，较为全面地研究了林隙不同位置0 cm地面温度的分布规律，并尝试定量地探讨林隙0 cm地面温度的时空异质性的强度和尺度，同时将林隙0 cm地面温度与郁闭林分和空旷地进行了对比。通过对林隙内0 cm地面温度的连续测定与系统分析，揭示小兴安岭红松阔叶混交林林隙0 cm地面温度的时空变化规律，旨在为其可持续经营和生物多样性保护提供基础数据和理论参考。 1材料与方法
1.1研究区概况
研究区位于黑龙江省伊春市带岭区凉水国家级自然保护区（128°47′08″～128°57′19″ E，47°06′49″～47°16′10″ N），处于欧亚大陆东缘，具有明显的温带大陆性季风气候特征，冬長夏短。研究区和样地概况详见文献[11]。
1.20 cm地面温度空间样点布设和测定方法
在大样地内选取面积为250 m2左右的红松阔叶混交林林隙1个，在林隙内按照网格法选取41个观测点（图1）。2008年6—9月每月选取6个晴天，在图1观测点用地面温度表测定0 cm地面温度。每个观测点6次重复，在郁闭林分和空旷地同步测量作为对照。
1.30 cm地面温度数据统计方法
采用经典统计方法计算土壤含水量的平均值、标准差和变异系数。通过地统计方法对0 cm地面温度数据进行分析，建立变异函数理论模型，并通过块金值、基台值、变程、结构比和分维数等参数来分析林隙0 cm地面温度的空间变异规律。基本统计分析利用SPSS 17.0完成，地统计学分析用GS+ For Windows 3.11完成，克立格空间局部插值估计和等值线图用Surfer 8.0完成。
2结果与分析
2.1林隙0 cm地面温度统计结果
林隙内光照的增加导致林内0cm地面温度升高。林隙0cm地面温度为6.41～21.73 ℃，
不同空间样点之间相差22.28 ℃。6、7月的温度数据较离散，不同空间样点之间变异较大。根据变异程度分级规律，CV≤10%属于弱变异性，10%
2.2林隙0 cm地面温度时空变异特征
林隙0 cm地面温度的变异函数理论模型：6和8月是线性模型，7和9月是指数模型（表2）。从变异函数分析及理论模型拟合参数可以看出，研究样地中0 cm地面温度的空间异质性极为明显。7月具有相对较大的基台值，这说明7月平均0 cm地面温度的异质性程度较大。6和9月变程较大，而7和8月变程较小，表明6和9月的空间自相关变异主要体现在较大尺度上，而7和8月自相关变异主要体现在较小尺度上。7月的空间异质性主要由空间自相关变异构成（98%），其余各月空间自相关变异比重较低。
上述研究发现，7月0 cm平均地面温度的空间异质性较大，这可能是由于6月林冠枝叶稀疏，较多光线可以照射到林隙地面，而7月林隙郁闭度高，光线从树冠空隙照射进来，在林隙内形成光斑，林隙地面局部升温作用明显。8和9月多云天气较多，直射光照射到地面较少，因此林隙7月0 cm平均地面温度总空间变异最大。
依据变异函数的理论模型进行空间局部插值估计，绘制了0 cm地面温度空间变异的克立格图（图2），综合分析，6月分维数较低，斑块形状较简单；而7、8和9月分维数都较高，斑块形状较复杂。6、7月斑块的连接度较高，而8、9月斑块的连接度较低。生长季内林隙各月平均0 cm地面温度最大值出现位置有所不同。
2.3林隙、郁闭林分和空旷地0 cm地面温度比较
生长季内林隙、郁闭林分和空旷地0 cm地面温度的变化明显（图3）。6、7、8月林隙、郁闭林分和空旷地的0 cm平均地面温度较高，9月趋于下降，这恰好与植物的生长季节相吻合，植物生长高峰时地温也高，有利于根系吸收养分和水分，由此可以看出植物与环境之间较好的协调性。6—9月各采样点0 cm平均地面温度从大到小依次为空旷地、林隙、郁闭林分。这是由于林隙和郁闭林分地面受到林冠遮挡，接受太阳直射光照射较少，地面获得热量较少，所以空旷地的0 cm月平均地面温度高于林隙和郁闭林分。
3讨论
太阳辐射能是地面温度热量的主要来源，土壤吸收的热量首先决定于到达地球的有效太阳辐射能的数量。Clinton等[11]研究表明，不同小尺度微生境之间由于微地形的变化导致光照等因子的差异，进而引起微生境土壤温度的差异。明确林隙内土壤温度的动态，有助于研究热量动态、植被生长物候及地下生态过程[12]。土壤0 cm地面温度的空间变异特征受物理化学过程和人类活动干扰等的影响，形成较大尺度的斑块结构，生物学过程可能在较小的尺度上使土壤形成斑块结构。这些空间变异不仅表现在结构上，还有重要的功能作用。该研究表明，土壤0 cm地面温度斑块连接度较低，这些斑块结构可能会影响到红松阔叶混交林林隙的更新。
在森林更新过程中，距同种成年树越近，更新个体的死亡率越高。这导致更新幼苗在空间上的分布格局，与同种成年树的距离产生了特定的关联性。因此，寻求阔叶红松林林隙地面温度的临界尺度，有助于认识哪一尺度上的异质性对红松阔叶混交林林隙生态学过程起主导控制作用。该研究的林隙面积为250 m2左右，林隙地面温度空间异质性尺度在5.11～15.42 m，空间异质性的强度在0.003～0.107，空间自相关部分所占比重在0.600～0.982，这可以为今后定量研究
阔叶红松林林隙0 cm地面温度的空间异质性提供数量参考。
土壤0 cm地面温度的空间异质性可能对种子萌发和幼苗生长产生直接影响，或通过影响土壤微生物的活动等，对种子库和更新产生间接影响。研究土壤地面温度的空间异质性，对于林分更新的空间格局和过程具有重要意义，是值得进一步深入研究的重要问题。因此，研究土壤地面温度具有重要的生态学意义。 參考文献
[1] YIRDAW E，LUUKKANEN O.Photosynthetically active radiation transmittance of forest plantation canopies in the Ethiopian highlands[J].Forest ecology and management，2004，188：17-24.
[2] RUNKLE J R.Patterns of disturbance in some oldgrowth mesic forests of eastern north America[J].Ecology，1982，63（5）：1533-1546.
[3] CLINTON B D.Light，temperture，and soil moisture responses to elevation，evergreen understory，and small canopy gaps in the southern Appalachians[J].Forest ecology and management，2003，186：243-255.
[4] LAWTON R O，PUTZ F E.Natural disturbance and gapphase regeneration in a windexposed tropical cloud forest[J].Ecology，1988，69（3）：764-777.
[5] 李猛，段文标，陈立新.红松阔叶混交林林隙光量子通量密度的时空分布格局[J].应用生态学报，2011，22（4）：880-884.
[6] 臧润国，刘静艳，董大方.林隙动态与森林生物多样性[M].北京：中国林业出版社，1999：55-56.
[7] 张一平，马友鑫，刘玉洪，等.哀牢山北部常绿阔叶林林窗小气候空间分布特征[J].北京林业大学学报，2001，23（4）：80-83.
[8] RAYMOND P，MUNSON A D，RUEL J C et al.Spatial patterns of soil microclimate，light，regeneration，and growth within silvicultural gaps of mixed tolerant hardwoodwhite pine stands[J].Canadian journal of forest research，2006，36（3）：639-651.
[9] 段文标，李岩，王小梅.小兴安岭红松阔叶混交林林隙土壤温度的时空分布格局[J].应用生态学报，2009，20（10）：2357-2364.〖ZK）〗
[10] 〖ZK（#〗ZHU J J，TAN H，LEE F Q，et al.Microcimate regimes following gap formation in amontane secondary forest of eastern Liaoning Province，China[J].Journal of forestry research，2007，18（3）：167-173.
[11] CLINTON B D，BAKER C R.Catastrophic windthrow in the southern appalachians：Characteristics of pits and initial vegetation response[J].Forest ecology and management，2000，126（1）：51-60.
[12] COLLINS B S，PICKETT S T A，WHITE P S.Response of forest herbs to canopy gaps and the ecology of natural disturbance and patch dynamics[M].London：Academic Press，1985：218-234.