坡向和坡位对大兴安岭干旱阳坡蒙古栎林温湿度的影响1)

丁永全

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

坡向和坡位对大兴安岭干旱阳坡蒙古栎林温湿度的影响1)

丁永全

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

于2012年5月中旬至10月初，在大兴安岭干旱阳坡的蒙古栎林内，选择不同的坡向和坡位设置观测样地定点测定土壤温度、空气温湿度和土壤含水量。分析结果表明：不同坡向土壤温度由大到小为南坡、西南坡、东南坡，气温由大到小为西南坡、南坡、东南坡，空气湿度和土壤含水量由大到小均为东南坡、西南坡、南坡；南坡空气和土壤温度由大到小为坡上、坡下，土壤含水量坡下大于坡上含水量，空气湿度坡上大于坡下湿度；空气和土壤温湿度受空间位置和季节分布影响差异较大，不同坡向和坡位土壤温湿度差异明显，不同季节空气温湿度波动较大。

大兴安岭；干旱阳坡；蒙古栎林；土壤温度；空气温湿度

大兴安岭林区是我国重要的林业基地之一，多年的采伐利用和频繁的火烧干扰导致该区干旱阳坡植被严重退化，形成大面积以蒙古栎林为主的干扰顶级植被类型(顶极植被为樟子松)，造成碳汇收支不平衡、区域环境恶化，冻土自南向北区域性退化，限制了该地区，生态功能的发挥[1]。大兴安岭干旱阳坡春夏季短暂干旱、冬季漫长而寒冷，生长季短暂加大了植被的恢复难度，山地坡向和坡位能影响空气的流动和太阳辐射量，是林地小气候的影响因子之一[2]，路保昌[3]曾对黄土丘陵气候研究发现，坡向和坡位能影响山地小气候变化，其中坡上部和南坡的土壤较干旱，潘占兵等[4]在黄土丘陵区的研究也发现坡位越高土壤干旱越严重，不同坡向与坡位、季节等都会引起山地气候的差异，中小区域尺度的热场空间分布对生态系统有一定影响[5-7]，有学者提出特殊山地气候模式[8-9]。国内大多数针对干旱阳坡的研究集中在不同的整地方式对林木生长率及造林成活率等的研究，对大兴安岭很少有具体而全面的集中在坡向、坡位对干旱阳坡的影响研究，尤其是长时间实时监测温湿度方面，缺少相关的研究数据，限制了该立地条件下植被的恢复和重建。本研究所得数据可以为大兴安岭不同坡位和坡向对干旱阳坡的小气候影响提供一些理论依据，以便更好地进行林业作业，提高大兴安岭干旱阳坡的造林成活率。

1 研究区概况

研究地点位于黑龙江省大兴安岭加格达奇区的大兴安岭农业林业科学研究院实验基地的干旱阳坡，该地区属寒温带大陆性季风气候，年平均温度为-1.2 ℃，极端最高气温32.8 ℃，极端最低气温-40.2 ℃，年平均有效积温2 100 ℃，年降水量350～500 mm；降水70%以上集中在5—8月份，植物生长季主要在5—9月份[2]。研究区平均海拔为337 m，平均坡度为27°，地带性土壤为暗棕壤，土层较薄，一般在5～20 cm，土壤下层为风化砂。干旱阳坡坡上、坡下海拔分别为411和372 m，坡长为85 m，森林类型为蒙古栎矮林，乔木层植被以蒙古栎(Quercusmongolica)为主，树高为3～4 m，坡下有少量落叶松(Larixgmelini)和樟子松(Pinussvlvestris)，坡上少量白桦(Betulaplatyphylla)和山杨(Populusdavidiana)分布，坡上郁闭度为0.5，坡下郁闭度为0.66，林下灌木以胡枝子(Lespedezabiocolor)和栓皮榆为主，地表草本全部覆盖，坡上与坡下草本植被种类和数量差别不明显。

2 材料与方法

选择具有代表性的山地蒙古栎林，在东南坡、西南坡和南坡的坡上、坡下各设置1块20 m×20 m样地地，在各样地内任选一点同时放置空气温湿度自动监测仪和土壤温度自动监测仪，记录空气温湿度和土壤5 cm深处的温度，从2012年5月15日每30 min记一次数据共计监测时间141 d；另外，用土壤水分测定仪(TDR300) 在各样地地内选择6个点测定土壤湿度，测定深度为0～7.5 cm；测定频率为5、6月每5 d测定一次，7、8、9、10月每10 d测定一次。

运用Excel软件统计采集的温湿度数据，求每天的平均值得到不同坡向和坡位空气和土壤的温湿度，用绘图功能绘制空气和土壤温湿度随时间动态变化图，并用SPSS软件分析温湿度统计数据，分析不同坡向、坡位温湿度特征。

3 结果与分析

3.1 不同坡向对土壤和空气的温湿度影响

3.1.1 不同坡向土壤和空气温度的动态变化

由图1可知东南坡、西南坡、南坡土壤温度随时间变化相似，呈现先上升后下降的趋势；从5月中旬各坡向土壤温度逐渐上升， 6、7月西南坡和南坡土壤温度接近且明显高于东南坡，7月末各坡向土壤温度达到最高值，东南坡、南坡和西南坡土壤温度最高值分别为19.09、20.37、22.30 ℃，8月初土壤温度逐渐下降，9月中旬到10月初土壤温度东南坡和西南坡接近且低于南坡的土壤温度。5—10月份各坡向土壤温度变化范围为7～23 ℃，生长季土壤温度平均值由大到小依次为：南坡(16.85 ℃)、西南坡(15.32 ℃)、东南坡(13.90 ℃)；同一时间不同坡向土壤温度西南坡波动最大，南坡次之，东南坡最小，不同时间段9月份土壤温度波动较大。

图1 不同坡向土壤温度随时间的变化

由图2可知东南坡、西南坡和南坡气温随时间变化极其相似，且呈现波浪形上升和下降的趋势，期间出现多个波峰和波谷；5月份气温迅速上升，在5月20日出现波峰，然后又迅速下降在5月23日气温出现低谷，7月份日平均气温达到的最高值，分别为26.78、26.95、26.86 ℃，8月开始气温开始下降；东南坡、西南坡、南坡生长季日平均气温分别为16.50、16.81、16.69 ℃，生长季气温在5～27 ℃之间变化，其中西南坡气温波动最大。图1和图2比较可知，气温和土壤温度随时间变化趋势相同，不同坡向之间土壤温度差异较大，气温差异极小，不同季节气温波动较大，土壤温度变化波动较平缓。

3.1.2 不同坡向土壤含水量和空气湿度的动态变化

由图3可知东南坡、南坡和西南坡土壤含水量存在差异，随时间变化趋势相同，其中5、7、8月土壤含水量普遍较高约为24%，5月中旬到6月底、9、10月较低约10%，5月中旬土壤含水量明显高，是由于开春融雪和冻土解冻使得土壤含水量增加，到土壤完全解冻后含水量又随蒸发等迅速降低，在7月中旬迎来夏季多雨天气土壤含水量又迅速增加，并达到最大值分别为22.73%、20.71%、23.53%，8月份进入夏季后期降雨减少蒸发量大使得土壤含水量再次降低。各坡向土壤含水量在4%～24%之间变化，生长季土壤含水量平均值由大到小顺序为：东南坡(11.91%)、西南坡(11.57%)、南坡(10.94%)。同一时刻不同坡向土壤含水量差异不同，如5月30日土壤含水量由高到低的顺序为南坡、东南坡、西南坡，而8月30日土壤含水量由高到低的顺序为东南坡、南坡、西南坡。

图2 不同坡向空气温度随时间的变化

图3 不同坡向土壤含水量随时间变化

由图4可知东南坡、南坡和西南坡空气湿度随时间变化相似，出现多个峰值，整体表现为波浪形上升后下降趋势，其中5、6、9月份波动较大，7、8月份波动相对稳定，空气湿度最小值均出现在5月中下旬，分别为27.50%、28.34%、29.63%，最大值在7月份分别是103.9%、102.7%、103.7%；各坡向空气湿度生长季平均值分别为东南坡(78.88%)、南坡(78.54%)和西南坡(77.25%)。比较图2和图4可知，当气温达到最大值时，空气湿度达到最小值，而空气湿度最大时气温又最小，由此可知气温和空气湿度在一定范围内呈现负相关。

图4 不同坡向空气湿度随时间变化

3.2 不同坡位对土壤和空气的温湿度影响

3.2.1 不同坡位空气和土壤温度的动态变化

图5可知南坡坡上和坡下土壤温度季节变化相似，整体变化趋势和图1相同，均表现为先上升后下降的趋势，即5月份逐渐上升，7月末达到最高峰，坡上和坡下土壤温度峰值分别为 22.29 ℃和 20.26 ℃，8月逐渐下降的趋势；不同坡向土壤温度数值上存在差异，即同一时间坡上大于坡下，生长季土壤温度平均值分别为坡上(16.85 ℃)、坡下(14.09 ℃)，不同坡位日温差1.92～3.97 ℃，坡下比坡上土壤温度变化波动大。

图5 不同坡位土壤温度随时间变化

由图6 可知南坡坡上和坡下气温生长季变化同步且差异极小，气温随时间变化波动较大，出现多个峰值，表现为5、6、9、10月气温变化明显，7、8月气温相对稳定，最高温出现在8月初，分别为27.63 ℃和26.95 ℃，8月中旬气温开始下降，10月初达到最低值。生长季气温平均值表现为坡上(17.00 ℃) 略高于坡下(16.61 ℃)。

图6 不同坡位空气温度随时间变化

3.2.2 南坡不同坡位土壤含水量和空气湿度的动态变化

由图7可知坡上和坡下土壤含水量季节变化相似，也存在微小的差异，表现为5月下旬、6、9、10月份较低， 5月中旬、7、8月较高的格局，其中5、7—8月初坡上大于坡下，6月份坡下大于坡上，最高在七月中旬，最低在在8月下旬。生长季土壤含水量变化范围在4%～24%，坡上(11.71%)比坡下(11.92%)略低。

由图8可知不同坡位空气相对湿度相对差异不大，而随时间变化波动较大，出现多个波峰和波谷，其中6、7、9、10月波动明显较大，而8月空气相对湿度相对稳定，总体呈现先上升后下降的趋势，坡上和坡下空气相对湿度最低出现在5月下旬，分别为11.2%和9.8%，7月末至8月初达到最高值。空气湿度平均值坡上(77.25%)比坡下(76.72%)略高。

4 讨论与结论

大兴安岭干旱阳坡蒙古栎林受大陆寒温带季风性针叶林气候的影响，不同坡向、坡位的空气和土壤温湿度生长季内变化相似，都呈现先增加后降低的趋势，而在具体数值存在差异。光照强度和光照时间直接影响土壤和空气的温度，同1 d内光照强度中午最强，中午阳光直射正南坡，同1 d内南坡接收光照时间最长，因此南坡土壤温度最高，其次每天接收光照时间西南坡比东南坡早，上午西南坡比东南坡温度高，下午气温升高对土壤温度的反馈使得西南坡温度不至于太低，从而西南坡的土壤温度高于东南坡，土壤含水量受土壤温度影响较大，成反比，从而使得东南坡土壤含水量最高，其次是西南坡，东南坡最低[3]。

图7 南坡不同坡位土壤含水量随时间变化

图8 南坡不同坡位空气相对湿度随时间变化

大兴安岭山脉是东北西南走向，小兴安岭是西北东南走向，加格达奇区正处于两座山脉的中间，使得该地区季风气流有点偏向于东南风，因此西南坡处于迎风坡、空气对流明显，使得西南坡温度最高，南坡气温次之，东南坡气温最低；空气湿度受土壤湿度和温度的影响表现为东南坡最高，其次是西南坡，南坡最低[1]。南坡坡上较坡下空气流动大、土壤含沙量多、郁闭度低，使得空气和土壤的温度坡上大于坡下，土壤含水量受土壤温度、植被等影响坡下大于坡上；空气湿度受气温、土壤温湿度、植被覆盖度、气流等影响较大，使得空气相对湿度坡上大于坡下。不同坡向、坡位温湿度比较可以看出，温度和土壤含水量、空气湿度呈现负相关，即温度越高土壤含水量和空气湿度越低。春秋两季空气和土壤温湿度波动大，尤其是空气温湿度受季风气候印象大，土壤温湿度相对稳定，但定点测土壤含水量在时间和空间上存在瞬时性，对土壤含水量的研究有不足，建议在以后的相关的研究中可以适当缩短时间间隔，提高对土壤含水量的实时监测。

不同坡向土壤温度由大到小顺序为南坡、西南坡、东南坡，空气温度由大到小顺序为西南坡、南坡、东南坡；空气湿度和土壤含水量由大到小顺序均为东南坡、西南坡、南坡，土壤含水量差异较大，空气温湿度波动较大。南坡坡上空气和土壤温度均大于坡下，坡下土壤含水量大于坡上，空气湿度坡上大于坡下。不同坡向和坡位土壤温湿度受空间分布影响差异较大，不同坡向、坡位土壤温湿度差别较大，气温差异较小，不同季节空气温湿度波动较大，而土壤温度变化相对平稳，掌握大兴安岭干旱阳坡蒙古栎林不同坡向、坡位温湿度的特征及变化规律，为以后该地区干旱阳坡小气候研究和林业经营提供数据基础，及时有效的制定干旱阳蒙古栎林林业作规划，提高山地林业效益，对该地区林业经济和林业研究具有重要意义。

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Effect of Slope Aspect and Slope Position on Temperature and Humidity of the Arid Sunny-slope Mongolian Oak Forests in the Daxing’an Mountains

Ding Yongquan(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)/Journal of Northeast Forestry University，2015,43(4)：46-51.

For the characteristic of the arid sunny-slope Mongolian oak forests temperature and humidity in Daxing’an Mountains, we selected different slope aspect and slope position set observation sample plots and fixed point to measure soil temperature, air temperature, humidity and soil moisture from mid May to early October in 2012. The soil temperature of different slope aspect was in the descending order of southern slope, southwest slope and southeast slope, air temperature was in the descending order of southwest slope, south slope, and southeast slope, and air humidity and soil moisture content was in the descending order of southeast slope, southwest slope and south slope. The southern slope air and soil temperature were in the descending order of upper slope, lower slope, soil moisture was in the descending order of lower slope and upper slope, air humidity was in the descending order of upper slope and lower slope. Air and soil temperature and humidity were affected significantly by spatial distribution and seasonal differences, and soil temperature and humidity were with a clear difference in different slope direction and slope position with large fluctuation in different seasons.

Daxing’an Mountains； Arid sunny-slope; Mongolian oak forests; Soil temperature; Air temperature and hurnidity

1) 国家科技支撑计划项目(2011BAD08B02-02)。

丁永全，男，1989年1月生，东北林业大学林学院，硕士研究生。E-mail:953097190@qq.com。

2014年7月3日。

S716.3

责任编辑：潘 华。