火烧迹地植被恢复对生长季林内小气候的调节作用*

王丽红 高鸿坤 赵雨森 付 强 何传源 孙 鑫 梁建鑫 张啸鹏

(1.东北农业大学水利与土木工程学院 哈尔滨 150030； 2.东北林业大学林学院 哈尔滨 150040)

森林通过改变下垫面特征，使太阳辐射、热量和水分等在进入森林后重新分配，起到调节小气候的作用，其作用大小受森林生态系统的光、温、水、土、气等条件的综合作用(Kovcsetal.， 2017)，进而影响森林的生理过程、营养循环、水分传输与分配等(王珮环等， 2019)。研究森林调节小气候的效应，有助于了解森林功能对气候变化的响应，能为森林经营管理提供理论依据(Ehbrechtetal.， 2019) 。

近些年来，学者们研究了不同森林类型(蒋丹丹等， 2015)、不同地形(Davisetal.， 2019)、干扰(罗旭等， 2018； dos Santosetal.， 2020)、土地利用方式(宫香伟等， 2018； Meijideetal.， 2018)、林内林外(李洁等， 2020)、林窗林缘(Hofmeisteretal.， 2019)等的小气候效应，并探讨了小气候与人体舒适度之间的关系(Schinasietal.， 2017； 古琳等， 2019)。研究发现，森林不仅具有降温和增湿效应，而且对温度变幅有缓冲作用(Gaudioetal., 2017)。然而，森林对小气候的调节作用在不同气候带和不同森林类型间存在差异。Li 等(2015) 利用卫星数据分析全球森林的温度调节作用时发现:低纬度地区的热带森林全年表现为显著降温作用； 温带森林则是夏季温和降温及冬季温和升温，但全年表现为降温作用； 北方针叶林在冬季显著升温，在夏季温和降温，全年表现为升温作用。Meijide等(2018)指出，印度尼西亚原始热带森林距地表2 m处气温比油棕(Elaeisguineensis)林和橡胶(Heveabrasiliensis)林低2.3和2.2 ℃，空气相对湿度分别高11.9%和12.8%，土壤温度没有显著差异。Vanneste等(2020)发现欧洲温带灌木篱的小气候调节能力低于林地，冬季灌木篱距地表2 m处最低气温始终比林地低0.10 ℃，夏季距地表2 m处最高气温比林地高0.80 ℃。然而，现有研究较少关注森林小气候调节作用随森林发育过程的动态变化。徐明洁等(2018)指出，随着林龄增长，林分结构和功能均发生相应的变化，但目前缺少森林对温湿环境调节作用的定量研究。

大兴安岭林区是我国面积最大的林区，1987年5月6日大兴安岭发生特大森林火灾，受害面积达1.01万 km2。许多学者对火烧迹地的物种多样性(李威等， 2020； Nbregaetal.， 2019)、土壤养分(Aaltonenetal.， 2019； Lietal.， 2020)和水量平衡(Venkateshetal.， 2020)进行了研究。目前，关于林火对小气候变化特征的影响有一定研究(Brownetal.， 2014； Dodonovetal.， 2019)，但对火烧迹地植被恢复过程中小气候演变特征研究很少。兴安落叶松(Larixgmelinii)是大兴安岭地区的地带性植被，目前大兴安岭火烧迹地已营造了大面积兴安落叶松人工林。本研究分析大兴安岭重度火烧迹地不同恢复年限兴安落叶松人工林的生长季空气温度、空气相对湿度和土壤温度的变化特征，旨在揭示火烧迹地植被恢复对小气候调节作用的变化规律。

1 研究区概况

研究区位于阿木尔林业局内，地处大兴安岭北坡(122°38′30″—124°05′05″E, 52°15′03″—53°33′15″N)。行政管辖隶属黑龙江省大兴安岭地区漠河县，东临塔河林业局，南临呼中林业局，西与图强林业局接壤，北与俄罗斯隔江相望。地势平缓，坡度大部分小于15°，海拔255～1 396 m。属于寒温带大陆性气候，昼夜温差大，夏季短暂(只有2个月左右),冬季严寒漫长(长达7个月),年均气温-4.94 ℃，7月份最高气温35 ℃，1月份最低气温-49.5 ℃,年均降水量432 mm，集中在夏季，全年无霜期90天左右，年日照时数2 630 h。土壤以棕色针叶林土为主，另有沼泽土和泥炭土。乔木主要有兴安落叶松、白桦(Betulaplatyphylla)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)和山杨(Populusdavidiana)等。灌木主要有兴安杜鹃(Rhododendrondauricum)、杜香(Ledumpalustrevar.dilatatum)、越橘(Vacciniumvitis-idaea)和刺玫(Rosadavurica)等。有莎草科(Cyperaceae)、菊科(Compositae)、豆科(Leguminosae)、蔷薇科(Rosaceae)和桔梗科(Campanulaceae)等主要草本植物。

2 研究方法

2.1 样地设置与调查

2013年5月，以1987年“5·6”大火重度火烧迹地上不同恢复年限(3、13、16、21和24 a)的兴安落叶松人工林为对象，选取生境条件基本一致的地块设置样地。样地造林时均人工穴状整地，造林密度2 500株·hm-2，连续抚育3年，按2-2-1次进行抚育(即补植后的前3年内，第1年抚育2次，第2年抚育2次，第3年抚育1次)，没有人为干预或人为干预较少。以2012年重度火烧迹地作为对照。各恢复年限林分及火烧迹地均设置3块20 m×30 m样地，调查其坡度、坡向、海拔等立地因子。对乔木每木调查，记录树高、胸径和林分郁闭度(表1)。

表1 样地概况①Tab.1 Survey of sample plots

2.2 小气候观测

2013年5月在各样地内，沿对角线选取3棵树，将HOBO Prov2温湿度记录仪U23-001固定在距地表1.5 m处(刘效东等， 2014)，每隔1 h自动记录1次空气温度和相对湿度。每块样地沿对角线选取3个点，将WatchDog B101型按钮温度记录仪分别埋在5和10 cm土深处(付为国等， 2006)，每隔1 h自动记录1次土壤温度。观测时间为2013年林分生长季(6—9月)。

2.3 数据处理与统计分析

采用Microsoft Excel 2003软件和SPSS 17. 0统计分析软件，进行数据处理分析，采用最小显著差异法 (LSD) 进行数据差异显著性检验，利用Origin 9.1软件作图。

3 结果与分析

3.1 空气温湿度日变化

由图1可知，气温日变化呈现早晚低、日间高的倒“U”字型变化趋势，最低气温出现在4：00—7：00，最高气温出现在12：00—16：00； 随恢复年限增加，最低、最高气温出现时间表现出延迟趋势，在恢复24 a时比对照样地晚1～2 h。

空气相对湿度日变化呈现早晚高、日间低的“U”字型变化趋势，从0:00开始缓慢上升，3:00—8：00达到最高并接近饱和； 之后随日出急速下降，最低值出现在13：00—16：00，这与气温最高值出现时间吻合； 之后随气温降低，空气相对湿度开始上升，直到晚上20: 00左右再次进入缓慢平稳上升阶段(图2)。随恢复年限增加，最高、最低空气相对湿度出现时间表现出延迟趋势，恢复24年时比对照样地晚1～3 h。

植被恢复期间，气温日较差为10.19～20.01 ℃，差值达9.82 ℃； 空气相对湿度日较差为31.93%～52.56%，差值为20.63%； 白天(7：00—18：00)差值大于夜晚。随恢复年限增加，气温和空气相对湿度的日较差呈减小趋势。

图2 植被恢复过程中空气相对湿度日变化Fig. 2 Diurnal variation of relative air humidity during vegetation restoration

3.2 空气温湿度生长季变化

由表2可知：各恢复年限兴安落叶松人工林空气温度表现为6和7月较高、9月最低； 空气相对湿度表现为7月最高，8月次之，6和9月较低。

6月份气温(℃)表现为对照(18.89)>3 a(18.17)>13 a(17.47)>16 a(16.82)>21 a(16.69)>24 a(15.39)，恢复24年后显著低于其余年限，较对照下降了18.53%。随恢复年限增加，7—9月气温逐渐降低。恢复24年时7、8、9月气温比对照显著降低2.96、3.46和3.84 ℃。

6月空气相对湿度在恢复24年时最高，为74.27%，其次为16、21、13和3年，对照样地空气相对湿度为60.08%，显著低于各恢复年限。随恢复年限增加，7—9月空气相对湿度逐渐升高，恢复24年时7、8、9月空气相对湿度比对照样地显著高出12.89%、13.16%和13.67%。

表2 植被恢复过程中空气温湿度生长季变化①Tab.2 Seasonal variation of air temperature and relative humidity during vegetation restoration

3.3 土壤温度日变化

土壤温度日变化呈现不同相位的正弦曲线(图3)，植被恢复过程中5 cm深处土壤温度日较差(℃)表现为3 a(10.05)>对照(7.18)>13 a(5.67)>16 a(5.58)>21 a(4.64)>24 a(3.04)，10 cm深处土壤温度日较差(℃)表现为3 a(5.51)>对照(3.93)>16 a(3.18)>13 a(2.44)>21 a(2.38)>24 a(1.35)，5 cm深处土壤温度日较差比10 cm大。植被恢复过程中白天(7：00—18：00)温差大于夜晚，5 cm深处土壤最低温出现在5：00—7：00，最高温出现在13：00—17：00，10 cm深处土壤最低温出现在6：00—9：00，最高温出现在14：00—19：00，土壤温度曲线最大值出现的时间随土壤深度增加而推移。随着恢复年限增加，5和10 cm深处土壤最高温、最低温出现时间表现出延迟效应，恢复24年时比对照样地晚1～2 h。

图3 植被恢复过程中土壤温度日变化Fig. 3 Diurnal variation of soil temperature during vegetation restoration

3.4 土壤温度生长季变化

由表3可知，在6月份，5 cm深处土壤温度(℃)表现为对照(18.46)>3 a(17.34)>13 a(11.66)>16 a(11.34)>21 a(9.56)>24 a(8.75)，10 cm深处土壤温度(℃)表现为对照(17.48)>3 a(15.84)>13 a(10.22)>16 a(9.74)>21 a(7.72)>24 a(6.52)，各恢复年限间差异显著，恢复24 a时较对照样地分别下降了52.62%和62.71%。随着恢复年限增加，7—9月5和10 cm深处土壤温度也逐渐降低。恢复24 a时，5和10 cm深处土壤温度较对照样地的下降幅度表现为7月份36.61%和43.34%、8月份33.02%和39.06%、9月份39.60%和41.48%。

各恢复年限兴安落叶松人工林的5 cm深处土壤温度在6—8月均显著高于10 cm，但在9月份恢复16、21和24 a时5 cm深处土壤温度高于10 cm深处，其余恢复年限为5 cm深处土壤温度低于10 cm深处。各恢复年限兴安落叶松人工林的5和10 cm深处土壤温度在7和8月高于6和9月。

3.5 小气候因子与恢复年限的数量关系

对所测定的不同恢复年限兴安落叶松人工林小气候因子与恢复年限的数据进行回归分析，发现小气候因子与恢复年限存在如下线性关系：M=kt+p。式中：M为小气候因子(气温、空气相对湿度、5 cm深处土壤温度、10 cm土壤温度)；t为恢复年限；k为方程回归系数；p为方程常数项。经拟合的方程相关系数(R2)均在0.749 4以上，气温与恢复年限显著负相关(P<0.05)，空气相对湿度与恢复年限显著正相关(P<0.05)(表4)，5和10 cm深处土壤温度与恢复年限极显著负相关(P<0.001)(表5)。

表3 植被恢复过程中土壤温度生长季变化Tab.3 Seasonal variation of soil temperature during vegetation restoration ℃

表4 空气温湿度与恢复年限的拟合方程及显著性分析Tab.4 Fitting equations and significance analysis of air temperature-humidity and restoration years

表5 土壤温度与恢复年限的拟合方程及显著性分析Tab.5 Fitting equations and significance analysis of soil temperature and restoration years

4 讨论

4.1 植被恢复过程中小气候因子生长季变化

影响森林小气候的主要因素有太阳辐射输入量(Holstetal.， 2004)、地形条件(Aussenac, 2000)、林冠层遮挡量、林下植被叶片对太阳辐射的吸收和反射作用(Launiainenetal.， 2016)、植物蒸腾作用等(Gebhardtetal.， 2014)。林内空气温度和相对湿度主要受林分结构影响，光照强度受乔木胸径、冠幅和树高影响(Kovcsetal.， 2017)。本研究中随恢复年限增加，空气温度和土壤温度逐渐降低，空气相对湿度逐渐增加，兴安落叶松人工林朝荫、凉、湿的方向发展(表2、3)，与刘效东等(2014)、杨兴虎等(2016)、陈进等(2019)的研究结果一致，说明林分小气候主要受太阳辐射输入量和林分郁闭度影响(Gaudioetal.， 2017)。林火使林分遮荫效果被移除，火烧迹地恢复初期，到达地表的太阳辐射增加，空气温度和土壤温度较高。随恢复年限增加，林分郁闭度增大，林冠截留了部分太阳辐射，降低了风速和乱流传输，削弱了林内空气热量交换。同时，植被蒸腾散热效应逐渐增强，森林降温增湿效应增强。

森林小气候受植被盖度和季节变化影响(Meijideetal.， 2018)，森林对土壤温度的调节作用受乔木层、灌木层和草本层的遮蔽影响(徐明洁等， 2018)。本研究中各恢复年限兴安落叶松人工林6—8月土壤温度随土层加深而降低。9月是土壤温度从高温向低温转换的过渡时期，9月的5 cm深处土壤温度在恢复16、21和24 a时高于10 cm深处土壤温度，但其余年限低于10 cm深处(表3)，这是因为恢复3、13 a和对照样地的林分郁闭度较低(表1)，地表裸露，表层土壤温度降低迅速，在恢复16、21和24 a时，林分郁闭度逐渐增大(表1)，林冠层遮挡作用增大，林内热量散失和地表降温减慢(徐明洁等， 2018)，使9月的5 cm深处土壤温度高于10 cm深处。崔鸿侠等(2018)研究神农架华山松(Pinusarmandii)人工林土壤温度年变化发现，1—3和10—12月土壤温度随土层深度增加而升高，4—9月土壤温度随土层深度增加而降低。

4.2 植被恢复过程中小气候因子日变化

土壤温度日变化通常可利用正弦或余弦函数描述(邵明安等， 2006)，本研究中各恢复年限兴安落叶松林土壤温度日变化呈正弦曲线(图3)，空气温度日变化呈倒“U”字型(图1)，空气相对湿度日变化呈“U”字型(图2)，与欧阳旭等(2014)得到的鼎湖山针阔叶混交林空气温湿度和土壤温度日变化规律一致，空气温湿度最高值、最低值出现时间与黄河三角洲白蜡(Fraxinuschinensis)人工林接近(王霞等， 2017)。植被恢复过程中空气最低温、最高温出现时间比土壤最低温、最高温出现时间早，空气温度日较差大于土壤温度日较差(图1、2)。这与蒋丹丹等(2015)、Dodonov等(2019)的研究结果一致，空气温度对太阳辐射强度的敏感性高于土壤温度，土壤温度变化比空气温度有一定的滞后性。

随着恢复年限增加，空气温湿度、土壤温度的日较差逐渐降低(图1、2、3)，与付为国等(2006)、屈振江等(2015)的研究结果一致。这不仅有利于土壤微生物繁殖，促进土壤有机质分解，还促进植物种子的存活和萌发，为植物生长提供稳定环境，由此可见，温度环境随着森林恢复向着更有利于植物生长及演替的方向发展。对照样地空气温湿度日较差低于各恢复年限兴安落叶松林(图1、2)，这是因为对照样地地表肉眼可见有大量黑色物质(灰分、黑碳等)，既利于白天吸收更多太阳辐射，有利于夜晚气温降低时起到保温作用。黑碳是森林不完全燃烧的产物，富集在表层，然后通过土壤动物、水等作用淋溶至下层(孙金兵等， 2017)。与燃烧产生的灰分不同，黑碳可在土壤中存留上百年(Birdetal., 2015)。由于黑碳自身的吸附性、比热容等物理性质，在一定程度上影响了土壤水热条件(李攀等， 2013)。在各恢复年限兴安落叶松人工林土壤中，没有发现明显碳黑层，徐嘉晖等(2017)指出冻融循环能粉碎黑碳颗粒，加速黑碳在土壤中的垂直迁移。由于林分类型、火烧强度不同，火烧迹地土壤的黑碳量存在差异(王玉哲等， 2018)，应进一步研究土壤黑碳对火烧迹地水热因素的影响。今后研究中需结合土壤中黑碳含量及分布、土壤湿度、光合有效辐射和风速等开展研究，并延长观测季节，探讨全年林内小气候变化。

5 结论

在重度火烧迹地经不同恢复年限的兴安落叶松人工林，随恢复年限增加，林内空气和土壤温度逐渐降低，空气相对湿度逐渐升高，森林小气候变的更为荫凉潮湿，森林对土壤温度的调节作用大于对空气温度的调节作用。随着恢复年限增加，林内空气温度、空气相对湿度、土壤温度的日较差逐渐减小，森林小气候的波动性减弱，稳定性增强。人工种植兴安落叶松林能够发挥调节小气候的功能，改善林火对森林小气候的干扰。