土壤作为森林生态系统的子体系，是林木扎根并赖以生存的基础，也是土壤微生物一切生命活动的场所。因此，有关土壤养分、水分及其土壤物理结构特征等方面的研究报告颇多(王政权等，2000；张合平等，1997)。但是有关森林土壤的热状况，以及林木采伐后对土壤热状况影响的研究报导很少(康文星等，1989；刘煊景等，1993)。本文在获得采伐前连续3年和采伐后连续3年的观测数据的基础上，就杉木人工林生态系统土壤的热状况各因子之间，土壤各组成成分对热状况的单一或组合效应，以及皆伐这种人为强烈干扰对土壤热状况的影响进行了剖析。其目的是将具有传统经营特色的杉木人工林系统的能量平衡、养分循环及生产力研究，与环境因子、生态因子的动态变化紧密结合起来，进行全面综合系统分析。

1 试验地概况

该项研究是在国家重点野外科学观测试验站——会同站进行的。地理位置为26°50′N，109°45′E，海拔300~500 m，相对高度150 m以下。属中亚热带湿润气候区，年平均温度16.8℃，年相对湿度80%左右，年降水量为1 200~1 400 mm。本区地层古老，以震旦纪板溪系变质板岩、页岩为主。风化程度甚深，土壤为中有机质厚层山地森林黄壤，地貌为低山丘陵。本项研究在会同生态站第3号集水区进行，集水区面积1.9973 hm²，全为人工营造的杉木人工林。1987年皆伐时，林龄22 a，平均树高16 m，平均胸径15.5 cm，密度2 160株·hm²。林下代表性植物有杜茎山(Maesa japonica)、柃木(Furya japonica)、狗脊(Woodwardia japonica)。

2 研究方法 2.1 土壤温度的测定

在集水区林内设立小气候观测站，逐日测定地表及地下各层土壤温度。

2.2 土壤物理性能的测定

用环刀法测定各层土壤密度，应用排水称重法原理，用比重瓶法测定土壤颗粒密度。

2.3 土壤含水量

每月2~3次，用烘干恒重法测定各层土壤含水量。

2.4 土壤组合

采用容积百分数表示土壤中固、液、气三相结合状况，因为它能科学地表达容重变化较大的含水量，又能了解孔隙度被水分充满的程度。根据集水区各层土壤颗粒密度，土壤密度和重量含水量，可用下面公式：V_c=S·d×100%，V_s=d/D×100%，V_a=1-V_c-V_s，P=(1-d/D)×100%，式中：S为土壤含水量，d为土壤密度，D为土壤颗粒密度，V_c、V_s、V_a分别为土壤组合中固、液、气三相的各自百分比，P为土壤总孔隙度。

集水区密度、颗粒密度和土壤总孔隙度见表 1，各层土壤组合中固、液、气三相的百分比见表 2。

2.5 土壤容积热容量

由于易变多相物质组合的不均一性，因此，要想得到土壤恒定的比热是不可能的。为了研究这个问题，一般都是以土壤各组分构成性质为基础，求得整个土壤容积热容量，即：

(1)

式中：P_c为土壤容积热容量，θ_i为土壤i组合量, P_ci为i组分容积热容量。

根据De.wries(1963)提供的土壤各组份容积热容量数据，结合(1)式就有(2)式计算各层土壤的容积热容量，结果如表 3所示。

(2)

式中：Δs为土壤有机质容积热容量修正值。

2.6 土壤热扩散率

至今为止，测定土壤热扩散率的方法是从热传导的物理过程中，将热扩散率推导出来。当介体吸收热量时，随着热量的通过，在任一给定点上的温度都随时间而变。不难证明，介体温度上升速率可以由以下微分方程给定：

(3)

式中dθ/dt为介体温度的上升速率，θ为温度值，t为时间，α为热扩散率，Z为土壤深度。

对方程(3)有很多可能的解，选用哪一个需视所要解决的特殊问题而定(Carslaw et al., 1959)。假定介体是半无限的，并有均匀的热扩散率，则从方程(3)解出的在土壤深度Z处，在时间刻t时的温度θ_z·t的适宜解是：

(4)

式中θ_a为日平均温度，A为温度波动的上下振幅，f为每天温度波动的周次，C=(πf/α)^-1/2

用每天测得的地表及土深5、10、15和20 cm的日平均温度和平均日变振幅，并假定每厚度为5 cm土层内的热扩散率是均匀的，可根据(4)式求出实验集水区各层土壤的热扩散率，结果列于表 4中。

2.7 土壤导热率

这里仍采用热传导方程，推算出土壤的导热率λ：

(5)

(4) 式与(5)式都是热传导方程，只不过其中的参数因子不同。对照(4)式与(5)式，不难发现：

(6)

根据已计算得到的P_c和α，通过(6)式可得出各层土壤的导热率(见表 5)。

3 结果与分析 3.1 土壤组合

从表 2看出，集水区土壤的三相组合中，固相是最为稳定的，土壤水分因气候等其它因素变化而最易波动，而它占土壤孔隙的变化，又改变着土壤空气组合的比例。土壤水分的年变化与大气降水的年分布密切相关，因此，土壤水分和空气的互变，也与降水的年分布一致。表 1、2还表明，无论杉木林采伐与否，集水区0~20 cm土层的三相组合，即随土层深度增加，固液态组分比依次递增，气态比逐渐下降。从表 2还看出，杉木林采伐后的迹地土壤中固相组合比采伐前增大。林木采伐时，树木的倒下，搬运林木的拖运以及人为践踏等使表土层更加紧实，即土壤密度增大，总孔隙度减少。但是，采伐过程对土壤的挤压作用，只能影响到20~30 cm深土层，如表 2中，15~20 cm土层，采伐后的固态百分比只比伐前增加0.5%。此外。由于林木采伐后，减少了因林木蒸腾对土壤水分的消耗，土壤液相组合比也增大，土壤的气相组合比，0~5、5~10、15~20 cm土层则分别减少了17.7%、19.8%、20.0%，表明采伐后土壤的通气条件比采伐前差。

3.2 土壤容积热容量

土壤的容积热容量取决各组份的组合状况。表 3表明，集水区0~ 20 cm深土壤容积热容量的年变化与土壤组合液相比的年变化相符。这显然是因为同一土层内固相的组合比在短期内是不会发生变化的，该组分的容积热容量也不会发生变化。液相组合比随降水量的多少而变动，其组分的容积热容量也随之波动。可见，在同一土层内对土壤容积热容量影响最大的是土壤含水量。

随着土层深度的增加，土壤容积热容量逐渐增大。显然，土壤容积热容量这种空间分布规律与土壤水分有关，更多的是不同层次土壤密度的变化。这表明在对土壤容积热容量的贡献上，固态物质的作用是不容忽略的。相对而言，气态物质对土壤容积热容量贡献非常小，可把气相比排除，其误差不会很大。从表 3看出，林木采伐后，集水区0~5、5~10、10~15和15~20 cm各土层的容积热容量比采伐前分别增加了7.1%、10.8%、14.2%和13.5%。采伐过程中对表土层的压实作用，增大了土壤固相组合比；失去了植物蒸腾对土壤水分的消耗，土壤中的液相比也增大，因此，土壤的容积热容量也增加。可以推断，采伐后集水区各层体积相等的土壤温度每升高1℃所需的热量比采伐前多。

3.3 土壤热扩散率

从表 4看出，集水区土壤热扩散的年变化中，雨季几个月热扩散率较大；干旱季节，热扩散率较小，表明了土壤含水量对热扩散率的影响作用。各层土壤热扩散率以0~5 cm土层为最低，随着土层深度增加，扩散率呈增大趋势。因为表土层有机质含量较多，土壤微生物活动频繁，使表层土壤颗粒变小，结构疏松，气态组分增大，其绝缘效应，极大地降低了热扩散效率。随着土层加深，土壤容重增大，固液相组合比增大，孔隙度变小，绝缘效应减少，因而使热扩散率上升。林木采伐后，集水区0~5 cm土层的土壤热扩散率显著增大，由伐前平均0.07×10^-6·m^-2s^-1增加到0.15×10^-6·m^-2s^-1，增加了1倍多。其它层次的热扩散率也都有增加，但相对0~5 cm土层，增加的幅度很小。采伐过程中，使0~5 cm土层更加紧实，土壤容重增加，土壤孔隙度减少，其绝缘效应也减少。可见，林木伐倒、搬运及人为的践踏作用，对0~5 cm土层的热状况的影响是深刻的。热扩散率是考虑了热容量的一个参数，也是决定温度衰减速率的重要指标。从集水区土壤扩散率可以看出，0~5 cm土层温度振幅衰减迅速。其它层次缓慢许多。这意味着表土层的年、日温度波动甚为激烈，5cm以下土温变化平稳。

3.4 土壤导热率

从表 5看出，集水区土壤导热率在雨季较高，旱季的月份较小。当大气降水进入土壤，土壤水分代替空气时，提供了土壤颗粒之间的桥梁。尽管水的导热率较低，但是比空气的导热率还是要大，这就是土壤在雨季中导热率升高的原因。集水区土壤导热率的空间变化是随着土层深度增加、导热率逐渐增大。在土壤的三相组合中，以固相导热率为最高。因此，导热率随容重增大而增大。在0~5 cm土层中，孔隙度比其它土层大，存在于孔隙中的空气也就多，空气这种不良导体，大大地降低了导热效应，使得0~5 cm土层的导热率比其它层次低许多。杉木林采伐后，各层土壤的导热率相应比采伐前增加。导热率决定着热量传递的速率，因此，热量在0~5 cm土层传递缓慢，5 cm以下土层传递加快这种性质，不仅缓冲了地表温度对下层土壤的影响，而且也限制了土壤热量向地表传递的速率，从而缓冲了外界环境对土壤系统的干扰，保证了土壤系统内的平衡。

综上所述，土壤结构和土壤各组成成分深刻地影响着土壤热状况，但对土壤热状况的某一因子而言，各组份的影响效应不同，尤其各组分之间的相互作用，使热扩散率和导热率变化更为复杂，因此，要估价任何一种土壤结构或组分的单一效应是困难的。

4 结语

杉木林集水区土壤容积热容量在时间上的变化为土壤含水量所制约，随着土层深度增加，热容量增大，在热状况各因子中，热容量是较稳定的因子。集水区土壤热扩散率和导热率在时间上的变化是不稳定的，且0~5 cm土层比其它土层少许多。这是由于该层土壤微生物的作用使气态组分增大所致。杉木林采伐后，集水区各层土壤的热状况发生变化，尤其是0~5 cm土层。林木的倒下、搬运及人为的践踏作用，改变了表土层的三相组合比，导致了土壤热状况的变化。土壤结构和土壤组分深刻地影响着土壤热状况，但对土壤热状况某一因子而言，各组分间的相互作用，使热状况和导热率变化更为复杂。集水区0~5 cm土层导热率比其它土层低得多，热量在0~5 cm土层传递缓慢，5 cm以下土层传递加快，这样不仅缓冲了地表温对下层土壤的影响，而且也限制了土壤热量向地表传递的速率，保证了土壤系统内的平衡与稳定。