森林生态系统碳循环研究已成为全球气候变化研究的焦点之一。森林的碳循环包含着复杂的生理和物理过程, 主要包括树木的光合与呼吸作用, 土壤温度和空气温度对这些过程具有重要影响, 例如, 土壤呼吸占整个森林生态系统呼吸的40 %~ 80 %(Raich et al., 1992), 一般认为土壤呼吸强度与浅层土壤温度呈指数关系, 所以浅层土壤温度成为该领域研究的一个重要指标(Anthoni et al., 1999; Hollinger et al., 1994; 吴家兵等, 2003; 关德新等, 2004; 于贵瑞等, 2004), 而森林冠层气温是决定树木光合作用和其他生理活动的重要环境因子(胡新生等, 1996; 1997;何维明等, 2003)。

我国学者进行了不同森林的温度观测(王正非等, 1985; 常杰等, 1999; 吴家兵等, 2002; 林永标等, 2003; 孟祥庄, 2004; 潘刚等, 2004), 但多是短期的观测结果, 由于财力和环境条件所限, 进行森林内长期连续的气象观测还有一定的困难, 但全国气象系统县级以上的观测站是很普及的, 利用这些气象站的资料估算所辖区域的森林土壤温度和空气温度将是有效途径之一, 特别是利用历史气候资料重建临近区域过去的森林小气候系列, 对研究森林碳收支的历史具有重要意义。国外学者曾经进行森林土壤温度的预测研究(Palagin, 1976; Bocock et al., 1977), 但依然都是短期观测结果。

本文拟利用长白山红松针阔叶混交林内观测的小气候资料和附近气象站同步观测数据, 建立以气象站资料推算附近森林温度的经验方法, 为森林生态系统的碳循环和其他生态学研究提供基础。

1 研究地概况与资料来源

长白山红松针阔叶混交林(41°41′—42°25′E、127°43′—128°17′N)地势平缓, 属季风温带大陆山地气候。林区四季分明:春季干旱, 夏季短且温暖湿润, 秋季凉爽, 冬季漫长且寒冷。

森林温度观测在中国科学院长白山森林生态系统定位站1号标准地的红松针阔叶混交林内进行(海拔738 m)。林下土壤为山地暗棕色森林土, 乔木为红松(Pinus koraiensis)、椴树(Tilia amurensis)、蒙古栎(Quercus mongolica)、水曲柳(Fraxinus mandshurica)、色木(Acer mono)。林分为复层结构, 平均株高26 m, 立木密度560株·hm^-2, 总蓄积量380 m3·hm^-2, 郁闭度0.8, 下木覆盖度40 %, 年凋落物量4.2 t·hm^-2(李雪峰, 2005)。土壤温度观测由森林小气候自动观测系统完成, 土壤温度探头设置2个重复(105T和107T, Campbell, USA), 放置于林地5和20 cm深度的土壤中, 冠层气温探头(HMP45C, Vaisala, Finland)设置高度分别为2.5、8、22和26 m, 观测数据直接传输到数据采集器(CR23X, Campbell, USA), 原始采样频率为0.5 Hz, 在数据采集器中进行30 min平均后存储, 并通过与数据采集器相联的微机进行下载。

气象站资料来自于中国科学院长白山森林生态系统定位站气象观测场的地面观测。观测场位于1号标准地东部约1 km, 周围数十公里内地势平缓。观测场按国家基本气象站标准设计:南北长35 m, 东西长25 m, 均质草皮地面, 四周20 m距离内天然林保持在2 m以下, 外围林分高3 ~ 6 m, 所在地区为大范围的天然红松针阔叶混交林。土壤温度观测由气象站小气候自动观测系统(AMRS -I)完成, 按照《地面气象观测规范》, 探头(HBW-2)放置于1 m×1 m面积的裸土下5和20 cm处, 气温探头(HTF -1)高度为1.5 m, 观测数据直接传输到数据采集器(DT -500), 原始采样频率为0.5 Hz, 在数据采集器中进行60 min平均后存储, 用笔记本电脑与数据采集器相联进行数据下载。

2 推算方法

以2002年10月1日到2003年9月30日的资料为建模系列, 此期间气象站气温与5 cm土壤温度及林地5 cm土壤温度日平均值的周年动态如图 1所示, 图中还绘出了气象站观测的雪深。3个温度相比较, 气温波动最大, 气象站5 cm土壤温度的波动大于林地同深度的土壤温度。根据林地和气象站地温的变化特点, 并考虑雪覆盖, 推算林地温度时划分4个时间段, 即覆雪期、融化期、升温期和降温期(如图 1所示), 覆雪期林地和气象站均有雪覆盖, 但由于林地有林冠和枯落物遮蔽, 地温高于气象站裸地, 在降温剧烈的2002年12月11日相差7 ℃, 在降温比较剧烈的2003年1月7日相差4.6 ℃。融化期是指气象站积雪融化后林内浅层地温有一段恒温期, 保持在0 ℃附近, 持续15 ~ 25 d, 而此时的气象站地温上升很快。升温期是地温上升的阶段, 达到年最高值的日期结束。以后为降温期, 直到下一个雪覆盖, 开始新的年度循环。各时段开始和结束日期详见下文。森林内气温动态不划分时段, 而根据观测高度进行分析。

2.1 浅层土壤温度日平均值的推算方法

以气象站地温为横坐标, 林地同深度土壤温度为纵坐标, 根据建模系列得到图 2所示的两个深度(5, 20 cm)地温日平均值的相关图, 上述4个时段的具体划分及其温度推算模型如下。

1) 覆雪期    根据气象站雪深判定其开始和结束日期, 对于5 cm深度的温度推算, 该期的开始日以积雪深度首次超过5 cm后第5日开始计, 对于20 cm深度的温度推算则再延续10 d开始计, 结束日取为气象站积雪融尽的日期。本期内林地5 cm和20 cm土壤温度与气象站同深度地温较好地符合如下关系:

(1)

(2)

其中T_sf与T_s分别表示林地和气象站土壤温度, 下标5和20表示土壤深度(cm), n为该期的日序, 指数项是为了弥补覆雪期与上一时期(降温期)末之间推算值的突变而增加的订正项。

2) 融化期    起始日取为气象站积雪首次融尽的日期, 持续时间与温度、积雪等气象因子有关, 用如下经验方程判定5 cm深度融化期结束日:

(3)

式中∑T_s为本期起始日开始计算的地温积温, ∑H为本期内积雪融尽后再次降雪的累计(cm), 均以日为时间单位进行计算, 满足上式的首日即为该期的结束日。20 cm深度的结束日比5 cm深度的延后10 d。本期内T_sf与T_s无关, 保持恒温:

(4)

(5)

3) 升温期    即林地土壤温度与气象站地温同时增温的时期, 融化期结束后即开始, 结束日取8月15日。Tsf与T_s符合线性关系:

(6)

(7)

4) 降温期    即林地土壤温度与气象站地温同时降温的时期, 8月15日开始, 结束日期按如下方法确定, 对5 cm深度一直到积雪深度达到5 cm为止, 20 cm深度则再延续10 d。本期内T_sf与T_s符合线性关系:

(8)

(9)

以上的定量关系即为推算森林土壤温度的经验模型。

2.2 空气温度日平均值的推算方法

森林空气温度T_af与气象站百叶箱空气温度T_a0(高度1.5 m)符合线性关系(与季节无关):

(10)

式中:a、b为经验常数, 不同高度的取值如表 1, 可以看出各高度的a值变化不大, 在0.965 ~ 0.968之间, b值在林冠下随高度增加略有上升(2 ~ 8 m), 冠层内(22 ~ 26 m)变化不大。

3 推算结果的检验

利用上述方法对2003年10月1日至2004年年底的森林地温和气温进行了推算, 图 3为地温的推算结果与实际观测值的对比, 其中图 3(a、b)为时间动态图, 可以看出, 降温期和覆雪期的推算结果较好, 其中2004年底的20 cm土壤温度估计偏低些。升温期的推算值误差相对较大, 如2004年4月18 —20日气象站地温突现短暂的高值, 对这样较极端的情况推算模型会给出偏高的估计, 而同期林地地温的上升则缓慢, 同样, 突然的降温事件出现时推算值会偏低。图 3(c、d)为坐标对比图, 横坐标为观测值, 纵坐标为模型推算值, 直线表示推算值与观测值相等, 5和20 cm土壤温度推算值与观测值的相关系数R²分别为0.968和0.973。

图 4为林内气温的推算结果与实际观测值的对比, a、b、c和d分别为2.5、8.0、22.0和26.0 m高度的坐标对比图, 可见其推算效果比地温的要好, 4个高度的推算值与观测值的相关系数R2分别为0.997、0.995、0.991和0.988。

4 讨论

根据长白山红松针阔叶混交林和附近气象站周年数据的分析发现, 森林的气温和浅层地温可以用气象站对应观测数据的线性函数来推算, 覆雪期林地浅层地温可用气象站同深度地温的线性函数与覆雪日数的指数函数之和来推算, 利用15个月的观测数据验证结果表明, 这种经验方法可以较好地推算出附近森林气温和浅层地温的日平均值, 相关系数在0.96以上。该方法可用于推算无森林小气候观测的森林浅层土壤温度和气温, 对森林碳循环研究和森林生态分析有实用意义。

该推算模式是根据气象站和森林内长期观测系列的经验关系建立的, 反映了两个观测点温度季节变化的相关关系, 对数日内温度波动的敏感性不高, 要提高该敏感性, 还需要通过较长时间系列资料的统计分析对模型加以订正。

本文的推算公式是在长白山森林地区建立的, 在其他地区的适用性和精度有待验证。模式的经验系数会随着森林的结构特征、气候和土壤等因素的不同而有变化, 要使模式具有普适意义, 需要将以下因素的影响纳入推算模式中。

1) 森林冠层叶面积    叶面积越大, 透射到林地的太阳辐射越小, 林地土壤温度与气象站土壤温度差异越大, 反之, 叶面积越小, 二者差异则越小。

2) 林地覆盖物    包括草本叶面积、凋落物量、雪深等。草本叶面积与冠层叶面积具有相同的作用。凋落物和雪层既能阻挡太阳辐射能向土壤传输, 也能减弱土壤夜间的辐射冷却, 具有抑制土壤温度日振幅的作用。

3) 土壤物理性质    包括孔隙度、水分含量等。由于空气是热的不良导体, 土壤孔隙度越大, 其热传导率越小, 升温和降温的速度越慢; 由于水的热容量大于土壤颗粒, 所以土壤含水量越高, 土壤的升温和降温速度也越慢。

4) 气候    通过制约森林植被类型决定森林的结构, 如湿润的热带地区以常绿森林为主, 叶面积的年变化较小, 而温带地区落叶林较多, 叶面积的年变化较大。

5) 地形    主要通过影响太阳辐射而影响温度, 例如阳坡接受的太阳辐射较阴坡多, 气温和土壤温度较阴坡高。

这些影响规律的量化需要大量的观测和实验数据, 随着森林小气候观测站的增多, 该推算方法的研究将进一步深入, 模型也将日臻完善。