全 文 ：积雪对长白山阔叶红松林土壤温度的影响*
于小舟1,2 摇 袁凤辉1 摇 王安志1 摇 吴家兵1 摇 关德新1**
( 1 中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110016; 2 中国科学院研究生院, 北京 100049)
摘摇 要摇 2004—2007 年对长白山阔叶红松林林地进行遮雪试验,观测了有雪、无雪覆盖的森
林土壤温度和气温.结果表明:积雪对土壤温度变化有明显的缓冲作用,有雪覆盖减缓了土壤
温度的变化; 积雪对浅层(0 ~ 20 cm)土壤有较好的保温作用,随雪深的增加,保温作用增大,
雪深从 10 cm 增至 20 cm时保温作用的增幅最大,当雪深超过 30 cm时,保温作用的增幅不明
显; 融雪期土温经历 0 益左右的恒温期后缓慢上升,恒温期的持续时间主要由冬季的雪深及
其时间分布所决定.
关键词摇 阔叶红松林摇 雪摇 土壤温度摇 长白山
文章编号摇 1001-9332(2010)12-3015-06摇 中图分类号摇 S152. 8摇 文献标识码摇 A
Effects of snow cover on soil temperature in broad鄄leaved Korean pine forest in Changbai
Mountains. YU Xiao鄄zhou1,2, YUAN Feng鄄hui1, WANG An鄄zhi1, WU Jia鄄bing1, GUAN De鄄xin1
( 1 Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China; 2Graduate
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2010,21
(12): 3015-3020.
Abstract: A snow鄄shading experiment was conducted in a broad鄄leaved Korean pine forest in
Changbai Mountains from 2004 to 2007 to observe the soil temperature with and without snow cover.
Snow cover played an important buffering role in the change of soil temperature, namely, slowed
down the change process of soil temperature. The effect of snow cover on preserving soil heat was
quite obvious in shallow soil layer (0-20 cm), and enhanced with increasing snow depth. When
the snow depth increased from 10 to 20 cm, the effect enhanced significantly. However, when the
snow depth exceeded 30 cm, the increasing trend turned to indistinctive. In the period of snow鄄
melting, soil temperature kept around 0 益 for some time, and after then, increased gradually. The
length of the period keeping soil temperature around 0 益 was determined by snow depth and the du鄄
ration of snow cover.
Key words: broad鄄leaved Korean pine forest; snow; soil temperature; Changbai Mountains.
*林业公益性行业科研专项(200804001)、国家重点基础研究发展
计划项目(2009CB21101)和中国科学院知识创新工程重要方向项目
(KZCX2鄄YW鄄Q06鄄2鄄1)资助.
**通讯作者. E鄄mail: dxguan@ iae. ac. cn
2010鄄04鄄23 收稿,2010鄄09鄄30 接受.
摇 摇 气候变暖作为全球变化的主要表现之一[1-3],
已经成为不争的事实. 大气层中温室气体(主要是
CO2)的累积已导致全球平均温度逐渐升高.全球变
暖将引起冬季降雪时空分布格局的改变[4-7],在我
国青藏高原[8-10]、新疆[11]、祁连山[12]、天山西部[13]
及青海[14]等地近 50 年来的积雪深度监测结果也表
明,积雪年际变化的长期趋势与全球气温变化有显
著的相关性.积雪面积、深度和日数是表征积雪的重
要参数[15],这些参数通过对其他环境因子的影响,
进而对生物群落产生作用,某些植物群落可能因无
法适应气候变化而做适应性转移,甚至惨遭灭绝的
厄运,最终将导致生态系统格局发生改变[16-17] .
积雪对土壤温度的影响是其环境功能的重要指
标,然而由于冬季野外观测困难[18-21],国际上积雪
对土壤水热环境变化影响研究多采用数学模型进行
模拟[22-25],实测较少,目前我国在这方面的研究更
不多见.
长白山阔叶红松林作为典型的温带针阔叶混交
林生态系统,是全球变化研究中中国东北样带的东
部端点[26],在整个样带的研究中具有重要地位,其
结构和功能对该地区的生态系统健康有着重要影
响,在全球变化已成为全世界科学研究热点的背景
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 12 月摇 第 21 卷摇 第 12 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Dec. 2010,21(12): 3015-3020
下,全球变化对长白山阔叶红松林结构和功能的影
响及其对全球变化的响应研究倍受关注[27] .在气候
逐渐变化的条件下,降雪数量、起始时间及积雪的持
续时长可能发生较大改变,必将对土壤水热环境产
生影响,进而影响植被的生长和发育.本文利用长白
山地区 2004—2007 年野外近地面气温、0 ~ 100 cm
土壤温度和雪深的观测数据,分析了长白山阔叶红
松林内积雪对土壤温度的影响,以期为生态系统对
全球变化的响应与适应研究奠定基础.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 试验地概况
研究地点位于中国科学院长白山森林生态系统
定位站 1 号标准地(128毅4忆58义 N,42毅22忆54义 E,海拔
738 m).植被群落为演替顶极阔叶红松林,土壤为
暗棕色森林土,该群落结构复杂,主要树种有红松
(Pinus koraiensis)、紫椴 ( Tilia amurensis)、水曲柳
(Fraxinus manshurica)、白桦(Betula platyphylla)、色
木槭(Acer mono)、蒙古栎(Quercus mongolica)等,以
及种类繁多的下木及草本植物.试验地地势平缓,属
季风温带大陆山地气候,四季变化鲜明,夏季短且温
暖湿润,冬季漫长而寒冷,年均气温 3郾 6 益,年均降
水量 695 mm.
1郾 2摇 研究方法
在 1 号标准地气象观测塔附近设置两套土壤温
度传感器(105T 和 107T, Campbell, USA),分别埋
入 0、5、20、50 和 100 cm土壤深度,2003 年 1 月 1 日
至 2004 年 9 月 30 日两套传感器安装在并列深度,
2004 年 10 月 1 日将 105T 型传感器取出,埋入与
107T型传感器相距 8 m 的另一点,在每年降雪前
(10 月底至 11 月初)搭建一通风半透明遮雪棚(面
积 2郾 5 m伊2郾 5 m,高 1郾 5 m),在棚缘四周贴地面用
PVC板竖立成 0郾 5 m高的围墙,以防吹雪进入棚内.
通过两点土壤温度数据的对比,分析积雪覆盖对土
壤温度的影响,气温观测高度为 2郾 5 m(HMP45C,
Vaisala,Finland).所有温度数据连续自动观测,利用
数据采集器(CR23X,Campbell,USA)采集,原始采
样频率为 0郾 5 Hz,在数据采集器中进行 30 min 平均
后存储,通过与数据采集器相联的微机进行下载.
2004 年 11 月 1 日到 2007 年 3 月 31 日的雪深
资料采用长白山站气象观测场(1 号标准地东约 1
km)的人工观测数据,直尺测量每日 1 次并记录. 11
月中下旬到翌年 3 月下旬每日 0:00—23:30 每 30
min实测土壤温度,对土壤温度的逐日平均值与雪
深进行相关分析.利用 2003 年 1 月 1 日至 2004 年 9
月 30 日观测的土壤温度数据分析两套土壤温度传
感器的系统误差,发现两套传感器各土层温度的最
大差值为 0郾 1 益,平均差值为 - 0郾 04 益,可忽略
不计.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 长白山阔叶红松林雪深的年变化
由表 1 可以看出,2004—2007 年,研究区从 11
月下旬开始降雪,次年 3 月中下旬积雪融化,覆雪时
间基本保持 4 个月;1 月平均气温达到全年最低值,
最大降雪量和最大积雪深度发生在 2 月下旬至 3 月
中旬.长白山站 2004—2007 年雪深均值约 20 cm.
2004—2005 和 2006—2007 年最大雪深分别达 42 和
45 cm,远高于 1982—2003 年最大雪深的平均值(27
cm) [28],2005—2006 年最大雪深与多年平均水平相
当. 2004—2005 和 2005—2006 年冬季平均气温基
本相等,2006—2007 年略高.
2郾 2摇 长白山阔叶红松林积雪对土壤温度的影响
由图 1 可以看出, 2004—2005 年,与有雪处理
相比,降雪前(11 月 1 日—11 月 26 日)无雪处理相
同深度的土壤温度基本一致,0、5、20、50 和 100 cm
土壤深处,两者温差(有雪处理与无雪处理之差)平
均值分别为-1郾 4 益、-0郾 4 益、0郾 1 益、0郾 5 益、0郾 4
益 . 11 月 26 日降雪后,气温迅速下降,有雪和无雪
处理的土壤温度均随气温下降而降低,由于积雪深
度较小对土壤温度影响作用较弱,降雪后一周左右
两者差异并不大,但之后有雪处理各土层的土壤温
度均高于无雪处理,说明积雪对土壤有较好的保
温作用 ,在0和5 cm土壤深处 ,两者差值分别为
表 1摇 2004—2007 年研究区覆雪特征与气温
Tab. 1摇 Air temperature and snow鄄covering figure at the study area from 2004 to 2007
年份
Year
覆雪时间
Time of snow
cover (m鄄d)
覆雪日数
Days of
snow cover
平均气温
Average air
temperature (益)
平均雪深
Average snow
depth (cm)
最大雪深
Maximal snow
depth (cm)
雪深方差
Variance of
snow depth
2004-2005 11鄄26-03鄄22 116 -9郾 6 21郾 3 42郾 0 8郾 8
2005-2006 11鄄29-03鄄29 121 -9郾 8 19郾 9 29郾 0 4郾 8
2006-2007 11鄄15-04鄄03 140 -7郾 6 17郾 0 45郾 0 8郾 0
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6郾 7 益和 6郾 4 益,随土壤深度增加,差值逐渐减小,
100 cm土深的平均温差仅 1郾 3 益 (表 2),说明降雪
对较浅层土壤(0、5 和 20 cm)的保温作用较明显,
对深层土壤的保温作用不显著.
从时间动态看,不论有无积雪,试验地土壤温度
随气温变化的波动幅度随土壤深度的增加而减小,0
和 5 cm深度土壤温度的波动幅度较明显,20 cm 土
壤温度的波动不明显,到 50 和 100 cm深度时,土壤
温度曲线平滑,波动消失. 由表 3 可以看出,有雪覆
盖的表层土壤温度随气温的日变幅明显小于无雪条
件,说明地表积雪对土壤温度变化有很好的缓冲作
用.这是由于积雪具有较高的绝热能力,较大程度地
阻隔了土壤热量的散失,因此对土壤温度的变化有
很好的保温作用和缓冲作用,并且积雪融水下渗到
土壤中再次冻结的过程会释放大量热量,引起表层
土壤的增温,另外,由于积雪直接影响浅层土壤的热
量交换,所以积雪对浅层土壤的保温作用更明显.在
环境温度较低且变化幅度较大的冬季,可以采用堆
雪的方法以防止土壤的低温、保护植物根系免遭冻
害.
2郾 3摇 长白山阔叶红松林雪深对土壤温度的影响
雪深 0 ~ 10 cm时,有雪和无雪条件下土壤温度
差值很小,0、5、20、50 和 100 cm 土壤深处的差值分
别为 0郾 52 益、0郾 70 益、0郾 78 益、0郾 83 益和 0郾 67 益,
表 2摇 有雪和无雪条件下各深度土壤最大温差和平均温差
Tab. 2摇 Maximal and average soil temperature differences
between soil with and without snow
土壤深度
Soil depth
(cm)
最大土壤温差
Maximal soil
temperature difference
(益)
平均土壤温差
Average soil
temperature difference
(益)
0 6郾 7 3郾 4
5 6郾 4 3郾 3
20 5郾 3 2郾 9
50 3郾 1 1郾 9
100 1郾 8 1郾 3
表 3摇 有雪和无雪条件下各层土壤温度变化的平均日较差
Tab. 3 摇 Mean daily range of soil temperature in different
depths with and without snow
土壤深度
Soil depth
(cm)
有 雪
With snow
(益)
无 雪
Without
snow (益)
差 值
Difference
value (益)
0 0郾 32 1郾 23 0郾 91
5 0郾 14 0郾 80 0郾 66
20 0郾 05 0郾 30 0郾 25
50 0郾 04 0郾 14 0郾 10
100 0郾 04 0郾 13 0郾 09
图 1摇 有雪和无雪条件下不同深度土壤温度和气温的动态
Fig. 1摇 Dynamics of air temperature and soil temperature in dif鄄
ferent depths with and without snow cover (2004鄄11-2005鄄03).
Ta:气温 Air temperature; Ts:无雪土壤温度 Soil temperature without
snow; Ts *:有雪土壤温度 Soil temperature with snow; S:雪深 Snow
depth. 虚线表示覆雪的始末时间(2004 年 11 月 26 日和 2005 年 3 月
22 日) Dotted lines indicated the beginning and end dates of the snow
cover ( 2004鄄11鄄26, 2005鄄03鄄22 ) .
710312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 于小舟等: 积雪对长白山阔叶红松林土壤温度的影响摇 摇 摇 摇 摇
说明积雪厚度在 10 cm以下时,保温作用不明显;随
着积雪厚度的增加,有雪和无雪条件下土壤温度差
值逐渐增大,雪深 10 ~ 45 cm 条件下有雪与无雪土
壤温度差值极显著大于雪深 0 ~ 10 cm,说明当雪深
超过 10 cm时积雪对土壤的保温作用大幅增加(表
4).与 0 ~ 10 cm雪深相比,雪深 10 ~ 20 cm 时保温
作用的增加尤为显著,0、5 和 20 cm 土壤深处有雪
与无雪土壤温度的平均差值分别达 3郾 5 益、3郾 51 益
和 2郾 74 益,雪深 20 ~ 25 cm 时,有雪与无雪土壤温
度的平均差值仍然增大,但增幅明显减小,当积雪深
度超过 30 cm时,其增幅明显变小( <0郾 5 益),且各
深度的土壤温差均值无显著差异,据此可以认为,当
积雪深度达 30 cm时,雪对土壤特别是浅层土壤(0
和 5 cm)的保温作用不再随雪深的增加而增大.
摇 摇 2005—2006 年和 2006—2007 年冬季,有雪和
无雪覆盖的土壤温差表现出相似的变化趋势,但在
相同土壤深度、相同雪深条件下,年际间温差值出现
很大差别.如在 0 cm 土壤深度、雪深 10 ~ 20 cm 条
件下,2005—2006 年和 2006—2007 年有雪与无雪
土壤温差分别为 2郾 8 益和 0郾 9 益,这种差别产生的
主要原因在于年际雪深的时间分布和持续时间不
同,2005—2006 年冬季较深积雪(16 ~ 20 cm)的相
对持续时间(87郾 5% )比 2006—2007 年(26郾 2% )大
得多.
2郾 4摇 长白山阔叶红松林融雪对土壤温度的影响
从试验地融雪期间(2005 年 3—4 月)气温和浅
层(0 ~ 5 cm)土壤平均温度的动态变化可以看出,
积雪融化末期和融化后林内地温有一段恒温期,此
时段内气温在-10 益 ~ 5 益之间波动,但土壤温度
并不随气温的变化而波动,并恒定在 0 益附近,如果
以-0郾 2 益 ~0郾 2 益为土壤恒温期的温度指标,持续
时间为 15 d,如果以-0郾 5 益 ~ 0郾 5 益为指标,则持
续时间为 21 d,之后土壤温度才开始逐渐升高,并随
表 4摇 不同雪深条件下有雪和无雪土壤温度差的平均值
Tab. 4 摇 Average of soil temperature difference with the
snow depth between soil with and without snow cover(益)
雪深
Snow depth
(cm)
土壤深度 Soil depth (cm)
0 5 20 50 100
0 ~ 10 0郾 52a 0郾 70a 0郾 78a 0郾 83a 0郾 67a
10 ~ 20 3郾 56b 3郾 51b 2郾 74b 1郾 52b 1郾 14b
20 ~ 25 4郾 03b 3郾 92bc 3郾 42c 2郾 00c 1郾 33c
25 ~ 30 4郾 58b 4郾 50c 4郾 12d 2郾 61d 1郾 55d
30 ~ 45 4郾 61b 4郾 54c 4郾 17d 2郾 79d 1郾 64d
同列不同字母表示差异显著(P<0郾 05) Different letters in the same
column meant significant difference at 0郾 05 level.
图 2摇 融雪期间气温和浅层(0 ~ 5 cm)土壤日均温度的动态
Fig. 2摇 Dynamics of daily mean air temperature and soil temper鄄
ature (0-5 cm) in snow鄄melting period (2005).
图中箭头线标注的时段为土壤恒温期 Arrowed segment was the period
of constant soil temperature. Ta:气温 Air temperature; T:0 ~ 5 cm土壤
平均温度 Average of soil temperature (0-5 cm).
气温的变化发生较明显波动. 恒温期的存在是由于
雪融冷水向土壤渗入,且由于融水下渗造成土壤含
水量增加,引起土壤热容量增大,导致土壤升温较
慢.冬季降雪量及其时间分布以及太阳辐射、气温等
因素决定了融雪期的长短及土壤升温期的时间,影
响植物生长和发育的有效积温,进而对植物群落乃
至整个生态系统产生影响[29-30] .
3摇 讨摇 摇 论
积雪具有较高的绝热能力,很大程度上阻隔了
土壤热量的散失,因此对土壤温度的变化有很好的
缓冲作用和保温作用.本试验结果表明,有雪和无雪
处理的土壤最大温差可达 6郾 7 益,Pilon 等[18]野外
试验的最大温差达 10 益以上,这可能与试验地的积
雪时长、气候和土壤等因素有关[19-20] . 雪对土壤温
度的保温作用在一定范围内随雪深的增加而增大,
当雪深从 0 ~ 10 cm增至 10 ~ 20 cm时,保温作用的
增大表现得尤为显著,Pomeroy 等[31]研究结果显示,
15 cm深积雪对加拿大西北部地区松林土壤保温作
用的增加最明显. 在本试验中,当积雪深度超过 30
cm时,有雪和无雪处理土壤温度差的增幅小于 0郾 5
益,可以认为,此时雪对土壤的保温作用不再随积雪
深度的增加而增大. 在阿尔卑斯山地区和天山中山
雪岭云杉森林内的观测也得出相似规律[32-33] .
本文中积雪融化末期和融化后林内地温保持在
0 益附近将持续 15 ~ 25 d,基本在 4 月初开始缓慢
升温,气候特征、降雪量及其时间分布决定了融雪期
的长短及土壤升温期的时间.同一地区,由于地形条
8103 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
件不同,造成升温期存在差异,一般来说,山地阳坡
的升温期比阴坡来得早一些[34] .本试验地点在地势
平缓的长白山北坡,坡度在 2毅左右,在长白山地区
具有较好的代表性.
本文采用人工遮雪方法研究积雪对土壤温度的
影响.小面积遮雪对表层土壤温度变化的影响较明
显,而遮雪棚外侧积雪会对棚内深层土壤温度产生
影响,从而低估积雪对深层土壤的保温作用,遮雪面
积与温度影响深度的关系还有待进一步研究.
Koivusalo等[35]在对芬兰南部地区针叶林与森
林空地逐日积累及融化量的对比研究中发现,一方
面,林冠层对雪有一定的截留作用,使森林空地积雪
净积累量略高于林内,另一方面,森林空地更强烈的
积雪融化又使其积雪量比林内减小速度快,即尽管
森林空地的净降雪积累量高于林内,但同时更强烈
的融化过程在一定程度上削减和抵消了这种作用,
因此在森林空地与林内的净积雪量和年均最大积雪
量差异不大,这与 Troendle 等[36-37]的研究结果相
似.由于林内雪深观测较困难,故本文用试验地附近
气象观测场的雪深数据表征林内积雪状况.
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作者简介摇 于小舟,女,1984 年生,硕士研究生.主要从事生
态气候学研究. E鄄mail: yuxiaozhou07344001@ yahoo. com. cn
责任编辑摇 杨摇 弘
0203 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷