全 文 ：第 22卷　第 4期
2001年 12月
内 蒙 古 农 业 大 学 学 报
Journal o f Inner Mongo lia Ag ricultural Univ er sity
Vo l. 22　 No. 4
Dec. 2001
文章编号: 1009- 3575( 2001) 04- 0092- 05
寒温带杜香落叶松原始林土壤热量状况的研究
吕馨 1 ,　张明如 2 ,　霍然 2 ,　冯林 2 ,　王彩梅 3
( 1.　内蒙古林业勘察设计院 ,呼和浩特　 010021; 2.　内蒙古农业大学林学院 ,呼和浩特　 010019;
3.　清水河县林业局 ,清水河 )
摘要:　本文分析了杜香落叶松原始林内近地面气温、近地面净辐射、土壤热通量和地温等因子在生长季的变化 ,
说明土壤热量状况的变化规律以及冻土的最大可融化深度对森林植物根系特别是对林木根系生长的影响。
关键词: 　杜香落叶松 ;　土壤热量 ;　寒温带 ;　冻土 ;　原始林
中图分类号: 　 S714　　文献标识码:　 A
STUDIES ON THE SOIL HEAT CONDITION
OF LEDUM- LARIX GEMLINI VIRGIN FOREST IN
COLD TEMPERATE ZONE OF INNER MONGOLIA
LU Xin,　ZHANG Ming- ru,　 HUO Ran,　 FENG Lin,　WANG Cai- mei
( 1.　 Forestry Investig ating and Designing Institute of Inner Mongolia, Huhho t, 010020;
2.　 Forestry Co lleg e of Inner Mongolia Ag ricultural Univ ersity , Huhho t, 010019;
3.　 Fo restry Bureau o f Qingshui he County , Inne r Mongo lia )
Abstract: 　 The Changes of near g round temperature、 nea r g round pure radiation、 soil heat feux and g round
tempera ture of Ledum - Larix genl ini vi rg in fo rest in g rowing season w ere analy zed in the paper. The re-
sul ts show tha t the soi l heat and the depth o f the melted soi l af fected the g row th of plant ro ots, especially
the t ree roo ts.
Key words:　 cold Temperature Zone;　 Ledum - Larix virgin fo rest;　 soi l heat feux;　 f ro zen soi l
引　言
本文以根河林业局为研究地区。根河林业局位于大兴安岭北部 ,海拔 700m～ 1 300m,坡度 15°。本区属
寒温带湿润森林气候 ,冬长夏短 ,年平均气温 - 5. 5℃ , 1月份气温最低 ,极端最低温度 - 49. 6℃ , 7月份最高
温度可达 35℃ ,≥ 10℃的积温为 1 332℃ ,年均降水量 424mm,无霜期约 71. 5d。棕色针叶林土是根河地区典
型的土壤类型 ,永久冻土是棕色针叶林土的重要特征 ,又是它的重要形成条件。根河地区以北是连续的永久
性冻土区 ,从根河以南到大兴岭南部是岛状冻土区。土壤表层有较厚的枯枝落叶层 ,达 5cm～ 8cm。 A层一般
在 10cm左右。腐殖质含量 10% ～ 30%土壤 pH值为 4. 5～ 6. 5。根河地区的植被属寒温带针叶林 ,主要为兴
收稿日期: 　2001- 07- 11基金项目: 　国家林业局生态定位研究资助课题作者简介: 　吕馨 ( 1959— ) ,男 ,工程师 ,从事森林生长量及森林防火等的研究 .
安落叶松林 ,由杜香落叶松林和杜鹃落叶松林组成。 阔叶林主要由岳桦林、白桦林、山杨林、甜杨林和钻天柳
林组成。灌木有杜香、越桔和兴安杜鹃等 [1 ]。杜香落叶松林群落的垂直结构分化为 3层 ,乔木层由兴安落叶松
构成 ,灌木层由狭叶杜香构成 ,盖度 0. 8,草本由常绿阔叶草本植物红花鹿蹄草、七瓣莲构成 ,局部地段盖度
0. 3,苔藓层极发达 ,由沼泽皱蒴藓、赤茎藓构成 ,盖度 0. 9以上。林地表部分地段有积水 ,土层瘠薄 [ 3]。本文将
以大兴安岭北部根河林业局范围内的杜香落叶松原始林为对象 ,通过对其林内近地面气温 ,近地面净辐射 ,
地温和土壤热通量因子的定位定时测定 ,分析大兴安岭寒温带针叶林区落叶松原始林土壤热量状况 ,土壤融
化深度及其对森林植物根系生长有效空间的影响。
1　研究方法
1. 1　数据采集
1. 1. 1　林内小气候　在杜香落叶松原始林内设置 1座 32m高的观测铁塔 ,从林地表向上观测空气温度、相
对温度、总辐射和净辐射等。观测数据为 1996年年度 ,观测期间从 6月 1日开始到 9月 30日为止。
1. 1. 2　土壤温度　采用曲管地温表在距土表 5cm、 10cm、 20cm、 40cm和 80cm的深度测定土壤温度。 白天
( 6: 00至 20: 00)每隔 1h记录 1次 ,夜间 ( 20: 00至次日晨 6: 00)每隔 2h记录 1次。
1. 1. 3　土壤热通量　将 4个土壤热流板放入距土表 10cm深处。白天 ( 6: 00至 20: 00)每隔 1h记录 1次 ,夜
间 ( 20: 00至次日晨 6: 00)每隔 2h记录 1次 ,全年观测从 6月 1日开始到 9月 30日止。
1. 2　数据分析
1. 2. 1　原始数据处理　利用《森林小环境监测数据处理系统》计算杜香落叶松原始林内近地面气温、近地面
净辐射、土壤热通量和地温的日平均值、月平均值和生长期平均值以及近地面净辐射和土壤热通量的日总
量、月总量和生长期总量。
1. 2. 2　图表处理　利用中文 Microsof t　 Excel制作土壤热通量、地温、近地面气温和净辐射的相关图表。
2　结果分析
将植物生长期分为初期、盛期和末期 ,从 6月到 9月各选 5d,分别为每月的 1日～ 5日。分析净辐射、土
壤热通量、土壤温度 ,近地面气温等观测项目的昼夜、铅直和生长期的变化规律。
2. 1　近地面净辐射的变化
净辐射是指某一作用面或作用层辐射能收入和支出之差 ,即一切辐射的净通量。 在森林生态系统中 ,净
辐射是供给蒸发和蒸腾、土壤和空气的热通量交换、以及光合作用的有效能量源泉 [4 ]。在杜香落叶松原始林 ,
近地面净辐射受到林冠郁闭度 ,林分密度等因素的影响而发生变化 ,地温也因近地面净辐射的影响而发生变
化。
2. 1. 1　净辐射的月总量　由图 1可知 , 6月份的净
辐射总值为 177. 4kw /m2 , 7月份为 176. 9kw /m2 , 8
月份为 147. 9kw /m2 , 9月份为 43. 0kw /m2 ,由于全年
的降水量大部分集中于 7月、 8月而使净辐射值减
少 , 9月份则由于日照的缩短 ,净辐射值最低。所以从
6月份到 9月份杜香落叶松对林内近地面净辐射逐
月降低。
2. 1. 2　净辐射日变化　由表 1可知每月 5日的近地 图 1　 1996年杜香落叶松原始林内净辐射月值比较
面净辐射日总量变化序列为> 65 821. 0w /m2 ( 6月 5日 )> 59 638w /m2 ( 8月 5日 )> 28 484w /m2 ( 7月 5日 )
> 18 340w /m
2
( 9月 5日 ) ;则 5d近地面净辐射平均值大小顺序 6月份 ( 54 533w /m2 ) > 8月份 ( 407 590w /
m
2 )> 7月份 ( 34 851w /m2 )> 9月份 ( 20 358w /m2 )。
93第 4期　　　　　　　　　　吕馨等: 　寒温带杜香落叶松原始林土壤热量状况的研究
表 1　 1996年杜香落叶松原始林净辐射日总量　　 ( w /m2 )
日期 净辐射 日期 净辐射 日期 净辐射 日期 净辐射
6月 1日 59 130 7月 1日 56 968 8月 1日 47 730 9月 1日 14 340
6月 2日 31 691 7月 2日 31 658 8月 2日 10 165 9月 2日 19 258
6月 3日 64 395 7月 3日 27 867 8月 3日 53 442 9月 3日 22 592
6月 4日 51 738 7月 4日 29 278 8月 4日 32 820 9月 4日 27 261
6月 5日 65 812 7月 5日 28 484 8月 5日 59 638 9月 5日 18 340
平均 54 553 平均 34 851 平均 40 759 平均 20 358
2. 1. 3　近地面净辐射的昼夜变化　 6月、 7月、 8月和 9月各月第 ld的近地面净辐射昼夜变化 (表 2)表明 ,
白天 ( 6: 00～ 18: 00)随着太阳辐射的增大或减少近地面净辐射也增大或减少 ,但都为 正值 ,而夜间 ( 20: 00～
4: 00)由于总辐射为零 ,近地面净辐射值基本为负值。
2. 2　土壤热通量
在杜香落叶松原始林内 ,白天土壤表面吸收净辐射 ,一部分能量用于蒸发潜热通量 ,一部分能量用于与
空气乱流热交换感热能量 ,只有一部分借分子传导方式向土壤中传输热量即土壤热能量 ;夜间地表由于辐射
冷却 ,除由潜热能量和感热能量补偿一部分外 ,另一部分土壤热通量则从中向土表传输。可见土壤热通量与
净辐射有着密切的关系 [4 ]
2. 2. 1　土壤热通量日总量　土壤热通量反映了近地表层土壤热量的昼夜收支水平。由表 3结果表明在生长
初期和生长旺盛期 ,土壤热通量最大达 5 484. 3w /m2 ( 6月 5日 ) ,最小值为 847. 1w /m2 ( 8月 2日 )。而到了生
长末期 9月份 ,土壤热通量基本呈下降趋势 ,最大为 2 271. 8w /m2 ( 9月 4日 ) ,最小仅 1 195w /m2 ( 9月 1
日 )。
2. 2. 2　土壤热通量月总量　由图 2可知 , 6月份为
14. 8w /m
2 , 7月份为 14. 7w /m2 , 8月份为 12. 3( w /
m
2 , 9月份为 3. 6w /m2 ,可见土壤热量收支水平的大
小顺序为 6月> 7月> 8月> 9月。
2. 3　近地面温度变化特点
由于地面和大气层之间的辐射热交换是始终存
在的 [ 2 ] ,所以在净辐射和土壤热通量变化的同时 ,近
地面 (距地面 1m )的气温也相应发生变化。
2. 3. 1　近地面温度的月平均值　由图 3知 ,近地面
温度 6月平均值为 12. 6℃ , 7月为 17. 6℃ , 8月为
14℃ , 9月为 5. 7℃。表现为生长盛期在近地面气温最
高 ,生长初期次之 ,生长末期最低 ,近地面气温的此种
温度变化时间格局显然有利于林下植物和建群种幼
苗幼树的生长发育。
2. 3. 2　近地面温度的日平均值　由表 4可知 ,近地
面气温日平均值最大为 19. 9℃ ( 8月 5日 ) ,最小值为
表 2　 1996年杜香落叶松原始林净辐射昼夜值　 ( w /m2 )
6月 1日 7月 1日 8月 1日 9月 1日
00 - 0. 8 - 2. 0 - 11. 0 - 5. 0
02 - 1. 0 - 3. 0 - 8. 0 - 5. 0
04 2. 0 - 4. 0 - 8. 0 - 1. 0
06 10. 0 16. 0 1. 0 1. 0
07 32. 0 35. 0 18. 0 4. 0
08 44. 0 56. 0 38. 0 16. 0
09 58. 0 93. 0 92. 0 24. 0
10 200. 0 119. 0 78. 0 16. 0
11 48. 0 47. 0 86. 0 23. 0
12 200. 0 127. 0 96. 0 77. 0
13 132. 0 200. 0 65. 0 45. 0
14 42. 0 85. 0 187. 0 47. 0
15 40. 0 60. 0 61. 0 38. 0
16 149. 0 150. 0 62. 0 56. 0
17 22. 0 71. 0 43. 0 11. 0
18 35. 0 18. 0 25. 0 - 6. 0
19 - 4. 0 7. 0 4. 0 - 16. 0
20 - 13. 0 - 4. 0 - 2. 0 - 20. 0
22 - 15. 0 - 12. 0 - 5. 0 - 19. 0
3. 6℃ ( 6月 2日 )。在生长初期 ,昼夜气温最低值出现在午夜 22: 00～ 4: 00,气温最高值出现在午后 15: 00;在
生长旺盛期 ,昼夜气温最低值出现在凌晨 4: 00,气温最高值出现在 13: 00;在生长末期 ,昼夜气温最低值出现
在 2: 00时左右 ,气温最高值出现在午后 13: 00。总体上 ,生长初期气温最高值的出现滞后于生长旺盛期和生
长末期 ;而气温最低值出现早于生长旺盛期和生长末期。
94 内 蒙 古 农 业 大 学 学 报　　　　 　　　　　　　　 2001年
表 3　 1996年杜香落叶松原始林土壤热通量日总量　　 ( w /m2 )
日期 土壤热通量 日期 土壤热通量 日期 土壤热通量 日期 土壤热通量
6月 1日 4 927. 5 7月 1日 4 747. 3 8月 1日 3 977. 5 9月 1日 1 195. 0
6月 2日 2 640. 9 7月 2日 2 638. 2 8月 2日 847. 1 9月 2日 1 604. 8
6月 3日 5 366. 3 7月 3日 2 322. 3 8月 3日 4 453. 5 9月 3日 1 882. 7
6月 4日 4 311. 5 7月 4日 2 439. 8 8月 4日 2 735. 0 9月 4日 2 271. 8
6月 5日 5 484. 3 7月 5日 2 373. 7 8月 5日 4 969. 8 9月 5日 1 528. 3
平均 4 546. 1 平均 2 904. 3 平均 3 396. 6 平均 1 696. 5
图 2　 1996年杜香落叶松林内土壤热通量月值比较　　　　　图 3　 1996年杜香落叶松原始林近地面气温月值比较
表 4　 1996年杜香落叶松原始林内近地面气温日变化 (℃ )
日期 近地面气温 日期 近地面气温 日期 近地面气温 日期 近地面气温
6月 1日 15. 0 7月 1日 17. 9 8月 1日 16. 9 9月 1日 8. 80
6月 2日 3. 60 7月 2日 16. 2 8月 2日 13. 3 9月 2日 5. 30
6月 3日 8. 70 7月 3日 15. 3 8月 3日 17. 3 9月 3日 7. 50
6月 4日 11. 3 7月 4日 17. 3 8月 4日 16. 8 9月 4日 10. 3
6月 5日 15. 7 7月 5日 16. 1 8月 5日 19. 9 9月 5日 7. 90
平均 8. 06 平均 16. 65 平均 16. 84 平均 7. 96
2. 4　地温的变化特点
寒温带杜香落叶松林内土壤不同深度的温度状况是受许多因素影响的。 由于地面的长波辐射受地上植
被的阻挡。所以不同深度的土温不仅受到林冠层、灌木层、苔藓层和死地被层的影响 ,还受到土壤含水量高低
的影响 ;同时土温还受到土壤热量收入和支出多少的影响。
2. 4. 1　不同深度土壤温度的月变化　 6月、 7月、 8月和 9月不同深度土壤温度月变化。 (表 5)表明 5cm深
的地温最高值出现在 7月 6. 8℃ ,最低值出现在 9月为 2. 8℃ ; 10cm深的地温最高值出现在 8月为 4. 7℃ ,最
低值出现在 6月为 1. 0℃ ; 20cm、 40cm深的地温在生长初期为负值 ,生长旺盛期和生长末期地温逐渐升高并
最后维持在 1℃附近。 80cm的地温在观测期内 ( 6月～ 9月 )均为负值。
表 5　 1996年杜香落叶松原始林内地温各层月变化平均值表 (℃ )
日期 5cm 10cm 20cm 40cm 80cm
6月 4. 2 1. 0 - 1. 0 - 2. 4 - 3. 4
7月 6. 8 4. 3 0. 9 0. 5 - 4. 6
8月 5. 8 4. 7 1. 0 1. 0 - 4. 9
9月 2. 8 2. 4 1. 0 1. 0 - 5. 0
2. 4. 2　土壤温度的垂直变化　为了分析土温的垂直变化规律 ,对生长旺盛期内 7月 2日 (晴 )和 8月 2日
(雨 ) 1: 00时、 9: 00时、 13: 00和 19: 00时的各层地温值绘制成图 4和图 5。由图 4和图 5可知土温从 5cm到
80cm垂直变化方向始终呈下降趋势。
晴天 (图 4) 5cm深处 19: 00时土壤温度最高 , 9: 00时的土壤温度最低 ,说明土壤温度的最高和最低值的
出现都滞后与近地面气温的最高值和最低值。从 20cm开始各层地温保持在同一水平 ,并随着深度的增加而
降低。
雨天 (图 5) , 5cm的地温的最高值出现在 13: 00时 ,最低值出现在 19: 00时。从 10cm开始各层的土壤温
度基本保持不变。 但仍然体现垂直的变化规律。
95第 4期　　　　　　　　　　吕馨等: 　寒温带杜香落叶松原始林土壤热量状况的研究
图 4　 7月 2日土温变化图　　　　　　　　图 5　 8月 2日土温变化图
2. 4. 3　不同深度土壤温度的昼夜变化　生长旺盛期的 7月 2日的土温昼夜变化 (见图 6) ,表明地表 5cm深
的土壤温度的昼夜变幅最大。距地表 10cm深土壤温度最大值出现的时间滞后于距地表 5cm深土壤温度最
大值出现的时间。 随着距地表深度的增加 ,土温的日变幅不断减小。
表 6　 1996年杜香落叶松林内各层土壤温度月平均值 (℃ )
日期 5cm 10cm 20cm 40cm 80cm
6月 2. 42 - 0. 14 - 2. 04 - 3. 12 - 3. 75
7月 5. 81 2. 78 0. 62 - 0. 92 - 5
8月 5. 99 4. 72 1 1 - 5
9月 4. 71 4. 15 1 1 - 5
图 6　 7月 2日土温变化图
2. 4. 4　土壤的最大可融化深度　由表 6知 , 20cm和 40cm两层在生长初期 6月份一直为负值。进入生长旺
盛期 7月份 20cm土层的土温开始回升到 0℃以上 , 40cm土层的土温仍为负值。 8月份和 9月份 , 20cm和
40cm土层的土温回升至 1℃并开始保持不变 ,而距地表 80cm的土温基本恒定在 - 5℃ ,表明整个生长期融
化深度不会超过 80cm。 根据以上分析我们认为 50cm～ 60cm处是寒温带杜香落叶松林内土壤最大融化深
度 ,这就意味着 乔木树种根系垂直分布深度理论上不会超过 50cm～ 60cm ,由此推测乔木根系侧向生长相对
发达 ,冻土生境的林分密度应小于非冻土生境的林分密度。
3　结论
3. 1　在生长初期 ( 6月 )、生长旺盛期 ( 7月和 8月 )和生长末期 ( 9月 ) ,随着近地面净辐射的升高或降低 ,土
壤热通量也相应的升高或降低。
3. 2　杜香落叶松内土壤热通量在生长期间的大小顺序为 6月 ( 14. 8kw /m2 )> 7月 ( 14. 7kw /m2 )> 8月
( 12. 3kw /m
2 )> 9月 ( 3. 6kw /m2 )。
3. 3　生长盛期的近地面气温最高 ,生长初期次之 ,生长末期最低。近地面气温的此种温度变化时间格局显然
有利于林下植物和群落建群种幼苗幼树的生长发育。
3. 4　不同深度的土壤温度变化规律不同:距地表 5cm深的土壤温度的昼夜变幅最大 ,随着距地表深度的增
加 ,土温的日变幅逐步减少。距地表 80cm的土温小于 - 3. 7℃。
3. 5　寒温带杜香落叶松林内土壤最大融化深度为 50cm～ 60cm,这就意味着乔木树种根系垂直分布深度理
论上不会超过 50cm～ 60cm。
注:霍然为农大林学院森保专业 2001届毕业生。
参　考　文　献:
[ 1]　徐经成 .中国大兴安岭森林〔M〕.北京:北京科学出版社 , 1998
[ 2]　贺庆棠 .气象学〔M〕.北京:中国林业出版社 , 1988
[ 3]　中国森林生态系统定位研究〔M〕.哈尔滨 :东北林业大学出版社 , 1994
[ 4]　黄润本 .气象学与气候学 (第 2版 )〔M〕.北京:高等教育出版社 , 1979
[ 5]　东北林业大学主编 .土壤学 (下册 )〔M〕.哈尔滨:东北林业大学出版社 , 1981
[ 6]　贺庆棠 .森林的热量平衡〔 J〕.林业科学 , 1980, ( 4) .
96 内 蒙 古 农 业 大 学 学 报　　　　 　　　　　　　　 2001年