科爾沁沙地人工小葉錦雞兒群落小氣候效應(yīng)研究

賀山峰，邱蘭蘭，蔣德明，駱永明

（1.河南理工大學(xué)，河南 焦作454000；2.中國科學(xué)院 沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，沈陽110016）

小氣候是指由于下墊面的某些構(gòu)造特征所引起的近地面大氣層中和上層土壤中的小范圍氣候。小氣候是生物生長發(fā)育最重要的環(huán)境因子，在一定程度上反映了生態(tài)系統(tǒng)功能和景觀結(jié)構(gòu)的微變化［1］。不同的植物群落形成了不同的小氣候環(huán)境，而各異的小氣候生境又構(gòu)成了不同的生物群落［2］。一方面，植物各組織器官的生長發(fā)育、光合蒸騰等生理活動(dòng)受到生境微氣象因子的限制；另一方面，植被反映下墊面的局部特征，并通過輻射、蒸騰、屏障等作用，影響近地面的小氣候特征，調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)部水、熱等小氣候環(huán)境，使系統(tǒng)產(chǎn)生熱量和水量平衡的差異［3］。有研究指出，灌木的發(fā)育可降低林內(nèi)風(fēng)速，改變土壤和空氣溫度及表層土壤濕度條件，使得林內(nèi)小氣候得到很大改善，進(jìn)而創(chuàng)造一個(gè)促進(jìn)生物定居和生長的有利環(huán)境［4］?？梢?，群落小氣候的形成是植被與環(huán)境綜合作用的結(jié)果，是群落質(zhì)量的綜合反映，也是退化植被恢復(fù)和重建效果評價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)［5］，要協(xié)調(diào)生物與環(huán)境之間的關(guān)系，離不開對小氣候的研究［6－7］。

位于北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的科爾沁沙地是我國生態(tài)系統(tǒng)中的“環(huán)境脆弱帶”。近些年，不少研究者對這一地區(qū)的植物群落結(jié)構(gòu)、種群組成、人工生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)等做 了 大 量 工 作［8－10］。 小 葉 錦 雞 兒 （Car agana microp hyll a）是豆科具刺灌木，具有耐寒抗旱、耐貧瘠和耐高溫等特點(diǎn)，因此被廣泛用于科爾沁沙地植被恢復(fù)［11－17］。以往對小葉錦雞兒的研究大多集中于固沙效應(yīng)［11－12］、土壤環(huán)境和水分［13－15］、群 落穩(wěn)定 性［16－17］等方面，而對其人工群落小氣候效應(yīng)研究卻未見報(bào)道。本研究通過對風(fēng)速、空氣溫度、空氣相對濕度和地溫等指標(biāo)的觀測，分析科爾沁沙地流動(dòng)沙丘和不同恢復(fù)年限人工小葉錦雞兒群落內(nèi)小氣候特征，旨在揭示建立人工植被對小氣候的改善作用，探討群落小氣候因子與植被恢復(fù)重建過程的聯(lián)系，為我國北方沙漠化地區(qū)植被生態(tài)恢復(fù)及其效果評價(jià)提供理論依據(jù)和實(shí)踐參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于科爾沁沙地西部的烏蘭敖都地區(qū)。該區(qū)屬于典型的半干旱風(fēng)沙性氣候，氣候干燥，年均氣溫5.8～6.4℃，年均降水量330～340 mm，年蒸發(fā)量達(dá)2 000～2 500 mm。風(fēng)沙大且頻繁，年均風(fēng)速達(dá)4.5 m／s，八級以上大風(fēng)日數(shù)為75.3 d。該區(qū)沙丘起伏，坨甸相間，形成了廣闊的沙地景觀，主要生境類型可分為流動(dòng)和半流動(dòng)沙丘、固定沙丘、沙沼地、丘間低地和石質(zhì)殘丘。土壤類型主要有風(fēng)沙土、草甸土和鹽堿土。其原生植被屬于森林向草原的過渡類型，但已被破壞殆盡，目前植被表現(xiàn)出強(qiáng)烈的次生性，大部分已演變?yōu)樯成脖缓筒莸橹脖唬?8］。區(qū)系分布上為蒙古植物區(qū)系、華北植物區(qū)系和長白植物區(qū)系的交接地帶，其中分布最廣、種類最多的是蒙古植物區(qū)系植物。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置

分別在流動(dòng)沙丘和不同栽植年限的人工小葉錦雞兒群落中選取樣地，人工小葉錦雞兒初植密度均為1 m×1 m，栽植年限分別為6 a和11 a。對各樣地進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隨著恢復(fù)年限的增加，小葉錦雞兒灌木林內(nèi)物種種類逐漸豐富，數(shù)量逐漸增多，逐步形成了一個(gè)相對穩(wěn)定的群落［19］。各樣地基本情況詳見表1。

表1 樣地基本情況

2.2 研究方法

2.2.1 風(fēng)速測定 選擇春季大風(fēng)日（日均風(fēng)速≥8.0 m／s），使用“AVM-03型”風(fēng)輪風(fēng)速計(jì)同步觀測各樣地內(nèi)不同高度（200，80，30 c m）的風(fēng)速，每隔半分鐘計(jì)數(shù)風(fēng)速1次，每個(gè)高度觀測30次。小葉錦雞兒群落內(nèi)的風(fēng)速觀測點(diǎn)均位于流動(dòng)沙丘下風(fēng)向，距流動(dòng)沙丘邊緣約50 m。

2.2.2 氣溫測定 選擇夏季典型天氣（天氣晴朗，日均溫≥25℃；下同），使用水銀溫度計(jì)同步觀測各樣地內(nèi)不同高度（0，30 c m）的空氣溫度，觀測時(shí)間分別為8：00，14：00和20：00，每個(gè)高度設(shè)置3組重復(fù)。

2.2.3 相對濕度測定 使用干濕球溫度計(jì)（經(jīng)阿斯曼干濕溫度表校正）同步觀測各樣地內(nèi)不同高度（0，30 c m）的空氣相對濕度，觀測時(shí)間分別為8：00，14：00和20：00，每個(gè)高度設(shè)置3組重復(fù)。

2.2.4 地溫測定 使用曲管地溫表同步觀測各樣地內(nèi)不同土層深度（0，5，10 c m）的地溫，觀測時(shí)間分別為8：00，14：00和20：00，每個(gè)深度設(shè)置3組重復(fù)。

為避免降水對各個(gè)觀測指標(biāo)的影響，所有指標(biāo)均在降水后5 d進(jìn)行測定。應(yīng)用SPSS 19.0軟件對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)速變化

如圖1所示，觀測期間各樣地內(nèi)風(fēng)速隨高度的變化規(guī)律一致，即“流動(dòng)沙丘風(fēng)速＞6 a生小葉錦雞兒群落風(fēng)速＞11 a生小葉錦雞兒群落風(fēng)速”。圖1清楚地反映出小葉錦雞兒群落對近地表風(fēng)速有很大的阻滯作用，并且隨著高度的降低，小葉錦雞兒群落對風(fēng)速的阻滯作用越來越顯著。這主要是由于人工植被的建立提高了地表粗糙度，當(dāng)風(fēng)經(jīng)過林地時(shí)，風(fēng)速受到樹干、樹枝葉的磨擦和阻攔會(huì)有所減小，同時(shí)大股氣流演變成無數(shù)的大小不等、強(qiáng)度不一和方向紊亂的小股氣流，這時(shí)氣流的動(dòng)能被消耗，風(fēng)速也會(huì)隨之減弱。在200，80，30 c m高度上，與流動(dòng)沙丘相比，6 a生和11 a生小葉錦雞兒灌木林內(nèi)風(fēng)速分別降低了17.9%，31.6%，71.9%和27.9%，39.7%，76.0%。由于11 a生小葉錦雞兒密度、高度和冠幅較大，群落植被總蓋度也較高，其阻風(fēng)效果較6 a生小葉錦雞兒群落更好。

圖1 各樣地風(fēng)速變化

3.2 空氣溫度變化

流動(dòng)沙丘和小葉錦雞兒群落內(nèi)氣溫的同期觀測結(jié)果（表2）表明：小葉錦雞兒灌木林內(nèi)與流動(dòng)沙丘氣溫的日變化趨勢基本一致，但在各個(gè)時(shí)段、各個(gè)高度上灌木林內(nèi)氣溫均顯著低于流動(dòng)沙丘。這可能是因?yàn)榱止趯訉μ栞椛涞奈蘸头瓷渥饔?，使透射到林下的太陽輻射能大量減少，導(dǎo)致地面和近地層空氣溫度較低。白天，在0 c m和30 c m高度處的平均氣溫，流動(dòng)沙丘比6 a生小葉錦雞兒樣地分別高出4.5℃和3.0℃，比11 a生小葉錦雞兒樣地分別高出5.9℃和3.9℃，說明在夏季，小葉錦雞兒灌木林可有效地降低林內(nèi)空氣溫度。

表2 各樣地空氣溫度變化 ℃

3.3 空氣相對濕度變化

空氣濕度是小氣候的綜合體現(xiàn)。由于林木的屏障和摩擦作用降低了風(fēng)速，使林內(nèi)土表及植物蒸發(fā)蒸騰出來的水分能在近地面滯留較長時(shí)間，同時(shí)林內(nèi)的氣溫又明顯低于流動(dòng)沙丘，使得空氣相對濕度較高。由表3可見，三塊樣地內(nèi)空氣濕度的日變化規(guī)律是一致的，而且6 a生和11 a生小葉錦雞兒群落樣地的空氣濕度在各個(gè)時(shí)段均明顯高于流動(dòng)沙丘，尤其以8：00和20：00更為明顯。6 a生和11 a生小葉錦雞兒群落內(nèi)日平均空氣濕度分別比流動(dòng)沙丘高13.7%和21.2%。可見，植被的存在顯著地提高了周圍的空氣相對濕度。A 24c 25c 20c 15b 29b 26c B 42b 43b 29b 26a 43a 38b

表3 各樣地空氣相對濕度變化 %

C 55a 51a 35a 29a 42a 54a注：對同一時(shí)間、高度，不同樣地內(nèi)空氣相對濕度進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，相同字母表示差異不顯著，不同字母表示差異顯著（P＜0.05）。

3.4 淺層土壤溫度變化

從表4中可以看出，植被區(qū)淺層土壤溫度狀況與流動(dòng)沙丘有顯著區(qū)別。各個(gè)土層深度下小葉錦雞兒林內(nèi)土壤最高溫度（14時(shí)）均明顯低于流動(dòng)沙丘，而最低溫度（8：00）要略高于流動(dòng)沙丘。總的來看，6 a生和11 a生小葉錦雞兒灌木林內(nèi)土壤溫度日變幅要小于流動(dòng)沙丘，溫度變化更緩和，這對林內(nèi)植物的定居和生長是非常有利的。植被對淺層土壤溫度具有一定的調(diào)節(jié)功能，主要是由于人工植被建立后，大大增加了地表粗糙度，同時(shí)在植被的作用下，流沙逐步穩(wěn)定并在表面形成一層灰色結(jié)皮，土壤容重與容積熱容量也相應(yīng)下降，直接影響到土壤的導(dǎo)熱性能。

表4 各樣地地溫變化℃

4 結(jié)論

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，由于流動(dòng)沙丘與不同恢復(fù)年限的人工小葉錦雞兒群落下墊面性質(zhì)的差異，各樣地內(nèi)風(fēng)速、空氣溫度、相對濕度和地溫等小氣候因子特征值存在著顯著差異。總體來說：

（1）小葉錦雞兒群落對近地表風(fēng)速有很大的阻滯作用。在30 c m高度上，相比流動(dòng)沙丘，6 a生和11 a生小葉錦雞兒灌木林內(nèi)的風(fēng)速分別降低了71.86%和75.96%。

（2）進(jìn)行人工植被恢復(fù)后，小葉錦雞兒林內(nèi)夏季白天平均溫度明顯低于流動(dòng)沙丘，空氣相對濕度顯著提高，土壤淺層溫度日變幅減小。

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