科爾沁沙地人工小葉錦雞兒群落小氣候效應研究

賀山峰，邱蘭蘭，蔣德明，駱永明

（1.河南理工大學，河南 焦作454000；2.中國科學院 沈陽應用生態研究所，沈陽110016）

小氣候是指由于下墊面的某些構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育最重要的環境因子，在一定程度上反映了生態系統功能和景觀結構的微變化［1］。不同的植物群落形成了不同的小氣候環境，而各異的小氣候生境又構成了不同的生物群落［2］。一方面，植物各組織器官的生長發育、光合蒸騰等生理活動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，調節系統內部水、熱等小氣候環境，使系統產生熱量和水量平衡的差異［3］。有研究指出，灌木的發育可降低林內風速，改變土壤和空氣溫度及表層土壤濕度條件，使得林內小氣候得到很大改善，進而創造一個促進生物定居和生長的有利環境［4］。可見，群落小氣候的形成是植被與環境綜合作用的結果，是群落質量的綜合反映，也是退化植被恢復和重建效果評價的一個重要指標［5］，要協調生物與環境之間的關系，離不開對小氣候的研究［6－7］。

位于北方農牧交錯帶的科爾沁沙地是我國生態系統中的“環境脆弱帶”。近些年，不少研究者對這一地區的植物群落結構、種群組成、人工生態系統建設等做 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，因此被廣泛用于科爾沁沙地植被恢復［11－17］。以往對小葉錦雞兒的研究大多集中于固沙效應［11－12］、土壤環境和水分［13－15］、群 落穩定 性［16－17］等方面，而對其人工群落小氣候效應研究卻未見報道。本研究通過對風速、空氣溫度、空氣相對濕度和地溫等指標的觀測，分析科爾沁沙地流動沙丘和不同恢復年限人工小葉錦雞兒群落內小氣候特征，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重建過程的聯系，為我國北方沙漠化地區植被生態恢復及其效果評價提供理論依據和實踐參考。

1 研究區概況

研究區位于科爾沁沙地西部的烏蘭敖都地區。該區屬于典型的半干旱風沙性氣候，氣候干燥，年均氣溫5.8～6.4℃，年均降水量330～340 mm，年蒸發量達2 000～2 500 mm。風沙大且頻繁，年均風速達4.5 m／s，八級以上大風日數為75.3 d。該區沙丘起伏，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和半流動沙丘、固定沙丘、沙沼地、丘間低地和石質殘丘。土壤類型主要有風沙土、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，目前植被表現出強烈的次生性，大部分已演變為沙生植被和草甸植被［18］。區系分布上為蒙古植物區系、華北植物區系和長白植物區系的交接地帶，其中分布最廣、種類最多的是蒙古植物區系植物。

2 材料與方法

2.1 樣地設置

分別在流動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。對各樣地進行調查發現，隨著恢復年限的增加，小葉錦雞兒灌木林內物種種類逐漸豐富，數量逐漸增多，逐步形成了一個相對穩定的群落［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 風速測定 選擇春季大風日（日均風速≥8.0 m／s），使用“AVM-03型”風輪風速計同步觀測各樣地內不同高度（200，80，30 c m）的風速，每隔半分鐘計數風速1次，每個高度觀測30次。小葉錦雞兒群落內的風速觀測點均位于流動沙丘下風向，距流動沙丘邊緣約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），使用水銀溫度計同步觀測各樣地內不同高度（0，30 c m）的空氣溫度，觀測時間分別為8：00，14：00和20：00，每個高度設置3組重復。

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

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

為避免降水對各個觀測指標的影響，所有指標均在降水后5 d進行測定。應用SPSS 19.0軟件對所得數據進行統計分析。

3 結果與分析

3.1 風速變化

如圖1所示，觀測期間各樣地內風速隨高度的變化規律一致，即“流動沙丘風速＞6 a生小葉錦雞兒群落風速＞11 a生小葉錦雞兒群落風速”。圖1清楚地反映出小葉錦雞兒群落對近地表風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，當風經過林地時，風速受到樹干、樹枝葉的磨擦和阻攔會有所減小，同時大股氣流演變成無數的大小不等、強度不一和方向紊亂的小股氣流，這時氣流的動能被消耗，風速也會隨之減弱。在200，80，30 c m高度上，與流動沙丘相比，6 a生和11 a生小葉錦雞兒灌木林內風速分別降低了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，其阻風效果較6 a生小葉錦雞兒群落更好。

圖1 各樣地風速變化

3.2 空氣溫度變化

流動沙丘和小葉錦雞兒群落內氣溫的同期觀測結果（表2）表明：小葉錦雞兒灌木林內與流動沙丘氣溫的日變化趨勢基本一致，但在各個時段、各個高度上灌木林內氣溫均顯著低于流動沙丘。這可能是因為林冠層對太陽輻射的吸收和反射作用，使透射到林下的太陽輻射能大量減少，導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。由于林木的屏障和摩擦作用降低了風速，使林內土表及植物蒸發蒸騰出來的水分能在近地面滯留較長時間，同時林內的氣溫又明顯低于流動沙丘，使得空氣相對濕度較高。由表3可見，三塊樣地內空氣濕度的日變化規律是一致的，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時段均明顯高于流動沙丘，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日平均空氣濕度分別比流動沙丘高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：對同一時間、高度，不同樣地內空氣相對濕度進行顯著性檢驗，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，植被區淺層土壤溫度狀況與流動沙丘有顯著區別。各個土層深度下小葉錦雞兒林內土壤最高溫度（14時）均明顯低于流動沙丘，而最低溫度（8：00）要略高于流動沙丘。總的來看，6 a生和11 a生小葉錦雞兒灌木林內土壤溫度日變幅要小于流動沙丘，溫度變化更緩和，這對林內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節功能，主要是由于人工植被建立后，大大增加了地表粗糙度，同時在植被的作用下，流沙逐步穩定并在表面形成一層灰色結皮，土壤容重與容積熱容量也相應下降，直接影響到土壤的導熱性能。

表4 各樣地地溫變化℃

4 結論

通過以上分析可以發現，由于流動沙丘與不同恢復年限的人工小葉錦雞兒群落下墊面性質的差異，各樣地內風速、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速有很大的阻滯作用。在30 c m高度上，相比流動沙丘，6 a生和11 a生小葉錦雞兒灌木林內的風速分別降低了71.86%和75.96%。

（2）進行人工植被恢復后，小葉錦雞兒林內夏季白天平均溫度明顯低于流動沙丘，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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