極端干旱區(qū)夏季不同土地類型的小氣候特征差異研究

閆人華，熊黑鋼，張 芳，夏英輝

（1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊830046；2.中國科學(xué)院 南京地理與湖泊研究所，南京210008；3.新疆大學(xué) 綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830046；4.北京聯(lián)合大學(xué) 應(yīng)用文理學(xué)院，北京100083）

由下墊面的某些局部特征形成的小氣候不僅是生物生長發(fā)育最重要的環(huán)境因子［1］，而且也直接影響著人類的生產(chǎn)、生活活動(dòng)，因?yàn)榇蠖鄤?dòng)物和植物，都是在貼近地面和土壤上層的小范圍氣候中生長和繁殖的［2－3］。因此，小氣候的研究成為生態(tài)學(xué)、地理學(xué)、大氣科學(xué)關(guān)注的重要研究領(lǐng)域。長期以來，國內(nèi)外許多學(xué)者對農(nóng)田［4］、濕地［5］、草地［6］、森林［7－9］等不同土地類型（下墊面）的微氣候特征進(jìn)行了大量的研究，深化了對這些地區(qū)的小氣候特征及其變化規(guī)律的認(rèn)識。近年來，西 北 干 旱 區(qū) 的 沙 漠［10－11］、戈 壁［12］、綠 洲［13－17］等單一下墊面的小氣候也日益受到人們的關(guān)注。目前，在極端干旱區(qū)對不同下墊面小氣候差異的對比研究并不多見，尤其是氣象氣候因素同時(shí)、同步的固定觀測試驗(yàn)更少。然而只有同時(shí)、同步氣候數(shù)據(jù)的獲取，才能保證觀測數(shù)據(jù)有較高的可比性和關(guān)聯(lián)性，以揭示不同土地類型（下墊面）之間的差別和相互作用，從而有利于提高干旱區(qū)大氣環(huán)境和氣候數(shù)值模擬的精度。

新疆于田綠洲屬典型的極端干旱區(qū)，因人類不合理地開發(fā)利用水土資源以及自然因素的影響，導(dǎo)致綠洲在不斷的擴(kuò)展中，荒漠植被種類、數(shù)量的減少，交錯(cuò)帶寬度變窄、沙漠?dāng)U大，生態(tài)環(huán)境惡化。恢復(fù)退化的生態(tài)系統(tǒng)，充分利用和保護(hù)好其各類資源，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境向良性轉(zhuǎn)化是急需解決的關(guān)鍵問題。本文對極端干旱區(qū)具有代表性的5種不同土地利用類型（下墊面）同時(shí)進(jìn)行小氣候因子觀測，對比分析不同性質(zhì)下墊面的小氣候特征差異，以期為治理荒漠，改善綠洲生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

新疆于田縣位于塔里木盆地南緣，介于81°09′—82°51′E，35°14′—39°29′N，南為雄偉的昆侖山，北臨浩瀚的塔克拉瑪干大沙漠，東鄰民豐縣，西接策勒縣，北面穿越塔克拉瑪干沙漠與阿克蘇地區(qū)沙雅縣接壤，南面與西藏自治區(qū)改則縣、日吐縣相連。南北長約466 k m，東西寬30～120 k m。全年熱量豐富、日照充足、光熱資源充沛、降水稀少、蒸發(fā)量大。年平均氣溫11.6℃，＞10℃積溫4 208.1℃，7月平均氣溫24.7～26.2℃，1月平均氣溫－5.6～－9.2℃，氣溫年較差30.5℃，日較差12.8℃。多年平均降水量47.7 mm，北部沙漠地帶降水量僅為12 mm，多年平均蒸發(fā)量2 423.1 mm，屬于典型的暖溫帶大陸干旱荒漠氣候，并具有典型的綠洲、綠洲—沙漠交錯(cuò)帶、戈壁、沙漠等不同下墊面。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

從南部山區(qū)至北部的沙漠，選擇戈壁—綠洲—交錯(cuò)帶—沙漠等典型樣地布置5個(gè)觀測點(diǎn)（圖1），其自然環(huán)境與植被情況見表1。為了更好地對綠洲內(nèi)部進(jìn)行差異性比較，在綠洲內(nèi)部的玉米地、棉花地分別設(shè)立觀測點(diǎn)。前者不僅植被覆蓋度高，而且植物的植株高達(dá)200～300 c m，后者高度僅有40～60 c m。通過對比分析這5個(gè)下墊面上的小氣候變化，探討極端干旱區(qū)不同下墊面的差異性。

圖1 觀測點(diǎn)分布

表1 不同下墊面的地貌、植被與土壤特征

2.2 數(shù)據(jù)采集

于2000年9月5—12日，利用HOBO觀測儀對5個(gè)樣地的氣溫、相對濕度、風(fēng)速、蒸發(fā)、地溫等小氣候因子進(jìn)行同步觀測。其中，氣溫、相對濕度、風(fēng)速探頭分為5個(gè)高度（0，50，100，150，200 c m）觀測；地溫分0 c m（地表），5，10，15，20，40 c m 六層布設(shè)。每天的觀測時(shí)間為6：00—22：00，每隔2 h進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。蒸發(fā)選用小型蒸發(fā)皿，早、晚8：00各觀測一次。利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件、DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對野外所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同下墊面的氣溫特征比較

3.1.1 日平均氣溫 不同下墊面之間的日平均氣溫存在明顯的差異（圖2），表現(xiàn)為玉米地＜棉花地＜戈壁＜交錯(cuò)帶＜沙漠。綠洲植被眾多，能吸收大量的太陽輻射能量進(jìn)行光合作用，并且較高的植被覆蓋遮擋陽光，對太陽輻射有很強(qiáng)的反射、散射作用，也不利于大氣對地表的長波輻射，因此，綠洲區(qū)近地表的氣溫較低，而且覆蓋度較高的玉米地溫度低于覆蓋度低的棉花地，是棉花地的98%。與此相反，沙漠下墊面的砂質(zhì)地表吸收太陽輻射的能力很強(qiáng)，使得地表溫度迅速升高釋放大量的輻射能量到地表空氣中，致使沙漠區(qū)的氣溫較高，達(dá)到21.78℃，是棉花地的1.20倍。性質(zhì)上介于沙漠與綠洲之間的交錯(cuò)帶具有過渡性，導(dǎo)致其氣溫高于綠洲下墊面而低于沙漠下墊面。由于被測的戈壁地區(qū)位于山麓處，海拔較高，溫度低于交錯(cuò)帶，是交錯(cuò)帶的97%。

圖2 不同下墊面日平均氣溫比較

3.1.2 氣溫逐日變化幅度 通過對各下墊面的氣溫逐日變化曲線添加趨勢線，計(jì)算出變化率，結(jié)果（表2）顯示，各下墊面氣溫變化斜率絕對值為：沙漠＞交錯(cuò)帶＞戈壁＞棉花地＞玉米地。綠洲內(nèi)部的玉米地變化率絕對值最小，說明該地區(qū)氣溫逐日變化幅度最小，僅為0.45，從而營造出了適宜動(dòng)、植物生存生長的穩(wěn)定溫度環(huán)境。沙漠的氣溫逐日變化幅度最大，達(dá)到1.02，是玉米地的2.27倍，大部分生物難以適應(yīng)這樣劇變的氣溫，因此不利于有機(jī)生命的活動(dòng)。這些差異主要是由于地表物質(zhì)的比熱差異以及植被覆蓋度的不同引起的。

表2 不同下墊面氣溫逐日變化趨勢分布

3.1.3 氣溫垂直變化特征 沙漠、戈壁、交錯(cuò)帶、棉花地、玉米地5個(gè)下墊面氣溫的垂直變化特征是：變化趨勢相似，變化幅度不同（圖3）。在變化趨勢上，沙漠、戈壁、交錯(cuò)帶及棉花地氣溫都隨著高度的上升而降低，并且均在0～50 c m之間變化很大，往上緩慢降低。因?yàn)榈孛娴拈L波輻射是近地表空氣熱量的主要來源，上層空氣離地面越遠(yuǎn)，接收到的長波輻射能量越少，氣溫也就越低。在變化幅度方面，下墊面的植被覆蓋度越大，變化幅度越小。沙漠、戈壁、交錯(cuò)帶由于下墊面光禿單一，變化幅度分別達(dá)到2.62，3.41，2.78℃；玉米地（株高200～300 c m）不僅變化幅度小，而且越向上氣溫越高，150，200 c m高度的溫度分別比地表溫度高0.07，0.03℃，主要是因?yàn)橄虏坑衩字θ~稠密，對太陽輻射遮擋作用強(qiáng)，而到頂部稀疏，接收熱量多，溫度高于地表。棉花地植被覆蓋度雖然很高，但因其植株矮小，地表溫度仍然高于上部。

圖3 不同下墊面各層平均氣溫垂直變化

3.2 不同下墊面的相對濕度特征比較

3.2.1 日平均相對濕度 玉米地、棉花地、交錯(cuò)帶、戈壁及沙漠的日平均相對濕度差異明顯，呈現(xiàn)出植被覆蓋度越大，相對濕度越大的趨勢（圖4）。玉米地分別為后四者的1.05倍、1.36倍、1.85倍、1.57倍。玉米地、棉花地下墊面與其他三者的差別在于一方面它們受到了人類灌溉、耕作等活動(dòng)的影響，地表具有較多的水分，且土壤結(jié)構(gòu)較好，保水、涵水能力強(qiáng)；另一方面，綠洲植被眾多，滯水、持水能力強(qiáng)，且植物蒸騰旺盛，造成其相對濕度最高。具有過渡性質(zhì)的交錯(cuò)帶雖然植被覆蓋少，但由于靠近綠洲，相對濕度也較高。而在沙漠和戈壁區(qū)，其裸露的砂礫質(zhì)地表涵水能力差，水分容易流失，導(dǎo)致地表及淺層土壤水分稀少，相對濕度較低，其中沙漠地區(qū)由于地下水位相對較淺，其濕度為戈壁的1.17倍。對比圖1和圖4可知，日平均氣溫和濕度呈負(fù)相關(guān)，經(jīng)計(jì)算，相關(guān)系數(shù)達(dá)－0.869，相關(guān)性水平顯著。

3.2.2 相對濕度逐日變化幅度 在變化幅度方面，玉米地＞棉花地＞交錯(cuò)帶＞沙漠＞戈壁，總體表現(xiàn)出：其相對濕度基數(shù)越大，變化幅度則越大（表3）。玉米地、棉花地與交錯(cuò)帶的變化率較大，而且較接近，分別為0.83，0.52，而戈壁、沙漠卻與前三者截然不同，一直都保持在一個(gè)較低的水平上，分別是玉米地的49%，36%，這與戈壁、沙漠的水份稀缺、下墊面性質(zhì)簡單緊密相關(guān)。

圖4 不同下墊面日平均相對濕度

表3 不同下墊面相對濕度逐日變化趨勢分布

3.2.3 相對濕度垂直變化特征 與植被覆蓋度一致，下墊面各高度的相對濕度值均體現(xiàn)為玉米地最大，棉花地、交錯(cuò)帶、沙漠依次減小，戈壁最小（圖5）。在變化趨勢上，表現(xiàn)為隨著高度的增加，棉花地、玉米地的相對濕度逐漸減少，200 c m處相對濕度分別比地表減少了6.27%，8.43%。而沙漠、交錯(cuò)帶則有所增加，200 c m處相對濕度比地表分別增加了3.52%，7.11%，并且它們與棉花地、玉米地的差距隨高度的增加在減小，這可能與綠洲—荒漠環(huán)流的高度相關(guān)。

在變化幅度上，玉米地在0—100 c m范圍內(nèi)相對濕度變化甚微，因?yàn)橛衩字仓暝谶@一高度范圍內(nèi)枝葉稠密，溫度變化小，風(fēng)速小，相對濕度變化小，超過100 c m處受到風(fēng)等因素的影響，相對濕度有所降低。而棉花地由于棉花高度約為50 c m，在0—50 c m處變化較小。戈壁的相對濕度則隨高度在27%～37%之間出現(xiàn)搖擺式變化，交錯(cuò)帶則隨高度有小幅度增加。

圖5 不同下墊面各層日平均相對濕度變化

3.3 不同下墊面的氣溫與濕度相關(guān)性

雖然各下墊面的氣溫與濕度均呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，但相關(guān)系數(shù)及顯著水平卻有較大差異（表4）。戈壁、沙漠的相關(guān)系數(shù)絕對值較小，顯著性水平極低，分別僅為－0.29，－0.421。由于它們的土壤水分含量少，使得其蒸發(fā)量較小，空氣水分奇缺，無論氣溫的增減，相對濕度的變化都不大，因此相關(guān)性不高。其中沙漠相對于戈壁而言，地下水埋藏淺，蒸發(fā)量相對較大，空氣水分高，易受溫度的影響，出現(xiàn)濕度的增減，因而相關(guān)性大于戈壁。玉米地、棉花地、交錯(cuò)帶的的相關(guān)系數(shù)絕對值較大并依次遞增，分別為－0.7，－0.722，－0.984，顯著性水平也呈遞增趨勢。這三種下墊面地下水位埋深較淺，土壤水分都比較多。其中，交錯(cuò)帶較其他兩者植被稀疏，地表空曠，使得溫度增減直接引起蒸發(fā)量的劇烈變化，從而造成其濕度與氣溫的相關(guān)性較高。而玉米地、棉花地由于植被覆蓋度好，水分充足。當(dāng)氣增高時(shí)，由于植被的遮擋作用影響土壤蒸發(fā)和植被蒸騰的進(jìn)行，使得實(shí)際水汽壓對氣溫變化的響應(yīng)有一定的滯后性，進(jìn)而影響到濕度與氣溫的相關(guān)性，使其值小于交錯(cuò)帶。

表4 不同下墊面氣溫與濕度相關(guān)系數(shù)及其顯著性水平

3.4 不同下墊面的風(fēng)速特征比較

3.4.1 日平均風(fēng)速 沙漠、戈壁、交錯(cuò)帶風(fēng)速相差小且遠(yuǎn)大于玉米地、棉花地，這五者的平均風(fēng)速分別為2.18，1.71，1.42，0.34，0.46 m／s（圖6）。這一結(jié)果與下墊面性質(zhì)密切相關(guān)，綠洲由于其復(fù)雜的地表結(jié)構(gòu)，較高的植被覆蓋度和較高大的植株，使其對空氣的摩擦作用較強(qiáng)，不利于近地面空氣的運(yùn)動(dòng)，所以該下墊面的風(fēng)速小于沙漠、戈壁與交錯(cuò)帶下墊面，又因玉米地比棉花地植株高大，對風(fēng)的阻礙更大，因此玉米地的風(fēng)速小于棉花地26%。沙漠、戈壁地表開闊，利于空氣的流動(dòng)，風(fēng)速分別是玉米地的6.41倍、5.02倍；而交錯(cuò)帶雖然有植被，但是其數(shù)量少，分布稀疏并且植株矮小，對風(fēng)的阻擋作用微弱，所以它與沙漠、戈壁下墊面的風(fēng)速都較大，且三者相差不大。

圖6 不同下墊面日平均風(fēng)速

3.4.2 風(fēng)速逐日變化幅度 各下墊面變化斜率絕對值為：沙漠＞戈壁＞交錯(cuò)帶＞棉花地＞玉米地（表5）。沙漠和戈壁由于地表單一光禿利于空氣的流動(dòng)，風(fēng)速的變化只受不穩(wěn)定的大氣候環(huán)境的影響，因而變幅較大，達(dá)到0.19，0.08，分別比玉米地地區(qū)高出18.7%，8.1%。交錯(cuò)帶植被分布稀疏，對風(fēng)的阻擋作用微弱，變幅也較大，為0.037 2。綠洲由于其內(nèi)部景觀空間分布的復(fù)雜性，對風(fēng)的影響較大，導(dǎo)致其變幅小，玉米地和棉花地變化幅度相似，棉花地僅比玉米地高0.25%。這些都說明了綠洲在為生物生存提供較為穩(wěn)定的氣流環(huán)境方面起了獨(dú)特作用。3.4.3 風(fēng)速垂直變化特征 沙漠、戈壁、交錯(cuò)帶及玉米地、棉花地下墊面在50～200 c m高度的日平均風(fēng)速均是沙漠＞戈壁＞交錯(cuò)帶＞棉花地＞玉米地，并且都隨著高度的上升而逐漸增加，但變化幅度不同（圖7）。其中，交錯(cuò)帶變化最大，其風(fēng)速增加值為0.57 m／s，沙漠、戈壁、棉花地次之，分別為0.50，0.35，0.31 m／s，玉米地增加最小，僅0.06 m／s。棉花地0—50 c m風(fēng)速小于玉米地，這是由于棉花地在0—50 c m的稠密度要高于玉米地，大大削弱了地表空氣運(yùn)動(dòng)。

表5 不同下墊面風(fēng)速逐日變化趨勢斜率分布

圖7 不同下墊面風(fēng)速垂直變化

五種下墊面在0—100 c m的高度上，風(fēng)速增加幅度均較大，尤其以棉花地最為明顯，其風(fēng)速增加了222.51%，這是由于棉花地地表風(fēng)速基數(shù)最小，而到50 c m高度后則超過了棉花的生長高度，阻擋作用迅速減弱，風(fēng)速增加較快。交錯(cuò)帶、戈壁和沙漠次之，增加百分比分別為166.78%，37.93%，31.39%，其原因是交錯(cuò)帶和沙漠、戈壁植被覆蓋較少，地表光禿單一，對空氣摩擦力小，風(fēng)速變幅較大；而在玉米地，其稠密的植被覆蓋阻礙作用很強(qiáng)，十分不利于氣流的運(yùn)動(dòng)，且100 c m范圍內(nèi)仍為玉米的主體高度，導(dǎo)致風(fēng)速的變化幅度最小，僅增加了3.02%。

3.5 不同下墊面的地溫特征比較

3.5.1 日平均地溫 沙漠、戈壁、交錯(cuò)帶的日平均地溫差距較小，均＜1℃，且它們遠(yuǎn)高于棉花地、玉米地的平均地溫（圖8），其中沙漠為26.2℃，分別是棉花地和玉米地的1.26倍、1.35倍。其原因一方面是，前三者特別是沙漠、戈壁地表主要是砂礫質(zhì)物質(zhì)，比熱容小，吸收同樣的熱量，地溫增幅較大；另一方面，這三者地面光禿，地表直接接收了太陽輻射，使地面迅速升溫，并將能量向下傳遞，致使地溫較高。而綠洲地表則與之相反。

圖8 不同下墊面日平均地溫

3.5.2 地溫逐日變化幅度 表6顯示，各下墊面變化率絕對值為：玉米地＜棉花地＜交錯(cuò)帶＜戈壁＜沙漠。綠洲地區(qū)遠(yuǎn)低于交錯(cuò)帶、戈壁、沙漠，其中玉米地分別為后者的46%，37%，33%。綠洲地區(qū)一方面由于植被覆蓋度較高，對太陽輻射有一定的反射、吸收作用，削弱了其對地表的直接影響，并對地面長波輻射有一定的阻擋作用，影響地表與外界能量的直接交換；另一方面，綠洲地表物質(zhì)比熱容較大，地溫變化緩和，不易受外界突變大氣環(huán)境的影響，因此玉米地、棉花地的變化率絕對值分別僅為0.256，0.354 9。而沙漠、戈壁由于地表光禿裸露，比熱容較小，直接受外界不穩(wěn)定大氣環(huán)境的影響，地溫易出現(xiàn)較大幅度變化。

表6 不同下墊面地溫逐日變化趨勢斜率分布

3.5.3 地溫垂直變化特征 在變化趨勢上，五種下墊面地溫的垂直分布均以地表的溫度最高，而后隨著土層深度的增加而降低（圖9）。由于下層土壤的主要熱源是地表，深度越大，所獲得的能量越少，地溫也就越低。在0—10 c m各下墊面地溫變化幅度較大，戈壁、交錯(cuò)帶、棉花地、玉米地、沙漠降低溫度百分比分別為8.03%，4.63%，11.30%，13.31%，10.30%，而在10—40 c m各溫度增減百分比僅為2.01%，0.77%，1.22%，3.81%，8.72%。主要是因?yàn)橥寥赖竭_(dá)一定深度后（10 c m），因受地表溫度影響微弱，地溫變化幅度減小，較穩(wěn)定。

沙漠、戈壁與交錯(cuò)帶地溫相差小，變化趨勢相近，而且都遠(yuǎn)大于棉花地、玉米地同深度層的溫度，這與戈壁、交錯(cuò)帶地表溫度高，向下傳遞的熱量多有直接關(guān)系。

圖9 不同下墊面地溫的垂直變化

3.6 不同下墊面的蒸發(fā)特征比較

3.6.1 日平均蒸發(fā)特征 各下墊面的多日平均蒸發(fā)量為：沙漠＞交錯(cuò)帶＞戈壁＞棉花地＞玉米地，其中蒸發(fā)量最大的沙漠是蒸發(fā)量最小的玉米地的5.5倍，差距較大（圖10）。溫度、風(fēng)以及地表性質(zhì)差異是影響蒸發(fā)的三大因素。沙漠、戈壁地表空曠，地表氣溫高，風(fēng)速大，利于蒸發(fā)的進(jìn)行。而綠洲植被覆蓋度高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與其它三者相比，溫度低，風(fēng)速小，所以其蒸發(fā)量少。交錯(cuò)帶植被覆蓋較少，植株高度較低，其下墊面性質(zhì)與沙漠、戈壁相似，所以蒸發(fā)也很強(qiáng)烈，比玉米地、棉花地分別多6.70，4.77 mm。

圖10 不同下墊面的蒸發(fā)特征值

3.6.2 晝夜變化特征 各下墊面的白天蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于夜間蒸發(fā)量，戈壁、玉米地、棉花地、交錯(cuò)帶、沙漠晝夜蒸發(fā)量比值分別為：2.74，5.28，12.28，4.59，2.30（圖10）。夜間由于氣溫下降，各下墊面的蒸發(fā)都有所減弱，其中玉米地和棉花地下降率達(dá)到81%，91%，甚至蒸發(fā)量接近于0。而沙漠、戈壁、交錯(cuò)帶由于其地表空曠，風(fēng)速較大，蒸發(fā)量仍然較大。

4 結(jié)論

將因土地類型的性質(zhì)差異而引起的各小氣候因素特征值及其變化幅度列入表7。

表7 不同下墊面小氣候因子特征值及其變化幅度

由表7可知，植被覆蓋較好的玉米地和棉花地的氣溫、風(fēng)速、地溫等氣候因子及其變化幅度都最低，而相對濕度最高，蒸發(fā)最低，這都說明了在西北內(nèi)陸的極端干旱背景下，綠洲在降溫、保水、耐旱、防止風(fēng)沙等方面起著獨(dú)特的作用，為生物的生長發(fā)育提供了一個(gè)良好的、較為穩(wěn)定的生態(tài)環(huán)境，成為極端干旱區(qū)大多數(shù)生物的最佳棲息地。

由于下墊面的光禿單一，沙漠和戈壁的各氣候因子及其變化幅度都極為相似，是氣溫較高、風(fēng)速較大、蒸發(fā)強(qiáng)烈、濕度最低的地區(qū)。并且氣溫、風(fēng)速、地溫等因子的變化幅度較大，氣候環(huán)境不穩(wěn)定，不利于生產(chǎn)生活。交錯(cuò)帶由于植被稀疏，植株矮小，其各因子的特征值及其變化趨勢與沙漠、戈壁相似。

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