且末綠洲沙漠過渡帶防護林工程小氣候效應研究

楊興虎,范敬龍,徐新文,黃 媛,馬景永,席 霞

(1.中國科學院 新疆生態與地理研究所,烏魯木齊 830011; 2.中國科學院大學,北京 100049; 3.甘肅農業大學,蘭州 730070)

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且末綠洲沙漠過渡帶防護林工程小氣候效應研究

楊興虎1,2,范敬龍1,徐新文1,黃 媛1,2,馬景永3,席 霞3

(1.中國科學院 新疆生態與地理研究所,烏魯木齊 830011; 2.中國科學院大學,北京 100049; 3.甘肅農業大學,蘭州 730070)

為了探討沙漠綠洲過渡帶不同林齡的防護林對區域內小氣候的影響，揭示風速、溫度、濕度等氣象要素的時空變化規律，針對且末綠洲邊緣區塊狀防護林生態屏障，設置了5個觀測點，采用小型自動氣象站對防護林區和裸露流沙區的風速、空氣溫度、濕度進行連續同步觀測。結果表明：(1)相對裸露流沙地，梭梭林(2 a，5 a，7 a林齡)，17 a林齡混交林防風效能分別為5.26%，31.57%，42.10%，78.94%。混交林(17 a)的防風效能顯著高于梭梭林(2 a，5 a，7 a林齡)，但各防護林防風效能隨著風速的增大有所下降。(2)防護林可以降低區域內的日均氣溫，且林齡越大，降溫效果越明顯；但達到一定年限后，降溫效應不再增強。(3)夜晚裸露流沙區氣溫高于防護林區，白天混交林(17 a)區氣溫顯著高于裸露流沙區。(4)防護林可以增加空氣濕度，林齡越大，增濕效應越強，防護林區夜晚的增濕效應高于白天。

防護林工程; 小氣候效應; 綠洲沙漠過渡帶; 塔克拉瑪干沙漠南緣; 且末

小氣候通常表征相同大氣候和局地氣候范圍內，由于地形、土壤和植被等下墊面構造和特性的差異，引起水熱收支不同，而形成的近地層特殊氣候現象[1]。人工建立的防護林能夠有效改變下墊面性質，從而影響區域小氣候，近年來，防護林對小氣候的改善作用，已被人們所公認[2]。防護林可以增加地表粗糙度，改變貼地層氣流運動，從而降低風速[3-4]，在荒漠流沙區域，風速的降低，減小了風對地表沙物質的搬運能力，可以減緩沙丘移動，減輕沙塵災害。防護林可以改變區域內的溫濕度，防護林對其所在區域具有縮小氣溫日較差、降低氣溫的作用[5-7]。有研究表明，流沙地的氣溫在夜間要顯著高于林地[3]，早晨檸條林的氣溫顯著低于流動沙丘，中午檸條林的氣溫顯著高于流動沙丘[8]。也有研究認為，白天防護林內氣溫比林外低，而在晚上林內氣溫比林外高[9-11]，這也許是防護林所處區域的下墊面性質差異所致，也可能是防護林類型的不同引起的差異。防護林能夠有效增加空氣濕度，人工防護林內的相對濕度均顯著高于荒漠流沙區[12]，研究發現，空氣溫度最大值出現的時刻空氣濕度達到最小值，即空氣溫度、濕度呈現出明顯的負相關性[13-14]。

本研究的目的在于：針對且末綠洲邊緣區塊狀防護林生態屏障，研究防護林系統的小氣候效應，分析不同林齡防護林地小氣候效應的差異，揭示風速、溫度、濕度等氣象要素的時空變化規律。防護林對小氣候的影響因素主要有林種、配置結構、林齡等，當前眾多的研究都集中于對防護林不同林種以及不同配置結構的研究[15-17]。由于干旱區防護林體系一般是交通干線、河流明渠兩側的線性防護工程。而對于沙漠綠洲外圍的大規模區塊狀防護工程，研究程度相對較低，相關的小氣候效應研究相對欠缺。因此，對于這類綠洲核心區的外圍防護體系的深入研究，對改善綠洲環境，發展綠洲可持續生態文明，都具有重要的研究價值。

1　研究區概況

在近代氣候極端干旱、少雨多大風、沙塵頻發的荒漠環境中，人類文明是扎根綠洲而逐步發展的。且末綠洲位于塔克拉瑪干沙漠南緣(圖1)，是依靠車爾臣河和昆侖山南坡諸小河發展起來的，也是塔里木盆地南部較大的綠洲之一，地處東經83°25′—87°30′，北緯35°40′—40°10′，屬典型的大陸荒漠性氣候，主風向為NE，春夏季多大風、沙塵暴和浮塵天氣，據當地氣象資料，年平均8級以上大風16 d，沙塵暴天氣20.5 d，浮塵天氣193.7 d；年均降水量18.6 mm，年均潛在蒸發量2 507 mm；年平均氣溫11.7℃，年極端最高溫度41.3℃，極端最低溫度-26.4℃，全年無霜期243 d，全年日照時數為2 853.2 h。

圖1　研究區地理位置與觀測斷面布設

由于風沙地貌發展和歷史沿革，且末綠洲核心區域的人類聚居地，距離流動沙漠最近距離僅有1 km，因此且末縣是新疆最早自發投入、義務建設過渡帶防護林生態工程的縣城之一。防護林直接營造在流動沙漠上，整個防護林體系歷經十多年的不斷建設，由綠洲邊緣向流動沙區不斷延伸，目前已營造防護林面積達33.35 km2左右。林分以梭梭(Haloxylon Bge.)、檉柳(Tamarix L.)、沙拐棗(Calligonum L.)、胡楊(Populus euphratica)為主。

2　試驗材料與方法

在且末綠洲沙漠過渡帶防護林工程區域選擇一個觀測斷面進行小氣候觀測，斷面布設情況見圖1，斷面長度約5.8 km，在前沿裸露流沙地設置觀測對照點1個，在梭梭林(2，5，7 a)和混交林(17 a)依次分別設置觀測點各1個，共計5個觀測點，基本情況見表1。

表1　觀測點基本屬性

在2015年5月1—26日進行連續同步觀測，儀器采用YGY-QXY小型氣象站，該儀器由武漢市易谷科技有限公司研制。在國產氣象儀器中，該儀器具有便攜性強，安裝簡便，性價比高，數據存儲量較大的特點，觀測精度為：風速，±0.3 m/s；溫度，±0.3℃；濕度，±5%RH。本次觀測項目包括風速、空氣溫度、空氣濕度，儀器安裝距離地面1.5 m高度處，采樣時間間隔設定為5 min，即每個記錄數據為5 min內該觀測項目的平均值。

數據圖表分析采用Excel(Microsoft，V2010)，方差分析采用SPSS(IBM，V16)進行。

3　結果與分析

3.1防護林區與裸露流沙區風速變化特征

為了便于理解，下文采用林齡作為觀測點標示，CK代表裸露流動沙地。如圖2所示，各觀測時刻平均風速日變化表現為白天>夜晚，風速大小排序：CK>2 a>5 a>7 a>17 a，表現出隨林齡增大，風速逐漸減弱的特點。

圖2　各觀測點風速日變化

為了進一步比較各防護林地之間的風速差異，進行了不同時段平均風速的方差分析。由表2可知，0：00—10：00時段，各防護林地間風速差異均極顯著(p<0.01)。10：00—20：00以及20：00—24：00兩個風速較大的時段，CK風速與2 a差異不顯著(p>0.05)，而與5 a，7 a，17 a差異顯著(p<0.05)。這說明，在風速增大時，林齡較小的2 a防護林的防風效能有所下降。

表2　不同林齡防護林風速變化　m/s

注：表中均值后的英文字母表示多重比較(LSD)結果，字母不相同，則表示兩處理之間在α=0.05水平上存在顯著差異，下表同。

人工植被增加了下墊面粗糙度，在一定程度上削弱了近地面空氣湍流交換作用的強度，可以降低近地表風速。如圖3所示，1—5號觀測點風速逐漸減弱，日平均風速依次為：1.93，1.78，1.33，1.06，0.41 m/s，相對于CK，2 a，5 a，7 a，17 a防風效能分別為：5.26%，31.57%，42.10%，78.94%；最大日平均風速依次為：3.89，3.96，3.07，2.46，1.04 m/s，相對于CK，2 a，5 a，7 a，17 a防風效能分別為：0，20.50%，35.90%，74.36%。表明林齡越大，防風效能越大，且隨風速增大，防風效能有所下降。有相關研究也表明，防護林防風效能隨著風速的變化而變化，防風效能會隨風速增大而減弱[3,18]。

圖3　2015年5月各觀測點平均風速逐日變化

通過對各觀測點日平均風速進行方差分析，由表3可知，風速大小排序：CK>2 a>5 a>7 a>17 a，CK風速與2 a差異不顯著(p>0.05)，CK風速與5 a，7 a，17 a差異極顯著(p<0.01)，2 a風速與5 a，7 a，17 a差異極顯著(p<0.01)，5 a風速與7 a差異不顯著(p>0.05)，17 a風速與2 a，5 a，7 a差異極顯著(p<0.01)，這表明，隨著林齡的增大，防風效能也逐漸增強。

表3　不同林齡防護林風速和溫濕度變化

3.2防護林區與裸露流沙區空氣溫度變化特征

防護林和CK不同時刻氣平均氣溫變化狀況見圖4，林地與CK氣溫日內變化趨勢基本一致，氣溫一般在7：00左右達到日內最低值，隨著太陽輻射增強，氣溫逐步升高，在16：00左右氣溫達到日內最高值，之后，防護林與CK氣溫開始逐步下降。

圖4　各觀測點空氣溫度日變化

林地氣溫與CK在白天和夜晚存在明顯差異。通過對不同時段平均氣溫進行方差分析，由表4可知，0：00—8：00時段，CK氣溫與2 a差異不顯著(p>0.05)，CK氣溫與5 a，7 a，17 a差異極顯著(p<0.01)，2 a氣溫與5 a，7 a，17 a差異極顯著(p<0.01)，5 a氣溫與7 a差異不顯著(p>0.05)，17 a氣溫與2 a，5 a，7 a差異極顯著(p<0.01)。8：00—10：00時段，CK氣溫與2 a，5 a，7 a，17 a差異不顯著(p>0.05)，2 a，5 a，7 a，17 a之間氣溫差異不顯著(p>0.05)。10：00—19：00時段，CK氣溫與2 a，5 a，7 a差異不顯著(p>0.05)，CK氣溫與17 a差異極顯著(p<0.01)，2 a，5 a，7 a之間氣溫差異不顯著(p>0.05)，17 a氣溫與2 a，5 a，7 a差異極顯著(p<0.01)。19：00—0：00時段，CK氣溫與2 a，5 a，7 a，17 a差異不顯著(p>0.05)，2 a氣溫與5 a，7 a差異不顯著(p>0.05)，2 a氣溫與17 a差異顯著(p<0.05)，5 a，7 a，17 a之間氣溫差異不顯著(p>0.05)。

貼地層空氣溫度的變化主要決定于下墊面輻射狀況和湍流運動的變化[19]。7 a，17 a防護林郁閉度較高，對湍流運動影響較大，當湍流運動成為決定空氣溫度的主導因素時，7 a，17 a防護林相較CK能夠顯著影響湍流運動，所以在10：00—19：00時段，7 a，17 a林內氣溫高于CK。2 a，5 a防護林郁閉度相對較低，相較CK對湍流運動的影響較小，下墊面輻射狀況成為決定空氣溫度的主導因素，2 a，5 a由于植被反射，接受的輻射少于CK，所以2 a，5 a防護林氣溫小于CK。

表4　不同林齡防護林空氣溫度變化　℃

如圖5所示，防護林地與CK的日平均氣溫變化趨勢具有一致性，No.1—No.5觀測點日平均氣溫依次為：24.69，24.49，24.20，24.12，24.12℃，日平均氣溫大小排序：CK>2 a>5 a>7 a=17 a，表明CK日平均氣溫均高于2 a，5 a，7 a，17 a防護林，隨林齡增大，日平均氣溫降低，由于7 a氣溫與17 a相同，說明到達一定年限，防護林降溫效應不再增強。通過對日平均氣溫進行方差分析，由表3可知，CK氣溫與2 a，5 a，7 a，17 a差異不顯著(p>0.05)，2 a，5 a，7 a，17 a之間氣溫差異不顯著(p>0.05)，表明，防護林的降溫效應是有限的。

3.3防護林區與裸露流沙區空氣濕度變化特征

如圖6所示，CK空氣濕度與防護林區具有相似的日變化趨勢，24 h內空氣濕度在約7：30達到最大值，約17：00達到最小值，與溫度的日變化呈反比關系，即溫度最低時濕度最大，溫度最高時，濕度最小。夜晚濕度>白天濕度，并且24 h內各時刻CK的濕度始終低于防護林區。

圖5　2015年5月各觀測點平均空氣溫度逐日變化

圖6　各觀測點空氣濕度日變化

通過對不同時段平均濕度進行方差分析，由表5可知，0：00—10：00時段，濕度較高，CK濕度與2 a，5 a，7 a，17 a差異極顯著(p<0.01)，2 a，5 a，7 a，17 a之間濕度差異極顯著(p<0.01)。10：00—20：00時段，濕度較低，CK濕度與2 a，5 a，7 a，17 a差異極顯著(p<0.01)，2 a，5 a，7 a，17 a之間濕度差異不顯著(p>0.05)。20：00—0：00時段，CK濕度與2 a，5 a，7 a，17 a差異極顯著(p<0.01)，2 a濕度與5 a，7 a，17 a差異極顯著(p<0.01)，5 a，7 a之間濕度差異不顯著(p>0.05)，17 a濕度與5 a，7 a差異極顯著(p<0.01)。表明防護林具有一定的增濕效應，且這種增濕效應在夜晚比白天更加明顯。

表5　不同林齡防護林濕度變化　%

由圖7可知，防護林的日平均空氣濕度高于CK，1—5號觀測點的日平均空氣濕度依次為：16.86%，20.58%，21.66%，23.64%，27.32%，濕度大小排序：CK<2 a<5 a<7 a<17 a。通過對濕度日平均值進行方差分析，由表3可知，CK濕度與2 a，5 a差異顯著(p<0.05)，CK濕度與7 a，17 a差異極顯著(p<0.01)，2 a濕度與5 a，7 a差異不顯著(p>0.05)，2 a濕度與17 a差異極顯著(p<0.01)，5 a，7 a之間濕度差異不顯著(p>0.05)，17 a濕度與5 a，7 a差異極顯著(p<0.01)。表明防護林內的空氣濕度較CK有所增加，比較不同林齡的防護林，表現為林齡越大，增濕效果越明顯。

圖7　2015年5月各觀測點平均空氣濕度逐日變化

4　結 論

(1)研究區風速日變化表現為白天>夜晚；相對于裸露流動沙地，梭梭林(2 a，5 a，7 a)、混交林(17 a)防風效能分別達到：5.26%，31.57%，42.10%，78.94%，表明隨林齡的增大，其防風效能增強，并且混交林(17 a)的防風效能顯著高于梭梭林(2 a，5 a，7 a)；隨著風速的增大，防護林的防風效能有所下降。

(2)防護林具有一定的降溫效果，并且林齡越大，降溫效果也越明顯，具體表現為：流沙地>2 a梭梭林>5 a梭梭林>7 a梭梭林=17 a混交林，當達到一定年限，防護林的降溫效應不再增強。

(3)防護林可以有效增加空氣濕度，林齡越大，增濕效應越明顯。24 h內空氣濕度在7：30左右達到最大值，17：00左右接近最小值，與溫度的變化趨勢相反；林帶內，夜晚的增濕效應高于白天。

(4)夜晚流沙地氣溫高于防護林地的現象，有研究認為夜間植被區散熱面積大，散熱快，使貼地層氣溫稍低于流沙區[20]。也有人認為沙漠地區風速加大，機械湍流的混和作用加強，在夜晚導致上層空氣向下層傳熱加強，即感熱通量加強，導致近地面溫度變高[21]。筆者認為，夜晚研究區風速明顯低于白天，說明湍流運動并不強，因而認為，該現象是由下墊面輻射狀況變化引起，這與荒漠地區特殊下墊面性質密切相關。由于裸露流沙區地形變化較大，太陽輻射面積大于平地，接受的太陽輻射較高。白天，太陽輻射被地表沙物質吸收并儲存，傍晚太陽輻射減弱，儲存在流沙地的大量能量逐步向外界釋放，造成日落后流沙地溫度高于林地的現象。這些推論還需進一步的驗證與探討。

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Research on Microclimate Effects of Shelterbelt Project in the Oasis Desert Ecotone of Qiemo

YANG Xinghu1,2,FAN Jinglong1,XU Xinwen1,HUANG Yuan1,2,MA Jingyong3,XI Xia3

(1.Xinjiang Institute of Ecology and Geography,Chinese Academy of Sciences,Urumqi 830011,China; 2.University of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China; 3.Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

In order to investigate the effect of different desert oasis Ecotone shelterbelt forest age on microclimate within the region,reveal the spatial and temporal variation of wind speed,temperature,humidity and other weather elements for Qiemo Oasis protection forest ecological barrier blocks the peripheral zone,we set up five observation points to monitor the wind speed,air temperature,humidity in a small automatic weather station on the shelterbelt area and exposed quicksand area.The results showed that: (1)compared with bare quicksand,the windproof efficacy of Haloxylon ammodendron forests (forest ages of 2-year,5-year and 7-year)and 17-year mixed forest were 5.26%,31.57%,42.10%,78.94%.Mixed (17-year)of the draft efficacy was significantly higher than Haloxylon ammodendron forests (ages of 2-year,5-year and 7-year),but as the wind speed increases the effectiveness of wind has declined; (2)the shelterbelt can reduce the average daily temperature in the region,and the greater forest age is the more obvious cooling effect is,but after reaching a certain age,the cooling effect no longer enhanced; (3)night temperature of shelterbelt area is greater than that of the bare sand area,daytime temperature of mixed (17-year)zone is significantly higher than that of the bare sand area; (4)the shelterbelt can increase air humidity,the greater the forest age is,the stronger humidifying effect is,moist effect at night in protection forest area is higher than that in the daytime.

shelterbelt project; microclimate effect; oasis desert ecotone; southern edge of the Taklimakan Desert; Qiemo

2015-08-28

2015-09-28

國家科技惠民計劃項目“新疆且末縣河東經濟型生態屏障示范工程建設”(2013GS650203)

楊興虎(1987—),男,甘肅武威人,碩士研究生,研究方向為荒漠化防治。E-mail:429726240@qq.com

徐新文(1963—),男,山東菏澤人,研究員,博士生導師,主要從事荒漠化防治研究。E-mail:sms@ms.xjb.ac.cn

P463.2

A

1005-3409(2016)05-0183-05