光熱資源對六盤山自然保護區生物量的影響

常耀軍+王桂芳+劉博+賈永輝

摘要 本文研究了六盤山自然保護區內的光熱氣候資源特征以及相對應的森林草原植被分布。結果表明：在保護區內特定的氣候條件下，形成了由濕潤植物群落和半干旱植物群落等各種植被類型所組成的地帶群落交錯區，包括溫帶落葉闊葉林、針闊葉混交林、山地灌木草原、山地草甸草原、亞高山草甸。而形成這種具有立體空間多元組合的生物群落的主導因子是光和熱，光熱條件受群落個體所處的區位、地形、地勢、拔海高度、坡向、云霧、風能等綜合因素影響而存在差異，生物吸收的光熱差異又導致其產生的生物量不同，因而有效利用光熱資源、做好保護區內林牧業發展建設是充分利用自然資源的主要措施。

關鍵詞 光熱資源；生物量；影響；評價；開發利用；六盤山自然保護區

中圖分類號 S162.3 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）06-0222-04

Effects of Light and Heat Resources on Biomass of Liupan Mountain Nature Reserve

CHANG Yao-jun 1 WANG Gui-fang 1 * LIU Bo 1 JIA Yong-hui 2

（1 Guyuan Meteorological Bureau in Ningxia Hui Autonomous Region，Guyuan Ningxia 756000； 2 Liupanshan Weather Station）

Abstract In this paper，the characteristics of light and heat climate resources of Liupan Mountain Nature Reserve were studied，and corresponding forest steppe vegetation were also conducted. The results showed that under particular climate conditions，ecotone zone feature was formed，which was consisted of various vegetation types of moist plant communities and semi-arid plant community.There were temperate broad-leaved forest and coniferous and broad-leaved mixed forest，mountainous shrub steppe and mountain meadow steppe，and subalpine meadow.The dominant factors of biological community，is light and heat.Being comprehensively affected by location，terrain，topography，altitude，slope direction，clouds，wind and other factors of community individual，light and heat were different.Differences were the photothermal differences of the biological absorption led to the differences of biomass.Therefore，the effective use of light and heat resources，development and construction of animal husbandry in forest reserve are the main measures to make full use of natural resources.

Key words light and heat resources；biomass；effect；evaluation；development and utiliztion；Liupan Mountain Nature Reserve

1 六盤山自然保護區概況

1.1 地理位置及面積

六盤山自然保護區位于西安、銀川、蘭州所形成的三角中心地帶，橫跨寧夏涇源、隆德、原州區兩縣一區，總面積6.78萬hm2 [1]。主峰米缸山海拔2 942 m，森林覆蓋率達80%以上，年平均氣溫5.8 ℃，年降水量676 mm，年平均相對濕度60%～70%，是西北重要的水源涵養林基地。

1.2 自然資源

保護區內有植物資源788種。植被類型既有水平地帶性的森林、草原，又有山地植被垂直帶譜中出現的低山草甸草原、闊葉混交林、針闊混交林、闊葉矮林等組成的垂直植被景觀。主要樹種有山楊、樺、遼東櫟、混生椴、槭、山柳、華山松等，林下多箭竹、川榛及多種灌木，發育山地灰褐土。在林帶以下和2 200 m以下陽坡為草甸草原和干草原；2 200 m以上陽坡和2 600 m以上陰坡為雜類草草甸，發育山地為草甸土，是大牲畜良好牧場。野生生物資源豐富，僅藥用植物即有600余種，黨參、黃芪、貝母、桃兒七等藥材暢銷全國。屬國家一類保護的動物有金錢豹，二類保護的動物有林麝、紅腹錦雞、勺雞和金雕等。脊椎動物約有200種，其中獸類有金錢豹、林麝等38種；鳥類有金雕、紅腹錦雞等147種。昆蟲資源17目123科905種，其中有珍貴稀有的金蝠蛾、絲粉蝶、黑鳳蝶、波紋水蠟蛾等[2]。

1.3 歷史文化

元代時，一代天驕成吉思汗把軍事大本營設在六盤山，其子孫蒙哥汗、忽必烈滅南宋、滅大理、征葉蕃多是以六盤山為大本營的。六盤山還是毛澤東率領中國工農紅軍翻越的最后一座大山，從此中國革命走上坦途。毛澤東留下了氣壯山河的《清平樂·六盤山》。2006年12月六盤山國家森林公園被國家旅游局評為AAAA級生態旅游區。

2 六盤山自然保護區光熱氣候特征分析

2.1 氣候特征

保護區內的日照適宜、降水充足、溫度偏低。年太陽總輻射519.05～548.35 kJ/cm2，生理輻射255.33～272.08 kJ/cm2 [3]，年日照時數2 100～2 400 h，年日照百分率48%～55%。年平均溫度1.0～5.8 ℃，最熱月（7月）月平均溫度11.6～17.4 ℃，最冷月（1月）平均溫度為-11.3～-7.0 ℃，年較差為22.1～25.4 ℃。≥0 ℃持續日數為184～228 d，其積溫1 499.7～2 671.2 ℃·d。無霜期短，平均為104～146 d。年平均降水量553.3～676.9 mm[3]，年平均干燥度<1.5，屬森林草原氣候區。全年蒸發量1 214.3～1 426.5 mm，保護區內的水分條件較好，植物安全生長季較短。

2.2 光影響因子

利用本區及附近氣象站的地面日射資料，用氣候學原理建立經驗公式，計算出太陽總輻射（Q0）、生理輻射（D）。

2.2.1 總輻射。

（1）總輻射的時間分布。入春以來，總輻射開始逐漸增加，6月最高，達62.79 kJ/cm2左右，以后逐漸減少，最低值出現在12月，僅有29.3 kJ/cm2左右。春季多于秋季，5—7月總輻射最多。這時正值林木生長旺盛時間，有利于光合作用，對林木生長有利。

（2）總輻射的地理分布。高山頂部，由于照射時間長，所以總輻射比山麓地帶一般要多。保護區內的總輻射在全自治區內是最少的，但因熱量條件的限制，光能資源的有效性發揮不足，光合作用的潛力受到一定影響。

2.2.2 生理輻射。根據公式D=0.43S+0.57b計算六盤山地區各氣象站各月、年平均生理輻射（表1）。

（1）生理輻射的時空分布。由六盤山地區各氣象站月、年平均生理輻射值可知，六盤山日生理輻射在255.34～272.08 kJ/cm2，其地理分布與總輻射的分布一致。高山最多，隆德最少。4—8月一般在25.12 kJ/cm2以上，9—10月為16.74 kJ/cm2左右。全年以6月最多，達30.56 kJ/cm2以上；12月最少，不足14.65 kJ/cm2。

（2）六盤山地區各界限溫度的總輻射、生理輻射（日平均氣溫穩定通過各界限溫度的最長持續時期內的總輻射、生理輻射）。≥0 ℃的穩定通過時期代表生長季，各地年生理輻射在325.66 kJ/cm2以上，占全年的70%左右。但在高山頂則不足60%。≥10 ℃的穩定通過時期代表活躍生長季，山麓全年生理輻射在108.83 kJ/cm2以上，占全年的41%～44%。高山頂部則低于41.86 kJ/cm2，只占全年的13%。以隆德站代表西坡，涇源站代表東坡，5—6月東坡多于西坡；而8—9月由于東坡陰雨多，所以東坡少于西坡。分析各界限溫度持續時期內的生理輻射發現，由于山地海拔升高，溫度隨高度升高而降低，某一界限溫度的持續日數相對縮短，可供植物生長的生理輻射能也隨之減少。同時，由于溫度低，光合作用減慢，光能利用率相對減少，所以應選用耐寒樹種，以延長生長季，提高光合效率，以利用較多的光能資源。

2.2.3 坡地輻射。六盤山保護區包括東、西兩側，其地勢地形復雜，山地坡度有緩有陡，各種坡度及各坡向上的太陽輻射有較大差異。因此，除應了解水平面上的輻射量外，還應知道不同坡度與不同坡向上的光輻射狀態，這對利用山區光能資源有重要意義。

（1）坡地輻射計算。坡地直接輻射總量計算公式[3]：

Qβα=Wβα /W×SQ（1）

式（1）中：Qβα是坡地直達輻射量，Wβα是坡地上空的天文輻射量，W是水平面上的天文輻射，SQ是水平面上的太陽直接輻射， β代表坡向的方位角，α代表坡度。

坡地上的散射輻射為：

qβα=q×cos2（a/2）（2）

式（2）中：qβα為坡地散射輻射量；q為水平面的散射輻射量；a為坡度。

坡地上的生理散射仍用葉氏公式計算：

Qβα=0.43 Qβα+0.57 qβα（3）

從以上各項輻射量計算結果（以涇源縣的氣象站輻射資料為例）看到，在山地坡度小的情況下，輻射量變化不大，坡度增加，輻射量減少，同時看到各坡向的輻射量各不相同，以坡度30°為例：南坡年生理輻射達246.63 kJ/cm2，而北坡只有174.72 kJ/cm2，是水平面上的67.3%。單從輻射量角度來講，南坡優于北坡。因此，南坡適宜陽性樹種，北坡以種植中性或陰性樹種為宜。

2.3 日照

日照時數，即太陽照射到地面上的時間，日照時數的多少受天空云量、陰雨和地形的影響。衡量某地的日照量，常用日照時數（太陽實際照射的時間）和日照百分率（實際照射到地面的時數和可以照射的時數的百分比）表示。日照時數的多少直接影響太陽輻射量的多少。

2.3.1 日照的地理分布。從表2可以看到，六盤山地區日照時數的分布和總輻射的分布相似，仍以高山上最多，山下較少。這是由于山下測站受地形影響所致，早、晚各有一段時間太陽光被高山阻擋。如涇源站西面的六盤山的仰角在8°以上（涇源氣象站資料），每天下午約有5%的時間終年被高山阻擋而無日照。在六盤山的東南兩側坡地上的日照時間在上半年差異不大；而在7—9月，東坡由于受東南季風所帶來的水汽影響，水汽遇山地受阻而抬升致云，陰雨天氣較多，因而東坡日照少于西坡。

2.3.2 日照的季節分布。日照時數的季節分配，以夏季最多（641.2～687.7 h），秋季最少（492.9～539.1 h）；最少月在9月（140.9～157.2 h），最多時期在5—6月。各地月平均日照時數在212～237 h之間。

日照百分率以冬季最多（58%～67%），秋季最少（只有44%～48%）。最多月在12月，達61%～69%；最少月在9月，只有38%～43%。

各界限溫度最大持續時期內日照時數及日照百分率見表2。可以看出，≥0 ℃時期內的時數為1 240～1 420 h，占全年時數的51%～64%；≥1 ℃時期的日照時數在280～840 h之間，占全年的12%～38%；而六盤山≥10 ℃時期的日照時數只有287.6 h左右，占全年的11.80%。由此可見，六盤山區的活躍生長期極為短暫，可以利用的日照時數也是短少的。

2.4 氣溫

2.4.1 氣溫的地理分布。保護區位于六盤山主峰附近，其南北境占有0.5個緯度，其氣溫的地理分布在緯度上的差異不明顯，而海拔高度、地勢、地形和坡向等對氣溫分布的影響則較為突出。由于區內地形復雜，溫度差異懸殊，加之測站稀少，所以區內各地氣溫是根據氣候學原理，用附近氣象站的資料，經過高度和地理環境的訂正而推算出來的。

（1）年平均氣溫的地理分布。從訂正而推算出來的資料可知，保護區內年平均氣溫在0.6～6.0 ℃之間，隨著山地海拔升高而降低。在同一海拔高度上，西坡高于東坡。

（2）最熱（冷）月平均氣溫的地理分布。1月平均氣溫，由于太陽輻射增溫較弱，故地理差異較小，在-11.0～-7.0 ℃之間。在2 600 m以下的森林帶中，月平均溫度在-10 ℃以上。冬季冷空氣由西邊越過山嶺后，產生氣流下沉而增溫，促使東坡溫度高于西坡。7月平均溫度，由于太陽輻射增溫較強，故地理差異較1月大，在11.0～18.0 ℃之間[4]，在2 600 m以下的森林帶中，月平均溫度在13.0 ℃以上。夏季受東南季風影響所帶來的暖濕氣流被六盤山阻擋在迎風坡上形成地形雨，東坡多出現陰雨天氣，溫度相應降低；而背風面的西坡則多晴天，氣溫相對較高，所以西坡氣溫略高于東坡。

（3）氣溫的垂直分布。保護區內山脈南北橫亙，從經源縣惠臺鄉的樹臺到米缸山脊頂峰，其間水平距離4.2 km，高差達900 m，其間的氣溫則隨山地海拔高度的遷升而依次下降，于是氣溫隨之出現了垂直分布。以六盤山氣象站為基準點，求得保護區附近各氣象站的氣溫垂直遞減率。從中可以看出，保護區內氣溫垂直遞減率具有夏季大、冬季小的特征。其中，以5月和6月最大，在0.6 ℃/100 m以上；12月和1月最小，在0.4 ℃/100 m以下。在山谷間，容易形成逆溫，導致河谷地區的氣溫更加寒冷，而山頂接近自然大氣，氣溫不太寒冷。夏季太陽輻射強，同時山地氣溫梯度增大，冷暖空氣分布不均勻，容易產生強烈對流，在遇到北方冷空氣南下時，被山地阻擋，往往形成雹云、雷陣雨，因而經常發生雹災。

2.4.2 氣溫的時間變化。

（1）氣溫的年變化與年較差。保護區地處內陸大陸性氣候區，四季與晝夜的氣溫變化都很大，春季回暖快而不穩定，夏季短而涼爽，秋季降溫早而快，冬季長而寒冷，但無嚴寒。六盤山及臨近各氣象站的逐月平均氣溫見表3。可以看出，各地最熱月都出現在7月，最冷月出現在1月。保護區內氣溫年較差在22.1～25.4 ℃之間，比銀川平原要小得多，說明區內寒暑變化不劇烈。

（2）氣溫的年際變化與月際變化。當地氣溫的年際變化是反映該地區氣溫年際間變化是否穩定的標準，以標準差作為衡量氣溫的年際變化值。六盤山氣象站在海拔2 840 m的高山頂上，與大氣環流規律基本一致。從11月至翌年3月，冷暖空氣活動歷年不一，各月年際變化大，標準差≥1.30 ℃，最大值出現在2月，達2.24 ℃。

在夏季各月，氣溫年際變化小，其標準差≤0.60 ℃。六盤山東西兩側年際變化均不如高山頂大。六盤山東側以涇源站為例，最小標準差在9月，此時氣流較穩定，冷空氣活動較小，同時降水多、濕度大、熱容量大、氣溫變化緩慢。

氣溫的月際變化是表示一地氣溫升高或降低的幅度及快慢，用本月平均氣溫減去上月平均氣溫之差即為氣溫月際變化量。此外，也可用溫度相對變化率表示氣溫月際變化。從資料表明，12月至翌年2月，溫度變量小，為持續低溫；3—5月溫度上升快，為升溫時期；6—8月為溫度變化小的時期；9—11月降溫快，是降溫時期。3—4月升溫最快，隆德回暖早，在2—3月已達到6.2 ℃；山頂及涇源要到3—4月升溫才增快。9—11月降溫較快，每月均在5.0 ℃以上；以10—11月降溫最快，各地均 >6.0 ℃；隆德降溫幅度最大，達7.1 ℃。

按張寶堃教授的全國氣候四季劃分標準，保護區屬長冬無夏、春秋相連，這顯然不符合農業生產實際的農事季節活動狀況。除六盤山高山地帶無明顯夏季特征外，大部分地區仍有四季物候的相應變化。按照物候來劃分四季，能較好地滿足農業生產活動的需要。

2.5 積溫

為滿足不同需要，積溫通常統計0、5、10、15 ℃等界限溫度的初、終日期及其持續日數。

≥0 ℃積溫的初日正是牧草返青、桃杏樹芽萌動、土壤表層解凍、植樹造林開始期，終日為樹木落葉已盡、秋季造林結束期；≥5.0 ℃積溫時期是林木主要生長期；≥10.0 ℃積溫時期是林木安全生長季，此時無凍害發生，生長速度快；≥15.0 ℃積溫時期是林木生長旺季，生長速度最快。從積溫資料分析，保護區內各地各界限溫度的積溫都有與月平均氣溫相同的特點，其地理分布為西坡多于東坡，陽坡多于陰坡；并隨山地海拔升高而遞減，海拔愈高，其積溫與日數愈少。≥0 ℃積溫在1 400～2 800 ℃·d之間，持續日數在180～225 d之間，海拔每升高100 m，遞減130～160 ℃·d，日數遞減4～6 d；≥5 ℃的積溫1 200～2 400 ℃·d，持續日數120～180 d，每升高100 m遞減積溫120～170 ℃·d，日數遞減7～8 d；≥10 ℃積溫400～1 800 ℃·d，持續日數39～120 d，每升高100 m，遞減積溫130～200 ℃·d°，日數遞減8～12 d；≥15 ℃積溫多在700 ℃·d以下，持續日數5～12 d，每升高100 m遞減積溫166～220 ℃·d。至海拔2 600 m的高處，≥10 ℃積溫有500～800 ℃·d，日數只有40～90 d；≥15 ℃積溫，至2 600 m的中山區，只有186 ℃·d，日數也只有12 d。2 600 m以上的山地，已無 ≥15 ℃的積溫。每100 m遞減積溫120～230 ℃·d，日數10～12 d。

根據以上分析，保護區內熱量條件并不充裕，因而只適宜發展北方耐寒樹種。由于積溫隨海拔高度迅速遞減，所以也形成適宜不同高度的樹種，如低山區的白樺、中山區的紅樺、高山區的糙皮樺以及海拔2 800 m以上山頂出現高山草甸等分布規律，都與氣溫的垂直分布變化相適應。

2.6 陰、陽坡與林地、非林地的氣候差異

保護區內陰、陽坡植被差異很明顯，陰坡主要是喬木林，陽坡以灌木和草原為主。北部更為明顯，這種差異主要是因為太陽照射時間長短不同而導致南北坡地所接受熱量不同所致。

各種坡向、坡度的太陽輻射差異前面已詳細分析。從中可知，南坡與北坡差異甚大，以坡度40°為例，北坡只有南坡的57%。無林地南坡與北坡的溫度差異見表4。可以看出，無林地南、北坡的溫度差異，南坡比北坡高，午后及夜間溫度差異不大，子夜幾乎相等。白晝南坡比北坡高0.7 ℃，日平均高0.2 ℃。南坡蒸發量大，土壤干燥影響植被類型。

在同一坡面上有林與無林的溫度也有明顯差異。以陽坡為例（表5），同一坡地，植被不同，溫度也有差異。子夜裸露地因輻射冷卻影響而很快降溫。有林地的溫度比裸露地高0.4 ℃。中午林冠阻擋太陽直接輻射，林地比裸露地低0.7 ℃。相對溫度，林內與林外比較，不論南坡或北坡，林內相對濕度比裸露地都高4%～5%。

比較分析南坡與北坡的有林地、非林地上的蒸發量，若以南坡無林地的蒸發量為100%，而林內地蒸發量只有48%，1/2以上水分供應了林木光合作用；在無林地的北坡只有南坡的57%，有林地為33%。說明北坡植被較好，蒸發量都較小。南坡地蒸發量較大，土壤水分散失快，植被也較差。由此形成半干旱地區山地南北坡不同類型的植物群落。

3 光熱氣候資源評價

保護區內資源豐富多樣，現僅就林木生長過程中對光能的利用率作如下評價。

光能資源生產潛力的估算：保護區內的生產潛力擬用林木干物質積累過程中對光能的利用率來估算其生產潛力，其生產潛力公式如下：

y=K×E×Q（4）

式（4）中：y—計算植物生物量（kg/hm2），K（常數）=666.7×104×15÷（4.25×500）=47 059，E—光能利用率，Q—生理輻射。

根據有關資料得知：針葉林的葉、干比平均系數分別為干0.35～0.37、皮0.09～0.11、枝0.03～0.05、葉0.03～0.36、地下部分0.15～2.00。林木的光能利用率一般為1%～2%，最高可達5%。林冠吸收太陽輻射為60%～80%。一般情況下，軟質木材密度為400 kg/m3，硬質木材密度為800 kg/m3，中等木材密度為600 kg/m3。

根據上述資料，光能利用率為1%，以樹木生物量的0.35計算木材生長量，計算平地全年光合生產潛力，見表6。可以看出，六盤山區的林木生產潛力是很大的。但保護區內林木生長季較短，林木能充分進行光合作用的生長季只有5—10月。

根據上述資料，已知林木的生物量與木材量的比為0.35，計算吸光率為70%，光能利用率為2%，以平地上的林木生產的中等木材計算，每年可生產木材6.9 m3/hm2。如在北坡30°地塊，可生產木材5.2 m3/hm2。從上面所分析的情況看，保護區內木材生長量較豐富。如再從改造林相、提高光效力著手提高光吸收率和光能利用率，對林木生長有很大經濟意義。

4 氣候資源分析及開發利用

保護區內的光能資源就其總量看是比較豐富的，但冬季較長，日平均氣溫<0 ℃的連續最長日數達140 d左右。有30%～40%的太陽輻射在這期間不能被植物光合作用充分利用，影響光能資源的有效利用。熱量資源存在溫度低的特點。日平均氣溫≥0 ℃的積溫只有1 300～2 600 ℃·d，持續日數有178～228 d，限制喜溫樹種生長。水分資源較豐富，但分配不勻，有冬干、春夏旱、秋雨多的特點。秋雨占全年降水量的60%左右，往往造成秋澇，導致農作物減產。

根據保護區內的氣候特征以及相對應的森林草原植被來看，發展林牧業是充分利用自然資源的主要方向。保護區在特定的氣候條件下，形成了由濕潤植物群落和半干旱植物群落等各種植被類型組成的地帶群落交錯區，包括溫帶落葉闊葉林、針闊葉混交林、山地灌木草原、山地草甸草原、亞高山草甸，素有黃土高原“綠島”之稱[5]。認真保護并發展“綠島”中的植被，對調節氣候、穩定河流水量、改善生態環境、減輕以至避免災害性氣候等都具有重要意義。

5 結語

六盤山自然保護區內豐富的自然資源是附近地區所罕見的，為了充分利用保護區的氣候資源，發揮自然資源的生態效益、經濟效益和社會效益，應積極開展科學研究，對山區不同高度和不同坡向開展氣象和物候觀測，以取得較詳細資料進行科學分析，按自然規律把六盤山保護區建設成為生態功能強、水源效益高的林業等多學科的科研、教育場所。

6 參考文獻

[1] 武國柱，席建超，劉浩龍，等.六盤山自然保護區不同類型植被對人類旅游干擾的響應[J].資源科學，2008（8）：1169-1175.

[2] 牛艷麗，吳宏林.六盤山新增500多種野生植物和昆蟲[EB/OL].（2009-07-30）[2016-10-24].http：//www.nxep.gov.cn/info/1045/12676.htm.

[3] 董永祥，周仲顯.寧夏氣象候與農業[M].銀川：寧夏人民出版社，1986.

[4] 杜鑫，趙鵬祥，陳海波，等.六盤山自然保護區38年來植被覆蓋與氣候變化關系分析[J].安徽農業科學，2011，39（41）：6558-6561.

[5] 蘇占勝，王連喜.寧夏氣候變化特征分析[J].陜西氣象，2002（3）：1-4.