表層地溫對(duì)植物替代互花米草措施的響應(yīng)*

蒙寬宏 倪章華 何叢穎 李 璠 王吉濤

（寧波海洋研究院，浙江 寧波 315932）

互花米草（Spartina alterniflora）為禾本科米草屬外來(lái)入侵植物，在沿海地區(qū)占據(jù)了大面積的灘涂區(qū)域，對(duì)當(dāng)?shù)卦鷳B(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響[1-4]，當(dāng)前對(duì)互花米草的生態(tài)后果評(píng)價(jià)、治理與控制等方面的研究日益成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[5-11]。植物替代法是根據(jù)植物群落演替的自身規(guī)律，利用植物的種間競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)互花米草群落生態(tài)空間的爭(zhēng)奪，利用有生態(tài)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的植物取代外來(lái)入侵植物，是一種操作便捷、生態(tài)良好的技術(shù)措施[12-15]。在利用不同的植物群落進(jìn)行互花米草生物替代治理時(shí)，由于地表覆蓋物類型的改變勢(shì)必引起地溫的變化，而溫度幾乎影響到植物所有的生理生化過(guò)程，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和種群擴(kuò)散有著重要影響[16,17]，有研究表明在溫度較高的情況下，溫度的升高會(huì)減緩生物入侵的速度[18]。因此，對(duì)于互花米草治理后人工構(gòu)建的不同類型植被替代群落的土壤溫度，尤其是最為敏感的表層地溫的響應(yīng)的研究，對(duì)于進(jìn)一步探索植物替代物種，以及群落配置模式具有一定的參考價(jià)值。

1 研究地點(diǎn)概況

研究地點(diǎn)位于浙江省寧波市北侖區(qū)梅山灣，位于我國(guó)東部沿海中段，杭州灣南側(cè)，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨量充沛，光照充足，氣溫適中。梅山灣為西南-東北走向的狹長(zhǎng)型海灣，海灣總長(zhǎng)11.5 km，寬度500～1 600 m，面積約為12 km2，水深多在5～10 m，土壤平均pH 8.83，平均鹽度值為0.25%，近海側(cè)的鹽度稍高，距離海域越遠(yuǎn)鹽度值越低，直至鹽度為0。海灣兩岸潮間帶被互花米草占據(jù)，灘涂淤漲，植物生物多樣性喪失，景觀單調(diào)。

互花米草治理植物替代試驗(yàn)在梅山灣梅山島側(cè)靠近梅東大閘的岸灘開展，試驗(yàn)區(qū)總面積為2 hm2，試驗(yàn)開始時(shí)間為2019年4月底。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)地設(shè)置

將試驗(yàn)區(qū)西側(cè)1 hm2面積區(qū)域設(shè)置為植物替代試驗(yàn)區(qū)，東側(cè)1 hm2面積區(qū)域設(shè)置為對(duì)照區(qū)。

對(duì)植物替代試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的互花米草實(shí)施刈割處理，作為植物替代試驗(yàn)區(qū)，試驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)約100 m，寬約100 m，從中部將試驗(yàn)地分隔為喬木區(qū)和灌木區(qū)，其中喬木區(qū)位于向陸側(cè)，灌木帶位于向海側(cè)，長(zhǎng)度均為100 m，寬約40 m。喬木區(qū)、灌木區(qū)內(nèi)再次進(jìn)行帶狀分隔，以便栽植不同類型的植物。喬木區(qū)的栽植帶又分別進(jìn)行地膜覆蓋和非地膜覆蓋兩種地表管理措施，分別即為喬木覆膜帶和喬木非覆膜帶。

2.2 植物栽植

喬木覆膜帶共有7條，寬4 m，以2 m×2 m的株行距栽植2列喬木植物，栽植鄉(xiāng)土植物烏桕，植物栽植后，用農(nóng)用地膜覆蓋地表；喬木非覆膜帶共有10條，寬6 m，以2 m×2 m的株行距栽植2列烏桕；灌木帶寬6 m，位置與喬木非覆膜帶相銜接，以1 m×1 m的株行距栽植4列海濱木槿。

2.3 表層地溫測(cè)定

在喬木覆膜帶、喬木非覆膜帶、灌木帶、互花米草對(duì)照區(qū)，以及試驗(yàn)地內(nèi)互花米草刈割后未栽植人工植被、由鄉(xiāng)土植物自然恢復(fù)的空地4種位置分別埋入自計(jì)式溫度計(jì)。采用的設(shè)備為美國(guó)產(chǎn)HOBO U22-001長(zhǎng)時(shí)自記式溫度計(jì)，埋深0～5 cm，設(shè)置測(cè)定時(shí)間間隔為0.5 h，開始日期為2020年10月，結(jié)束日期為2021年9月底。

表1 表層地溫觀測(cè)位置植被特征

2.4 氣溫?cái)?shù)據(jù)

為結(jié)合氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)氣象網(wǎng)站查詢到當(dāng)?shù)?020年10～12月，2021年1～9月的氣溫?cái)?shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 月平均溫度變化趨勢(shì)

將記錄到的12個(gè)月的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到逐月平均溫度變化情況（圖1），3種植物替代栽植帶、空地以及互花米草對(duì)照區(qū)的平均溫度變化趨勢(shì)基本一致，即最低溫度均出現(xiàn)在1月份，觀測(cè)到的平均最低溫度值為7.74℃；除空地最高溫度出現(xiàn)在7月外，各處觀測(cè)到的最高溫度出現(xiàn)在8月份，觀測(cè)到的平均最高溫度值為27.91℃。總體趨勢(shì)為喬木覆膜帶土壤表層各月份的平均溫度均高于其他各處，空地表層地溫均低于其他各處。在氣溫較低的月份，12月至次年3月，各位置間的表層地溫相差不明顯；氣溫較高的10月與11月，以及次年4～9月，各位置之間表層地溫差異較為明顯。

表2 表層地溫觀測(cè)同期每月氣溫?cái)?shù)據(jù)

圖1 不同位置表層地溫逐月平均值圖

將喬木覆膜帶、喬木非覆膜帶以及灌木帶全年0.5 h表層地溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行平均，再進(jìn)行組間對(duì)比分析。從圖2可以看到，與互花米草對(duì)照區(qū)相比，3種植物替代栽植帶除喬木非覆膜帶在氣溫較低的12月和1月表層地溫呈現(xiàn)小幅度的負(fù)增溫狀態(tài)之外（-0.26～-0.30℃），3種植物替代栽植帶均呈現(xiàn)不同程度的正向增溫狀態(tài)；空地僅在2～7月表現(xiàn)出正向增溫狀態(tài)，其他月份則為負(fù)增溫狀態(tài)，負(fù)增溫幅度高達(dá)-0.90℃。總體上的規(guī)律為大部分月份中喬木覆膜帶的增溫幅度要高于其他位置，空地大部分月份增溫幅度最低，喬木非覆膜帶與灌木帶介于二者之間。

圖2 不同試驗(yàn)措施條件下增溫幅度逐月平均值圖

喬木覆膜帶增溫幅度為0.00～1.76℃，全年中有9個(gè)月增溫幅度超過(guò)0.50℃，有5個(gè)月增溫幅度超過(guò)1.00℃；喬木非覆膜帶的增溫幅度為0.30～1.55℃，全年中有4個(gè)月增溫幅度超過(guò)0.50℃，有3個(gè)月增溫幅度超過(guò)1.0℃；灌木帶增溫幅度為0.00～1.76℃，全年有4個(gè)月增溫幅度超過(guò)0.50℃，有3個(gè)月增溫幅度超過(guò)1.00℃；空地的增溫幅度為-0.90～1.14℃。

增溫?cái)?shù)據(jù)可以說(shuō)明，當(dāng)?shù)乇砀采w物類型改變（由互花米草群落改變?yōu)槿斯ぶ脖蝗郝浠蚩盏兀r(shí)，表層土壤從大氣中接收到的溫度傳導(dǎo)的能力和接收溫度后再度失溫的能力有所不同。兩處喬木帶的表層土壤增溫趨勢(shì)幾乎相同，除6月外，均保持了喬木覆膜帶增溫幅度高于喬木非覆膜帶的狀態(tài)。這反映了在相同的環(huán)境下，喬木覆膜帶與喬木非覆膜帶從大氣中接收溫度傳導(dǎo)的能力基本一致，而喬木覆膜帶在絕大部分月份中表層地溫均高于喬木非覆膜帶則表明了在地表覆蓋地膜之后，有效減緩了土壤溫度的喪失，使得表層土壤溫度晝夜變化幅度小于喬木非覆膜帶，這與一些學(xué)者的研究結(jié)論相吻合[19-21]。灌木帶的增溫趨勢(shì)與兩處喬木帶近似，但在增溫幅度的數(shù)值上表現(xiàn)為氣溫較低的10月至次年5月居于兩處喬木帶之間，而氣溫較高的次年6～9月則一直處于低于兩處喬木帶的狀態(tài)。可以認(rèn)為灌木帶表層土壤在增溫機(jī)制上與兩處喬木帶相似，但在高溫天氣條件下，表層土壤溫度喪失速度較快，其原因可能是與郁閉條件最好的灌木帶內(nèi)強(qiáng)烈的蒸散作用將大量的溫度隨水分一同喪失。與3種植物替代林帶以及互花米草對(duì)照區(qū)相比，空地的地被物數(shù)量少、蓋度低，白天同樣可以從空氣中獲得熱量以增加表層土壤的溫度，但由于缺乏致密地表覆蓋又會(huì)迅速的失溫導(dǎo)致增溫幅度在全年大部分月份中均處于最低狀態(tài)。7月是個(gè)特例，該月份空氣溫度維持在較高的數(shù)值（最高溫度35℃），且晝夜溫差較小（28～35℃），高溫空氣下的大氣逆輻射阻礙了地面輻射的發(fā)生，有效的減緩了空地的失溫情況。

3.2 日間平均溫度變化趨勢(shì)

將每日0.5 h記錄的48個(gè)時(shí)間點(diǎn)溫度進(jìn)行全年統(tǒng)計(jì)分析，可以發(fā)現(xiàn)每日最低溫度出現(xiàn)時(shí)間段集中在6:30～8:00，每日最高溫度出現(xiàn)時(shí)間段集中在14:30～17:00。互花米草對(duì)照地與空地的最低溫度值出現(xiàn)時(shí)間略晚，均出現(xiàn)在8:00；最高溫度出現(xiàn)的時(shí)間段也稍晚，均在15:00（圖3）。

圖3 全年日間平均溫度變化圖

將喬木覆膜帶、喬木非覆膜帶以及灌木帶全年0.5 h表層地溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行平均，再進(jìn)行組間對(duì)比分析（圖4）。可以看到3種植物替代措施對(duì)于表層地溫有較大增溫效果，且增溫幅度均高于空地，增溫幅度為0.30～1.31℃；空地則在不同時(shí)間段分別出現(xiàn)增溫和負(fù)增溫兩種響應(yīng)情況，最低降溫為0.11℃，最高增溫為0.28℃。在0:00～8:00時(shí)段，3種植物替代措施下表層地溫均高于互花米草群落，增溫幅度為0.5℃左右；空地的表層地溫則低于互花米草群落，負(fù)增溫幅度為0.1℃左右。8:00之后植物替代區(qū)域與空地溫度均高于互花米草群落，同時(shí)又呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。

圖4 全年日間平均增溫變化趨勢(shì)圖

喬木覆膜帶的平均增溫幅度為0.62～1.31℃，0:00～24:00隨時(shí)間推移的變化趨勢(shì)呈先低后高再逐漸降低的變化規(guī)律；0:00～5:00，隨時(shí)間的推移溫度值呈現(xiàn)逐步的小幅度降低趨勢(shì)，增溫幅度從0.62℃逐步降低至0.48℃；在5:00～7:00時(shí)間段內(nèi)保持在0.47～0.48℃的范圍，并在5:30～6:30維持在0.47℃的最低值；7:30增溫幅度呈現(xiàn)急劇上升的狀態(tài)，增溫速度最快的9:00～10:30時(shí)段，增溫速度超過(guò)0.20℃/h；至12:00時(shí)達(dá)到1.30℃，并在12:00～14:00時(shí)間段內(nèi)保持在1.30～1.31℃；14:00后增溫幅度逐步緩慢回落，23:30降低至0.62℃。

空地的增溫幅度為-0.11～0.28℃，有13個(gè)小時(shí)（20:30至次日9:30）空地的表層地溫低于互花米草群落。0:00～24:00時(shí)間段內(nèi)，空地增溫趨勢(shì)與喬木覆膜帶相似，亦先出現(xiàn)一個(gè)小幅度的降低，隨后大幅度提高，增幅范圍和時(shí)間點(diǎn)則有所不同。0:00～3:30，隨時(shí)間的推移溫度值呈現(xiàn)逐步的小幅度降低趨勢(shì)，增溫幅度從-0.04℃逐步降低至-0.09℃，在3:30～7:00時(shí)間段內(nèi)維持在(-0.10±0.01)℃，并在5:30～6:30維持在-0.11℃的最低值；7:30～14:00，增幅小幅度提升，增溫速度為0.03～0.08℃/h；14:00空地的增溫幅度達(dá)到0.28℃的最高值，隨后立即開始緩慢回落，至21:00增溫幅度再次呈現(xiàn)負(fù)值。

喬木非覆膜帶與灌木帶的增溫幅度及變化趨勢(shì)相似，即最高增溫時(shí)刻均出現(xiàn)在0:00，最低增溫時(shí)刻均出現(xiàn)在14:00，在增溫曲線上呈凹形狀態(tài)。大部分時(shí)間段內(nèi)，灌木帶增溫幅度均高于喬木非覆膜帶，僅在19:30～20:30時(shí)段內(nèi)略低于喬木非覆膜帶（0.01℃）。

喬木非覆膜帶的增溫幅度為0.30～0.55℃，0:00～24:00隨時(shí)間的推移變化趨勢(shì)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。增溫幅度最高的時(shí)刻出現(xiàn)在0:00，增溫幅度為0.55℃；10:30之前的隨著時(shí)間的推移而緩慢下降，下降速度均不超過(guò)0.01℃/h；11:00增溫幅度開始快速降低，最高下降速度達(dá)0.06℃/h，至14:30降至全天最低的0.30℃；15:00開始增溫幅度快速回升，最高上升速度亦達(dá)到0.6℃/h，19:30增溫達(dá)到0.52℃，此后再次進(jìn)入緩慢增加狀態(tài)，20:00～23:00增溫范圍維持在(0.53±0.01)℃。

灌木帶的增溫幅度為0.42～0.55℃，0:00～24:00隨時(shí)間推移的變化趨勢(shì)亦呈先下降后上升的趨勢(shì)。增溫幅度最高的時(shí)刻出現(xiàn)在0:00，增溫幅度為0.55℃，0:00～10:30隨著時(shí)間的推移增溫幅度基本無(wú)變化，總體上維持在(0.54±0.01)℃；11:00～14:00呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，增溫幅度從0.53℃下降至0.42℃，其中11:00～12:30下降速度較快，下降速度0.02～0.04℃/h，從0.53℃降至0.46℃，13:00～14:00維持在0.46℃，14:30出現(xiàn)一次明顯的下降，達(dá)0.43℃的當(dāng)日最低值，下降速度為0.05℃/h；13:00～23:00，增溫幅度保持持續(xù)的小幅度上升狀態(tài)，回升至0.54℃。

3.3 逐月0.5 h平均溫度變化情況

將每日0.5 h記錄的48個(gè)時(shí)間點(diǎn)溫度進(jìn)行逐月平均的統(tǒng)計(jì)分析，可以看到在不同的月份中表層地溫的響應(yīng)又有所不同（圖5～圖16）。

圖5 1～12月份日間平均溫度變化圖

10月份，3種植物替代栽植帶、空地以及互花米草的表層地溫的平均每日0.5 h溫度變化趨勢(shì)基本一致，均為從0:00～7:30左右小幅度降低至最低點(diǎn)，此后以相對(duì)較快的速度回升，至14:30左右達(dá)到最高點(diǎn)，之后較為緩慢的下降。除溫度最高的14:30和15:00之外，總體都保持了喬木覆膜帶表層地溫值最高，喬木非覆膜帶與灌木帶交替處于二三的位置，互花米草位居第三，空地最低。

11月份溫度變化趨勢(shì)與10月大致相同，亦呈先降后升再降的過(guò)程，喬木覆膜帶表層地溫最高，喬木非覆膜帶與灌木帶交替處于二三位置，互花米草在氣溫較高的時(shí)間段亦略高于前二者，時(shí)間段上比10月份長(zhǎng)，從12:30持續(xù)至16:00，空地的表層地溫依舊是最低的。

12月份溫度變化趨勢(shì)與前兩月份亦大致相同，同樣呈先降后升再降的過(guò)程。不同之處在于表層地溫最高者在0:00～11:00，以及16:00之后出現(xiàn)在灌木帶，11:00～16:00土壤溫度最高者則為喬木覆膜帶。總體上看，灌木帶的溫度最高，其次為互花米草、喬木覆膜帶，之后為喬木非覆膜帶，空地依舊最低。

1月份變化趨勢(shì)同樣呈先降后升再降的過(guò)程，與前者不同之處為氣溫達(dá)到最低點(diǎn)之后的升溫速度極快，呈現(xiàn)陡增的狀態(tài)，到達(dá)最高值之后的下降速度較升溫速度有所減緩。不同之處在于，表層地溫最高者在0:00～10:30，以及19:30之后出現(xiàn)在灌木帶，10:30～19:00土壤溫度最高者則為喬木覆膜帶。在氣溫較高的14:00～17:30，空地的表層地溫僅低于喬木非覆膜帶，而高于其他位置。同樣反映了在氣溫較低的狀態(tài)下，地表植被越少，越有利于土壤溫度的回升。喬木覆膜帶表層地溫在這個(gè)時(shí)段在最高位置，同樣說(shuō)明了地膜覆蓋后有效的阻止了低溫的喪失。

2月與3月的土壤數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出與1月類似的規(guī)律。此時(shí)，由于致密的植被群落存在，使得互花米草接收大氣逆輻射的能力受阻，表層土壤增溫效果不佳，在大部分時(shí)間段中表層土壤溫度值處于最低水平。

4月份氣溫與3月相比有較大程度的提升（日均溫由8～17℃提高14～23℃），高溫時(shí)段空地的增溫效果逐漸減弱，而喬木覆膜帶的升溫與保溫效果愈加明顯。互花米草群落表層地溫全天處于最低的水平。

5、6月份氣溫隨著氣溫的進(jìn)一步提升，前述的表層地溫變化趨勢(shì)規(guī)律總體上保持一致，而高溫時(shí)段空地的增溫效果進(jìn)一步減弱，空地的表層地溫僅略高于互花米草群落。

7月是全年氣溫最高的月份，日平均最高最低氣溫再次大幅度超過(guò)前三個(gè)月，使得在氣溫較高的時(shí)段空地的表層土壤增溫趨勢(shì)尤為顯著，成為全年中唯一高于其他所有位置的月份。

8、9月份與7月不同之處是互花米草在全天的觀測(cè)值均高于空地，且在高溫時(shí)段的溫度上升最快，處于僅次于喬木覆膜帶的水平，空地依舊是最低。

4 結(jié)論與討論

4.1 利用刈割的方式進(jìn)行互花米草群落的清除，清除后栽植喬木、灌木形成人工植物帶，并對(duì)喬木帶進(jìn)行覆膜與非覆膜兩種處理。利用自計(jì)式溫度計(jì)對(duì)喬木覆膜帶、喬木非覆膜帶、灌木帶、空地以及互花米草對(duì)照區(qū)進(jìn)行0.5 h 1次的連續(xù)的表層土壤溫度監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)為1年。數(shù)據(jù)分析表明，總體上3種植物替代栽植帶與空地以及互花米草群落的每月平均溫度變化規(guī)律與氣溫變化基本一致。喬木覆膜帶高于其他各處，空地最低。在氣溫較低的月份，各位置之間的表層地溫相差不明顯；氣溫較高的月份差異較為明顯。3種植物替代栽植帶均呈現(xiàn)不同程度的正向增溫狀態(tài)，空地僅在2～7月表現(xiàn)出正向增溫狀態(tài)，其他月份則為負(fù)增溫狀態(tài)。

4.2 3種植物替代措施對(duì)于表層地溫有較大增溫效果，且增溫幅度均高于空地，其中大部分時(shí)間段均以喬木覆膜帶最高，空地則在不同時(shí)間段分別出現(xiàn)增溫和負(fù)增溫兩種響應(yīng)情況。

4.3 表層土壤溫度變化以及各措施的增溫?cái)?shù)據(jù)均表明良好的木本植被群落較互花米草群落有更加的升溫優(yōu)勢(shì)，地表覆膜措施更可以進(jìn)一步減緩表層土壤的溫度喪失。

4.4 通過(guò)對(duì)表層地溫的觀測(cè)，證明了植被覆蓋類型、地表覆蓋類型的不同，導(dǎo)致表層地溫的響應(yīng)機(jī)制存在較大差異，總的趨勢(shì)是人工構(gòu)建的以木本植物組成的植被群落使得表層地溫高于互花米草對(duì)照區(qū)，在地面覆蓋的地膜的情況下增溫效果更加明顯。

土壤溫度的增加對(duì)植物生長(zhǎng)是有利的，因?yàn)樘岣吡酥参锷L(zhǎng)所需的活動(dòng)積溫、促進(jìn)植物根的生長(zhǎng)與植株發(fā)育，同時(shí)有學(xué)者研究證實(shí)溫度的升高對(duì)于互花米草的擴(kuò)散存在一定的抑制作用。在進(jìn)行互花米草植物替代治理與抑制的工作中，可以進(jìn)一步探索通過(guò)人工構(gòu)建的替代植物群落促進(jìn)土壤溫度的提升的幅度以及對(duì)互花米草的抑制程度，為治理互花米草提供更精準(zhǔn)的植物品種與群落構(gòu)建措施。