沙漠植被調節氣溫的生物學功能初步測定分析
——以民勤沙區為例

趙建梅,王曉燕

(白銀市林業和草原局 甘肅,白銀 730900)

1 引言

氣溫異變,雨水減少和人類活動等原因導致沙漠化的土壤是對我們生存環境的重大威脅。圍繞著沙漠化防治,世界各沙漠分布國家都進行了廣泛的探索并做了大量卓有成效的工作。防沙治沙的措施可分為直接措施和間接措施[1],直接措施包括造林治沙、沙障壓沙和封沙育草。間接措施一般是農業節日措施或向沙漠地區調水等。造林治沙也稱生物措施,是目前最主要的治沙措施之一[2-3]。調節氣候是森林的重要生態功能之一[4-6]。截至目前,國內外對沙漠植被(包括人工固沙林)的防風功能、阻固流沙功能[7-9]以及改變土壤理化性質功能[10]的研究有許多,而忽視了其調節氣溫的功能研究,國內外幾乎沒有關于沙漠植被對調節氣溫、平抑沙漠地區增溫的研究報道,而這恰恰是沙漠植被最重要的生物學生態功能之一,是區別于沙障壓沙等物理固沙措施的特有的生態功能。

植物通過對光能的吸收和消化來維持其生物功能。然而,已有的研究植物光合利用率或呼吸利用率的研究往往只測定單株植物的某時段的光合或呼吸強度[11-14],一方面并沒有考慮單位面積植被全時段(如1年)的光利用率。另一方面,通過測定光合和呼吸不能獲得植物消耗光能的全部量,因為還有無效蒸騰、損耗。植物材料的比熱容遠大于沙粒、礫石,因而還具有吸收熱量等功能。此外,研究“大氣—植物—土壤連續體”(SPAC)等方面[15-17]。然而,這方面的研究主要是針對農作物開展的,再者,該系統只研究水分從土壤到植物再到大氣的運移規律,而并不考慮植物對太陽輻射的利用情況。

鑒于此,本文利用民勤沙區的植物樣方調查資料,對沙漠植物調節氣溫的生態功能作為一初步估算分析,以資討論。

2 研究區與研究方法

民勤縣位于石羊河流域下游,縣城的東、西和北部都被沙漠所環繞。整個縣境內荒漠、鹽堿灘和戈壁等荒漠化地區的總面積占據了土地總面積的90.34%,而森林覆蓋率僅為17.91%。民勤縣多年平均降水量113.24 mm,年平均降水日數僅為79.2 d,沙塵暴等極端惡劣日數為63.6 d,該區域是典型的大陸干旱性荒漠氣候。

植被調查:民勤縣天然植物群落主要有沙蒿、白刺等,人工固沙林主要是梭梭、沙棗等。本文選擇白刺樣方、沙蒿樣方、麻黃樣方和梭梭人工林樣方及“白刺+梭梭”樣方,3次重復,調查并測定植被蓋度及投影蓋度。本文中使用植株冠幅面積占樣地面積的比例來測定蓋度。蓋度的測定方法是通過將植物地上冠幅的鉛錘投影覆蓋在樣地上的面積,并計算其與所占樣地面積的比值。

光照強度和沙面光反射率測定:太陽光照強度和沙面地被物的反射率采用SL-86LA照度計測定,不同地被物的測定高度相同。河西走廊各生態氣候資料來源于國家氣象信息中心,并對部分氣象觀測點的數據進行了索取與校對。下式為太陽輻射入射總量計算公式:

Pλ=Pα+Pβ+Pτ

(1)

其中,Pλ為到達地面太陽輻射入射總量,Pα為地被物反射量,Pβ為地被物吸收量,Pτ為地被物透射量。

地被物的反射率Pγ:

(2)

光利用率計算:調查、測定當地主要植物群落投影蓋度,以已知的投影蓋度100%植被的光利用率,換算當地主要植物群落的光利用率(3式),令Si為待計算植被的光利用率,S0為已知投影蓋度100%時的光能利用率,Ci為植被投影蓋度,則:

Si=S0·Ci

(3)

3 結果分析

3.1 太陽輻射

甘肅河西地區的日照時間廠,其中走廊地區的年均日照時數達到了3000.2 h/a,走廊中西部的日照時數,年平均太陽輻射超過了1700 kWh/m2,走廊西部玉門,日照時數高達3267.6h/a,太陽輻射高達1789.8 kWh/m2,民勤沙區日照時數高達3028.4 h/a,太陽輻射1634.1 kWh/m2。

沙塵暴是生態惡劣導致土壤沙漠化后由氣壓差導致風帶動沙礫遷移的典型氣候災害的表現形式之一。沙漠地區沙面裸露,沙塵暴的動力是風,而風的動力源則是氣壓,氣壓的動力源又是太陽輻射。由于沙子的比熱(0.9×103J(kg·℃))很小,約為水的比熱(4.2×103J(kg·℃))的1/4.7。當太陽照射時,沙面的增溫速率快,還會折射太陽輻射到空氣,導致沙漠近地面的溫度上升,空氣開始膨脹并上升。與此同時,西伯利亞的高壓冷空氣向四周擴散,與沙漠地區的高溫低壓區形成氣壓差。氣壓差越大,那么風速越快,由此會吹起干燥、裸露的沙面的沙塵,引起大風沙塵暴。風速越大,沙塵暴強度就越大[18]。民勤沙區1993—2021年平均,年平均發生沙塵暴13.26次,其中4月份平均2.96次,3月份平均2.78次。

3.2 植被反射

民勤沙區的觀測結果表明,裸露沙面的反射率最大,為13.8%,小麥田的反射率最小,為3.6%,不同沙面地被物的反射率排序結果是:裸露沙面>耕地>地膜>梭梭>白刺>毛條>麻黃>花棒>沙拐棗>檉枊>沙棗>小麥田。灌木對太陽輻射的平均反射率為9.2%,其中梭梭、白刺的反射率相對最高,均為10.9%,沙棗的反射率最低,為5.6%,檉枊的反射率次小,為7.8%(見表1)。

表1 沙面各個地被物的反射率

地被物日照強度(103 Lux)垂直反射(103 Lux)法線反射(103 Lux)平均反射率(%)沙丘部位重復數植被梭梭Halaxylon ammodendron130.413.314.01.9頂部、上部4毛條Caragana korshinskii120.811.113.01.6低平沙地4沙拐棗Calligonum mongolicum141.011.312.78.5中上部3白刺Nitraria tangutorum118.011.312.710.9白刺包3花棒Hedysarum scoparium124.09.712.09.1低平沙地3檉枊Tamarix ramosissima135.07.08.05.6低平沙地3沙棗Elaeagnus angustifolia135.07.08.05.6低平沙地3麻黃Ephedra przewalskii117.011.013.010.3低平沙地3裸露沙面130.516.119.27.8頂部、腰部6小麥138.05.05.03.6苗高15 cm3耕地78.010.011.013.5耕作地3地膜138.014.017.011.2耕作地3

進一步測定不同沙面地被物表面溫度和上空氣溫,結果表明:

(1)同一時刻,梭梭、沙拐棗、花棒、檉枊、白刺5種植物的平均葉面溫度為31.82℃,較裸露沙面溫度(51.0℃)低19.18℃;較麥草沙障(41.7℃)低9.88℃;較干粘土(41.3℃)低9.48℃。

(2)同一時刻,距離這5種植物枝葉上空30 cm高度的平均氣溫為33.08℃,較裸露沙面上空30 cm高度氣溫(37.5℃)低4.42℃;較麥草沙障上空30 cm高度氣溫(33.8℃)低0.72℃;較干粘土上空30 cm高度氣溫(40.0℃)低6.92℃。

(3)同一時刻,距離這5種植物枝葉上空50cm高度的平均氣溫為33.46℃,較裸露沙面上空50 cm高度氣溫(36.6℃)低3.13℃;較麥草沙障上空50 cm高度氣溫(33.0℃)低-0.46℃;較干粘土上空50 cm高度氣溫(39.2℃)低5.74℃(見表2)。

表2 同一時刻沙面不同地被物的熱效應

3.3 光能利用率

由公式(1)可見,太陽輻射的到達沙漠地表后,一部分被植物吸收,一部分被植被反射,另一部分經過植被空隙透射到沙面后被沙面吸收和反射。沙漠地區的植被數量少,且密度小,例如在民勤西沙窩綠洲邊緣封育區,白刺、沙蒿、麻黃、梭梭林人工“梭梭+白刺”的植被投影蓋度分別為6.11%、5.16%、5.26%、3.96%和6.30%;植被平均蓋度和平均投影蓋度分別為13.69%和5.36%。

由公式(2)計算得民勤沙區1 m2白刺的年光能利用率為0.066%,沙蒿的年光能利用率為0.055%,麻黃的年光能利用率為0.057%,梭梭的年光能利用率為0.043%,白刺+梭梭的年光能利用率為0.068%,這5種群落平均年光能利用率為0.058%。

4 討論

前述已知,已有的研究植物光合利用率或呼吸利用率的研究往往只能測定單株植物的某時段的光合或呼吸強度[11-14],很難測定單位面積植被全年光的利用率。這可能就是限制沙漠植物生物學生態功能研究因素之一。沙漠植物的生物學生態功能可能表現在多個方面,本文只是對其調節氣溫、平抑沙漠氣溫劇變作了初步估算,以資探索和討論。以往的荒漠植被的生態功能一般都只考慮防風、固沙阻沙功能,而忽視了沙漠植被調節氣候/氣溫的功能,這是有別于沙障壓沙等固沙措施的生物學功能。忽視了植物/植被的生物學生態功能,即意味把植物治沙等同于沙障等物理固沙措施,這顯然是不正確的。然而,到目前為止,國內外缺少有關沙漠植物生物學生態功能的研究,這一理論上的空缺,影響了植物治沙和保護沙漠植被的實踐活動。

我國的西北和內蒙古的中西部地區裸露的沙面積大,是我沙漠化較為嚴重的區域,而沙面熱力不平衡是引起沙城暴的重要原因。當氣溫回暖時,沙面會反射太陽輻射,導致空氣溫度上升,進而引起熱空氣上升,氣壓下降,由此在春季與西伯利亞的冷空氣形成一定的氣壓差。當氣壓差增大,就會增加風速。裸露的沙面受到強風的吹襲,就會引起風沙流或沙塵暴[18]。風沙流、沙塵暴的物質來源于裸露的、干燥的沙塵,而沙塵暴主要由風吹形成,而風的形成主要是因為空氣熱力不均衡所致,而沙漠植被一般很稀疏,調節氣溫、平抑沙漠春季氣溫劇增的作用較小[18]。沙漠地區氣溫變化很大,因而,稀疏的沙漠植物對平抑沙漠地區氣溫變化,尤其是春季增溫是有重要意義的。

為了防風固沙和治理沙塵暴,造林和保護荒漠植被是最有效的措施之一。同時,水是干旱區和半干旱區荒漠生態系統中的主導因子之一[2]。因此,節約用水和科學用水是建設和保護荒漠植被的根本措施。

5 結論

沙漠植物具有生物環境交互能力能夠有效調節氣溫和阻尼氣溫劇變,尤其是對減緩西北地區每年春季的沙塵暴具有沙障等物理固沙措施不可替代的生物學生態功能。森林地區空氣濕度相對較大,氣候相對穩定。但沙漠化地區的空氣中含水量較少,導致空氣溫度變化較為強烈。民勤綠洲邊緣單位面積沙漠植被太陽輻射利用率雖然僅為5.8%,但其對調節當地沙漠具有不可忽視的重要意義。本文只是對其進行了初步的探索性研究,還需要進一步深入研究和實踐。