新疆新源縣野果林氣象要素年變化特征

摘" " 要：為了給新疆新源縣野果林的更新與復(fù)壯工作提供氣象資料支撐，對2019—2021年新源縣野果林平地、陰坡和陽坡3種生境類型的氣象觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測分析，探討氣溫、空氣相對濕度、光照、土壤溫濕度、降雨、風(fēng)速與風(fēng)向關(guān)鍵氣象要素的年變化規(guī)律。結(jié)果顯示：氣溫呈現(xiàn)明顯的單峰年變化模式，7月氣溫最高，月平均溫度為22.87 ℃，而1月氣溫最低，月平均溫度為-8.59 ℃，不同試驗地間的溫差不超過2.04 ℃；空氣相對濕度在6—7月達(dá)到峰值，并且極端濕度事件頻繁發(fā)生；光照強(qiáng)度從1—6月逐漸增強(qiáng)，隨后在7—12月逐漸減弱，3種試驗地的年均光照強(qiáng)度差異小于1 876 lx；隨著深度的增加，土壤溫度和含水量變化幅度減小，7月土壤溫度達(dá)到最高，而1月最低，3月和9月為土壤溫度的交匯期；土壤含水量在5—6月達(dá)到最高，在8—9月降至最低；降水主要集中在4—6月，占全年降水量的49.1%；年均風(fēng)速為1.19 m·s-1，東南風(fēng)向占主導(dǎo)地位，占比45.45%；除了風(fēng)向外，其他氣象要素之間存在顯著的正相關(guān)性?？傮w而言，新源縣野果林全年氣候條件普遍適宜野果林的自然更新，但冬季極端天氣對生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和更新能力構(gòu)成了顯著挑戰(zhàn)，需要在生態(tài)保護(hù)過程中予以重視。

關(guān)鍵詞：野果林；氣象要素；年變化

中圖分類號：S716" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " " " DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2024.08.003

Annual Variation of Meteorologic Elements of Wild Fruit Forest in Xinyuan County， Xinjiang

CHENG Gong1，2， LIU Liqiang1， ZHOU Weiquan1， LIAO Kang1，" MANSUR·Nasir1

（1. College of horticulture， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， Xinjiang 830052，China; 2. Handan Academy of Agricultural Sciences， Handan， Hebei 056000， China）

Abstract： In order to provide meteorological data support for the regeneration and restoration work of wild fruit forest in Xinyuan County， Xinjiang， by analyzing the meteorological observation data of the wild fruit forest in Xinyuan County from 2019 to 2021 for three habitat types of flat land， shady slope， and sunny slope， this study explored the annual variation patterns of key meteorological elements such as temperature， air relative humidity， light， soil temperature and humidity， rainfall， wind direction and speed.The results showed that the temperature exhibited a clear unimodal annual variation pattern， reaching the highest monthly average temperature of 22.87 ℃ in July， and the lowest monthly average temperature of -8.59 ℃ in January， with the temperature difference between different experimental sites not exceeding 2.04 ℃. The air relative humidity peaked in June and July， with frequent extreme humidity events. Light intensity gradually strengthened from January to June， then gradually weakened from July to December， with the annual average light intensity difference among the three experimental sites being less than 1 876 lx. Soil temperature and moisture content change with depth， with the highest soil temperature in July and the lowest in January， and the intersection period of soil temperature in March and September. Soil moisture content peaked in May and June， and dropped to the lowest in August and September. Precipitation was mainly concentrated in April to June， accounting for 49.1% of the annual precipitation. The annual average wind speed was 1.19 m·s-1， with the southeast wind direction being dominant， accounting for 45.45%. In addition to wind direction， there was a significant positive correlation between other meteorological elements. Overall， the climate conditions of the Xinyuan wild fruit forest are generally suitable for the natural regeneration of the wild fruit forest throughout the year. However， extreme weather phenomena in winter pose a significant challenge to the stability and regeneration capacity of the ecosystem， which needs to be given attention in ecological protection.

Key words： wild fruit forest; meteorological elements; annual change

新疆位于我國西北邊陲，深居中緯度歐亞大陸腹地，地域遼闊，自然環(huán)境多樣，氣候條件各異，因此孕育了豐富的野果林資源。野果林由重要的野生果樹資源如野杏、野蘋果等組成，其包含著重要的特異優(yōu)良性狀基因，具有重要的研究價值。近年來，野果林大量死亡，野生資源基因庫遭受損失[1-2]，迫切需要進(jìn)行更新恢復(fù)。充分掌握野果林原生境微氣候條件，對于指導(dǎo)野果林人工更新和恢復(fù)野果林具有重要意義。2008—2011年新疆新源縣交吾托海野果林氣象監(jiān)測研究表明，夏季最高氣溫達(dá)30 ℃以上，出現(xiàn)在7—8月，但持續(xù)時間非常短，7—8月平均氣溫為19 ℃，冬季最低氣溫為-15 ℃，12—2月平均氣溫為-4 ℃，年平均氣溫為7.8 ℃。2012年氣象監(jiān)測結(jié)果表明，大西溝山區(qū)最高氣溫為32 ℃，出現(xiàn)時間較短，7—8月平均氣溫為20 ℃左右，冬季最低氣溫為-26 ℃，冬季月平均氣溫為-6 ℃左右，年平均氣溫為8.25 ℃，山區(qū)熱量低于平原[3]。楊銘倫等[4]研究發(fā)現(xiàn)，林冠能增加空氣相對濕度，空氣相對濕度變化與氣溫變化趨于對稱，土壤溫度變化與氣溫變化有明顯的滯后性，土壤含水量的變化較小，春夏季風(fēng)速高，秋冬季風(fēng)速低。何滎等[5]研究發(fā)現(xiàn)，新疆天然光年總照度下降趨勢明顯，其中伊寧年總照度自1987年以后逐漸下降。李曄等[6]研究表明，近10年來，新疆日照時數(shù)明顯減少，南疆日照時數(shù)增加，東疆氣候暖濕化變化與日照時數(shù)呈負(fù)相關(guān)。翟朝陽等[7]研究表明，伊犁大西溝不同坡向和坡位的土壤溫度范圍為12.71～16.99 ℃，土壤含水量范圍為18.41%～52.37%，坡度、坡向與土壤溫度和含水量呈顯著相關(guān)。山區(qū)的降雨主要以小雨為主，降雨主要出現(xiàn)在午后至傍晚[8]。馬亞林等[9]研究表明，暴雨集中在5—8月，暴雨分布有明顯的地域性，受地形影響明顯，高海拔山區(qū)更容易出現(xiàn)暴雨。

本研究選擇新源縣野果林的平地、陰坡、陽坡3種生境類型，監(jiān)測主要?dú)庀笾笜?biāo)，探究氣象規(guī)律，為高效利用氣候資源，優(yōu)化調(diào)整種植模式和采取趨利避害的栽植管理措施，提高野生果樹成活率和加快野果林恢復(fù)速度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于新疆新源縣伊犁植物園，在試驗區(qū)選擇平地、陰坡和陽坡3種生境類型試驗地，基本概況如表1所示。

1.2 試驗方法

本研究參照GB/T 35221—2017《地面氣象觀測規(guī)范》[10]進(jìn)行布置，分別在3種試驗地安裝EL-USB-2.0溫濕度記錄儀（英國LASCAR公司）、光照記錄儀（美國Onset HOBO）、ECH2O土壤監(jiān)測系統(tǒng)（美國METER公司），記錄3種試驗地的氣溫（℃）、空氣相對濕度（%）、光照（lx）、土壤溫度（℃）、土壤含水量（m3·m-3），數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)為1 h。同時，為減小林間小氣候的影響，在試驗區(qū)野果林開闊地帶放置1臺自動氣象站（美國Davis公司），記錄野果林的風(fēng)速（m·s-1）、降雨量（mm）和光照（lx）等氣象因子作為對照（CK）。各氣象要素的觀測時間為2019年5月—2021年4月。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本研究采用Microsoft Excel 2019軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表制作，使用SPSS19.0軟件進(jìn)行野果林各氣象因子之間相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣溫度

本研究以野果林安裝的Davis自動氣象站觀測記錄的氣象資料為依據(jù)，進(jìn)行月平均氣溫、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫的研究（圖1）。結(jié)果顯示，新源縣野果林年平均氣溫為9.37 ℃，1月平均最低氣溫為-12.28 ℃，日最低氣溫為-25.42 ℃，7月平均最高氣溫為18.72 ℃，日最高氣溫為32.65 ℃，氣溫年較差為39.74 ℃。由圖1可知，野果林地區(qū)氣溫變幅較大，存在極端低溫現(xiàn)象。

通過EL-USB-2.0溫濕度記錄儀記錄的數(shù)據(jù)，筆者計算出3種試驗地年日均氣溫變化。由圖2可知，3種試驗地氣溫變化具有相同的變化趨勢。1—7月，氣溫在波動中逐漸上升，其中1月28日出現(xiàn)最低溫，極端低溫為-28.0 ℃。3月中旬、4月中旬和5月上旬，由于試驗地區(qū)降雪，氣溫在上升過程中出現(xiàn)下降。7月以后，氣溫在波動中逐漸下降。11月上旬，氣溫出現(xiàn)小范圍回升。12月，氣溫降至最低。

3種試驗地與對照觀測值存在差異（表2）。平地和陰坡日平均氣溫均低于對照，分別低1.98 ℃和1.99 ℃。陽坡日平均氣溫高于對照0.05 ℃。陽坡日最高氣溫最高，高于對照1.61 ℃，陰坡日最高氣溫高于對照0.31 ℃，而平地日最高氣溫低于對照0.04 ℃。3種試驗地日最低氣溫均低于對照，其中平地比對照低2.87 ℃，陽坡比對照低0.75 ℃，陰坡比對照低3.30 ℃。3種試驗地日較差均大于對照，氣溫差異較小。

2.2 空氣相對濕度

通過EL-USB-2.0溫濕度記錄儀記錄的數(shù)據(jù)，筆者計算出3種試驗地年日均空氣相對濕度變化。由圖3可知，平地、陽坡、陰坡年平均空氣相對濕度分別為70.46%、57.66%、67.83%。3種試驗地空氣相對濕度年變化幅度較大，出現(xiàn)極端空氣相對濕度的現(xiàn)象較為頻繁，陽坡空氣相對濕度最小。6月和7月上旬，3種試驗地空氣相對濕度較大且變化幅度較小。

本研究將水汽壓值與溫度進(jìn)行擬合（圖4），其擬合效果極顯著，R2=0.752。擬合方程如下：

y=0.352e0.055x

式中，y為水汽壓（KPa）；x為溫度（℃）。

2.3 光照

通過HOBO光照記錄儀記錄的數(shù)據(jù)，筆者計算出3種試驗地年日均光照強(qiáng)度變化。由圖5可知，野果林3種試驗地全年光照強(qiáng)度呈現(xiàn)單峰曲線，即1—6月光照強(qiáng)度逐漸上升，6—12月光照強(qiáng)度逐漸降低。6月光照強(qiáng)度最強(qiáng)，但6月中旬和下旬出現(xiàn)1次光照強(qiáng)度降低現(xiàn)象。原因是6月下旬出現(xiàn)7 d陰天和降雨。3—6月，光照強(qiáng)度變動幅度較大。原因是野果林降雨集中在春季和夏季，降雨天氣使光照強(qiáng)度降低。6月日平均日照時數(shù)為10.11 h，12月日平均日照時數(shù)為3.97 h。平地、陽坡和陰坡年平均光照強(qiáng)度分別為25 722.76、26 789.84、24 913.84 lx，差異較小。原因是3種試驗地以雜草為主，野生果樹使試驗地?zé)o郁閉度，陽光可直射試驗區(qū)。

2.4 土壤溫度

通過氣象站記錄的數(shù)據(jù)，筆者計算出野果林0～50 cm深度土壤年日均溫度變化，如圖6所示。由圖6可知，野果林各層土壤溫度在1—3月中旬較為穩(wěn)定，變化幅度小。3月下旬開始，各層土壤溫度逐漸上升，7月底達(dá)到全年最高溫。10 cm深度土壤溫度最高（26.95 ℃），50 cm深度土壤溫度最低（21.39 ℃），此后各層土壤溫度開始下降。1—3月和10—12月，土壤溫度隨著深度的增加而升高，即地表溫度低于地下土壤溫度；5—8月，地表土壤溫度高于地下土壤溫度；3月和9月是土壤溫度變化的過渡期，這2個月各層土壤溫度差異最小。10 cm深度土壤溫度在1—2月低于0 ℃，其中1月平均最低溫度為

-0.31 ℃，極端最低溫度為-0.37 ℃。全年土壤日均溫度變化范圍較大，變化范圍為-0.84～22.00 ℃。土壤溫度的變化隨著土壤深度的增加存在滯后現(xiàn)象，并且隨著深度的增加，滯后時間變長。土壤溫度波動幅度隨著土層深度的增加而減小，即10 cm深度土壤溫度變化幅度最大，50 cm深度土壤溫度變化幅度最小。

由表3可知，不同試驗地得到的熱量不同，10 cm深度土壤日平均最高溫度排序由高到低為陽坡gt;平地gt;陰坡，其中陽坡高于對照1.07 ℃，平地和陰坡分別比對照低1.84 ℃、2.24 ℃。原因是平地和陰坡雜草較多，白天阻擋了陽光照射地面，地溫不會太高，而陽坡雜草少，陽光可直射地面，陽坡地溫升高較快。10 cm深度土壤日平均最低溫均低于對照土壤溫度。由表3可以看出，陽坡降溫較快，平地和陰坡有雜草覆蓋，其與對照的最低溫差值小于最高溫差值。陽坡各深度土壤的日平均溫度均高于對照，平地和陰坡土壤日均溫度均低于對照，其中平地比對照低1.47 ℃，陰坡比對照低1.99 ℃。

2.5 土壤含水量

根據(jù)自動氣象站記錄的數(shù)據(jù)，可以計算出野果林0～50 cm深度土壤的年日均土壤含水量變化。由圖7可知，在觀測范圍內(nèi)，野果林各層土壤含水量年變化范圍較大且變化趨勢較一致。1—3月上旬，各層土壤含水量較為接近，并且呈現(xiàn)微弱變化趨勢。3月中旬開始，各層土壤含水量急劇上升，表層10 cm土壤含水量上升最快。原因是3月中旬后，氣溫開始上升，積雪融化后滲入土壤，使其含水量上升。4—6月，10、20 cm深度土壤含水量顯著高于其余深度土壤含水量。原因是該時期為野果林年內(nèi)主要降雨時期，降雨頻繁且降雨量大，雨水不會形成地表徑流，而是直接滲入地下。7月中下旬至8月上旬，氣溫為年內(nèi)最高，降雨減少，使各層土壤含水量急劇下降至年內(nèi)最低值，各土層含水量差異較小。8—9月，土壤含水量短暫回升后又下降。10月以后，土壤含水量上升。11月中旬，野果林開始降雪且不再融化，各層土壤含水量達(dá)到穩(wěn)定，隨后有微弱的下降過程。由此說明，表層土壤含水量的變化幅度大于深層土壤，各層土壤含水量的變化存在滯后現(xiàn)象，其滯后時間隨著深度的增加而變長。

由表4可以看出，不同試驗地土壤含水量不同，10 cm深度土壤日平均最高含水量由高到低排序為平地gt;陰坡gt;陽坡，其中平地和陰坡土壤含水量分別比對照高0.049、0.022" m3·m-3，僅陽坡低于對照0.027 m3·m-3。10 cm深度土壤最低土壤含水量由高到低排序為平地gt;陰坡gt;陽坡，平地和陰坡分別高于對照0.044、0.017 m3·m-3。各層土壤含水量差值比較結(jié)果顯示，平地和陰坡土壤含水量均高于對照，平地和陰坡土壤含水量在10～20 cm深度時逐漸下降，在20～50 cm深度時逐漸上升。原因是2種試驗地雜草生長旺盛，蒸騰作用消耗掉部分表層土壤水分，而深層土壤水分得以儲存下來，陽坡土壤含水量在10～40 cm深度時低于對照，在50 cm深度時高于對照，陽坡土壤含水量在10～30 cm深度時逐漸降低，在30～50 cm深度時逐漸增高。由此可見，在觀測范圍內(nèi)，陽坡儲水層主要分布在40～50 cm深度。

2.6 降水量

根據(jù)自動氣象站記錄的數(shù)據(jù)，可以計算出野果林年日均降水量變化。由圖8可知，作為主要?dú)庀笠蜃又坏慕涤晔切略匆肮株懙厮值闹饕獊碓?。大氣降水特征主要包括降水量、降水持續(xù)時間、降水強(qiáng)度等因素。新源野果林年降水97次，年降水量556.8 mm，年降水天數(shù)為117 d。年內(nèi)各月降水量變化很大，降水主要集中在4—6月，占全年降水總量的49.1%。最大日降水量為30.6 mm，出現(xiàn)在2019年5月19日，次降雨量超過10 mm的次數(shù)為15次，占總降雨次數(shù)的15.5%。日降雨量超過10 mm的天數(shù)為15 d，其降水量占總降水量的46.7%，平均次降水量為5.7 mm。從單次降水持續(xù)時間來看，單次降水持續(xù)時間小于5 h的降水總量超過年內(nèi)降雨總量的81%。這說明野果林夏季降雨以陣雨和小雨為主。

2.7 風(fēng)速與風(fēng)向

由圖9可知，野果林全年平均風(fēng)速1.19 m·s-1，以東南向和東南偏南方向頻率較高，其頻率分別為19.43%、26.02%，平均風(fēng)速分別為1.79、1.43 m·s-1，而新源野果林山脈的走向為東南至西北，山脈走向與風(fēng)向接近，所以常刮東南風(fēng)。最大風(fēng)速達(dá)到8.75 m·s-1，出現(xiàn)在2019年12月27日。風(fēng)速達(dá)到4 m·s-1的天數(shù)為75 d，占全年刮風(fēng)天數(shù)的20.5%，但持續(xù)時間短。刮風(fēng)時間主要集中在22時至次日3時，即夜間風(fēng)速大于白天，全年風(fēng)速不會對野果林植被產(chǎn)生影響。

2.8 各氣象因子相關(guān)性分析

如表5所示，除降水量和氣溫、風(fēng)向和土壤含水量、風(fēng)向和降水量外，其余氣象因子之間均達(dá)到顯著和極顯著相關(guān)?？諝庀鄬穸扰c氣溫、光照、土壤溫度、風(fēng)向、風(fēng)速為負(fù)相關(guān)，光照與降水量為負(fù)相關(guān)，其余氣象因子之間均為正相關(guān)。正相關(guān)中，氣溫與土壤溫度的相關(guān)性最高，相關(guān)性指數(shù)為0.919；負(fù)相關(guān)中，氣溫與空氣相對濕度的相關(guān)性最高，相關(guān)性指數(shù)為-0.401。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

本研究中，新源縣野果林年平均氣溫為9.37 ℃，這與黃娟等[11]研究結(jié)果較為接近，其對伊寧縣氣溫分析認(rèn)為，該地區(qū)年平均氣溫為10.2 ℃，年內(nèi)氣溫變化幅度大，1月降至最低溫，然后開始逐漸回暖。普宗朝等[12-13]研究表明，伊犁河谷地區(qū)9—10月平均氣溫為14～15 ℃，11月下旬降至0 ℃，1月氣溫降至最低點(diǎn)（-9 ℃），伊犁河谷1月極端低溫為-30～-25 ℃，這與本研究結(jié)果一致。冬季北疆降雪較多[14]，為春季果樹生長提供了較高的土壤含水量[15]。野果林年平均氣溫9.37 ℃，高于閆俊杰等[16]和李聰?shù)萚17]研究結(jié)果。殷劍虹等[18]認(rèn)為，年平均氣溫范圍為3.5～9.5 ℃，這與本研究結(jié)果一致?？諝庀鄬穸茸兓秶?，波動幅度明顯，3種試驗地空氣相對濕度的年變化中，平地和陰坡相對空氣濕度較為接近，高于陽坡。野生果樹大量死亡，使試驗地變?yōu)槁愕?，平地和陰坡雜草生長旺盛，覆蓋度高，雨水蒸發(fā)和自身的蒸騰作用增加了空氣相對濕度，陽坡雜草類別單一，更易受大風(fēng)影響，因此空氣相對濕度較低。本研究中，野果林光照充足，年日照時數(shù)2 809 h，這與何滎等[5]研究結(jié)果相似。但3種類型試驗地光照差異小，原因是3種試驗地距離較近，同時野生果樹死亡，森林無郁閉度，陽光可直射地面。地溫包括下墊面溫度和不同深度土壤溫度，是土壤熱狀況綜合表征指標(biāo)，其分布和變化特征對氣候的變化會產(chǎn)生重要影響[19]。野果林各層土壤溫度的年內(nèi)變化呈現(xiàn)單峰曲線趨勢，3—8月地溫隨著土壤深度的增加而降低，9月至次年3月地溫隨著土壤深度的增加而升高，3月與9月各有1個交匯點(diǎn)，各層土壤溫度達(dá)到均衡狀態(tài)，野果林年平均地溫9.17 ℃，這與賈效祿[20]研究結(jié)果一致。野果林夏季表層土壤溫度較低，并且溫度隨著土壤深度的增加而降低。原因是新源縣野果林位于天山山脈，同時海拔較高，這與符傳博等[21]研究結(jié)果一致。3種試驗地之間溫度差異較小，陽坡溫度最高，是因為陽光直射地面，地面獲得較多的熱量，而平地和陰坡有雜草遮擋，阻礙了陽光射入地面。3種試驗地土壤含水量差異的原因主要與雜草量和地形有關(guān)。野果林年降水量556.8 mm，這與殷劍虹等[18]研究結(jié)果一致。殷劍虹等[18]認(rèn)為，伊犁河谷山區(qū)某些地帶的降水量范圍為505～800 mm。降水集中在春夏季，為野生果樹的萌芽生長提供了良好的條件[22]，但也是引起農(nóng)業(yè)次生災(zāi)害的主要因素[23]。日降水量最大值出現(xiàn)在23：00，最小值出現(xiàn)在11：00，降水量最高值出現(xiàn)在21：00—次日7：00，降水主要以短時間降雨為主，持續(xù)1 h的降雨經(jīng)常發(fā)生，持續(xù)10 h以上的降雨偶有發(fā)生[24]，這與黃秋霞等[25]和陳春艷等[26]研究結(jié)果相似。野果林全年受地形和晝夜溫差影響，常刮東南風(fēng)，刮風(fēng)時間集中在傍晚。

3.2 結(jié)論

本研究表明，新源縣野果林年內(nèi)氣溫變化呈現(xiàn)單峰曲線趨勢，1—7月溫度逐漸上升，7—12月氣溫逐漸下降。其中，1月溫度最低，月平均氣溫-8.59 ℃，7月氣溫最高，月平均氣溫22.87 ℃。空氣相對濕度年內(nèi)變化范圍較大，6月和7月空氣相對濕度較高。年內(nèi)光照強(qiáng)度變化為單峰變化，1—6月上升，7—12月光照強(qiáng)度下降。土壤溫度從3月開始升高，7月到達(dá)年內(nèi)最高值。年內(nèi)土壤含水量從3月開始逐漸上升，表層土壤含水量變化大于深層土壤。土壤溫度與含水量變化存在滯后現(xiàn)象，滯后時間隨著深度的增加而變長。降水量主要集中在4—6月，占年內(nèi)總降雨量的46.7%，以小雨和陣雨為主。風(fēng)向主要以東南方向為主，占全年風(fēng)向的45.45%，以微風(fēng)為主。除風(fēng)向外，各氣象因子間具有顯著的相關(guān)性，以正相關(guān)為主。

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