黃土高原人工植被對局地小氣候影響的效應(yīng)研究

徐麗萍，楊改河，馮永忠，杜 英，韓新輝

（1.石河子大學(xué) 師范學(xué)院，新疆 石河子832003，2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，陜西 楊陵712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊陵712100）

植被恢復(fù)是一個地區(qū)整體生態(tài)環(huán)境條件改善的基本標(biāo)志［1］。近年來，黃土高原丘陵溝壑區(qū)退耕地采取了不同的植被恢復(fù)方式來改良和恢復(fù)天然植被，其中人工恢復(fù)方式最主要的措施是植樹種草，自然恢復(fù)方式的措施有封山禁牧、自然撂荒等。在不同的恢復(fù)方式下，植被的生長狀況、群落的演替方向和速率、各自的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)明顯不同，這也是人們對不同恢復(fù)方式存在爭議之處［2］。目前關(guān)于黃土高原人工植被生態(tài)效應(yīng)的研究多停留在對土壤質(zhì)量的影響和生物多樣性方面［3－6］，關(guān)于植被恢復(fù)對當(dāng)?shù)貧庀笠氐挠绊懭狈ι钊爰?xì)致的研究［7－8］。小氣候的形成是植被與環(huán)境耦合作用的結(jié)果，是當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量的綜合反應(yīng)，也是植被恢復(fù)與重建效果評價的一個重要表征指標(biāo)。目前，關(guān)于黃土高原植被恢復(fù)小氣候效應(yīng)方面的報道不多見［9－10］，而這恰好是反映人工林草措施應(yīng)用效果的一個重要方面。本研究在黃土高原丘陵溝壑區(qū)具有代表性的安塞縣進(jìn)行了全面踏查，對退耕地上人工植被區(qū)、同一恢復(fù)年限自然撂荒植被群落區(qū)進(jìn)行了光照、風(fēng)速、大氣溫度、大氣相對濕度、土壤溫濕度等表征微域小氣候特征參數(shù)的測定，并以裸露農(nóng)地為對照進(jìn)行了對比分析，目的在于研究退耕地植被次生演替和人工恢復(fù)過程中小氣候因子的變化動態(tài)和效應(yīng)強(qiáng)度，旨在進(jìn)一步系統(tǒng)地揭示人工植被對小氣候的影響作用和人工植被對研究區(qū)環(huán)境的改善作用，以期對黃土高原丘陵溝壑區(qū)退耕地人工植被生態(tài)環(huán)境效應(yīng)大小做出評價，為黃土高原進(jìn)一步有效地退耕還林還草、建設(shè)良好的生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)設(shè)在黃土高原中部的安塞縣境內(nèi)，該區(qū)位于東經(jīng)105°05′44″－109°26′18″，北緯36°30′45″－37°19′03″，海拔997～1 731m，是典型梁峁?fàn)钋鹆隃羡謪^(qū)，屬暖溫帶半干旱氣候區(qū)，年均降雨量為535mm，干燥度1.48，年均氣溫8.8℃，無霜期160d左右，年總輻射量為552.6kJ／cm2。植被地帶屬森林草原區(qū)，天然森林已全遭破壞，天然次生林和人工林零星分布，人工林以刺槐（Robinia psendoacacia）、小葉楊（Populus simonii）、檸條（Caragana intermedia）、沙棘（Hippophae rhamnoides）為主；撂荒植被主要為鐵桿蒿（Artemisia gmelinii）、茭蒿（Artemisia giraldii）、長芒草（Stipa bungeana）、白羊草（Bothriochloa ischaemun）等演替形成的雜草群落。土壤以黃綿土為主，約占總面積的95%［11］。

1.2 測定內(nèi)容與方法

1.2.1 樣地選擇 試驗布設(shè)于中科院水保所安塞站，東經(jīng)109°19′23″，北緯36°51′30″。本試驗選擇坡耕地退耕后種植8～10a的混交林（刺槐＋沙棘）和同年撂荒形成的雜草群落為研究對象，海拔1 296～1 304m，坡向北，坡位中，坡度24°～28°。人工林初植樹種為刺槐，株行距為2.5m×2m，造林后因成活率低而補(bǔ)植沙棘，林間雜草叢生，總蓋度約為75%。同年撂荒植被群落為鐵桿蒿（Artemisia gmelinii）＋達(dá)烏里胡枝子（Lespedeza davurica）＋中華隱子草（Gramineae），群落總蓋度約為82%。附近的裸露農(nóng)地其土壤、坡度、坡向、坡位均同于人工林，每年進(jìn)行翻耕。在人工植被區(qū)、自然撂荒區(qū)和裸露農(nóng)地各選3處觀測場地，試驗儀器布設(shè)相同。

1.2.2 測定項目 觀測項目有風(fēng)速、氣溫、相對濕度、土壤溫度、土壤濕度等。采用平行對比觀測法（即選擇要進(jìn)行比較的地點進(jìn)行同步對比觀測）每天從08：00－19：00逐時正點前后20min內(nèi)，順序觀測云量、太陽面狀況；風(fēng)速、氣溫、相對濕度進(jìn)行離地面高度20，100，150cm的梯度觀測，風(fēng)速觀測使用DEM－6型輕便三杯風(fēng)向風(fēng)速表，氣溫和相對濕度采用通風(fēng)干濕表和Kestrel4000型手持氣象站；用直管地溫表和曲管地溫表測定地面最高溫度、地面最低溫度和0，5，10，15，20 cm層次的土壤溫度；土壤水分的測定用土鉆烘干法（105℃）測定，取土間隔為10cm，測深為60cm；土壤容重、孔隙度等測定用環(huán)刀法，表層0－20cm每隔5 cm取樣3次。由于野外條件限制只進(jìn)行日間觀測，除土壤濕度一日觀測3次外（08：00，13：00，18：00），其余項目每小時觀測一次，測量時均3次取值。因篇幅限制，只選擇2007年7月晴天數(shù)據(jù)取均值處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 近地層大氣動力與熱力狀況的日間變化

坡耕地退耕還林后，原來的耕地景觀發(fā)生了巨變，尤其是營造了人工林顯著改變了地表性質(zhì)，增加了地表的覆蓋度，提高了地表粗糙度，因而使近地層風(fēng)速顯著降低。在起風(fēng)時段進(jìn)行的多次觀測表明，1.0m高度的平均風(fēng)速人工植被、撂荒植被分別為裸露農(nóng)地的31.16%、71.01%（表1）。人工植被區(qū)內(nèi)的風(fēng)速遠(yuǎn)低于撂荒植被區(qū)，說明人工林的存在改變了氣流結(jié)構(gòu)，消耗了部分空氣動能。

表1 不同恢復(fù)方式植被類型對梯度風(fēng)速的影響 m／s

從風(fēng)速梯度變化來看，雖然人工植被、撂荒植被和裸露農(nóng)地的風(fēng)速都隨高度上升而增大，但是降低風(fēng)速的能力不盡相同。在0.2，1.0，1.5m三個梯度上人工植被減風(fēng)效益分別為75%、66%、62%，撂荒植被為43%、40%、36%。這是由于植被恢復(fù)方式不同而導(dǎo)致地面性質(zhì)的差異，從分析可知，人工植被阻滯作用大，因而減風(fēng)效益也較撂荒植被大。

貼地層（這里主要指距離地面20cm）溫度的高低，同時受太陽直接輻射和地面熱輻射的影響。從圖1中可以看出，貼地層溫度的日間變化呈不規(guī)則的單峰曲線。08：00－10：00時，人工植被、撂荒植被空氣溫度平均比裸露農(nóng)耕區(qū)高0.8℃、0.6℃左右，這可能是因為此時段主要受地面熱輻射的作用，植被的存在使反射的地面長波輻射減少，貼地層空氣受地面熱輻射作用保溫并高于裸露農(nóng)地；11：00－17：00之間，人工植被、撂荒植被貼地層空氣溫度比裸露農(nóng)地低1.49℃、0.99℃。這可能是因為植被的保護(hù)，地面和貼地層空氣不至于因太陽直接輻射增強(qiáng)而強(qiáng)烈增溫。18：00以后，人工植被、撂荒植被貼地層溫度又高于裸露農(nóng)地1.5℃、1.0℃，這可能是由于裸露農(nóng)地?zé)o植被保護(hù)散熱較快而有植被區(qū)散熱較慢引起的。

從圖2可以看出，14：00時1.5m高度人工植被、撂荒植被比裸露農(nóng)地低0.6℃、0.4℃，1m高度低1.2℃、1.0℃。與此相應(yīng)，溫度梯度增大。而8：00和19：00情況與14：00不同，梯度值有減小的趨勢，14：00的溫度廓線梯度值增大是與貼地層湍流活動有極密切的關(guān)系，日出后，測點地面受熱輻射加熱，溫度迅速升高，以感熱和潛熱方式向大氣輸送熱量隨高度遞減，而下墊面粗糙度和溫度又分別是影響湍流的動力因素和熱力因素。就粗糙度而言，任何時候有植被區(qū)的粗糙度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于裸露區(qū)，這是植被所顯示的巨大作用。對照裸露農(nóng)地各層空氣溫度日變化較快，呈垂直遞減趨勢，有植被區(qū)氣溫垂直變化幅度變小，相比較而言，人工植被的氣溫垂直變幅最小，說明熱力穩(wěn)定性人工植被＞撂荒植被。

圖1 人工植被、撂荒植被區(qū)20cm高度空氣溫度日間變化

圖2 人工植被、撂荒植被區(qū)日間不同時刻氣溫垂直梯度變化

表2 人工植被區(qū)、撂荒植被區(qū)白天湍流日變化

根據(jù)風(fēng)速梯度與溫度梯度，對1m高度的湍流系數(shù)計算公式如式（1）。

式中：K——1m 高度的湍流系數(shù)；Δt，Δu——0.2m和1.5m的溫度差和風(fēng)速差。將湍流系數(shù)的計算結(jié)果繪成表2，從中看出，人工植被日平均湍流系數(shù)為0.195 676，比撂荒植被低0.064 515，而且一天中的大多數(shù)時刻特別是午后裸露農(nóng)地的湍流活動都要大于人工植被和撂荒植被，說明植被的存在對熱力交換和動力活動都有一定的影響，植被在一定程度上起屏障作用。

2.2 土壤的水熱狀況日間變化

土壤的熱狀況主要表現(xiàn)為土壤溫度。人工植被地溫與撂荒植被有明顯的差別。圖3是人工植被與撂荒植被不同層次土壤溫度的日間變化。植被生長季，日間各層溫度變化各異，為不規(guī)則變化的單峰曲線，在地表溫度表現(xiàn)得更加明顯，其變化程度隨著土層加深而減緩，并以位相落后的形式向下傳遞，這說明熱量的傳遞具有一定的滯后性。白天日出后淺層的0cm和5cm土壤溫度表現(xiàn)為裸露農(nóng)地＞撂荒植被＞人工植被，傍晚日落后與此相反，這是由于白天植被的遮蔭效應(yīng)大幅度地減少了太陽的直接輻射熱，而傍晚植被的保溫效應(yīng)又使散熱過程減慢。而深層15cm和20cm日間的土壤溫度一直是人工植被＞撂荒植被＞裸露農(nóng)地，這可能是因為植被的存在使深層土壤熱量保蓄積累引起的，說明人工植被對深層土壤溫度也具有一定的調(diào)節(jié)功能。

這種在退耕坡地上建立人工植被后所起到的溫度效應(yīng)，反映了植被區(qū)熱量收支和某些物理屬性的變化。這里主要指地面反射率、土壤容重、孔隙度、土壤溫度擴(kuò)散率等因素的變化。由表3可知，人工植被區(qū)的容重較撂荒植被區(qū)、裸露農(nóng)地小，而孔隙度反之，特別是表層土壤平均容重比撂荒植被低0.019 6，這些都是植被影響土壤導(dǎo)熱性的重要方面。

圖3 不同深度土壤溫度的日間變化

表3 土壤容重／孔隙度的分層比較

土壤導(dǎo)熱率也稱為溫度擴(kuò)散率，是表示土壤溫度波的傳播特征。利用振幅求熱傳導(dǎo)，是簡捷而經(jīng)常使用的方法［12］。設(shè)深度Z1、Z2處日最高和最低溫度的差為R1、R2，溫度擴(kuò)散率K（cm2／s）則由式（2）求得：

由表4可見，人工植被和撂荒植被的平均導(dǎo)溫率均大于裸露農(nóng)地，說明植被的存在使土壤的導(dǎo)熱性能提高了。其中人工植被在5－10cm處導(dǎo)熱率較其它層大，裸露農(nóng)地和撂荒植被在15－20cm處導(dǎo)熱率較大，說明人工植被根系及枯枝落葉在某種程度上改善了淺層土壤性質(zhì)使其導(dǎo)溫率增大。各深度土溫結(jié)合氣溫情況分析，說明人工林地吸收的熱量主要用于土壤層增溫，熱量傳遞較深，裸露農(nóng)地吸收熱量用于大氣增溫的較多，土壤增溫的較少。此外，觀察建立人工植被后的坡地，地表由于枯枝落葉形成一種較裸坡地、撂荒地顏色深的地表，其反射率低，這是易獲得熱量、增加溫度的基礎(chǔ)。

土壤含水量的日變化雖較小，但在一定程度上仍然可以反映土壤濕度的特征。從圖4可以看出人工植被、撂荒植被、裸露農(nóng)地樣地土壤含水量的變化規(guī)律。深層土壤含水量日變化情況在短時間尺度上表現(xiàn)不明顯，而表層0－20cm可以表現(xiàn)出明顯的失水過程，即土壤濕度早晨＞中午＞傍晚。土壤濕度總體情況是裸露農(nóng)地＞撂荒植被＞人工植被，但表層土壤失水率也是裸露農(nóng)地＞撂荒植被＞人工植被，雖然人工植被有大型耗水植物土壤濕度低于撂荒植被和裸露農(nóng)地，但是由于枯枝落葉等凋落物的覆蓋而對表層土壤水分丟失有明顯的調(diào)節(jié)作用。

表4 不同深度土壤導(dǎo)溫率 cm2／s

2.3 近地層大氣濕度的日間變化

空氣濕度是小氣候的綜合體現(xiàn)。從圖5（a）中可以看出，人工植被、撂荒植被和裸露農(nóng)地相對濕度的日間變化趨勢基本一致，表現(xiàn)為近U型曲線。人工植被的相對濕度除個別時段外，均高于裸露農(nóng)地和撂荒植被，以據(jù)地面20cm為例，人工植被相對濕度大于撂荒植被、裸露農(nóng)地1.8%～3.8%。人工林區(qū)由于風(fēng)速和太陽輻射削弱，水面蒸發(fā)也相對減少，測定結(jié)果顯示，人工植被日間水面蒸發(fā)量少于撂荒植被、裸露農(nóng)地0.52mm、0.80mm。說明植被具有明顯地減少水面蒸發(fā)，提高相對濕度的作用。

由圖5b可知，各梯度空氣濕度的垂直變化規(guī)律為20cm＞100cm＞150cm，20～100cm之間變率較大，100～150cm之間變化較為平緩。越靠近地面空氣濕度越大，可能是由于受太陽輻射的影響，地面蒸散強(qiáng)度大，使近地層水汽含量較多，另一方面，在植被的保護(hù)下，上下層交換氣流減少，植物蒸騰的水分也在近地面大氣中逗留的時間延長，因而提高了空氣濕度。

圖4 不同深度土層夏季含水率日變化均值

圖5 人工植被與撂荒植被空氣相對濕度的比較

2.4 人工植被和撂荒植被小氣候因素效應(yīng)強(qiáng)度比較

2.4.1 溫度效應(yīng) 人工植被和撂荒植被在夏季都對環(huán)境溫度有一定的影響，然而對溫度的效應(yīng)強(qiáng)度是不同的，為衡量人工植被和撂荒植被在夏日高溫天氣下的降溫能力，引入平均降溫率。

就日間平均氣溫而言，在相同的天氣條件下，人工植被的降溫作用強(qiáng)于撂荒植被，而且均在100cm處降溫能力最強(qiáng)，低于撂荒植被0.41℃。

表5 人工植被和撂荒植被梯度降溫率的比較 ℃

2.4.2 濕度效應(yīng) 人工植被和撂荒植被都有一定的增濕效應(yīng)，為定量各自增濕效應(yīng)的強(qiáng)度，統(tǒng)計下列濕度效應(yīng)：

由表6可見，人工植被日平均相對濕度比撂荒植被高1.97%，平均增濕效應(yīng)均強(qiáng)于撂荒植被，且1.0 m處增濕效應(yīng)最強(qiáng)，高于撂荒植被2.22%。

表6 人工植被與撂荒植被水分效應(yīng)統(tǒng)計特征

2.4.3 改土效應(yīng) 人工植被和撂荒植被都在一定程度上改善了土壤的物理性質(zhì)，但改善的效應(yīng)強(qiáng)度還是有細(xì)微的差別。從表3，4可知，在營造人工生態(tài)林后，林地的土壤容重平均為1.204 3g／cm3，比撂荒植被低0.019 6g／cm3，孔隙度有所增加，比撂荒植被多1.4%；由于林木根系及枯落物的影響，表層土壤疏松度增加，所以人工植被導(dǎo)熱率比撂荒植被平均高0.001 252cm2／s。

此外，人工植被和撂荒植被都在一定程度上增加了地表粗糙度，使風(fēng)力和地面的磨擦系數(shù)增大，而且通過湍流運動減小了風(fēng)速梯度，避免風(fēng)力直接作用于地表，具有較好的防風(fēng)動力效應(yīng)。人工植被0.2m處最大減風(fēng)效益為75%，比撂荒植被高32%，阻風(fēng)效應(yīng)強(qiáng)于撂荒植被。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

人工植被和撂荒植被夏季小氣候的差異為：人工植被和撂荒植被風(fēng)速垂直變化均隨高度的增加而增大，但由于人工植被比撂荒植被對風(fēng)的阻擋作用強(qiáng)，湍流交換活動減弱，人工植被日平均風(fēng)速比撂荒植被低0.55m／s，風(fēng)速隨高度變化的幅度也小于撂荒植被；人工植被1.0m日均溫比撂荒植被低0.21℃，而且在一天中的大多數(shù)時刻，人工植被的氣溫都低于撂荒植被，空氣濕度則相反；淺層土壤溫度人工植被低于撂荒植被，深層土壤溫度則略高于撂荒植被；土壤濕度人工植被低于撂荒植被，但是人工植被對表層土壤水分的保蓄能力卻大于撂荒植被，減少了地表土壤水分的無效蒸發(fā)。

相關(guān)研究表明［13－14］：掌握植被恢復(fù)對氣象要素影響的規(guī)律，既能科學(xué)評價人工林草工程的生態(tài)效應(yīng)，又能指導(dǎo)人工措施使人工植被逐漸演化為天然植被。由結(jié)論知人工植被風(fēng)速、氣溫低于撂荒植被，大氣相對濕度高于撂荒植被。這種減風(fēng)、降溫、保濕的功能在蒸發(fā)強(qiáng)烈、降水稀少、風(fēng)沙較大的干旱半干旱的黃土高原能很好地保護(hù)水土資源，改善小氣候生態(tài)條件。由人工植被和撂荒植被對小氣候的影響效應(yīng)強(qiáng)度可知，人工植被小氣候條件相對優(yōu)越，這是因為自然恢復(fù)植被進(jìn)程較緩慢，采用人工恢復(fù)能加速植被的演替進(jìn)程，增加多樣性，使系統(tǒng)內(nèi)部的種群和群落結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，更好地實現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能，從而使小氣候朝著更穩(wěn)定的方向發(fā)展。從小氣候環(huán)境的穩(wěn)定性這個角度看，人工植被確實在一定程度上加快了植被恢復(fù)的進(jìn)程，但同時我們也應(yīng)該注意到人工植被群落的土壤含水量明顯地較自然恢復(fù)群落低，因此一定要注意合理密度及樹種搭配，以充分發(fā)揮人工林生態(tài)系統(tǒng)在黃土高原環(huán)境保護(hù)中的作用。

3.2 討 論

在生態(tài)恢復(fù)與重建過程的小氣候研究中，以往的研究側(cè)重于不同植被類型和植被不同恢復(fù)階段小氣候特征的研究［10，14－15］。而本研究側(cè)重于不同植被恢復(fù)方式下群落小氣候的特征和變化，雖然沿用了以往小氣候研究的方法，但是在前人研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步量化了植被恢復(fù)對小氣候影響的效應(yīng)強(qiáng)度，為科學(xué)地評價人工林草工程的生態(tài)效應(yīng)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但由于各種限制，所做的研究多為零散性的微觀研究，其結(jié)果難免存在一定的局限性。今后的研究中將注重短期觀測和長期定位觀測站資料的結(jié)合，以期為人工林草生態(tài)工程的效應(yīng)評價提供更豐富的理論依據(jù)。

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