鄭州黃河濕地不同植被類型的小氣候效應研究

方 曉,桑凱新,黃 超,范貝貝,楊果果,郭二輝

(河南農業大學 林學院,河南 鄭州 450002)

濕地生態系統是全球生態系統中的重要組成部分[1],由于其特殊的結構和功能,濕地已成為響應全球氣候變化的敏感區域[2]。濕地在減緩全球氣候變化和調節區域小氣候特征方面扮演著重要角色[3]。研究發現,濕地的水分蒸發,以及植物的蒸騰作用要消耗周圍空氣的大量熱量,使得濕地和大氣之間不斷地進行著能量和物質交換,從而濕地能夠在局部環境內達到降溫增濕的效果,影響到區域的小氣候環境[4-6]。崔麗娟等研究發現，濕地對局部周邊環境具有明顯的降溫和增濕效果[7]。此外,濕地內的植被覆蓋度、植被的類型也會直接或間接地影響區域氣候環境,例如：吳菲等研究發現林下廣場在遮陽、降溫增濕和改善局地小氣候方面效果更佳[8]；黃海霞等指出森林綠地的覆蓋能夠緩和區域溫差,降低氣溫,植被可能是引起區域小氣候變化的一個重要因素[9]。近年來有關濕地區域小氣候調節的研究多關注于偏遠地區及城市,而對城市郊區的濕地生態系統小氣候調節研究還較少。本研究選取鄭州市黃河濕地作為研究對象,通過野外對裸地、草地、灌草、林地等4種不同植被類型的風速、空氣溫度、空氣濕度、地表溫度和熱壓力指數(heat stress index)等的觀測,闡明了鄭州市黃河濕地周圍不同植被類型的區域小氣候的變化規律,定量研究了黃河濕地不同植被類型對風速、空氣溫度、空氣濕度、地表溫度和熱壓力指數等的影響,可以為黃河濕地不同植被的生態服務功能評估提供科學依據,也可為黃河濕地的植被修復提供參考。

1 研究地概況和研究方法

1.1 研究地概況

本試驗地選擇在鄭州市黃河濕地花園口段,屬于北溫帶大陸性季節氣候,年平均氣溫14.4 ℃,年平均降雨量632 mm,無霜期220 d,全年日照時間約2400 h。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地的選擇 本試驗以裸地為對照,選擇草地區(主要為蘆葦、看麥娘、狗牙根等)、灌草區(主要為檉柳和白茅等)和林地區(主要為柳樹等)為試驗區。4種植被類型均以河岸處為起點,分別在垂直于河岸的0、50、100、150、200 m處設置5個樣地(取5塊樣地的觀測平均值)。樣地盡量選取在坡度較為平穩、人為干擾較少、植被種類相差不大的區域,在選好的樣地中設置樣方,進行植被調查(如表1)。

表1 試驗樣地的基本情況

1.2.2 小氣候觀測 于2016年5月份,選擇晴朗的天氣，在9:00～17:00之間每2 h測量1次,連續測量5 d，取其平均值；小氣候指標的測定采用Kestrel 3000型手持風速測量儀,測量的指標主要包括風速、空氣溫度、空氣濕度、熱壓力指數等；同時使用美國的FLUKE F572紅外測溫儀測量地表溫度。

1.3 分析方法

1.3.1 數據計算方法 阻風率、降溫強度、增濕強度的計算公式如下:

DT=DS-Dt

(1)

式(1)中:DT為降溫強度；DS為裸地溫度;Dt為取樣點溫度。

DRh=DSRH-DaRh

(2)

式(2)中:DRh為增濕強度；DSRH為取樣點濕度;DaRh為裸地濕度。

D=[(Dv-Ds)/Dv]×100%

(3)

式(3)中:D為阻風率；Dv為裸地風速;Ds為取樣點風速。

1.3.2 數據分析方法 根據觀測數據,計算風速、空氣溫度、空氣濕度、地表溫度和熱壓力指數的平均值,分析不同植被類型濕地小氣候效應的強弱變化。利用SPSS 19.0對13:00時不同植被類型的阻風率、降溫強度、增濕強度、熱壓力指數進行多重差異顯著性分析并對小氣候相關指標進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 濕地植被類型對風速變化的影響

當風進入植被區后,由于受到植物的摩擦和阻力，風速有所下降[10]。本研究(圖1)發現：9:00～15:00林地的風速均低于其他3種植被類型的,而裸地、草地、灌草的風速相差不大；在不同時間點林地與其他3種植被類型風速的相差范圍為0.22～0.67 m/s。從表2可以看出，在13:00時林地的阻風率顯著高于草地和灌草的(P<0.05),灌草的顯著高于草地的(P<0.05)，這說明林地的阻風能力明顯高于裸地、草地、灌草。

植被類型阻風率/%空氣降溫強度/℃空氣增濕強度/%地表降溫強度/℃草地5.26±0.14 c1.01±0.08 b3.28±0.27 c5.19±0.25 b灌草9.47±0.85 b1.09±0.08 b5.38±0.22 b1.69±0.25 c林地34.04±2.94 a1.74±0.17 a6.24±0.17 a7.69±0.65 a

注:同列數據后附不同字母表示在不同植被類型間差異顯著(P<0.05)。

2.2 濕地植被類型對空氣溫度和濕度變化的影響

植被區的空氣溫度能夠影響植被內的水分平衡,以及植物的生長發育。從圖2可以看出,4種植被類型從9:00開始空氣溫度迅速升高,隨后裸地在13:00達到了最高,林地和草地在15:00達到了最高；在13:00之后裸地的氣溫均高于其他3種植被類型的,而林地的空氣溫度最低。在9:00～15:00期間空氣溫度的變化幅度大小順序為林地<草地<灌草<裸地。但在9:00時4種植被類型空氣溫度的排序為裸地<草地<林地<灌草。在13:00時林地的空氣降溫強度顯著高于草地和灌草的(P<0.05)，這可能是由于草地和灌草的群落層次和群落結構較為簡單,林地的降溫效果更為明顯。

圖2 不同植被類型空氣溫度的變化規律

由圖3可見,空氣濕度從9:00開始迅速降低,裸地的空氣濕度在13:00降低到最低點,而林地、草地、灌草的空氣濕度至17:00前一直保持下降趨勢。在9:00～15:00內空氣濕度的變化幅度為林地<灌草<草地<裸地。在9:00時4種植被類型空氣濕度的排序為灌草<林地<草地<裸地,這與空氣溫度的變化趨勢相反。由表2可知,在13:00時林地的空氣增濕強度顯著高于草地和灌草的(P<0.05),灌草的空氣增濕強度顯著高于草地的(P<0.05)，說明林地的增濕效果明顯優于草地和灌草的。

圖3 不同植被類型空氣濕度的變化規律

2.3 濕地植被類型對地表溫度的影響

由圖4可知,4種植被類型的地表溫度在9:00～17:00期間均呈同步的倒U型曲線,即地表溫度從9:00開始逐漸上升,隨后草地、灌草、裸地的地表溫度在13:00時達到了最高點,而林地的地表溫度在15:00到達最高點，之后均逐漸下降。在9:00～17:00期間,林地、草地、灌草、裸地的地表溫度變化幅度分別為9.52、11.24、11.24、16.09 ℃。由表2可知,在13:00時林地的地表降溫強度顯著高于草地和灌草的(P<0.05),草地的又顯著高于灌草的(P<0.05),這可能是由于在調查區,草地的覆蓋度高于灌草,草地區植物下的郁閉度較高,使得草地的地表降溫效果明顯優于灌草的。

圖4 不同植被類型地表溫度的變化規律

2.4 濕地植被類型對熱壓力指數的影響

熱壓力指數代表溫度、濕度、風速等因素的熱壓力狀況,是評估熱危害的重要指標之一。4種植被類型的熱壓力指數均從9:00開始逐漸上升,裸地、林地、灌草的熱壓力指數在13:00升高到最高點,而草地的熱壓力指數在15:00升高到最高點,隨后直至17:00一直保持下降趨勢。在9:00～17:00期間熱壓力指數的變化幅度表現為林地<草地<灌草<裸地(圖5)。在13:00時裸地的熱壓力指數顯著高于林地、灌草、草地的(P<0.05),且林地的熱壓力指數最低(圖6)。

圖5 不同植被類型熱壓力指數的變化規律

圖6 不同植被類型在13:00時的熱壓力指數

2.5 小氣候相關指標的相關性分析

從表3可知：熱壓力指數與風速、空氣溫度、地表溫度呈極顯著正相關,與空氣濕度呈極顯著負相關,這說明較低的溫度、較高的空氣濕度能夠降低熱壓力指數；空氣濕度與風速、空氣溫度、地表溫度呈極顯著負相關關系,說明較高的溫度和風速能夠降低空氣濕度；風速與空氣溫度、地表溫度呈現極顯著正相關關系；地表溫度與空氣溫度也呈現極顯著正相關關系。

注:“**”表示在0.01水平上(雙側)極顯著相關。

3 結論與討論

在地理和氣候條件基本相同的情況下,不同的植被類型其區域內外物質和能量交換阻力不同,致使其區域內小氣候具有一定的差異,這主要受到植被覆蓋度、植被類型等的影響[11]。本研究發現鄭州市黃河濕地不同植被類型對區域小氣候產生了明顯的影響,其中林地在9:00～17:00期間的空氣溫度、地表溫度、風速、熱壓力指數、空氣濕度的變化幅度最低,其次是草地和灌草,而裸地則完全與之相反,主要是因為林地中的植被在蒸騰作用中,不斷地從周圍環境中吸收熱量,降低了林內環境的氣溫[12],同時上層的空氣向下層不斷交換[13],使林地的地表溫度也相應降低。有研究發現,白天林地植被及土壤的蒸散作用過程中產生較多的水汽,但是林冠層的阻礙減緩了水汽傳輸,有利于林內維持較高的空氣濕度[14-15],這表明林地的風速較低，空氣溫度、地表溫度穩定性較高。但是在9:00時4種植被類型的空氣溫度表現為裸地<草地<林地<灌草,而在此時間段的空氣濕度順序與此正好相反,這可能是由于裸地、草坪上空較為空曠,無樹木遮攔,有利于空氣的對流和散熱以及水汽的擴散和交換,使得周圍空氣溫度下降較快,空氣濕度較高[8]。本研究也發現在9:00～17:00期間林地的風速顯著高于其他植被類型的。由于13:00是一天中太陽光照強度最高的時刻,在此時刻溫度、濕度、熱壓力指數等均會發生明顯的變化,因此在此時刻研究增濕降溫效果更具有代表性。本研究分析發現，林地在13:00時的阻風率、空氣降溫強度、地表降溫強度、空氣增濕強度均明顯高于灌草和草地的,而裸地的熱壓力指數最高,這進一步證明了林地在降溫、增濕、降低風速方面起到了較好的作用。

植被區域內熱壓力指數、氣溫、空氣濕度以及地表溫度等的波動相互也會發生一定的影響。本文相關分析結果表明：熱壓力指數與風速、空氣溫度、地表溫度呈極顯著正相關,與空氣濕度呈極顯著負相關,說明影響區域小氣候熱壓力指數的主要因素包括風速、空氣溫度、地表溫度、空氣濕度等；空氣濕度與空氣溫度、地表溫度呈極顯著負相關關系,這可能是由于水面的存在使空氣不斷地進行水汽的擴散和交換,對周圍環境的空氣濕度具有顯著的影響[16]；水分的蒸發、大面積濕地的蒸發作用以及濕地植物的蒸騰作用要耗去大量的熱量,使周圍空氣溫度和地表溫度降低[7,17]。

通過對鄭州段黃河濕地中裸地、草地、灌草、林地的風速、空氣溫度、空氣濕度、地表溫度和熱壓力指數等氣象因子進行定點同步觀測，發現:在9:00～17:00期間,林地降低風速的效果最佳；在降溫增濕效果上林地最佳,灌草和草地次之,裸地最差；在9:00～17:00期間熱壓力指數的變化幅度表現為林地<草地<灌草<裸地,在13:00時林地、草地、灌草的熱壓力指數均顯著低于裸地的,其中林地最低。因此，黃河濕地中的林地在降溫、增濕、降低風速方面具有明顯的效果。