沙漠植被調(diào)節(jié)氣溫的生物學(xué)功能初步測(cè)定分析
——以民勤沙區(qū)為例

趙建梅,王曉燕

(白銀市林業(yè)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(dòng)等原因?qū)е律衬耐寥朗菍?duì)我們生存環(huán)境的重大威脅。圍繞著沙漠化防治,世界各沙漠分布國(guó)家都進(jìn)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(nóng)業(yè)節(jié)日措施或向沙漠地區(qū)調(diào)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(diào)節(jié)氣候是森林的重要生態(tài)功能之一[4-6]。截至目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)沙漠植被(包括人工固沙林)的防風(fēng)功能、阻固流沙功能[7-9]以及改變土壤理化性質(zhì)功能[10]的研究有許多,而忽視了其調(diào)節(jié)氣溫的功能研究,國(guó)內(nèi)外幾乎沒有關(guān)于沙漠植被對(duì)調(diào)節(jié)氣溫、平抑沙漠地區(qū)增溫的研究報(bào)道,而這恰恰是沙漠植被最重要的生物學(xué)生態(tài)功能之一,是區(qū)別于沙障壓沙等物理固沙措施的特有的生態(tài)功能。

植物通過對(duì)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(cè)定單株植物的某時(shí)段的光合或呼吸強(qiáng)度[11-14],一方面并沒有考慮單位面積植被全時(shí)段(如1年)的光利用率。另一方面,通過測(cè)定光合和呼吸不能獲得植物消耗光能的全部量,因?yàn)檫€有無(wú)效蒸騰、損耗。植物材料的比熱容遠(yuǎn)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(xù)體”(SPAC)等方面[15-17]。然而,這方面的研究主要是針對(duì)農(nóng)作物開展的,再者,該系統(tǒng)只研究水分從土壤到植物再到大氣的運(yùn)移規(guī)律,而并不考慮植物對(duì)太陽(yáng)輻射的利用情況。

鑒于此,本文利用民勤沙區(qū)的植物樣方調(diào)查資料,對(duì)沙漠植物調(diào)節(jié)氣溫的生態(tài)功能作為一初步估算分析,以資討論。

2 研究區(qū)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(huán)繞。整個(gè)縣境內(nèi)荒漠、鹽堿灘和戈壁等荒漠化地區(qū)的總面積占據(jù)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(shù)僅為79.2 d,沙塵暴等極端惡劣日數(shù)為63.6 d,該區(qū)域是典型的大陸干旱性荒漠氣候。

植被調(diào)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(fù),調(diào)查并測(cè)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(cè)定蓋度。蓋度的測(cè)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(jì)算其與所占樣地面積的比值。

光照強(qiáng)度和沙面光反射率測(cè)定:太陽(yáng)光照強(qiáng)度和沙面地被物的反射率采用SL-86LA照度計(jì)測(cè)定,不同地被物的測(cè)定高度相同。河西走廊各生態(tài)氣候資料來源于國(guó)家氣象信息中心,并對(duì)部分氣象觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了索取與校對(duì)。下式為太陽(yáng)輻射入射總量計(jì)算公式:

Pλ=Pα+Pβ+Pτ

(1)

其中,Pλ為到達(dá)地面太陽(yáng)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(jì)算:調(diào)查、測(cè)定當(dāng)?shù)刂饕参锶郝渫队吧w度,以已知的投影蓋度100%植被的光利用率,換算當(dāng)?shù)刂饕参锶郝涞墓饫寐?3式),令Si為待計(jì)算植被的光利用率,S0為已知投影蓋度100%時(shí)的光能利用率,Ci為植被投影蓋度,則:

Si=S0·Ci

(3)

3 結(jié)果分析

3.1 太陽(yáng)輻射

甘肅河西地區(qū)的日照時(shí)間廠,其中走廊地區(qū)的年均日照時(shí)數(shù)達(dá)到了3000.2 h/a,走廊中西部的日照時(shí)數(shù),年平均太陽(yáng)輻射超過了1700 kWh/m2,走廊西部玉門,日照時(shí)數(shù)高達(dá)3267.6h/a,太陽(yáng)輻射高達(dá)1789.8 kWh/m2,民勤沙區(qū)日照時(shí)數(shù)高達(dá)3028.4 h/a,太陽(yáng)輻射1634.1 kWh/m2。

沙塵暴是生態(tài)惡劣導(dǎo)致土壤沙漠化后由氣壓差導(dǎo)致風(fēng)帶動(dòng)沙礫遷移的典型氣候?yàn)?zāi)害的表現(xiàn)形式之一。沙漠地區(qū)沙面裸露,沙塵暴的動(dòng)力是風(fēng),而風(fēng)的動(dòng)力源則是氣壓,氣壓的動(dòng)力源又是太陽(yáng)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(dāng)太陽(yáng)照射時(shí),沙面的增溫速率快,還會(huì)折射太陽(yáng)輻射到空氣,導(dǎo)致沙漠近地面的溫度上升,空氣開始膨脹并上升。與此同時(shí),西伯利亞的高壓冷空氣向四周擴(kuò)散,與沙漠地區(qū)的高溫低壓區(qū)形成氣壓差。氣壓差越大,那么風(fēng)速越快,由此會(huì)吹起干燥、裸露的沙面的沙塵,引起大風(fēng)沙塵暴。風(fēng)速越大,沙塵暴強(qiáng)度就越大[18]。民勤沙區(qū)1993—2021年平均,年平均發(fā)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(qū)的觀測(cè)結(jié)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(jié)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(duì)太陽(yáng)輻射的平均反射率為9.2%,其中梭梭、白刺的反射率相對(duì)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(gè)地被物的反射率

地被物日照強(qiáng)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(fù)數(shù)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N(yùn)itraria 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(jìn)一步測(cè)定不同沙面地被物表面溫度和上空氣溫,結(jié)果表明:

(1)同一時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)刻沙面不同地被物的熱效應(yīng)

3.3 光能利用率

由公式(1)可見,太陽(yáng)輻射的到達(dá)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(jīng)過植被空隙透射到沙面后被沙面吸收和反射。沙漠地區(qū)的植被數(shù)量少,且密度小,例如在民勤西沙窩綠洲邊緣封育區(qū),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(jì)算得民勤沙區(qū)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(cè)定單株植物的某時(shí)段的光合或呼吸強(qiáng)度[11-14],很難測(cè)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(xué)生態(tài)功能研究因素之一。沙漠植物的生物學(xué)生態(tài)功能可能表現(xiàn)在多個(gè)方面,本文只是對(duì)其調(diào)節(jié)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(tài)功能一般都只考慮防風(fēng)、固沙阻沙功能,而忽視了沙漠植被調(diào)節(jié)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(xué)功能。忽視了植物/植被的生物學(xué)生態(tài)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(guó)內(nèi)外缺少有關(guān)沙漠植物生物學(xué)生態(tài)功能的研究,這一理論上的空缺,影響了植物治沙和保護(hù)沙漠植被的實(shí)踐活動(dòng)。

我國(guó)的西北和內(nèi)蒙古的中西部地區(qū)裸露的沙面積大,是我沙漠化較為嚴(yán)重的區(qū)域,而沙面熱力不平衡是引起沙城暴的重要原因。當(dāng)氣溫回暖時(shí),沙面會(huì)反射太陽(yáng)輻射,導(dǎo)致空氣溫度上升,進(jìn)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(dāng)氣壓差增大,就會(huì)增加風(fēng)速。裸露的沙面受到強(qiáng)風(fēng)的吹襲,就會(huì)引起風(fēng)沙流或沙塵暴[18]。風(fēng)沙流、沙塵暴的物質(zhì)來源于裸露的、干燥的沙塵,而沙塵暴主要由風(fēng)吹形成,而風(fēng)的形成主要是因?yàn)榭諝鉄崃Σ痪馑?而沙漠植被一般很稀疏,調(diào)節(jié)氣溫、平抑沙漠春季氣溫劇增的作用較小[18]。沙漠地區(qū)氣溫變化很大,因而,稀疏的沙漠植物對(duì)平抑沙漠地區(qū)氣溫變化,尤其是春季增溫是有重要意義的。

為了防風(fēng)固沙和治理沙塵暴,造林和保護(hù)荒漠植被是最有效的措施之一。同時(shí),水是干旱區(qū)和半干旱區(qū)荒漠生態(tài)系統(tǒng)中的主導(dǎo)因子之一[2]。因此,節(jié)約用水和科學(xué)用水是建設(shè)和保護(hù)荒漠植被的根本措施。

5 結(jié)論

沙漠植物具有生物環(huán)境交互能力能夠有效調(diào)節(jié)氣溫和阻尼氣溫劇變,尤其是對(duì)減緩西北地區(qū)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(xué)生態(tài)功能。森林地區(qū)空氣濕度相對(duì)較大,氣候相對(duì)穩(wěn)定。但沙漠化地區(qū)的空氣中含水量較少,導(dǎo)致空氣溫度變化較為強(qiáng)烈。民勤綠洲邊緣單位面積沙漠植被太陽(yáng)輻射利用率雖然僅為5.8%,但其對(duì)調(diào)節(jié)當(dāng)?shù)厣衬哂胁豢珊鲆暤闹匾饬x。本文只是對(duì)其進(jìn)行了初步的探索性研究,還需要進(jìn)一步深入研究和實(shí)踐。