黃河故道灘地不同植被的溫度效應(yīng)

李留振

(河南省許昌林業(yè)科學(xué)研究所，河南 許昌 461000)

通常，灘地植被研究主要集中在河流沿岸地帶植被，被稱(chēng)為河岸帶，或河岸區(qū)［1］、河沿區(qū)、水體岸邊緩沖帶［2］、河岸植被緩沖帶［3］、河岸植被帶、河岸森林等。河岸帶的定義最早為行政管理人員所用，泛指靠近河邊幾十米的區(qū)域。之后，該定義由Lowrance及陳吉泉等拓展為廣義和狹義2種［4］。廣義是指靠近河邊植物群落包括其組成、植物種類(lèi)多度及土壤濕度等同高地植被明顯不同的地帶;狹義是指河水陸地交界處的兩邊，直至河水影響消失為止的地帶，目前大多采用狹義定義。

灘地是平原河床季節(jié)性淹水的微地形。灘地農(nóng)業(yè)在我國(guó)糧食及農(nóng)副產(chǎn)品生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用，有效地緩解了“地少人多”的人地矛盾。因此，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位。然而不科學(xué)的灘地利用使灘地利用效益低下，不但對(duì)灘地原有的植被造成了破壞，而且也引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題和生態(tài)災(zāi)害，進(jìn)而影響到灘區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

鑒于植被對(duì)地溫和氣溫的降低作用可以在一定程度上抑制災(zāi)害的發(fā)生，科學(xué)地恢復(fù)和重建灘地植被，有效地開(kāi)發(fā)利用灘地資源成為當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題，而灘地植被特征和功能研究是解決該問(wèn)題的前提和基礎(chǔ)。植被對(duì)地溫和氣溫的降低作用可以在一定程度上抑制災(zāi)害發(fā)生［5-7］。科學(xué)地恢復(fù)和重建灘地植被，有效地開(kāi)發(fā)利用灘地資源成為當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題，而灘地植被特征和功能研究是解決該問(wèn)題的前提和基礎(chǔ)。為此，我們通過(guò)以黃河河岸帶灘地植被為研究對(duì)象，對(duì)其不同植被覆蓋下的溫度變化進(jìn)行了觀(guān)測(cè)研究。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在黃河河南段灘地，地理坐標(biāo)位于110°21′～116°39′E、31°23′～ 36°22′N(xiāo)之間，涉及洛陽(yáng)、鄭州、開(kāi)封、焦作、新鄉(xiāng)、淮陽(yáng)等6個(gè)市所屬的19個(gè)縣 (區(qū))。河道為明清故道，有500余年歷史，長(zhǎng)444 km，落差77 m左右，全段河道為寬河段，兩堤之間的距離5～20 km不等。比降上陡下緩，泄流能力上大下小。河段靠堤防約束。河南段黃河灘區(qū)自河道為復(fù)式斷面，是典型的“槽高、灘低、堤根洼”的“二級(jí)懸河”［8］。河道寬、淺、散、亂，河勢(shì)游蕩多變，洪水突發(fā)性預(yù)報(bào)期短。

黃河灘地氣候?qū)倥瘻貛Ъ撅L(fēng)區(qū)，年均溫在13～15℃ 之間，季平均氣溫呈夏季氣溫最高、春秋居中、1月份最低、春季升溫快、秋季降溫慢的特點(diǎn)，屬典型大陸性氣候，極端最高氣溫41.7℃，多出現(xiàn)在6、7月?；顒?dòng)積溫5 000～5 500℃，始于2月上旬，止于12月下旬，有效積溫日數(shù)為200～221 d，積溫4 200～4 800℃，無(wú)霜期250～300 d［9］。植被類(lèi)型以草本植物為主，喬木主要有楊樹(shù)、柳樹(shù)，灌木主要有野生檉柳林。林業(yè)用地總面積為14.9萬(wàn)hm2，有林地9.71 hm2，林地0.09萬(wàn) hm2，灌木林地 0.53萬(wàn) hm2，森林覆蓋率僅3.5%。

1.2 研究材料

試驗(yàn)采用平行觀(guān)測(cè)法和對(duì)比觀(guān)測(cè)法結(jié)合［10-11］，在鄭州邙山灘區(qū)選擇4個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)，代表4種植被覆蓋類(lèi)型。楊樹(shù)人工林:河南農(nóng)業(yè)大學(xué)楊樹(shù)品種試驗(yàn)林，10年生，平均胸徑18.6 cm，平均株高20.8 m，郁閉度0.6。檉柳林:邙山區(qū)富景生態(tài)園，恢復(fù)5年。人工草地:邙山區(qū)富景生態(tài)園，種植2年，多年生黑麥草。裸露農(nóng)田:河南農(nóng)業(yè)大學(xué)楊樹(shù)品種試驗(yàn)林附近500 m，為花生田。

1.3 研究方法

測(cè)定于2008年8月17日至9月19日在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)楊樹(shù)品種試驗(yàn)林和邙山區(qū)富景生態(tài)園同時(shí)進(jìn)行，選取典型氣候進(jìn)行觀(guān)測(cè)。按小氣候觀(guān)測(cè)規(guī)范要求，采用自動(dòng)氣象站和人工觀(guān)測(cè)相結(jié)合的方法，晝夜每隔2 h測(cè)定1次，測(cè)定項(xiàng)目為氣溫、土溫。其中地上小氣候測(cè)定時(shí)設(shè)定的高度是0、20、80和150 cm(分別用 T0、T20、T80、T150表示)，土壤溫度測(cè)定深度設(shè)定為 0、5、10、15和 20 cm(分別用 T0、TS5、TS10、TS15、TS20表示)。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度變化

2.1.1 大氣溫度

如圖1～4所示，各土地覆蓋類(lèi)型的大氣溫度均呈現(xiàn)明顯的“單峰”變化動(dòng)態(tài)，即白天先升后降，夜間保持相對(duì)平穩(wěn)。4種植被覆蓋類(lèi)型除地面以上150 cm高度層次外，其它各層次多在14:00達(dá)到最高值。各垂直層次變化趨勢(shì)一致， “單峰”處地表的溫度普遍高于相應(yīng)其它層次的溫度。

2.1.2 土壤溫度

圖1 楊樹(shù)人工林不同垂直層次大氣溫度的變化

圖2 檉柳林不同垂直層次大氣溫度的變化

圖3 人工草地不同垂直層次大氣溫度的變化

圖4 裸露農(nóng)田不同垂直層次大氣溫度的變化

圖5 楊樹(shù)人工林不同垂直層次土壤溫度的變化

圖6 檉柳林不同垂直層次土壤溫度的變化

圖7 人工草地不同垂直層次土壤溫度的變化

圖8 裸露農(nóng)田不同垂直層次土壤溫度的變化

從圖5～8可以看出，4種土地覆蓋類(lèi)型的各層次土壤溫度的變化與大氣溫度變化動(dòng)態(tài)相似，呈現(xiàn)一致的“單峰”變化，但層次間溫度差異較大，而且出現(xiàn)明顯的交叉，這主要是上層土壤溫度變化幅度大于下層所致。

從圖5～8還可看出，各覆蓋類(lèi)型對(duì)溫度變化的影響具有動(dòng)態(tài)性和時(shí)序性。因此，研究植被對(duì)小環(huán)境溫度的影響不能只建立在對(duì)某個(gè)點(diǎn)的溫度測(cè)定上，而是應(yīng)該將溫度與溫度效應(yīng)綜合起來(lái)研究。

2.2 溫度效應(yīng)

2.2.1 植被覆蓋對(duì)溫度極差的影響

本研究表明:各植被覆蓋類(lèi)型都能緩解溫度變化。緩解能力順序是楊樹(shù)人工林 (溫度極差減小12.3℃) ＞檉柳林 (溫度極差減小8.1℃) ＞人工草地 (溫度極差減小7.6℃)，植被對(duì)日溫極差變化的緩解作用主要是通過(guò)降低最高溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)最低溫度影響不大，各試驗(yàn)點(diǎn)最低溫度都在19℃左右。

2.2.2 不同植被覆蓋溫度效應(yīng)的時(shí)間特征

時(shí)間區(qū)段的劃分。分別以裸露農(nóng)田的觀(guān)測(cè)值為基準(zhǔn)，研究各土地覆蓋類(lèi)型的溫度效應(yīng)。具體將各植被類(lèi)型溫度觀(guān)測(cè)值減去裸露農(nóng)田相應(yīng)的觀(guān)測(cè)值，應(yīng)用DPS相關(guān)程序?qū)夭钚蛄羞M(jìn)行最優(yōu)分割。從分割結(jié)果 (表1)可以看出，將溫度變化的時(shí)間序列分為3類(lèi)比較理想?？蓪⒋髿鉁囟茸兓譃?～4(10:00-16:00)、5 ～10(18:00-4:00)、11 ～14(6:00-12:00)，誤差函數(shù)為42.39;將土壤溫度變化分為1～3(10:00-14:00)、4～5(16:00-18:00)、6 ～14(20:00-12:00)，誤差函數(shù)為 25.55。從中可以看出，分類(lèi)的結(jié)果反映了溫度上升、溫度下降和溫度相對(duì)平穩(wěn)3個(gè)階段。依據(jù)此分類(lèi)結(jié)果將植被對(duì)大氣和土壤的溫度效應(yīng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2。

植被覆蓋溫度效應(yīng)的時(shí)間特征。通常認(rèn)為植被具有降低小環(huán)境大氣溫度的作用。本研究通過(guò)時(shí)間序列分段分析 (圖9～11，表2)認(rèn)為:不同植被類(lèi)型降低大氣溫度的能力是喬木＞灌木林＞草地，晴天降溫效應(yīng)強(qiáng)于陰雨天。楊樹(shù)人工林白天平均降溫1.20℃，夜晚降溫較少，平均0.15℃，而陰雨白天有一定的保溫、增溫作用，平均溫度比沒(méi)有植被覆蓋高0.21℃;檉柳林白天平均降溫0.99℃，夜晚平均降溫1.17℃ (可能跟植被的郁閉度有關(guān))，陰雨天平均溫度提高0.4 1℃;人工草地白天降溫0.69℃，夜晚及陰雨天分別提高0.80℃和0.95℃。

表1 植被覆蓋溫度效應(yīng)的最優(yōu)分割聚類(lèi)

表2 3個(gè)時(shí)段中植被對(duì)大氣溫度和土壤溫度的影響

圖9 楊樹(shù)林溫度效應(yīng)的動(dòng)態(tài)

圖10 檉柳林溫度效應(yīng)的動(dòng)態(tài)

圖11 人工草地溫度效應(yīng)的動(dòng)態(tài)

3 小結(jié)

4種植被覆蓋類(lèi)型下大氣溫度和土壤溫度均呈現(xiàn)明顯的“單峰”變化動(dòng)態(tài)。白天溫度先升后降，夜間保持相對(duì)平穩(wěn)。大氣溫度垂直層次變化趨勢(shì)一致，土壤溫度在各層次間差異較大，并出現(xiàn)交叉變化現(xiàn)象。其中，地表溫度變化最大。

不同植被類(lèi)型對(duì)溫度極差的影響是:楊樹(shù)人工林＞檉柳林＞人工草地。植被對(duì)日溫極差變化的緩解作用是通過(guò)降低最高溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。不同植被類(lèi)型降低大氣溫度的能力是喬木＞灌木林＞草地。晴天降溫效果高于陰雨天。

林內(nèi)各垂直高度大氣溫度相關(guān)密切并存在明顯的梯度效應(yīng)，隨著垂直梯度及層次間距離的增加相關(guān)系數(shù)減小。

［1］ 上官鐵梁，賈志力，張峰，等.汾河河岸植被類(lèi)型及其利用與保護(hù) ［J］.河南科學(xué)，1997，17(增刊1):83-86.

［2］ 秦明周.美國(guó)土地利用的生物環(huán)境保護(hù)工程措施:緩沖帶［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2001，15(1):119-121.

［3］ 鄧紅兵，王青春，王慶禮，等.河岸植被緩沖帶與河岸帶管理 ［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2001，12(6):951-954.

［4］ 陳吉泉.河岸植被特征及其在生態(tài)系統(tǒng)和景觀(guān)中的作用［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，1996，7(4):439-448.

［5］ 張建春.河岸帶功能及其管理 ［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2001，15(S2):143-146.

［6］ Jiqun Chen，Sari C.Saunders，et al.microclimate in forest ecosystem and landscape ecology ［J］.Bioscience，1999，49(4):288-297.

［7］ 河南省植保植檢站.河南東亞飛蝗及其綜合治理 ［M］.鄭州:河南科學(xué)技術(shù)出版社，1993:200-212.

［8］ 張建民，李建培.河南省黃河灘區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展探析 ［J］.中國(guó)水利，2003，15:60-62.

［9］ 李留振，徐濤，宋單峰，等.豫東黃河故道防護(hù)林現(xiàn)狀及生態(tài)效益 ［J］.水土保持研究，2007(5):349-351

［10］ 李志真，譚芳林，葉功富，等.木麻黃沿海防護(hù)林小氣候效應(yīng)的定位研究初報(bào) ［J］.福建林業(yè)科技，2000，27(1):1-4.

［11］ 張璐，林偉強(qiáng).森林小氣候觀(guān)測(cè)研究概述 ［J］.廣東林業(yè)科技，2002，18(4):54-58.