新疆維吾爾自治區(qū)策勒縣綠洲一沙漠過渡帶小氣候特征

龐營軍，雷加強(qiáng)，曾凡江，李生宇，毛東雷，2，何志輝，2

（1.中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊830011；2.中國科學(xué)院 研究生院，北京100049；3.新疆策勒荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，新疆 策勒848300）

小氣候是指因局地下墊面條件影響而形成的與大氣候不同的貼地層和土壤上層氣候［1］。小氣候是影響生物生長發(fā)育最重要的環(huán)境因子，不同植物群落形成不同的小氣候環(huán)境［2］。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)森林［3－4］、農(nóng)田［5－6］、湖 泊［7］、濕 地［8］以 及 干 旱 區(qū) 的 沙 漠［9］、戈壁［10］、綠洲［11］等的小氣候進(jìn)行了大量研究，在地—?dú)鈩?dòng)量、熱量、水汽交換方面取得了許多研究成果，為研究大氣環(huán)流和氣候數(shù)值模擬奠定了基礎(chǔ)。

綠洲荒漠過渡帶（簡稱過渡帶）廣泛存在于干旱區(qū)綠洲外圍，是綠洲的重要生態(tài)屏障。針對(duì)綠洲荒漠過渡帶的景觀格局［12］、土壤特征［13］、地下水特征［14］、植物生理［15］等已開展過較多研究。以往研究者對(duì)綠洲荒漠過渡帶小氣候研究的思路多是同綠洲、沙漠、戈壁等下墊面進(jìn)行對(duì)比，但過渡帶內(nèi)部植被分布較復(fù)雜、異質(zhì)性強(qiáng)，目前對(duì)過渡帶內(nèi)不同植物群落的小氣候?qū)Ρ妊芯枯^少。

本文分析了策勒綠洲—沙漠過渡帶檉柳群落、檉柳—駱駝刺—花花柴群落、駱駝刺群落3種典型植物群落的小氣候特征，初步研究了植物和大氣相互作用，量化了過渡帶植被的小氣候效應(yīng)，對(duì)于過渡帶植被保護(hù)和恢復(fù)重建具有一定科學(xué)意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于塔克拉瑪干沙漠南緣、中昆侖山北麓的策勒縣，地理坐標(biāo)為35°18′—39°30′N，80°03′—82°10′E，東西分別與于田、洛浦2縣相鄰，西南與和田縣接壤，南與西藏自治區(qū)接壤，北部延伸至塔克拉瑪干沙漠中部，地勢由南向北傾斜。策勒縣為典型的內(nèi)陸暖溫帶荒漠氣候，夏季炎熱，干旱少雨，光熱充足，日照時(shí)間長，晝夜溫差大。平原區(qū)多年平均降水量為35.1 mm，年潛在蒸發(fā)量接近2 600 mm；極端最高氣溫為41.9℃，極端最低氣溫為－23.9℃；境內(nèi)年徑流量為5.85×108m3，但流量季節(jié)分配不均，主要集中在夏季，占全年的76.8%；風(fēng)向以西風(fēng)為主，年平均風(fēng)速為2 m/s，風(fēng)沙災(zāi)害頻繁，每年8級(jí)以上大風(fēng)3～9次。策勒綠洲西、北和東部為大面積的綠洲—沙漠過渡帶，綠洲—沙漠過渡帶是保護(hù)綠洲免受風(fēng)沙危害的重要生態(tài)屏障。策勒綠洲—沙漠過渡帶植被主要為駱駝刺（Al hagisparsif olia）、花花柴（Kareliniacaspia）、拐軸鴉蔥（Scor zoner adivaricata）、檉柳（Ta marixssp）、胡楊（Popul useuphr atica）、蘆葦（Phr ag mitesaustr alis）等植物形成的群落。近50 a來，隨著人工綠洲的面積增大，策勒綠洲—沙漠過渡帶面積明顯減少，生境破碎化程度增加，對(duì)綠洲防護(hù)作用下降［16］，迫切需要對(duì)綠洲—沙漠過渡帶進(jìn)行保護(hù)和恢復(fù)重建，而闡明各種植物群落適應(yīng)性和生態(tài)作用是科學(xué)開展這一工作的前提，本文擬開展各植物群落的小氣候特征研究。

2 研究方法

檉柳群落、檉柳—駱駝刺—花花柴群落、駱駝刺群落是策勒綠洲—沙漠過渡帶的主要天然植物群落。2010年選擇了植物生長旺盛的時(shí)間段7月23日至8月24日，對(duì)策勒綠洲—沙漠過渡帶的這3種典型植物群落進(jìn)行了短期的小氣候梯度觀測，3個(gè)群落的具體情況如表1所示。

表1 策勒綠洲－沙漠過渡帶小氣候觀測點(diǎn)概況

本研究使用HOBO小氣候觀測儀（美國ONSET公司），3個(gè)群落分別建立了10 m高的氣象觀測架，主要觀測項(xiàng)目有風(fēng)速風(fēng)向、空氣溫濕度、光合有效輻射。風(fēng)速探頭布設(shè)在0.5，1，2，4，8，10 m 處，在10 m處加風(fēng)向標(biāo)。空氣溫濕度探頭分兩層布設(shè)，0.5和2 m處各布設(shè)1層。光合有效輻射探頭在1.5 m處。所有觀測項(xiàng)目均為全天候觀測，自動(dòng)采集器（HOBOU30）對(duì)以上數(shù)據(jù)每1 min記錄1次。

3 結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)速的變化特征

3.1.1 風(fēng)速的時(shí)序變化 如圖1所示，觀測期間，檉柳群落、檉柳—駱駝刺—花花柴群落、駱駝刺群落風(fēng)速隨時(shí)間的變化趨勢都一致，但風(fēng)速值不同，風(fēng)速和植被覆蓋度呈負(fù)相關(guān)，植被覆蓋度最大的駱駝刺群落風(fēng)速最小，覆蓋度最小的檉柳群落風(fēng)速最大，檉柳—駱駝刺—花花柴群落風(fēng)速居中。這表明地表植被狀況是導(dǎo)致風(fēng)速差異的主要原因。

圖1 策勒綠洲－沙漠過渡帶不同高度處日平均風(fēng)速逐日變化

3.1.2 風(fēng)速的垂直變化 從表2可以發(fā)現(xiàn)，3個(gè)植物群落的風(fēng)速明顯隨高度增加而增大，隨著高度的增加，3個(gè)植物群落風(fēng)速差異程度減小。

表2 策勒綠洲－沙漠過渡帶觀測期內(nèi)平均風(fēng)速隨高度變化情況 m/s

這主要是因?yàn)樵浇咏乇?，植被?duì)風(fēng)的阻擋作用越強(qiáng)，風(fēng)速降低程度越大，植被覆蓋度引起的風(fēng)速差異在近地表表現(xiàn)更為明顯。

在同一觀測高度，3個(gè)植物群落的風(fēng)速比較發(fā)現(xiàn)，植被覆蓋度增加，風(fēng)速減小，但植被覆蓋度和風(fēng)速并不是線性關(guān)系，風(fēng)速隨植被覆蓋度的遞減率隨覆蓋度增加而減?。▓D2）。

圖2 策勒綠洲－沙漠過渡帶風(fēng)速百分比和植被覆蓋度關(guān)系

3.1.3 風(fēng)速和氣溫關(guān)系 圖3為觀測期內(nèi)2 m高氣溫和2 m高風(fēng)速平均值的日變化圖，可以看出檉柳群落、檉柳—駱駝刺—花花柴群落、駱駝刺群落3個(gè)群落風(fēng)速和氣溫日變化趨勢相似，都是單峰曲線，白天氣溫高，風(fēng)速大，夜晚氣溫低，風(fēng)速小；但風(fēng)速日最大值出現(xiàn)在14：30左右，氣溫日最大值出現(xiàn)在17：00左右，氣溫和風(fēng)速變化并未完全同步，氣溫峰值出現(xiàn)比風(fēng)速峰值滯后約2.5 h。這是因?yàn)樵谀Σ翆又?，通常上層風(fēng)速大于下一層，白天地面受熱，空氣逐漸變得不穩(wěn)定，湍流得以發(fā)展，上下層空氣動(dòng)量交換增強(qiáng)，使上層風(fēng)速大的空氣進(jìn)入下一層，午后湍流旺盛，下層風(fēng)速增大至最大值［17］。根據(jù)俎瑞平等［18］對(duì)塔克拉瑪干沙漠風(fēng)況的研究，發(fā)現(xiàn)無論是風(fēng)速的月際變化還是日變化，沙漠內(nèi)部都呈現(xiàn)出“風(fēng)熱同步”，而沙漠邊緣月平均溫度變化則滯后于月平均風(fēng)速，本文一定程度上驗(yàn)證了這一結(jié)果。

圖3 策勒綠洲－沙漠過渡帶平均風(fēng)速和平均氣溫的日變化

3.2 氣溫變化特征

圖4可見，3個(gè)群落氣溫逐日變化趨勢相似，但在氣溫的量值上存在差異。在整個(gè)觀測期內(nèi)，檉柳群落、檉柳—駱駝刺—花花柴群落、駱駝刺群落2 m處氣溫平均值分別為27.48，27.16，26.46℃，檉柳—駱駝刺—花花柴群落、駱駝刺群落的氣溫分別比檉柳群落降低0.32，1.02℃。隨著植被覆蓋度的增加，氣溫降低。

圖4 策勒綠洲－沙漠過渡帶2 m處日平均氣溫逐日變化

圖5可見，在典型晴天8月6—7日，3個(gè)群落的2 m氣溫日變化趨勢一致，清晨日出前后，氣溫降至一天中最低值，午后達(dá)到日最高值，然后開始降溫。以8月6日為例，檉柳群落、檉柳—駱駝刺—花花柴群落、駱駝刺群落2 m 氣溫分別在7：30，6：45，6：45降到最低值19.91，19.27，17.68 ℃；分別在午后18：15，18：15，17：45達(dá)到日最高值 38.46，38.00，36.86℃，日較差分別為18.55，18.73，19.17 ℃，隨著植被覆蓋度增加，氣溫日最高值和日最低值降低，但日較差變大。日出前后到午后最大值時(shí)段內(nèi)，3個(gè)群落氣溫都在快速上升，差異較小，但是午后日最高值后，三者之間差異增大，至次日清晨，基本呈現(xiàn)出檉柳群落＞檉柳—駱駝刺—花花柴群落＞駱駝刺群落。

圖5 策勒綠洲－沙漠過渡帶2 m處氣溫日變化

圖6為典型晴天（8月6日）0.5 m氣溫與2 m氣溫之差。白天，0.5 m氣溫與2 m氣溫之差在當(dāng)?shù)卣缱畲?，此時(shí)檉柳群落、檉柳—駱駝刺—花花柴群落、駱駝刺群落的溫差約為2.5，2.7，3.8℃，駱駝刺群落的溫差最大。3個(gè)群落的氣溫在晚上21：00左右開始出現(xiàn)逆溫，一直持續(xù)到次日的9：00左右。逆溫現(xiàn)象的發(fā)生是因?yàn)橐归g受下墊面輻射冷卻影響，近地表各層越接近地表降溫幅度越大，最終導(dǎo)致逆溫的出現(xiàn)。逆溫阻礙空氣垂直運(yùn)動(dòng)，對(duì)地氣之間的水汽、熱量交換有重要影響。

3.3 空氣相對(duì)濕度變化特征

檉柳群落、檉柳—駱駝刺—花花柴群落、駱駝刺群落3個(gè)群落的2 m日平均空氣相對(duì)濕度的逐日變化基本一致。由于降雨的緣故，7月29日—8月1日的相對(duì)濕度較高，在70%左右（圖7）；觀測期內(nèi)平均相對(duì)濕度分別為37.95%，40.28%，45.62%，隨著植被覆蓋度的增加，相對(duì)濕度值增大。

圖6 策勒綠洲－沙漠過渡帶0.5 m和2 m處氣溫差日變化

圖8中可以看出，在典型晴天，以8月6日為例，清晨日出前后，檉柳群落、檉柳—駱駝刺—花花柴群落、駱駝刺群落3個(gè)群落2 m相對(duì)濕度先后達(dá)到一日中最高值67.41%，68.84%，78.87%，午后達(dá)到日最低值10.01%，12.29%，21.09%，相對(duì)濕度日較差分別為57.4%，56.55%，57.78%。相對(duì)濕度的日變化趨勢和氣溫相反。3個(gè)群落的相對(duì)濕度在上午差異不明顯，但午后日最低值后至次日清晨差異較明顯，基本表現(xiàn)為駱駝刺群落＞檉柳—駱駝刺—花花柴群落＞檉柳群落。

圖7 策勒綠洲－沙漠過渡帶2 m處日平均空氣相對(duì)濕度變化

圖8 策勒綠洲－沙漠過渡帶2 m處空氣相對(duì)濕度日變化

3.4 光合有效輻射變化特征

光合有效輻射是太陽輻射能中可以被綠色植物用來進(jìn)行光合作用的能量，波長在400～700 n m之間，是植物進(jìn)行光合作用的重要環(huán)境因子之一，也是植物生長所需的基本能源。檉柳群落、檉柳—駱駝刺—花花柴群落和駱駝刺群落的光合有效輻射（photosynt hestically active radiation，PAR）差異不明顯（圖9），且光合有效輻射的日平均值在觀測期內(nèi)波動(dòng)很大，與天氣條件的變化有密切關(guān)系。圖10為晴天、陰天和沙塵暴天氣的光合有效輻射的日變化情況。晴天，光合有效輻射呈標(biāo)準(zhǔn)的單峰曲線，當(dāng)?shù)卣邕_(dá)到最大值，約為1 800μmol/（m2·s），晚上為0。陰天和沙塵暴天氣的光合有效輻射比晴天分別減少40%，60%，且日變化不穩(wěn)定。姚濟(jì)敏等［19］在額濟(jì)納旗查干毛道飼料基地的光合有效輻射研究中發(fā)現(xiàn)，沙塵暴、陰天、晴天光合有效輻射的日總量分別為4.09，12.4，21.4 MJ/m2，晴天最大，陰天次之，沙塵暴天氣下最小。該研究結(jié)果與上述結(jié)果基本一致。

圖9 策勒綠洲－沙漠過渡帶日平均光合有效輻射變化

圖10 策勒綠洲－沙漠過渡帶光合有效輻射日變化

4 結(jié)論

（1）策勒綠洲—沙漠過渡帶的植被防風(fēng)效益顯著，在觀測期內(nèi)，相比植被蓋度3%的檉柳群落，檉柳—駱駝刺—花花柴群落（覆蓋度27%）和駱駝刺群落（覆蓋度67%）6個(gè)高度0.5，1，2，4，8，10 m 風(fēng)速平均減小了32%，47%；近地表0.5 m風(fēng)速減少最多，分別為57%，87%。植被的密度、高度、覆蓋度等特征，都能影響植被與氣流相互作用程度。本研究中3個(gè)植物群落風(fēng)速差異產(chǎn)生的主導(dǎo)因素，顯然是植被覆蓋度。一般來說，隨著植被覆蓋度的增加，空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度增大，風(fēng)速降低程度越大。針對(duì)植被防風(fēng)作用的研究很多，但多側(cè)重于近地表幾米以內(nèi)，為了更好地闡明植被的防風(fēng)機(jī)理，更好地評(píng)價(jià)植被的防風(fēng)效應(yīng)，以后的研究可以結(jié)合植被高度，確定合適的風(fēng)速觀測層數(shù)和高度；增加空氣湍流特征的觀測等。鑒于綠洲—沙漠過渡帶植被重要的防風(fēng)防沙作用，以及干旱區(qū)嚴(yán)峻的生態(tài)用水形勢，研究植被覆蓋度和風(fēng)速降低率、土壤風(fēng)蝕率的關(guān)系，確定合適的過渡帶植被恢復(fù)和重建的覆蓋度指標(biāo)十分重要。

（2）策勒綠洲—沙漠過渡帶植被具有降溫增濕作用，相比植被蓋度3%的檉柳群落，檉柳—駱駝刺—花花柴群落和駱駝刺群落2 m平均氣溫分別減少了0.32，1.02℃；2 m 平均相對(duì)濕度分別增加2.33%，7.67%。大氣的熱量主要來源于地表，地表通過輻射、湍流及對(duì)流運(yùn)動(dòng)和潛熱輸送等方式將熱量傳給邊界層大氣［17］。地表的植被遮擋了太陽輻射，使地表的溫度降低，導(dǎo)致地表補(bǔ)充給大氣的熱量減少，氣溫相應(yīng)降低；同時(shí)植被覆蓋度增加導(dǎo)致的蒸騰作用加強(qiáng)，消耗大量熱量，也會(huì)使氣溫降低。植被降低氣溫，降低了空氣中的飽和水汽壓；同時(shí)植物的蒸騰作用增加了空氣中的水汽，因此空氣相對(duì)濕度會(huì)隨著植被覆蓋度的增加而增大。

（3）由于策勒綠洲—沙漠過渡帶檉柳群落、檉柳—駱駝刺—花花柴群落和駱駝刺群落距離近，植被高度較小，光合有效輻射基本沒有受到植被的遮擋，所以3個(gè)群落的光合有效輻射差異不明顯。陰天8月11日和沙塵暴8月9日天氣光合有效輻射比晴天8月6日分別減少40%，60%，這主要是因?yàn)殛幪烊盏脑屏亢痛髿庵械乃枯^晴天多，吸收和反射的太陽輻射多；沙塵暴天氣下，空氣中顆粒物大量增加，使其對(duì)太陽輻射的吸收和散射作用明顯增強(qiáng)，嚴(yán)重削弱了光合有效輻射的量值；比較來看沙塵暴對(duì)太陽輻射的削弱作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陰天日云和水汽的作用［20］。以策勒、和田為中心的塔南地區(qū)是塔里木盆地沙塵暴的高發(fā)區(qū)之一，沙塵暴天氣對(duì)光合有效輻射的大幅削弱必然對(duì)當(dāng)?shù)刂参锏墓夂献饔玫壬砘顒?dòng)產(chǎn)生重要影響，對(duì)此需要進(jìn)一步研究，以更加全面地評(píng)價(jià)沙塵暴天氣的影響。

致謝：本項(xiàng)研究的野外工作得到策勒站工作人員熱杰夫，米亞子等的協(xié)助。論文初稿曾經(jīng)靳正忠和桂東偉兩位老師審閱，并提出了寶貴修改意見。特此致謝。

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