濱海鹽堿地白蠟人工林的小氣候效應(yīng)

沈運(yùn)擴(kuò)，董智，王麗琴，張志鵬，邵水仙

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/泰山森林生態(tài)站，271018，山東泰安)

小氣候(microclimate)是指在相同的大氣候和 局地氣候范圍內(nèi)，由于地形、土壤和植被等下墊面構(gòu)造和特性的差異，引起水熱收支不同，從而形成的近地層特殊氣候［1］。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)量的綜合反映［2］。德國于1924年建造的第一座森林觀測(cè)塔是國外對(duì)小氣候研究的開始［3］，而中國對(duì)小氣候的廣泛研究開始于江愛良等對(duì)橡膠林和防護(hù)林小氣候的研究［4］。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)城市、森林、草原、農(nóng)田、濕地、湖泊、海岸以及干旱區(qū)戈壁、綠洲、荒漠等地區(qū)不同樹種的小氣候進(jìn)行了大量的研究［5-11］，但是對(duì)濱海鹽堿地人工林小氣候的研究很少見。近2年來，隨著霧霾天氣的日益嚴(yán)重，有關(guān)改良局地小氣候環(huán)境質(zhì)量的研究越來越多。

濱海鹽堿地的改良利用一直是國內(nèi)外研究熱點(diǎn)［12］，人工造林可以改變下墊面的植被狀況，是人工改造小氣候的一種有效措施［13］。白蠟(Fraxinus chinensis Roxb)是改良濱海鹽堿地的主要造林樹種，是為數(shù)不多的表現(xiàn)優(yōu)良的大喬木樹種，因此，研究白蠟林的小氣候效應(yīng)具有重要的意義。筆者利用HOBO小型自動(dòng)氣象站對(duì)濱海鹽堿地白蠟人工林的小氣候效應(yīng)進(jìn)行觀測(cè)，以期揭示白蠟人工林在動(dòng)力、熱力效應(yīng)方面的變化，為濱海鹽堿地生態(tài)造林小氣候改善效應(yīng)的評(píng)價(jià)提供參考。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于山東省濱州市沾化縣西部的下洼鎮(zhèn)楊家營村，地理坐標(biāo)為 E 118°02'7.0″，N 37°43'9.2″。地貌類型為黃河沖積平原淺平洼地，海拔1.6～2.4 m。研究區(qū)屬暖溫帶半干旱東亞季風(fēng)區(qū)，多年平均溫度12℃ ，平均降水量610.3 mm，降水多集中于6—9月，年蒸發(fā)量2 095.1 mm。多年平均日照時(shí)間2 699.2 h，日照率61%。多年平均風(fēng)速2.6 m/s，大風(fēng)時(shí)間每年21 d，多在3—5月發(fā)生。試驗(yàn)區(qū)地勢(shì)平坦，土壤類型為鹽化潮土，土壤養(yǎng)分含量低，保水保肥性差，鹽堿程度嚴(yán)重，含鹽量0.3% ～1.0%，pH值＞7.5。試驗(yàn)區(qū)為山東生態(tài)造林項(xiàng)目人工林營造區(qū)，造林樹種為白蠟，林齡4 a，平均樹高5.3 m，平均冠幅3.2 m×2.5 m，株行距2 m×3 m，造林密度約為1 666 株/hm2。

2 研究方法

2.1 觀測(cè)內(nèi)容

采用美國ONSET公司生產(chǎn)的HOBO小型自動(dòng)氣象站(H21-001)以及北京長英科技生產(chǎn)的紐扣式溫度自動(dòng)記錄儀(DS1921)，定位觀測(cè)2012年4—10月一個(gè)生長季白蠟林地與曠野的小氣候因子，研究白蠟林內(nèi)與曠野的動(dòng)力效應(yīng)、熱力效應(yīng)與水文效應(yīng)的變化。觀測(cè)內(nèi)容包括空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、風(fēng)速、太陽輻射、土壤溫度、土壤濕度等。為明確研究區(qū)小氣候的季節(jié)變化規(guī)律，季節(jié)劃分采用通用的氣象劃分法，即以公歷3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12—翌年2月為冬季。為更好地描述和分析各季節(jié)小氣候的典型變化，分別以4月、7月和10月的觀測(cè)數(shù)據(jù)代表春夏秋3季。

2.2 儀器布設(shè)及采樣間隔

在選定的白蠟人工林(造林面積0.5 hm2)林地中心和距離林緣20H(H表示防護(hù)林平均樹高)的曠野裸地，分別架設(shè)HOBO小型自動(dòng)氣象站，并設(shè)3個(gè)重復(fù)，在離地面2 m高度處安裝輻射、大氣溫濕度、風(fēng)速等傳感器，進(jìn)行太陽總輻射、大氣溫濕度、土壤溫濕度、風(fēng)速的定位觀測(cè)，其中，土壤濕度觀測(cè)值為0～20 cm的平均體積含水量，土壤溫度觀測(cè)0～20 cm深度平均土壤溫度。同時(shí)采用紐扣式溫度自動(dòng)記錄儀分別測(cè)定0～10、10～20和20～30 cm的土溫。

所有觀測(cè)項(xiàng)目均為同期同步觀測(cè)，HOBO小型自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集器設(shè)定為每15 s自動(dòng)采集1次數(shù)據(jù)，紐扣式溫度自動(dòng)記錄儀設(shè)定為每5 min自動(dòng)采集1次數(shù)據(jù)，所記錄數(shù)據(jù)均為該時(shí)段的平均值。

2.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel2003和SPSS17.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。在處理數(shù)據(jù)時(shí)，以曠野為參照點(diǎn)，采用林地內(nèi)外小氣候因子的對(duì)比分析法，用同期曠野小氣候因子減去林內(nèi)小氣候因子的差值來分析生態(tài)造林白蠟林地對(duì)濱海鹽堿地小氣候的影響。采用均值T檢驗(yàn)(α=0.05)比較林內(nèi)外不同數(shù)據(jù)組差異，用Pearson相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)不同氣象因子之間的相關(guān)關(guān)系。

式中:E為防風(fēng)效益，%;v為平均風(fēng)速，m/s;v0為曠野平均風(fēng)速，m/s。

3 結(jié)果與分析

3.1 熱力效應(yīng)

3.1.1 對(duì)太陽輻射的影響 太陽輻射是地球能量的總來源，也是氣候形成的總動(dòng)力。在晴天全光照條件下，無論是林內(nèi)還是曠野，太陽輻射日變化均呈現(xiàn)倒U型曲線(圖1)。早晨太陽總輻射隨著太陽高度角的升高而增大，在12:00左右達(dá)到峰值，之后太陽總輻射逐步減小，至傍晚達(dá)到最低。各季節(jié)太陽輻射的日變化規(guī)律一致，均表現(xiàn)為林內(nèi)的總輻射強(qiáng)度始終顯著低于曠野(P＜0.05)，且輻射的日較差高于曠野。

對(duì)比各季節(jié)林內(nèi)曠野太陽總輻射的變化發(fā)現(xiàn)，曠野平均太陽輻射春季＞夏季＞秋季，而林內(nèi)平均太陽輻射春季＞秋季＞夏季，林內(nèi)夏季太陽總輻射顯著低于曠野，春、夏、秋3季太陽總輻射林內(nèi)比曠野平均降低23.2、361.0和76.5 W/m2，降低比例分別為4.1%、67.5%和21.4%。這說明林內(nèi)太陽輻射日變化不僅受到太陽高度角和大氣透明度的影響，更受到下墊面人工林冠層、葉面積和葉特性等因素的影響。在林木生長旺盛的夏季，由于冠層生長達(dá)到最大，濃密的冠層對(duì)太陽輻射產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射，使得林內(nèi)的輻射總量減少。而春季由于新葉剛開始生長冠層尚未達(dá)到最大，冠層對(duì)總輻射的影響較小;至秋季則因部分葉片開始發(fā)黃脫落，冠層的反射功能隨之減弱，因而總輻射減少的幅度要小于夏季。

3.1.2 對(duì)氣溫的影響 由表1可知，林內(nèi)外空氣溫度日變化規(guī)律基本一致，08:00溫度開始上升，13:00—15:00達(dá)到峰值，而后溫度逐漸下降，整個(gè)日變化進(jìn)程呈現(xiàn)一種單峰型曲線，這跟太陽總輻射日進(jìn)程基本一致，但曲線峰值比太陽輻射延遲1～2 h。從一天內(nèi)林內(nèi)與曠野氣溫的變化來看，二者相差不大，平均在0.10～0.24℃，最大為0.40℃;且林內(nèi)曠野氣溫差在上午較大，隨著氣溫的升高，差值逐漸減小，在午后或傍晚溫度差值最小。整體上看，白蠟人工林對(duì)林內(nèi)、曠野的氣溫影響較明顯，這與其他觀測(cè)［14-15］一致。這可能是因?yàn)闅鉁爻艿搅謳У挠绊懲?，還受天氣類型、風(fēng)力大小、亂流交換強(qiáng)弱的影響。

圖1 林分和曠野不同月份太陽輻射日變化Fig.1 Diurnal variation in solar radiation of forest and bare land in different months

從季節(jié)上來看，林內(nèi)外空氣溫度均呈現(xiàn)夏季＞秋季＞春季的規(guī)律;而且春季林內(nèi)外溫度差值為負(fù)值，即林內(nèi)溫度高于曠野，夏、秋季節(jié)溫度差值基本為正值，即林內(nèi)溫度低于曠野。從氣溫日變幅來看，夏季林內(nèi)小于曠野，春、秋季節(jié)林內(nèi)大于曠野。這說明白蠟人工林在春季大氣溫度較低的情況下發(fā)揮了保溫作用，在夏、秋季節(jié)在氣溫較高時(shí)起遮蔭降溫作用，緩和了空氣溫度的日變化。

表1 林內(nèi)和曠野不同月份空氣溫度日變化Tab.1 Diurnal variation in air temperature of forest and bare land in different months ℃

3.1.3 對(duì)土壤溫度的影響 由圖2可以看出，白蠟人工林對(duì)地溫的影響比氣溫明顯。由于白天太陽輻射熱量聚集在地表后逐漸向下傳輸，土壤溫度呈現(xiàn)出一定的日變化規(guī)律。在垂直梯度上，0～10 cm土層溫度呈現(xiàn)急速上升緩慢下降的趨勢(shì)，10～20 cm土層溫度則是緩慢上升的趨勢(shì)，20～30 cm土層溫度變化比較平緩(圖中線條密集，未在圖中標(biāo)出)，土層越深，溫度達(dá)到峰值的時(shí)間越晚。不同土層日間溫度變幅隨土層深度的增加而下降，曠野土壤溫度日變幅大于林內(nèi)，0～10、10～20和20～30 cm土層土壤溫度日變幅林內(nèi)分別為4.2、2.5和1.3℃，曠野分別為7.8、3.0和1.4℃。

圖2 林內(nèi)和曠野不同月份土壤溫度日變化Fig.2 Diurnal variation in soil temperature of forest and bare land in different months

表2 林內(nèi)和曠野不同月份0～20 cm土壤溫度變化Tab.2 Diurnal variation in 0-20 cm soil temperature of forest and bare land in different months ℃

由于20～30 cm溫度變化相對(duì)較小，筆者對(duì)0～20 cm土層平均溫度進(jìn)一步研究(表2)，發(fā)現(xiàn)0～20 cm土壤平均溫度表現(xiàn)為夏季＞春季＞秋季，土壤溫度日變化均表現(xiàn)為先增加后下降的趨勢(shì)，林內(nèi)土壤溫度在15:00左右達(dá)到最大值，曠野略有提前，曠野土壤溫度以及溫度日變幅均顯著高于林內(nèi)。由于白蠟樹冠的遮蔭效應(yīng)，使得到達(dá)林地上的太陽輻射減小，從而改變了林地表面的熱量狀況，造成了白天林內(nèi)土壤溫度低于曠野。

3.2 水文效應(yīng)

3.2.1 對(duì)空氣相對(duì)濕度的影響 由圖3可以看出，林內(nèi)外濕度日變化規(guī)律基本一致，呈現(xiàn)近U型曲線，08:00時(shí)最高，然后隨時(shí)間而降低，達(dá)到最低值而后逐漸增高，這與太陽輻射的日變化成相反的變化?？諝庀鄬?duì)濕度林內(nèi)明顯高于曠野，而林內(nèi)空氣濕度日變幅也小于曠野。

從不同季節(jié)看，春、夏、秋3季空氣濕度最高值均出現(xiàn)在08:00左右，而最低值分別出現(xiàn)在15:00、14:00和13:00左右，平均空氣濕度表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季，春、夏、秋3季林內(nèi)外空氣濕度差值分別為10.36%、7.59%和18.61%，空氣濕度日變幅表現(xiàn)為秋季(57.3%)＞春季(26.5)＞夏季(24.0%)，高于陳佳瀛等［16］得出的夏、秋季林內(nèi)分別比曠野大4.4%和6.7%的結(jié)果。方差分析表明，林內(nèi)外之間存在顯著差異(P＜0.05)。由于白蠟人工林的遮蔭和阻風(fēng)作用，與曠野比較，林內(nèi)樹木和地表蒸發(fā)蒸騰出的水分能在近地表停留較長時(shí)間，從而增加空氣濕度，說明白蠟人工林具有良好的增濕效應(yīng)。

3.2.2 對(duì)土壤濕度的影響 土壤含水量的日變化雖小，但在一定程度上仍然可以反映部分土壤濕度變化特征。由圖4可知，無論是林內(nèi)還是曠野，0～20 cm土壤含水量日變化有波動(dòng)但不明顯，0～20 cm土壤濕度季節(jié)差異顯著;但總體來看，曠野土壤含水量大于林內(nèi)，林內(nèi)外土壤濕度差值表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季，降低土壤濕度比例夏、秋、春3季分別為21.8%、17.0%和10.5%。

一般來說，林內(nèi)土壤濕度要比空曠地高;但是從以上結(jié)果可以看出，白蠟林根系的耗水作用強(qiáng)于林分的遮蔭保濕作用，導(dǎo)致0～20 cm的土壤水分含量有林地反而低于無林地。

3.3 動(dòng)力效應(yīng)

白蠟人工林的動(dòng)力效應(yīng)主要體現(xiàn)在對(duì)風(fēng)速的影響上。4—10月的風(fēng)速觀測(cè)表明，一天內(nèi)白蠟林內(nèi)平均風(fēng)速始終低于曠野，風(fēng)速日變幅曠野(1.55 m/s)大于林內(nèi)(0.88 m/s)(表3)，白蠟林的阻擋能明顯降低林內(nèi)風(fēng)速，防風(fēng)效益顯著(P＜0.05)且在一天內(nèi)比較穩(wěn)定。

圖3 不同月份空氣濕度日變化Fig.3 Diurnal variation of air humidity in different months

圖4 不同月份0～20 cm土壤濕度日變化Fig.4 Diurnal variation of 0-20 cm soil moisture in different months

從季節(jié)來看，風(fēng)速表現(xiàn)為春季＞夏季＞秋季，而防風(fēng)效益夏季最高，平均77.87%;秋季次之，平均59.72%;春季防風(fēng)效益最低，僅為9.54%。

濱海鹽堿地人工種植白蠟林后，改變了原來的地表性質(zhì)，增加了地表覆蓋度，提高了地表粗糙度。當(dāng)風(fēng)穿過林地時(shí)，大氣流被林木阻擋分割成很多小氣流，損失部分動(dòng)能，小氣流一部分與樹干及枝葉摩擦，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，一部分搖曳枝干轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而風(fēng)能總體減小，林內(nèi)風(fēng)速減弱。

經(jīng)分析，當(dāng)白蠟人工林枝葉生長完全(郁閉度穩(wěn)定)時(shí)，在測(cè)定風(fēng)速范圍內(nèi)，其降低風(fēng)速值與風(fēng)速的大小呈顯著的線性正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)R在0.9以上。圖5是匯總7月、8月、10月的觀測(cè)數(shù)據(jù)并去除零值所做的散點(diǎn)圖，其回歸方程為

表3 不同月份風(fēng)速觀測(cè)結(jié)果Tab.3 Observation of wind speed in different months m/s

圖5 白蠟林降低風(fēng)速的效應(yīng)Fig.5 Effect of reducind wind speed in Fraxinus chinensis

式中:y為林地降低的風(fēng)速值，m/s;x為曠野風(fēng)速，m/s。相關(guān)系數(shù)R為0.907 6，y的標(biāo)準(zhǔn)差為0.17。

3.4 小氣候因子相關(guān)性分析

對(duì)林內(nèi)太陽總輻射R、空氣溫度 ta、空氣濕度HA、土壤溫度ts、土壤濕度HS、風(fēng)速v這6個(gè)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果表明，各氣象因子兩兩之間極顯著相關(guān)(表4)，說明各因子之間相互影響、關(guān)系密切，其中風(fēng)速與太陽輻射為極顯著正相關(guān)，與其他小氣候因子為極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)關(guān)系最好的為氣溫和土溫，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.946。

表4 林內(nèi)主要?dú)庀笠蜃酉嚓P(guān)性分析Tab.4 Correlation analysis among major microclimate factors in forest

4 結(jié)論

1)白蠟林具有良好的遮蔭效應(yīng)。林內(nèi)外的太陽總輻射日變化均呈倒U型曲線，春、夏、秋3季林內(nèi)比曠野分別降低了4.1%、67.5%和21.4%，遮蔭效果表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季。

2)白蠟林具有降低風(fēng)速的作用。夏季防風(fēng)效益最高(77.87%)，秋季次之(59.72%)，春季最小(9.54%)。說明白蠟林夏季防風(fēng)作用更強(qiáng)，當(dāng)白蠟林郁閉度穩(wěn)定時(shí)，其降低風(fēng)速的作用與風(fēng)速的大小呈顯著的線性正相關(guān)。

3)白蠟林地能降低表層土壤溫度。0～20 cm土壤溫度表現(xiàn)為夏季＞春季＞秋季，曠野土壤溫度以及溫度日變幅均顯著高于林內(nèi)，不同土層日間溫度變幅隨土層深度的增加而下降，而深層土壤溫度變化不明顯。白蠟林對(duì)土壤濕度也有一定的調(diào)節(jié)作用，曠野土壤含水量高于林內(nèi)，但土壤濕度日變化不明顯，林內(nèi)外土壤濕度差值表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季。

4)空氣溫度日變化為單峰型曲線，早晚低，正午高，整體上與太陽輻射變化一致，但峰值出現(xiàn)時(shí)間延遲1～2 h。春季林內(nèi)空氣溫度高于曠野，起保溫作用，夏季和秋季林內(nèi)溫度低于曠野，起遮蔭降溫作用，而氣溫日變幅林內(nèi)均小于曠野，溫度變化比曠野緩和。

5)白蠟林具有增加林內(nèi)空氣濕度的作用?？諝鉂穸热兆兓?guī)律與太陽輻射相反，呈現(xiàn)近U型變化，空氣濕度日變幅表現(xiàn)為林內(nèi)＜曠野，平均空氣濕度表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季，林內(nèi)外平均差值春、夏、秋分別為10.36%、7.59%和18.61%。當(dāng)?shù)貧夂虮容^干燥，種植白蠟林能增加區(qū)域空氣濕度，從而改善人體舒適度和植物生長條件。

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