內(nèi)蒙古高原荒漠區(qū)墊狀錦雞兒灌叢的微氣候特征

梅續(xù)芳，解李娜，劉 哲，馬成倉

（天津師范大學(xué)a.生命科學(xué)學(xué)院，b.天津市動植物抗性重點實驗室，天津 300387）

內(nèi)蒙古高原荒漠區(qū)墊狀錦雞兒灌叢的微氣候特征

梅續(xù)芳，解李娜，劉 哲，馬成倉

（天津師范大學(xué)a.生命科學(xué)學(xué)院，b.天津市動植物抗性重點實驗室，天津 300387）

為了解內(nèi)蒙古高原荒漠區(qū)墊狀錦雞兒灌叢對自身及灌叢周圍微氣候的影響，進(jìn)而分析其在維持荒漠區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定中的作用，采用手持微氣候儀測定灌叢內(nèi)部、背風(fēng)面、裸地（對照）的風(fēng)速、溫度和濕度等微氣候指標(biāo).結(jié)果發(fā)現(xiàn)：墊狀錦雞兒灌叢降低了灌叢內(nèi)部和背風(fēng)面的風(fēng)速，灌叢背風(fēng)面的風(fēng)速降低幅度大于灌叢中心；墊狀錦雞兒灌叢降低了灌叢內(nèi)部和背風(fēng)面的夏季午間溫度，灌叢中心溫度降幅大于灌叢背風(fēng)面；墊狀錦雞兒灌叢提高了灌叢內(nèi)部和背風(fēng)面的濕度，灌叢中心濕度增幅大于灌叢背風(fēng)面.墊狀錦雞兒灌叢改變微氣候的效應(yīng)隨著灌叢體積的增大而增強，3個指標(biāo)的變化與灌叢體積均呈線性正相關(guān).由此可見，墊狀錦雞兒灌叢能夠顯著改善灌叢內(nèi)部和背風(fēng)面的微氣候條件.

墊狀錦雞兒；灌叢；微氣候；荒漠區(qū)

近年來，隨著全球氣候變化和人類活動尤其是過度放牧對草原植被影響的日趨加劇，灌叢化已成為全球草地生態(tài)系統(tǒng)的一個普遍現(xiàn)象[1].灌叢化斑塊不僅引起灌叢內(nèi)植物、動物、微生物多樣性的增加，也引起灌叢內(nèi)養(yǎng)分的富集，形成比周圍環(huán)境更適宜的微氣候區(qū)域[2-3]，其在維持草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定中的作用越來越重要.內(nèi)蒙古草原占我國國土總面積的十分之一，錦雞兒屬（Caragana）植物是該地區(qū)的常見灌木，其在整個內(nèi)蒙古草原不斷地擴展和聚集，最終形成了以錦雞兒灌叢斑塊占據(jù)優(yōu)勢的灌叢化草原生態(tài)系統(tǒng)[4-5].目前關(guān)于錦雞兒灌叢環(huán)境島效應(yīng)的研究主要集中在小葉錦雞兒（C.microphylla），涵蓋了小葉錦雞兒灌叢對土壤水分[6]、降雨分布[7]、氣流結(jié)構(gòu)與風(fēng)蝕[8]、資源分布[9]等的影響.墊狀錦雞兒（Caragana tibetica）也是錦雞兒屬

的重要物種，在內(nèi)蒙古西部灌叢化草原中具有重要的生態(tài)作用.Zhang等[10]報道了墊狀錦雞兒灌叢內(nèi)外土壤的理化性質(zhì)、土壤結(jié)構(gòu)和土壤水分的差異.關(guān)于墊狀錦雞兒灌叢微氣候特征的研究尚未見報道.

植物微氣候是指在大范圍氣候條件下，植被在植冠和地表層之間形成的特殊氣候區(qū)，它由植物引起，反過來又會影響植物的生長發(fā)育，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能.不同種植物能形成不同的微氣候，進(jìn)而孕育出不同的生物群落.植物微氣候的特點可以通過濕度、溫度和風(fēng)速3個指標(biāo)進(jìn)行描述.有文獻(xiàn)報道：豌豆（Pisum sativum）[11]、沙蒿（Artemisia desertorum）、油蒿（Artemisia ordosica）[12]灌叢具有明顯降低風(fēng)速的作用；胡楊（Populus euphratica）、檉柳（Tamarix ramosissima）[13]、天山云杉（Picea schrenkiana）[14]林內(nèi)的大氣相對濕度均高于林外；Tsuyuzaki等[15]研究發(fā)現(xiàn)灌木樹冠層可以顯著降低灌叢內(nèi)溫度；Richard等[11]則發(fā)現(xiàn)豌豆（Pisum sativum）植叢內(nèi)外溫度沒有明顯差異.

本項研究測定墊狀錦雞兒灌叢內(nèi)部和灌叢背風(fēng)面的風(fēng)速、溫度和濕度等微氣候指標(biāo)，揭示墊狀錦雞兒灌叢形成的微氣候特點，并討論這些微氣候的生態(tài)效應(yīng)，以便于全面了解墊狀錦雞兒灌叢在維持荒漠區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定中的作用.

1 研究區(qū)概況和方法

1.1 自然概況

研究區(qū)域位于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善左旗（105.34°E，37.87°N），海拔800～1 500 m，氣候類型為典型的大陸性季風(fēng)氣候，屬溫帶干旱荒漠區(qū).該地區(qū)風(fēng)沙大，干旱少雨，日照充足，蒸發(fā)強烈，年降雨量80～220 mm，年蒸發(fā)量2 900～3 300 mm，年日照時間3 096 h，年總輻射量628.1～669.9 kJ/cm2，年平均氣溫7.2℃，無霜期120～180 d.

1.2 研究方法

2013年7月份，在研究區(qū)域內(nèi)設(shè)置100 m×100 m的樣方，選取9個生長狀況良好、立地條件一致（減少灌叢自身生長狀況和環(huán)境對取樣的影響）、大小具有梯度差異的墊狀錦雞兒灌叢作為研究對象.首先測量每個灌叢的周長和高度，計算灌叢體積.然后根據(jù)風(fēng)向分別在裸地（無灌叢的地段，距離灌叢邊緣5 m）、灌叢中心和灌叢背風(fēng)面（距離灌叢邊緣20～30 cm）放置3個kestrel4500手持微氣候儀（美國Kestrel公司），距離地面20 cm.在中午11：00—12：00期間記錄同一時刻3個手持微氣候儀的風(fēng)速、溫度和濕度數(shù)據(jù).

灌叢微氣候的風(fēng)速特征用灌叢與裸地風(fēng)速差的百分比表示.灌叢中心風(fēng)速差百分比（內(nèi)裸差）=[（灌叢內(nèi)風(fēng)速-裸地風(fēng)速）/裸地風(fēng)速]×100%；灌叢背風(fēng)面風(fēng)速差百分比（背裸差）=[（灌叢背風(fēng)面風(fēng)速-裸地風(fēng)速）/裸地風(fēng)速]×100.灌叢微氣候的溫度特征用灌叢與裸地的溫度差表示.灌叢中心溫度差（內(nèi)裸差）=灌叢內(nèi)溫度-裸地溫度；灌叢背風(fēng)面溫度差（背裸差）=灌叢背風(fēng)面溫度-裸地溫度.灌叢微氣候的濕度特征用灌叢與裸地的濕度差表示.灌叢中心濕度差（內(nèi)裸差）=灌叢內(nèi)濕度-裸地濕度；灌叢背風(fēng)面濕度差（背裸差）=灌叢背風(fēng)面濕度-裸地濕度.

對風(fēng)速、溫度和濕度的變化值與灌叢體積進(jìn)行相關(guān)分析，以此反映灌叢內(nèi)微氣候隨著灌叢體積增大的變化趨勢.

2 結(jié)果與分析

2.1 墊狀錦雞兒灌叢對風(fēng)速的影響

風(fēng)速隨墊狀錦雞兒灌叢體積的變化情況如圖1所示.

圖1 墊狀錦雞兒灌叢風(fēng)速與灌叢體積的關(guān)系Fig.1 Relationship between wind speed and shrub volume of C.tibetica

從圖1可以看出，灌叢風(fēng)速的內(nèi)裸差和背裸差均為負(fù)值，表明灌叢確實能降低風(fēng)速.隨著墊狀錦雞兒灌叢體積的增大，灌叢中心及背風(fēng)面風(fēng)速的降幅均增大，風(fēng)速差絕對值與灌叢體積間呈線性正相關(guān)，相關(guān)性具有高度統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.01）.灌叢中心風(fēng)速依灌叢體積從小到大降低了約30%～95%，灌叢背風(fēng)面風(fēng)速降低了約42%～100%.由此可見，灌叢背風(fēng)面風(fēng)速的下降幅度大于灌叢中心.

2.2 墊狀錦雞兒灌叢對溫度的影響

墊狀錦雞兒灌叢中心和背風(fēng)面溫度隨灌叢體積的變化情況如圖2所示.由圖2可以看出，墊狀錦雞兒灌叢在夏季午間的溫度內(nèi)裸差和背裸差均為負(fù)值，表明灌叢降低了其中心及周圍的溫度.灌叢中心和背風(fēng)面溫度的降幅隨著灌叢體積的增大而增大，兩者呈

線性正相關(guān)，相關(guān)性具有高度統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.01）.灌叢內(nèi)溫度隨著灌叢體積從小到大降低了約1.3～4.9℃，灌叢背風(fēng)面降低約1.3～3.9℃.由此可見，灌叢中心的溫度降幅大于灌叢背風(fēng)面的降幅，且灌叢越大兩者差異越顯著.

圖2 墊狀錦雞兒灌叢溫度與灌叢體積的關(guān)系Fig.2 Relationship between temperature and shrub volume of C.tibetica

2.3 墊狀錦雞兒灌叢對濕度的影響

墊狀錦雞兒灌叢中心和背風(fēng)面濕度隨灌叢體積的變化情況如圖3所示.

圖3 墊狀錦雞兒灌叢濕度與灌叢體積的關(guān)系Fig.3 Relationship between humidity and shrub volume of C.tibetica

從圖3可以看出，墊狀錦雞兒灌叢濕度的內(nèi)裸差和背裸差均為正值，表明灌叢可以增加其中心和背風(fēng)面的濕度.灌叢中心和灌叢背風(fēng)面濕度的增幅隨著灌叢體積的增大而增大，兩者均與灌叢體積存在線性正相關(guān)，相關(guān)性具有高度統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.01）.灌叢中心濕度隨灌叢體積從小到大增加了4.2%～7.5%，灌叢背風(fēng)面濕度增加了3.2%～5.8%.灌叢中心的濕度增加幅度顯著大于灌叢背風(fēng)面的增加幅度.

3 討論

3.1 墊狀錦雞兒灌叢微氣候形成的原因

內(nèi)蒙古高原荒漠區(qū)夏季午間的氣候特點是強輻射、高溫、低濕及嚴(yán)重風(fēng)蝕.本研究發(fā)現(xiàn)墊狀錦雞兒灌叢可以有效減弱灌叢內(nèi)的太陽輻射、降低風(fēng)速、降低氣溫、保持空氣濕度，形成與裸地差異顯著的微氣候，且這種效應(yīng)隨著灌叢體積的增大而逐漸增強.

以往研究表明灌叢具有明顯降低風(fēng)速的作用[11，15].墊狀錦雞兒灌叢能減小風(fēng)速，這與其空間結(jié)構(gòu)直接相關(guān).墊狀錦雞兒灌叢高15～30 cm，株叢緊密，枝條短而密集，沙包的植物覆蓋度達(dá)80%～90%，且側(cè)向分枝較少，因此形成水平尺度較小、垂向發(fā)育相對旺盛的半球形灌叢[16].由于墊狀錦雞兒灌叢結(jié)構(gòu)為緊密型，進(jìn)入灌叢內(nèi)的氣流受到枝葉阻擋，摩擦作用增大，使得氣流分散[12]，因此達(dá)到了降低風(fēng)速的作用.墊狀錦雞兒灌叢體積越大其減弱風(fēng)速的作用越顯著.這也與Hesp[17]得出的植物冠幅越大其降低風(fēng)速越明顯的結(jié)論一致.灌叢背風(fēng)面的風(fēng)速減小幅度比灌叢中心更大，進(jìn)一步說明了灌叢具有明顯降低風(fēng)速的作用.溫度方面，由于墊狀錦雞兒植株冠層發(fā)育旺盛，能夠阻擋中午強烈的太陽輻射，加之灌叢內(nèi)植物的蒸騰降溫作用，因此灌叢中心及周圍的溫度低于裸地溫度，且灌叢中心的溫度降幅比灌叢背風(fēng)面的降幅更大.這些說明在太陽輻射強烈的中午，墊狀錦雞兒灌叢具有明顯的降溫作用，這也是其能夠很好適應(yīng)高溫環(huán)境的主要原因之一.濕度方面，由于墊狀錦雞兒灌叢內(nèi)風(fēng)速減弱，午間溫度較裸地低，植物蒸騰和土壤揮發(fā)的水蒸汽能夠較長時間停留在近地面層空氣中，加之冠層的庇蔭作用，使得墊狀錦雞兒灌叢內(nèi)和灌叢下風(fēng)位置的空氣濕度高于裸地，且此效應(yīng)在灌叢中心比灌叢背風(fēng)面更大.這說明墊狀錦雞兒灌叢具有明顯的增濕效應(yīng).

3.2 墊狀錦雞兒灌叢微氣候的生態(tài)效應(yīng)

灌叢內(nèi)適宜的小氣候環(huán)境有利于植物的生長發(fā)育[18-19].研究發(fā)現(xiàn)小葉錦雞兒灌叢能夠捕獲和利用更多水分[20]以促進(jìn)草本植物的生長[21]；Proe等[22]研究發(fā)現(xiàn)森林通過提高溫度、減少風(fēng)速影響林內(nèi)植物的生長；Uesaka等[23]研究發(fā)現(xiàn)賴因氏柳（Salix reinii）能夠提高土壤水分，促進(jìn)灌叢下草本植物的生長.墊狀錦雞兒灌叢能夠有效地降低風(fēng)速，提供一個相對恒溫、高濕度的小環(huán)境，這些不僅為灌木自身生長發(fā)育提供了有利條件，也為其他植物的生存繁衍創(chuàng)造了良好的微環(huán)境.微氣候環(huán)境的斑塊性必然導(dǎo)致生物群落結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性，這是荒漠區(qū)植物群落的結(jié)構(gòu)特點.錦雞兒屬植

物通過灌叢微氣候為干旱荒漠區(qū)生物群落的建成和穩(wěn)定創(chuàng)造了條件，在維持當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定中發(fā)揮了重要作用.

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（責(zé)任編校 紀(jì)翠榮）

Microclimate characteristics of Caragana tibetica shrub canopy in the desert of the Inner Mongolia Plateau

MEI Xufang，XIE Lina，LIU Zhe，MA Chengcang
（a.College of Life Sciences，b.Tianjin Key Laboratory of Animal and Plant Resistance，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

To learn the impacts of Caragana tibetica shrub on the microclimate itself and around the shrub in the desert of the Inner Mongolian Plateau，and furthermore analyze its effects on the maintenance of ecosystem structure and function in desert of C.tibetica，the temperature，humidity and wind speed under shrubs，leeside shrubs and bare land（the control）were measured by microclimate instrument.The results showed that C.tibetica shrub reduced the internal and leeward wind speed，and the reduction of the wind speed in the leeward surface was higher than that in the center of canopy.C.tibetica shrub reduced the internal and leeward temperature，while the reduction of the temperature in the center of canopy was higher than that in the leeward surface.C.tibetica shrub improved the internal and leeward humidity，and the rises of the humidity in the center of canopy was higher than that in the leeward surface.The effects of C.tibetica on the microclimate increased with the volume of canopy，and the changes of three indexes were positively related with the canopy volume of C. tibetica.In conclusion，C.tibetica thrub can significantly improve the microclimate of inside and leeward surface.

Caragana tibetica；shrub canopy；microclimate；desert

Q948

A

1671-1114（2016）04-0055-04

2015-12-05

國家自然科學(xué)基金資助項目（31570453，31170381）.

梅續(xù)芳（1990—），女，碩士研究生.

馬成倉（1963—），男，教授，主要從事植物生態(tài)學(xué)方面的研究.