燕柯如,靖淑惠,張?zhí)炫e,鄭德心
(聊城大學 環(huán)境與規(guī)劃學院,山東 聊城 252059)
東平湖周邊城鄉(xiāng)與人工林的溫濕效應(yīng)研究
燕柯如,靖淑惠,張?zhí)炫e,鄭德心
(聊城大學 環(huán)境與規(guī)劃學院,山東 聊城 252059)
東平湖濕地;冷濕效應(yīng);溫度;濕度
采用便攜式自動觀測氣象站,測定了東平湖周邊城鄉(xiāng)與人工林的溫度、濕度、光照強度,分析了湖體周邊城鄉(xiāng)與人工林的溫濕度差異及原因,結(jié)果表明:①湖泊周邊城鄉(xiāng)溫度及濕度的波動受湖泊影響,表現(xiàn)為距湖較近的城鄉(xiāng)波動較大,距湖泊不同距離的人工林的溫濕度變化同樣是近湖泊處波動較大,這種變化主要是由湖泊濕地的冷濕效應(yīng)造成的;②距湖泊相同距離的人工林與城鄉(xiāng)相比,城鄉(xiāng)的溫度明顯高于人工林,但人工林在上午9:00—10:00時溫度增加值最大,達3.4 ℃,而城鄉(xiāng)在上午10:00—11:00時增加值最大,為2.8 ℃,人工林溫度表現(xiàn)出較大的波動性;③在上午9:00之前人工林的大氣相對濕度大于城鄉(xiāng),9:00之后則明顯低于城鄉(xiāng),而城鄉(xiāng)的大氣相對濕度變化較小,說明植被對湖泊的冷濕效應(yīng)有調(diào)節(jié)作用。
濕地是一種重要的資源,是水陸相互作用形成的獨特生態(tài)系統(tǒng)[1],其特殊的結(jié)構(gòu)和功能使其成為響應(yīng)全球環(huán)境變化的敏感區(qū)域[2]。濕地在具有豐富資源的基礎(chǔ)上,擁有巨大的環(huán)境調(diào)節(jié)和生態(tài)效益功能[3]。其中,冷濕效應(yīng)是濕地的環(huán)境效應(yīng)之一,這是由于濕地長期季節(jié)性積水,而水的比熱容大,消耗太陽能多,使地表增溫困難,同時強烈蒸發(fā)導致近地層空氣濕度增加所致[4]。已有研究表明,濕地冷濕效應(yīng)與濕地植被類型和積水深度有關(guān)[5],對區(qū)域小氣候有顯著的調(diào)節(jié)作用[6]。東平湖是南水北調(diào)東線工程的重要水利樞紐,近幾年開展的濕地旅游和物質(zhì)生產(chǎn)活動,使人類活動逐漸向東平湖濕地靠攏。本研究通過分析該湖泊春季溫濕度對周邊城鄉(xiāng)及人工林的影響,期望為水資源的開發(fā)利用及濕地環(huán)境保護提供科學依據(jù)。
東平湖(35°30′~36°20′N、116°00′~116°30′E)位于黃河下游南岸,是我國東部地區(qū)典型的淺水型湖泊,山東省第二大湖泊,總面積為627 km2,全湖總?cè)菟窟_40億m3[7-8]。東平湖區(qū)屬于溫帶大陸性半濕潤季風氣候,四季分明。受大陸季風影響,東平湖區(qū)一般冬春兩季多風少雨雪,夏季則炎熱多雨,形成了春旱、夏澇的氣候特點,年平均氣溫13.3 ℃[9]。隨著南水北調(diào)工程的實施,其區(qū)域生態(tài)環(huán)境正在發(fā)生顯著變化。
使用3臺便攜式自動氣象觀測站,選擇晴朗天氣,在東平縣城、王臺村、老湖鎮(zhèn)三個地方設(shè)置監(jiān)測點(見圖1),于2016年4月30日早6:00至5月1日早6:00(共24 h),同時監(jiān)測這三個地方的溫度、濕度、太陽輻射量、風速,每30 min記錄一次數(shù)據(jù)。選擇晴朗天氣,在王臺人工林(距湖1 000 m楊樹林)、距湖200 m處的人工林(楊樹林)、湖邊設(shè)置監(jiān)測點(見圖1),5月3日6:00到18:00(共12 h),同時監(jiān)測這三個地方的溫度、濕度、太陽輻射量、風速,每30 min記錄一次數(shù)據(jù)。
用EXCEL軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。
圖1 監(jiān)測點位置示意
3.1 湖泊周邊不同距離城鄉(xiāng)的溫度、濕度變化
由表1可知,對于溫度來說,王臺村的極差、方差最大,東平縣城最小,說明王臺村在一天中溫差最大,東平縣城溫差最小,即距離湖泊越近,氣溫波動越大。東平縣城的最高溫度和最低溫度均比王臺村和老湖鎮(zhèn)的高,而王臺村和老湖鎮(zhèn)的溫度基本相同,說明距湖面較近的城鄉(xiāng)受湖面影響較大,距離湖面較遠的城鄉(xiāng)受湖面影響較小。對于濕度來說,同樣是王臺的極差、方差最大,東平縣城最小,說明王臺村在一天中濕度波動最大,東平縣城濕度波動最小,即距離湖泊越近,濕度波動越大。東平縣城的濕度比王臺村的低,雖然老湖鎮(zhèn)和東平縣城的濕度差異不明顯,但隨著城鄉(xiāng)到東平湖的距離增加其濕度減少的趨勢是不變的。
表1 東平湖周邊城鄉(xiāng)的溫度、濕度統(tǒng)計
三個城鄉(xiāng)24 h的溫度、濕度變化總趨勢基本一致,由圖2(a)可知,溫度變化趨勢為:6:00至16:00氣溫連續(xù)上升,16:00至次日6:00氣溫緩慢下降,在16:00左右出現(xiàn)最高溫度,在6:00左右出現(xiàn)最低溫度;由圖2(b)可知,濕度變化趨勢為:6:00至16:00濕度連續(xù)降低,16:00至次日4:00濕度連續(xù)增加,最高濕度出現(xiàn)在次日4:00左右,最低濕度出現(xiàn)在16:00左右。溫度上升時,濕度降低,溫度下降時,濕度增加;溫度最高時,濕度較低,溫度最低時,濕度較高。由圖1可看出,城鄉(xiāng)距濕地的距離為:東平縣城>王臺村>老湖鎮(zhèn),但王臺村附近有條大清河,對溫度和濕度有影響,使溫度降低,濕度增加。測定發(fā)現(xiàn),距東平湖不同距離的城鄉(xiāng),氣溫不同。大體上,距離東平湖越遠的城鄉(xiāng),溫度越高,濕度越低(圖2)。
3.2 湖泊周邊不同距離人工林的溫度、濕度變化
由表2可知,對于溫度來說,距湖200 m楊樹林的極差最大,距湖1 000 m楊樹林次之,說明距離湖泊近的樹林,溫度波動較大。對于濕度來說, 距湖1 000 m
圖2 湖泊周邊城鄉(xiāng)溫度與濕度日變化
楊樹林的極差最大,距湖200 m楊樹林次之。湖邊的溫度、濕度的極差、方差最小,說明湖邊溫度、濕度波動最小,受湖面影響最大。
表2 東平湖周邊人工林的溫度、濕度統(tǒng)計
距湖1 000 m楊樹林、距湖200 m楊樹林、湖邊12 h的溫度和濕度變化總趨勢基本一致(圖3),距湖1 000 m楊樹林、距湖200 m楊樹林在16:00左右溫度最高,湖邊在15:00左右溫度最高,三者均在6:00溫度最低;三者均在7:00左右濕度最大,14:00左右濕度最小。除6:00—7:00是溫度上升、濕度增加外,其余的時間段均是溫度上升時濕度降低,溫度下降時濕度增加;溫度最高時,濕度相對較低,溫度最低時,濕度相對較高。
由圖3(a)可看出,基本上,同時間距湖1 000 m楊樹林的溫度>距湖200 m楊樹林的溫度>湖邊的溫度;由圖3(b)可看出,濕度變化與溫度變化相反,同時間距湖1 000 m楊樹林的濕度<距湖200 m楊樹林的濕度<湖邊的濕度。說明同時期距離東平湖越遠,溫度越高,濕度越低。氣溫的變化,主要是由太陽輻射、地面溫度與湍流交換強度決定的,濕地由于地表積水或土壤過濕,增溫緩慢,因而距離湖面越近溫度越低??諝獠粩嗟貙α骱屯牧鳎諝馕F之間不停地進行熱量交換和擴散,以及水汽交換和擴散,周圍空氣濕度受濕地的影響,距離湖面越近濕度越大[10]。
圖3 湖泊周邊人工林溫度與濕度日變化
3.3 湖泊周邊城鄉(xiāng)與人工林的溫濕度差異
為研究湖泊周邊城鄉(xiāng)與人工林對溫濕度的影響,我們選與東平湖距離基本相同的王臺村(代表城鄉(xiāng))和王臺人工林(代表人工林)進行對比研究。
3.3.1 城鄉(xiāng)與人工林對溫度的影響
由圖4可知,隨著光照強度增加,王臺人工林和王臺村的溫度均增加,13:00之后光照強度減少,而溫度繼續(xù)增至16:00左右達到最大值,之后逐漸減少。王臺人工林氣溫比王臺村低,是因為植被林冠層大幅度削弱太陽輻射,使得人工林內(nèi)的光照強度大部分時間比王臺村弱,從而致王臺人工林增溫緩慢。
圖4 王臺人工林和王臺村溫度和光照日變化
圖5反映了在15:00以前,王臺人工林和王臺村溫度變化值是正值,氣溫上升,且王臺人工林溫度增加值除了9:00—10:00和12:00—13:00比王臺村的大,其余時段均比王臺村的小,說明王臺人工林氣溫增加慢,溫度比王臺村的低。在16:00以后,二者溫度變化值均是負值,氣溫降低,王臺人工林減少值比王臺村的小,說明王臺人工林氣溫降低較慢,但溫度仍比王臺村的低。王臺人工林在9:00—10:00時溫度增加值最大,為3.4 ℃,之后溫度增加開始減緩,到15:00—16:00時增加值最小,為0.1 ℃,之后溫度開始下降,到17:00—18:00時減少值增大為1.5 ℃。王臺村在6:00—10:00溫度增加值增大,到10:00—11:00時增加值最大,為2.8 ℃,之后溫度增加開始減緩,在14:00和15:00時溫度相等,15:00之后溫度開始下降,17:00—18:00時減少值最大,為2.0 ℃。
圖5 王臺人工林和王臺村溫度變化值
3.3.2 城鄉(xiāng)與人工林對濕度的影響
由圖6可知,在上午9:00之前,王臺人工林的濕度大于王臺村的濕度,9:00之后,人工林的濕度小于王臺村的濕度。這是由于9:00之前人類活動剛剛開始,對冷濕效應(yīng)產(chǎn)生的干擾還不顯著,大氣中水汽的主要來源為下墊面水分的蒸散發(fā),蒸散量由植物蒸騰和地面蒸發(fā)兩部分組成,因此下墊面的水分條件和植被特征決定了蒸散量的大小[11]。蒸騰強度大,輸入大氣中的水汽多,其增加的空氣濕度和水汽壓也相當可觀,所以人工林的濕度要比城鄉(xiāng)的濕度大。9:00之后,濕度增加值較大(圖5),人類和機動車活動加劇,使林冠層下空氣流動加快,打破了人工林原有的濕度規(guī)律,加之12:00之后人工林光照強度激增(圖4),加快了空氣中水分的蒸發(fā),且樹葉氣孔關(guān)閉,蒸騰作用減弱,水分較少散發(fā)到空氣中,因此人工林的濕度明顯下降,低于城鄉(xiāng)的濕度。
圖6 王臺村和王臺人工林濕度變化
圖7反映了16:00之前,王臺村濕度變化值均為負值,說明王臺村濕度一直在降低;16:00之后濕度變化值為正,濕度增加。王臺人工林7:00—14:00濕度變化值是負值,濕度在減小,6:00—7:00和14:00—18:00濕度變化值是正值,濕度在增加。王臺人工林每小時間隔的濕度變化值普遍比王臺村大,說明王臺人工林濕度波動較大,王臺村濕度波動較小。王臺人工林在9:00—10:00時減少值最大,為23.2%,12:00—13:00時減少值最小,為0.9%,14:00之后濕度開始上升,15:00—16:00增加值最大,為7.8%。王臺村在7:00—8:00濕度減少值最大,為7.5%,在13:00—14:00時濕度減少值最小,為0.1%,16:00之后濕度開始上升,17:00—18:00時增加值最大,為9.6%。
圖7 王臺人工林和王臺村的濕度變化值
濕地的冷濕效應(yīng)通過濕地與周圍環(huán)境之間的能量和水分交換來實現(xiàn),其直接效應(yīng)使其附近地帶上空空氣的溫度降低、濕度增加。濕地冷濕效應(yīng)具有一定的空間影響范圍,形成局部冷濕場[12]。東平湖濕地一天的溫度和濕度變化規(guī)律為:濕度隨溫度的上升而減小,隨溫度的降低而增大,大體上溫度最高時濕度最低,溫度最低時濕度最高。距東平湖不同距離的人工林和城鄉(xiāng)的溫度、濕度變化不同,隨距離增加,溫度升高、濕度減小,這是由濕地的局部冷濕作用造成的。
濕地的蒸散作用和冷輻射作用影響著濕地冷濕效應(yīng)的形成過程,而下墊面的溫度、水分條件決定了蒸散作用強度和冷輻射強度。因此,濕地冷濕效應(yīng)與濕地類型密切相關(guān)。植物的蒸騰作用影響著大氣的溫度和濕度,人工林的溫度比城鄉(xiāng)的溫度低,表明人工林的制冷作用很明顯。人工林溫度、濕度波動較大;城鄉(xiāng)溫度、濕度波動較小。
近年來東平湖濕地及其周邊地區(qū)氣候變化與大面
積濕地的退化及植被的破壞密切相關(guān),如何有效保護和合理利用濕地資源就成為一個亟待解決的問題。
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(責任編輯 徐素霞)
國家自然科學基金項目(40901276);山東省優(yōu)秀中青年科學家科研獎勵基金項目(2011BSB01256);聊城大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(26312151005)
P463.2;P931.7
A
1000-0941(2017)06-0042-04
燕柯如(1993—),女,山東棗莊市人,學士,研究方向為環(huán)境科學;通信作者劉加珍(1974—),女,四川遂寧市人,教授,博士,主要從事與陸面生態(tài)過程相關(guān)的教學與科研工作。
2016-09-16