鄭州黃河濕地不同植被類型的小氣候效應(yīng)研究

方 曉,桑凱新,黃 超,范貝貝,楊果果,郭二輝

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,河南 鄭州 450002)

濕地生態(tài)系統(tǒng)是全球生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分[1],由于其特殊的結(jié)構(gòu)和功能,濕地已成為響應(yīng)全球氣候變化的敏感區(qū)域[2]。濕地在減緩全球氣候變化和調(diào)節(jié)區(qū)域小氣候特征方面扮演著重要角色[3]。研究發(fā)現(xiàn),濕地的水分蒸發(fā),以及植物的蒸騰作用要消耗周圍空氣的大量熱量,使得濕地和大氣之間不斷地進(jìn)行著能量和物質(zhì)交換,從而濕地能夠在局部環(huán)境內(nèi)達(dá)到降溫增濕的效果,影響到區(qū)域的小氣候環(huán)境[4-6]。崔麗娟等研究發(fā)現(xiàn)，濕地對(duì)局部周邊環(huán)境具有明顯的降溫和增濕效果[7]。此外,濕地內(nèi)的植被覆蓋度、植被的類型也會(huì)直接或間接地影響區(qū)域氣候環(huán)境,例如：吳菲等研究發(fā)現(xiàn)林下廣場(chǎng)在遮陽(yáng)、降溫增濕和改善局地小氣候方面效果更佳[8]；黃海霞等指出森林綠地的覆蓋能夠緩和區(qū)域溫差,降低氣溫,植被可能是引起區(qū)域小氣候變化的一個(gè)重要因素[9]。近年來(lái)有關(guān)濕地區(qū)域小氣候調(diào)節(jié)的研究多關(guān)注于偏遠(yuǎn)地區(qū)及城市,而對(duì)城市郊區(qū)的濕地生態(tài)系統(tǒng)小氣候調(diào)節(jié)研究還較少。本研究選取鄭州市黃河濕地作為研究對(duì)象,通過(guò)野外對(duì)裸地、草地、灌草、林地等4種不同植被類型的風(fēng)速、空氣溫度、空氣濕度、地表溫度和熱壓力指數(shù)(heat stress index)等的觀測(cè),闡明了鄭州市黃河濕地周圍不同植被類型的區(qū)域小氣候的變化規(guī)律,定量研究了黃河濕地不同植被類型對(duì)風(fēng)速、空氣溫度、空氣濕度、地表溫度和熱壓力指數(shù)等的影響,可以為黃河濕地不同植被的生態(tài)服務(wù)功能評(píng)估提供科學(xué)依據(jù),也可為黃河濕地的植被修復(fù)提供參考。

1 研究地概況和研究方法

1.1 研究地概況

本試驗(yàn)地選擇在鄭州市黃河濕地花園口段,屬于北溫帶大陸性季節(jié)氣候,年平均氣溫14.4 ℃,年平均降雨量632 mm,無(wú)霜期220 d,全年日照時(shí)間約2400 h。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地的選擇 本試驗(yàn)以裸地為對(duì)照,選擇草地區(qū)(主要為蘆葦、看麥娘、狗牙根等)、灌草區(qū)(主要為檉柳和白茅等)和林地區(qū)(主要為柳樹(shù)等)為試驗(yàn)區(qū)。4種植被類型均以河岸處為起點(diǎn),分別在垂直于河岸的0、50、100、150、200 m處設(shè)置5個(gè)樣地(取5塊樣地的觀測(cè)平均值)。樣地盡量選取在坡度較為平穩(wěn)、人為干擾較少、植被種類相差不大的區(qū)域,在選好的樣地中設(shè)置樣方,進(jìn)行植被調(diào)查(如表1)。

表1 試驗(yàn)樣地的基本情況

1.2.2 小氣候觀測(cè) 于2016年5月份,選擇晴朗的天氣，在9:00～17:00之間每2 h測(cè)量1次,連續(xù)測(cè)量5 d，取其平均值；小氣候指標(biāo)的測(cè)定采用Kestrel 3000型手持風(fēng)速測(cè)量?jī)x,測(cè)量的指標(biāo)主要包括風(fēng)速、空氣溫度、空氣濕度、熱壓力指數(shù)等；同時(shí)使用美國(guó)的FLUKE F572紅外測(cè)溫儀測(cè)量地表溫度。

1.3 分析方法

1.3.1 數(shù)據(jù)計(jì)算方法 阻風(fēng)率、降溫強(qiáng)度、增濕強(qiáng)度的計(jì)算公式如下:

DT=DS-Dt

(1)

式(1)中:DT為降溫強(qiáng)度；DS為裸地溫度;Dt為取樣點(diǎn)溫度。

DRh=DSRH-DaRh

(2)

式(2)中:DRh為增濕強(qiáng)度；DSRH為取樣點(diǎn)濕度;DaRh為裸地濕度。

D=[(Dv-Ds)/Dv]×100%

(3)

式(3)中:D為阻風(fēng)率；Dv為裸地風(fēng)速;Ds為取樣點(diǎn)風(fēng)速。

1.3.2 數(shù)據(jù)分析方法 根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù),計(jì)算風(fēng)速、空氣溫度、空氣濕度、地表溫度和熱壓力指數(shù)的平均值,分析不同植被類型濕地小氣候效應(yīng)的強(qiáng)弱變化。利用SPSS 19.0對(duì)13:00時(shí)不同植被類型的阻風(fēng)率、降溫強(qiáng)度、增濕強(qiáng)度、熱壓力指數(shù)進(jìn)行多重差異顯著性分析并對(duì)小氣候相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕地植被類型對(duì)風(fēng)速變化的影響

當(dāng)風(fēng)進(jìn)入植被區(qū)后,由于受到植物的摩擦和阻力，風(fēng)速有所下降[10]。本研究(圖1)發(fā)現(xiàn)：9:00～15:00林地的風(fēng)速均低于其他3種植被類型的,而裸地、草地、灌草的風(fēng)速相差不大；在不同時(shí)間點(diǎn)林地與其他3種植被類型風(fēng)速的相差范圍為0.22～0.67 m/s。從表2可以看出，在13:00時(shí)林地的阻風(fēng)率顯著高于草地和灌草的(P<0.05),灌草的顯著高于草地的(P<0.05)，這說(shuō)明林地的阻風(fēng)能力明顯高于裸地、草地、灌草。

植被類型阻風(fēng)率/%空氣降溫強(qiáng)度/℃空氣增濕強(qiáng)度/%地表降溫強(qiáng)度/℃草地5.26±0.14 c1.01±0.08 b3.28±0.27 c5.19±0.25 b灌草9.47±0.85 b1.09±0.08 b5.38±0.22 b1.69±0.25 c林地34.04±2.94 a1.74±0.17 a6.24±0.17 a7.69±0.65 a

注:同列數(shù)據(jù)后附不同字母表示在不同植被類型間差異顯著(P<0.05)。

2.2 濕地植被類型對(duì)空氣溫度和濕度變化的影響

植被區(qū)的空氣溫度能夠影響植被內(nèi)的水分平衡,以及植物的生長(zhǎng)發(fā)育。從圖2可以看出,4種植被類型從9:00開(kāi)始空氣溫度迅速升高,隨后裸地在13:00達(dá)到了最高,林地和草地在15:00達(dá)到了最高；在13:00之后裸地的氣溫均高于其他3種植被類型的,而林地的空氣溫度最低。在9:00～15:00期間空氣溫度的變化幅度大小順序?yàn)榱值?草地<灌草<裸地。但在9:00時(shí)4種植被類型空氣溫度的排序?yàn)槁愕?草地<林地<灌草。在13:00時(shí)林地的空氣降溫強(qiáng)度顯著高于草地和灌草的(P<0.05)，這可能是由于草地和灌草的群落層次和群落結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,林地的降溫效果更為明顯。

圖2 不同植被類型空氣溫度的變化規(guī)律

由圖3可見(jiàn),空氣濕度從9:00開(kāi)始迅速降低,裸地的空氣濕度在13:00降低到最低點(diǎn),而林地、草地、灌草的空氣濕度至17:00前一直保持下降趨勢(shì)。在9:00～15:00內(nèi)空氣濕度的變化幅度為林地<灌草<草地<裸地。在9:00時(shí)4種植被類型空氣濕度的排序?yàn)楣嗖?林地<草地<裸地,這與空氣溫度的變化趨勢(shì)相反。由表2可知,在13:00時(shí)林地的空氣增濕強(qiáng)度顯著高于草地和灌草的(P<0.05),灌草的空氣增濕強(qiáng)度顯著高于草地的(P<0.05)，說(shuō)明林地的增濕效果明顯優(yōu)于草地和灌草的。

圖3 不同植被類型空氣濕度的變化規(guī)律

2.3 濕地植被類型對(duì)地表溫度的影響

由圖4可知,4種植被類型的地表溫度在9:00～17:00期間均呈同步的倒U型曲線,即地表溫度從9:00開(kāi)始逐漸上升,隨后草地、灌草、裸地的地表溫度在13:00時(shí)達(dá)到了最高點(diǎn),而林地的地表溫度在15:00到達(dá)最高點(diǎn)，之后均逐漸下降。在9:00～17:00期間,林地、草地、灌草、裸地的地表溫度變化幅度分別為9.52、11.24、11.24、16.09 ℃。由表2可知,在13:00時(shí)林地的地表降溫強(qiáng)度顯著高于草地和灌草的(P<0.05),草地的又顯著高于灌草的(P<0.05),這可能是由于在調(diào)查區(qū),草地的覆蓋度高于灌草,草地區(qū)植物下的郁閉度較高,使得草地的地表降溫效果明顯優(yōu)于灌草的。

圖4 不同植被類型地表溫度的變化規(guī)律

2.4 濕地植被類型對(duì)熱壓力指數(shù)的影響

熱壓力指數(shù)代表溫度、濕度、風(fēng)速等因素的熱壓力狀況,是評(píng)估熱危害的重要指標(biāo)之一。4種植被類型的熱壓力指數(shù)均從9:00開(kāi)始逐漸上升,裸地、林地、灌草的熱壓力指數(shù)在13:00升高到最高點(diǎn),而草地的熱壓力指數(shù)在15:00升高到最高點(diǎn),隨后直至17:00一直保持下降趨勢(shì)。在9:00～17:00期間熱壓力指數(shù)的變化幅度表現(xiàn)為林地<草地<灌草<裸地(圖5)。在13:00時(shí)裸地的熱壓力指數(shù)顯著高于林地、灌草、草地的(P<0.05),且林地的熱壓力指數(shù)最低(圖6)。

圖5 不同植被類型熱壓力指數(shù)的變化規(guī)律

圖6 不同植被類型在13:00時(shí)的熱壓力指數(shù)

2.5 小氣候相關(guān)指標(biāo)的相關(guān)性分析

從表3可知：熱壓力指數(shù)與風(fēng)速、空氣溫度、地表溫度呈極顯著正相關(guān),與空氣濕度呈極顯著負(fù)相關(guān),這說(shuō)明較低的溫度、較高的空氣濕度能夠降低熱壓力指數(shù)；空氣濕度與風(fēng)速、空氣溫度、地表溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,說(shuō)明較高的溫度和風(fēng)速能夠降低空氣濕度；風(fēng)速與空氣溫度、地表溫度呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系；地表溫度與空氣溫度也呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系。

注:“**”表示在0.01水平上(雙側(cè))極顯著相關(guān)。

3 結(jié)論與討論

在地理和氣候條件基本相同的情況下,不同的植被類型其區(qū)域內(nèi)外物質(zhì)和能量交換阻力不同,致使其區(qū)域內(nèi)小氣候具有一定的差異,這主要受到植被覆蓋度、植被類型等的影響[11]。本研究發(fā)現(xiàn)鄭州市黃河濕地不同植被類型對(duì)區(qū)域小氣候產(chǎn)生了明顯的影響,其中林地在9:00～17:00期間的空氣溫度、地表溫度、風(fēng)速、熱壓力指數(shù)、空氣濕度的變化幅度最低,其次是草地和灌草,而裸地則完全與之相反,主要是因?yàn)榱值刂械闹脖辉谡趄v作用中,不斷地從周圍環(huán)境中吸收熱量,降低了林內(nèi)環(huán)境的氣溫[12],同時(shí)上層的空氣向下層不斷交換[13],使林地的地表溫度也相應(yīng)降低。有研究發(fā)現(xiàn),白天林地植被及土壤的蒸散作用過(guò)程中產(chǎn)生較多的水汽,但是林冠層的阻礙減緩了水汽傳輸,有利于林內(nèi)維持較高的空氣濕度[14-15],這表明林地的風(fēng)速較低，空氣溫度、地表溫度穩(wěn)定性較高。但是在9:00時(shí)4種植被類型的空氣溫度表現(xiàn)為裸地<草地<林地<灌草,而在此時(shí)間段的空氣濕度順序與此正好相反,這可能是由于裸地、草坪上空較為空曠,無(wú)樹(shù)木遮攔,有利于空氣的對(duì)流和散熱以及水汽的擴(kuò)散和交換,使得周圍空氣溫度下降較快,空氣濕度較高[8]。本研究也發(fā)現(xiàn)在9:00～17:00期間林地的風(fēng)速顯著高于其他植被類型的。由于13:00是一天中太陽(yáng)光照強(qiáng)度最高的時(shí)刻,在此時(shí)刻溫度、濕度、熱壓力指數(shù)等均會(huì)發(fā)生明顯的變化,因此在此時(shí)刻研究增濕降溫效果更具有代表性。本研究分析發(fā)現(xiàn)，林地在13:00時(shí)的阻風(fēng)率、空氣降溫強(qiáng)度、地表降溫強(qiáng)度、空氣增濕強(qiáng)度均明顯高于灌草和草地的,而裸地的熱壓力指數(shù)最高,這進(jìn)一步證明了林地在降溫、增濕、降低風(fēng)速方面起到了較好的作用。

植被區(qū)域內(nèi)熱壓力指數(shù)、氣溫、空氣濕度以及地表溫度等的波動(dòng)相互也會(huì)發(fā)生一定的影響。本文相關(guān)分析結(jié)果表明：熱壓力指數(shù)與風(fēng)速、空氣溫度、地表溫度呈極顯著正相關(guān),與空氣濕度呈極顯著負(fù)相關(guān),說(shuō)明影響區(qū)域小氣候熱壓力指數(shù)的主要因素包括風(fēng)速、空氣溫度、地表溫度、空氣濕度等；空氣濕度與空氣溫度、地表溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,這可能是由于水面的存在使空氣不斷地進(jìn)行水汽的擴(kuò)散和交換,對(duì)周圍環(huán)境的空氣濕度具有顯著的影響[16]；水分的蒸發(fā)、大面積濕地的蒸發(fā)作用以及濕地植物的蒸騰作用要耗去大量的熱量,使周圍空氣溫度和地表溫度降低[7,17]。

通過(guò)對(duì)鄭州段黃河濕地中裸地、草地、灌草、林地的風(fēng)速、空氣溫度、空氣濕度、地表溫度和熱壓力指數(shù)等氣象因子進(jìn)行定點(diǎn)同步觀測(cè)，發(fā)現(xiàn):在9:00～17:00期間,林地降低風(fēng)速的效果最佳；在降溫增濕效果上林地最佳,灌草和草地次之,裸地最差；在9:00～17:00期間熱壓力指數(shù)的變化幅度表現(xiàn)為林地<草地<灌草<裸地,在13:00時(shí)林地、草地、灌草的熱壓力指數(shù)均顯著低于裸地的,其中林地最低。因此，黃河濕地中的林地在降溫、增濕、降低風(fēng)速方面具有明顯的效果。