黄土高原人工植被对局地小气候影响的效应研究

2010-05-05徐丽萍杨改河冯永忠韩新辉

水土保持研究 2010年4期

徐丽萍，杨改河，冯永忠，杜英，韩新辉

（1.石河子大学师范学院，新疆石河子832003，2.西北农林科技大学农学院，陕西杨陵712100；3.西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨陵712100）

植被恢复是一个地区整体生态环境条件改善的基本标志［1］。近年来，黄土高原丘陵沟壑区退耕地采取了不同的植被恢复方式来改良和恢复天然植被，其中人工恢复方式最主要的措施是植树种草，自然恢复方式的措施有封山禁牧、自然撂荒等。在不同的恢复方式下，植被的生长状况、群落的演替方向和速率、各自的生态环境效应明显不同，这也是人们对不同恢复方式存在争议之处［2］。目前关于黄土高原人工植被生态效应的研究多停留在对土壤质量的影响和生物多样性方面［3－6］，关于植被恢复对当地气象要素的影响缺乏深入细致的研究［7－8］。小气候的形成是植被与环境耦合作用的结果，是当地生态环境质量的综合反应，也是植被恢复与重建效果评价的一个重要表征指标。目前，关于黄土高原植被恢复小气候效应方面的报道不多见［9－10］，而这恰好是反映人工林草措施应用效果的一个重要方面。本研究在黄土高原丘陵沟壑区具有代表性的安塞县进行了全面踏查，对退耕地上人工植被区、同一恢复年限自然撂荒植被群落区进行了光照、风速、大气温度、大气相对湿度、土壤温湿度等表征微域小气候特征参数的测定，并以裸露农地为对照进行了对比分析，目的在于研究退耕地植被次生演替和人工恢复过程中小气候因子的变化动态和效应强度，旨在进一步系统地揭示人工植被对小气候的影响作用和人工植被对研究区环境的改善作用，以期对黄土高原丘陵沟壑区退耕地人工植被生态环境效应大小做出评价，为黄土高原进一步有效地退耕还林还草、建设良好的生态环境提供科学的决策依据。

1 材料与方法

1.1 研究区自然概况

研究区设在黄土高原中部的安塞县境内，该区位于东经105°05′44″－109°26′18″，北纬36°30′45″－37°19′03″，海拔997～1 731m，是典型梁峁状丘陵沟壑区，属暖温带半干旱气候区，年均降雨量为535mm，干燥度1.48，年均气温8.8℃，无霜期160d左右，年总辐射量为552.6kJ／cm2。植被地带属森林草原区，天然森林已全遭破坏，天然次生林和人工林零星分布，人工林以刺槐（Robinia psendoacacia）、小叶杨（Populus simonii）、柠条（Caragana intermedia）、沙棘（Hippophae rhamnoides）为主；撂荒植被主要为铁杆蒿（Artemisia gmelinii）、茭蒿（Artemisia giraldii）、长芒草（Stipa bungeana）、白羊草（Bothriochloa ischaemun）等演替形成的杂草群落。土壤以黄绵土为主，约占总面积的95%［11］。

1.2 测定内容与方法

1.2.1 样地选择试验布设于中科院水保所安塞站，东经109°19′23″，北纬36°51′30″。本试验选择坡耕地退耕后种植8～10a的混交林（刺槐＋沙棘）和同年撂荒形成的杂草群落为研究对象，海拔1 296～1 304m，坡向北，坡位中，坡度24°～28°。人工林初植树种为刺槐，株行距为2.5m×2m，造林后因成活率低而补植沙棘，林间杂草丛生，总盖度约为75%。同年撂荒植被群落为铁杆蒿（Artemisia gmelinii）＋达乌里胡枝子（Lespedeza davurica）＋中华隐子草（Gramineae），群落总盖度约为82%。附近的裸露农地其土壤、坡度、坡向、坡位均同于人工林，每年进行翻耕。在人工植被区、自然撂荒区和裸露农地各选3处观测场地，试验仪器布设相同。

1.2.2 测定项目观测项目有风速、气温、相对湿度、土壤温度、土壤湿度等。采用平行对比观测法（即选择要进行比较的地点进行同步对比观测）每天从08：00－19：00逐时正点前后20min内，顺序观测云量、太阳面状况；风速、气温、相对湿度进行离地面高度20，100，150cm的梯度观测，风速观测使用DEM－6型轻便三杯风向风速表，气温和相对湿度采用通风干湿表和Kestrel4000型手持气象站；用直管地温表和曲管地温表测定地面最高温度、地面最低温度和0，5，10，15，20 cm层次的土壤温度；土壤水分的测定用土钻烘干法（105℃）测定，取土间隔为10cm，测深为60cm；土壤容重、孔隙度等测定用环刀法，表层0－20cm每隔5 cm取样3次。由于野外条件限制只进行日间观测，除土壤湿度一日观测3次外（08：00，13：00，18：00），其余项目每小时观测一次，测量时均3次取值。因篇幅限制，只选择2007年7月晴天数据取均值处理。

2 结果与分析

2.1 近地层大气动力与热力状况的日间变化

坡耕地退耕还林后，原来的耕地景观发生了巨变，尤其是营造了人工林显著改变了地表性质，增加了地表的覆盖度，提高了地表粗糙度，因而使近地层风速显著降低。在起风时段进行的多次观测表明，1.0m高度的平均风速人工植被、撂荒植被分别为裸露农地的31.16%、71.01%（表1）。人工植被区内的风速远低于撂荒植被区，说明人工林的存在改变了气流结构，消耗了部分空气动能。

表1 不同恢复方式植被类型对梯度风速的影响 m／s

从风速梯度变化来看，虽然人工植被、撂荒植被和裸露农地的风速都随高度上升而增大，但是降低风速的能力不尽相同。在0.2，1.0，1.5m三个梯度上人工植被减风效益分别为75%、66%、62%，撂荒植被为43%、40%、36%。这是由于植被恢复方式不同而导致地面性质的差异，从分析可知，人工植被阻滞作用大，因而减风效益也较撂荒植被大。

贴地层（这里主要指距离地面20cm）温度的高低，同时受太阳直接辐射和地面热辐射的影响。从图1中可以看出，贴地层温度的日间变化呈不规则的单峰曲线。08：00－10：00时，人工植被、撂荒植被空气温度平均比裸露农耕区高0.8℃、0.6℃左右，这可能是因为此时段主要受地面热辐射的作用，植被的存在使反射的地面长波辐射减少，贴地层空气受地面热辐射作用保温并高于裸露农地；11：00－17：00之间，人工植被、撂荒植被贴地层空气温度比裸露农地低1.49℃、0.99℃。这可能是因为植被的保护，地面和贴地层空气不至于因太阳直接辐射增强而强烈增温。18：00以后，人工植被、撂荒植被贴地层温度又高于裸露农地1.5℃、1.0℃，这可能是由于裸露农地无植被保护散热较快而有植被区散热较慢引起的。

从图2可以看出，14：00时1.5m高度人工植被、撂荒植被比裸露农地低0.6℃、0.4℃，1m高度低1.2℃、1.0℃。与此相应，温度梯度增大。而8：00和19：00情况与14：00不同，梯度值有减小的趋势，14：00的温度廓线梯度值增大是与贴地层湍流活动有极密切的关系，日出后，测点地面受热辐射加热，温度迅速升高，以感热和潜热方式向大气输送热量随高度递减，而下垫面粗糙度和温度又分别是影响湍流的动力因素和热力因素。就粗糙度而言，任何时候有植被区的粗糙度都远远大于裸露区，这是植被所显示的巨大作用。对照裸露农地各层空气温度日变化较快，呈垂直递减趋势，有植被区气温垂直变化幅度变小，相比较而言，人工植被的气温垂直变幅最小，说明热力稳定性人工植被＞撂荒植被。

图1 人工植被、撂荒植被区20cm高度空气温度日间变化

图2 人工植被、撂荒植被区日间不同时刻气温垂直梯度变化

表2 人工植被区、撂荒植被区白天湍流日变化

根据风速梯度与温度梯度，对1m高度的湍流系数计算公式如式（1）。

式中：K——1m 高度的湍流系数；Δt，Δu——0.2m和1.5m的温度差和风速差。将湍流系数的计算结果绘成表2，从中看出，人工植被日平均湍流系数为0.195 676，比撂荒植被低0.064 515，而且一天中的大多数时刻特别是午后裸露农地的湍流活动都要大于人工植被和撂荒植被，说明植被的存在对热力交换和动力活动都有一定的影响，植被在一定程度上起屏障作用。

2.2 土壤的水热状况日间变化

土壤的热状况主要表现为土壤温度。人工植被地温与撂荒植被有明显的差别。图3是人工植被与撂荒植被不同层次土壤温度的日间变化。植被生长季，日间各层温度变化各异，为不规则变化的单峰曲线，在地表温度表现得更加明显，其变化程度随着土层加深而减缓，并以位相落后的形式向下传递，这说明热量的传递具有一定的滞后性。白天日出后浅层的0cm和5cm土壤温度表现为裸露农地＞撂荒植被＞人工植被，傍晚日落后与此相反，这是由于白天植被的遮荫效应大幅度地减少了太阳的直接辐射热，而傍晚植被的保温效应又使散热过程减慢。而深层15cm和20cm日间的土壤温度一直是人工植被＞撂荒植被＞裸露农地，这可能是因为植被的存在使深层土壤热量保蓄积累引起的，说明人工植被对深层土壤温度也具有一定的调节功能。

这种在退耕坡地上建立人工植被后所起到的温度效应，反映了植被区热量收支和某些物理属性的变化。这里主要指地面反射率、土壤容重、孔隙度、土壤温度扩散率等因素的变化。由表3可知，人工植被区的容重较撂荒植被区、裸露农地小，而孔隙度反之，特别是表层土壤平均容重比撂荒植被低0.019 6，这些都是植被影响土壤导热性的重要方面。

图3 不同深度土壤温度的日间变化

表3 土壤容重／孔隙度的分层比较

土壤导热率也称为温度扩散率，是表示土壤温度波的传播特征。利用振幅求热传导，是简捷而经常使用的方法［12］。设深度Z1、Z2处日最高和最低温度的差为R1、R2，温度扩散率K（cm2／s）则由式（2）求得：

由表4可见，人工植被和撂荒植被的平均导温率均大于裸露农地，说明植被的存在使土壤的导热性能提高了。其中人工植被在5－10cm处导热率较其它层大，裸露农地和撂荒植被在15－20cm处导热率较大，说明人工植被根系及枯枝落叶在某种程度上改善了浅层土壤性质使其导温率增大。各深度土温结合气温情况分析，说明人工林地吸收的热量主要用于土壤层增温，热量传递较深，裸露农地吸收热量用于大气增温的较多，土壤增温的较少。此外，观察建立人工植被后的坡地，地表由于枯枝落叶形成一种较裸坡地、撂荒地颜色深的地表，其反射率低，这是易获得热量、增加温度的基础。

土壤含水量的日变化虽较小，但在一定程度上仍然可以反映土壤湿度的特征。从图4可以看出人工植被、撂荒植被、裸露农地样地土壤含水量的变化规律。深层土壤含水量日变化情况在短时间尺度上表现不明显，而表层0－20cm可以表现出明显的失水过程，即土壤湿度早晨＞中午＞傍晚。土壤湿度总体情况是裸露农地＞撂荒植被＞人工植被，但表层土壤失水率也是裸露农地＞撂荒植被＞人工植被，虽然人工植被有大型耗水植物土壤湿度低于撂荒植被和裸露农地，但是由于枯枝落叶等凋落物的覆盖而对表层土壤水分丢失有明显的调节作用。

表4 不同深度土壤导温率 cm2／s

2.3 近地层大气湿度的日间变化

空气湿度是小气候的综合体现。从图5（a）中可以看出，人工植被、撂荒植被和裸露农地相对湿度的日间变化趋势基本一致，表现为近U型曲线。人工植被的相对湿度除个别时段外，均高于裸露农地和撂荒植被，以据地面20cm为例，人工植被相对湿度大于撂荒植被、裸露农地1.8%～3.8%。人工林区由于风速和太阳辐射削弱，水面蒸发也相对减少，测定结果显示，人工植被日间水面蒸发量少于撂荒植被、裸露农地0.52mm、0.80mm。说明植被具有明显地减少水面蒸发，提高相对湿度的作用。

由图5b可知，各梯度空气湿度的垂直变化规律为20cm＞100cm＞150cm，20～100cm之间变率较大，100～150cm之间变化较为平缓。越靠近地面空气湿度越大，可能是由于受太阳辐射的影响，地面蒸散强度大，使近地层水汽含量较多，另一方面，在植被的保护下，上下层交换气流减少，植物蒸腾的水分也在近地面大气中逗留的时间延长，因而提高了空气湿度。

图4 不同深度土层夏季含水率日变化均值

图5 人工植被与撂荒植被空气相对湿度的比较

2.4 人工植被和撂荒植被小气候因素效应强度比较

2.4.1 温度效应人工植被和撂荒植被在夏季都对环境温度有一定的影响，然而对温度的效应强度是不同的，为衡量人工植被和撂荒植被在夏日高温天气下的降温能力，引入平均降温率。

就日间平均气温而言，在相同的天气条件下，人工植被的降温作用强于撂荒植被，而且均在100cm处降温能力最强，低于撂荒植被0.41℃。

表5 人工植被和撂荒植被梯度降温率的比较 ℃

2.4.2 湿度效应人工植被和撂荒植被都有一定的增湿效应，为定量各自增湿效应的强度，统计下列湿度效应：

由表6可见，人工植被日平均相对湿度比撂荒植被高1.97%，平均增湿效应均强于撂荒植被，且1.0 m处增湿效应最强，高于撂荒植被2.22%。

表6 人工植被与撂荒植被水分效应统计特征

2.4.3 改土效应人工植被和撂荒植被都在一定程度上改善了土壤的物理性质，但改善的效应强度还是有细微的差别。从表3，4可知，在营造人工生态林后，林地的土壤容重平均为1.204 3g／cm3，比撂荒植被低0.019 6g／cm3，孔隙度有所增加，比撂荒植被多1.4%；由于林木根系及枯落物的影响，表层土壤疏松度增加，所以人工植被导热率比撂荒植被平均高0.001 252cm2／s。

此外，人工植被和撂荒植被都在一定程度上增加了地表粗糙度，使风力和地面的磨擦系数增大，而且通过湍流运动减小了风速梯度，避免风力直接作用于地表，具有较好的防风动力效应。人工植被0.2m处最大减风效益为75%，比撂荒植被高32%，阻风效应强于撂荒植被。

3 结论与讨论

3.1 结论

人工植被和撂荒植被夏季小气候的差异为：人工植被和撂荒植被风速垂直变化均随高度的增加而增大，但由于人工植被比撂荒植被对风的阻挡作用强，湍流交换活动减弱，人工植被日平均风速比撂荒植被低0.55m／s，风速随高度变化的幅度也小于撂荒植被；人工植被1.0m日均温比撂荒植被低0.21℃，而且在一天中的大多数时刻，人工植被的气温都低于撂荒植被，空气湿度则相反；浅层土壤温度人工植被低于撂荒植被，深层土壤温度则略高于撂荒植被；土壤湿度人工植被低于撂荒植被，但是人工植被对表层土壤水分的保蓄能力却大于撂荒植被，减少了地表土壤水分的无效蒸发。

相关研究表明［13－14］：掌握植被恢复对气象要素影响的规律，既能科学评价人工林草工程的生态效应，又能指导人工措施使人工植被逐渐演化为天然植被。由结论知人工植被风速、气温低于撂荒植被，大气相对湿度高于撂荒植被。这种减风、降温、保湿的功能在蒸发强烈、降水稀少、风沙较大的干旱半干旱的黄土高原能很好地保护水土资源，改善小气候生态条件。由人工植被和撂荒植被对小气候的影响效应强度可知，人工植被小气候条件相对优越，这是因为自然恢复植被进程较缓慢，采用人工恢复能加速植被的演替进程，增加多样性，使系统内部的种群和群落结构得到优化，更好地实现系统的整体功能，从而使小气候朝着更稳定的方向发展。从小气候环境的稳定性这个角度看，人工植被确实在一定程度上加快了植被恢复的进程，但同时我们也应该注意到人工植被群落的土壤含水量明显地较自然恢复群落低，因此一定要注意合理密度及树种搭配，以充分发挥人工林生态系统在黄土高原环境保护中的作用。

3.2 讨论

在生态恢复与重建过程的小气候研究中，以往的研究侧重于不同植被类型和植被不同恢复阶段小气候特征的研究［10，14－15］。而本研究侧重于不同植被恢复方式下群落小气候的特征和变化，虽然沿用了以往小气候研究的方法，但是在前人研究的基础上进一步量化了植被恢复对小气候影响的效应强度，为科学地评价人工林草工程的生态效应提供了基础数据。但由于各种限制，所做的研究多为零散性的微观研究，其结果难免存在一定的局限性。今后的研究中将注重短期观测和长期定位观测站资料的结合，以期为人工林草生态工程的效应评价提供更丰富的理论依据。

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