新疆维吾尔自治区策勒县绿洲一沙漠过渡带小气候特征

2011-08-03庞营军雷加强曾凡江李生宇毛东雷何志辉

水土保持通报 2011年5期

庞营军，雷加强，曾凡江，李生宇，毛东雷，2，何志辉，2

（1.中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆乌鲁木齐830011；2.中国科学院研究生院，北京100049；3.新疆策勒荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站，新疆策勒848300）

小气候是指因局地下垫面条件影响而形成的与大气候不同的贴地层和土壤上层气候［1］。小气候是影响生物生长发育最重要的环境因子，不同植物群落形成不同的小气候环境［2］。国内外学者对森林［3－4］、农田［5－6］、湖泊［7］、湿地［8］以及干旱区的沙漠［9］、戈壁［10］、绿洲［11］等的小气候进行了大量研究，在地—气动量、热量、水汽交换方面取得了许多研究成果，为研究大气环流和气候数值模拟奠定了基础。

绿洲荒漠过渡带（简称过渡带）广泛存在于干旱区绿洲外围，是绿洲的重要生态屏障。针对绿洲荒漠过渡带的景观格局［12］、土壤特征［13］、地下水特征［14］、植物生理［15］等已开展过较多研究。以往研究者对绿洲荒漠过渡带小气候研究的思路多是同绿洲、沙漠、戈壁等下垫面进行对比，但过渡带内部植被分布较复杂、异质性强，目前对过渡带内不同植物群落的小气候对比研究较少。

本文分析了策勒绿洲—沙漠过渡带柽柳群落、柽柳—骆驼刺—花花柴群落、骆驼刺群落3种典型植物群落的小气候特征，初步研究了植物和大气相互作用，量化了过渡带植被的小气候效应，对于过渡带植被保护和恢复重建具有一定科学意义。

1 研究区概况

研究区域位于塔克拉玛干沙漠南缘、中昆仑山北麓的策勒县，地理坐标为35°18′—39°30′N，80°03′—82°10′E，东西分别与于田、洛浦2县相邻，西南与和田县接壤，南与西藏自治区接壤，北部延伸至塔克拉玛干沙漠中部，地势由南向北倾斜。策勒县为典型的内陆暖温带荒漠气候，夏季炎热，干旱少雨，光热充足，日照时间长，昼夜温差大。平原区多年平均降水量为35.1 mm，年潜在蒸发量接近2 600 mm；极端最高气温为41.9℃，极端最低气温为－23.9℃；境内年径流量为5.85×108m3，但流量季节分配不均，主要集中在夏季，占全年的76.8%；风向以西风为主，年平均风速为2 m/s，风沙灾害频繁，每年8级以上大风3～9次。策勒绿洲西、北和东部为大面积的绿洲—沙漠过渡带，绿洲—沙漠过渡带是保护绿洲免受风沙危害的重要生态屏障。策勒绿洲—沙漠过渡带植被主要为骆驼刺（Al hagisparsif olia）、花花柴（Kareliniacaspia）、拐轴鸦葱（Scor zoner adivaricata）、柽柳（Ta marixssp）、胡杨（Popul useuphr atica）、芦苇（Phr ag mitesaustr alis）等植物形成的群落。近50 a来，随着人工绿洲的面积增大，策勒绿洲—沙漠过渡带面积明显减少，生境破碎化程度增加，对绿洲防护作用下降［16］，迫切需要对绿洲—沙漠过渡带进行保护和恢复重建，而阐明各种植物群落适应性和生态作用是科学开展这一工作的前提，本文拟开展各植物群落的小气候特征研究。

2 研究方法

柽柳群落、柽柳—骆驼刺—花花柴群落、骆驼刺群落是策勒绿洲—沙漠过渡带的主要天然植物群落。2010年选择了植物生长旺盛的时间段7月23日至8月24日，对策勒绿洲—沙漠过渡带的这3种典型植物群落进行了短期的小气候梯度观测，3个群落的具体情况如表1所示。

表1 策勒绿洲－沙漠过渡带小气候观测点概况

本研究使用HOBO小气候观测仪（美国ONSET公司），3个群落分别建立了10 m高的气象观测架，主要观测项目有风速风向、空气温湿度、光合有效辐射。风速探头布设在0.5，1，2，4，8，10 m 处，在10 m处加风向标。空气温湿度探头分两层布设，0.5和2 m处各布设1层。光合有效辐射探头在1.5 m处。所有观测项目均为全天候观测，自动采集器（HOBOU30）对以上数据每1 min记录1次。

3 结果与分析

3.1 风速的变化特征

3.1.1 风速的时序变化如图1所示，观测期间，柽柳群落、柽柳—骆驼刺—花花柴群落、骆驼刺群落风速随时间的变化趋势都一致，但风速值不同，风速和植被覆盖度呈负相关，植被覆盖度最大的骆驼刺群落风速最小，覆盖度最小的柽柳群落风速最大，柽柳—骆驼刺—花花柴群落风速居中。这表明地表植被状况是导致风速差异的主要原因。

图1 策勒绿洲－沙漠过渡带不同高度处日平均风速逐日变化

3.1.2 风速的垂直变化从表2可以发现，3个植物群落的风速明显随高度增加而增大，随着高度的增加，3个植物群落风速差异程度减小。

表2 策勒绿洲－沙漠过渡带观测期内平均风速随高度变化情况 m/s

这主要是因为越接近地表，植被对风的阻挡作用越强，风速降低程度越大，植被覆盖度引起的风速差异在近地表表现更为明显。

在同一观测高度，3个植物群落的风速比较发现，植被覆盖度增加，风速减小，但植被覆盖度和风速并不是线性关系，风速随植被覆盖度的递减率随覆盖度增加而减小（图2）。

图2 策勒绿洲－沙漠过渡带风速百分比和植被覆盖度关系

3.1.3 风速和气温关系图3为观测期内2 m高气温和2 m高风速平均值的日变化图，可以看出柽柳群落、柽柳—骆驼刺—花花柴群落、骆驼刺群落3个群落风速和气温日变化趋势相似，都是单峰曲线，白天气温高，风速大，夜晚气温低，风速小；但风速日最大值出现在14：30左右，气温日最大值出现在17：00左右，气温和风速变化并未完全同步，气温峰值出现比风速峰值滞后约2.5 h。这是因为在摩擦层中，通常上层风速大于下一层，白天地面受热，空气逐渐变得不稳定，湍流得以发展，上下层空气动量交换增强，使上层风速大的空气进入下一层，午后湍流旺盛，下层风速增大至最大值［17］。根据俎瑞平等［18］对塔克拉玛干沙漠风况的研究，发现无论是风速的月际变化还是日变化，沙漠内部都呈现出“风热同步”，而沙漠边缘月平均温度变化则滞后于月平均风速，本文一定程度上验证了这一结果。

图3 策勒绿洲－沙漠过渡带平均风速和平均气温的日变化

3.2 气温变化特征

图4可见，3个群落气温逐日变化趋势相似，但在气温的量值上存在差异。在整个观测期内，柽柳群落、柽柳—骆驼刺—花花柴群落、骆驼刺群落2 m处气温平均值分别为27.48，27.16，26.46℃，柽柳—骆驼刺—花花柴群落、骆驼刺群落的气温分别比柽柳群落降低0.32，1.02℃。随着植被覆盖度的增加，气温降低。

图4 策勒绿洲－沙漠过渡带2 m处日平均气温逐日变化

图5可见，在典型晴天8月6—7日，3个群落的2 m气温日变化趋势一致，清晨日出前后，气温降至一天中最低值，午后达到日最高值，然后开始降温。以8月6日为例，柽柳群落、柽柳—骆驼刺—花花柴群落、骆驼刺群落2 m 气温分别在7：30，6：45，6：45降到最低值19.91，19.27，17.68 ℃；分别在午后18：15，18：15，17：45达到日最高值 38.46，38.00，36.86℃，日较差分别为18.55，18.73，19.17 ℃，随着植被覆盖度增加，气温日最高值和日最低值降低，但日较差变大。日出前后到午后最大值时段内，3个群落气温都在快速上升，差异较小，但是午后日最高值后，三者之间差异增大，至次日清晨，基本呈现出柽柳群落＞柽柳—骆驼刺—花花柴群落＞骆驼刺群落。

图5 策勒绿洲－沙漠过渡带2 m处气温日变化

图6为典型晴天（8月6日）0.5 m气温与2 m气温之差。白天，0.5 m气温与2 m气温之差在当地正午最大，此时柽柳群落、柽柳—骆驼刺—花花柴群落、骆驼刺群落的温差约为2.5，2.7，3.8℃，骆驼刺群落的温差最大。3个群落的气温在晚上21：00左右开始出现逆温，一直持续到次日的9：00左右。逆温现象的发生是因为夜间受下垫面辐射冷却影响，近地表各层越接近地表降温幅度越大，最终导致逆温的出现。逆温阻碍空气垂直运动，对地气之间的水汽、热量交换有重要影响。

3.3 空气相对湿度变化特征

柽柳群落、柽柳—骆驼刺—花花柴群落、骆驼刺群落3个群落的2 m日平均空气相对湿度的逐日变化基本一致。由于降雨的缘故，7月29日—8月1日的相对湿度较高，在70%左右（图7）；观测期内平均相对湿度分别为37.95%，40.28%，45.62%，随着植被覆盖度的增加，相对湿度值增大。

图6 策勒绿洲－沙漠过渡带0.5 m和2 m处气温差日变化

图8中可以看出，在典型晴天，以8月6日为例，清晨日出前后，柽柳群落、柽柳—骆驼刺—花花柴群落、骆驼刺群落3个群落2 m相对湿度先后达到一日中最高值67.41%，68.84%，78.87%，午后达到日最低值10.01%，12.29%，21.09%，相对湿度日较差分别为57.4%，56.55%，57.78%。相对湿度的日变化趋势和气温相反。3个群落的相对湿度在上午差异不明显，但午后日最低值后至次日清晨差异较明显，基本表现为骆驼刺群落＞柽柳—骆驼刺—花花柴群落＞柽柳群落。

图7 策勒绿洲－沙漠过渡带2 m处日平均空气相对湿度变化

图8 策勒绿洲－沙漠过渡带2 m处空气相对湿度日变化

3.4 光合有效辐射变化特征

光合有效辐射是太阳辐射能中可以被绿色植物用来进行光合作用的能量，波长在400～700 n m之间，是植物进行光合作用的重要环境因子之一，也是植物生长所需的基本能源。柽柳群落、柽柳—骆驼刺—花花柴群落和骆驼刺群落的光合有效辐射（photosynt hestically active radiation，PAR）差异不明显（图9），且光合有效辐射的日平均值在观测期内波动很大，与天气条件的变化有密切关系。图10为晴天、阴天和沙尘暴天气的光合有效辐射的日变化情况。晴天，光合有效辐射呈标准的单峰曲线，当地正午达到最大值，约为1 800μmol/（m2·s），晚上为0。阴天和沙尘暴天气的光合有效辐射比晴天分别减少40%，60%，且日变化不稳定。姚济敏等［19］在额济纳旗查干毛道饲料基地的光合有效辐射研究中发现，沙尘暴、阴天、晴天光合有效辐射的日总量分别为4.09，12.4，21.4 MJ/m2，晴天最大，阴天次之，沙尘暴天气下最小。该研究结果与上述结果基本一致。

图9 策勒绿洲－沙漠过渡带日平均光合有效辐射变化

图10 策勒绿洲－沙漠过渡带光合有效辐射日变化

4 结论

（1）策勒绿洲—沙漠过渡带的植被防风效益显著，在观测期内，相比植被盖度3%的柽柳群落，柽柳—骆驼刺—花花柴群落（覆盖度27%）和骆驼刺群落（覆盖度67%）6个高度0.5，1，2，4，8，10 m 风速平均减小了32%，47%；近地表0.5 m风速减少最多，分别为57%，87%。植被的密度、高度、覆盖度等特征，都能影响植被与气流相互作用程度。本研究中3个植物群落风速差异产生的主导因素，显然是植被覆盖度。一般来说，随着植被覆盖度的增加，空气动力学粗糙度增大，风速降低程度越大。针对植被防风作用的研究很多，但多侧重于近地表几米以内，为了更好地阐明植被的防风机理，更好地评价植被的防风效应，以后的研究可以结合植被高度，确定合适的风速观测层数和高度；增加空气湍流特征的观测等。鉴于绿洲—沙漠过渡带植被重要的防风防沙作用，以及干旱区严峻的生态用水形势，研究植被覆盖度和风速降低率、土壤风蚀率的关系，确定合适的过渡带植被恢复和重建的覆盖度指标十分重要。

（2）策勒绿洲—沙漠过渡带植被具有降温增湿作用，相比植被盖度3%的柽柳群落，柽柳—骆驼刺—花花柴群落和骆驼刺群落2 m平均气温分别减少了0.32，1.02℃；2 m 平均相对湿度分别增加2.33%，7.67%。大气的热量主要来源于地表，地表通过辐射、湍流及对流运动和潜热输送等方式将热量传给边界层大气［17］。地表的植被遮挡了太阳辐射，使地表的温度降低，导致地表补充给大气的热量减少，气温相应降低；同时植被覆盖度增加导致的蒸腾作用加强，消耗大量热量，也会使气温降低。植被降低气温，降低了空气中的饱和水汽压；同时植物的蒸腾作用增加了空气中的水汽，因此空气相对湿度会随着植被覆盖度的增加而增大。

（3）由于策勒绿洲—沙漠过渡带柽柳群落、柽柳—骆驼刺—花花柴群落和骆驼刺群落距离近，植被高度较小，光合有效辐射基本没有受到植被的遮挡，所以3个群落的光合有效辐射差异不明显。阴天8月11日和沙尘暴8月9日天气光合有效辐射比晴天8月6日分别减少40%，60%，这主要是因为阴天日的云量和大气中的水汽含量较晴天多，吸收和反射的太阳辐射多；沙尘暴天气下，空气中颗粒物大量增加，使其对太阳辐射的吸收和散射作用明显增强，严重削弱了光合有效辐射的量值；比较来看沙尘暴对太阳辐射的削弱作用远远大于阴天日云和水汽的作用［20］。以策勒、和田为中心的塔南地区是塔里木盆地沙尘暴的高发区之一，沙尘暴天气对光合有效辐射的大幅削弱必然对当地植物的光合作用等生理活动产生重要影响，对此需要进一步研究，以更加全面地评价沙尘暴天气的影响。

致谢：本项研究的野外工作得到策勒站工作人员热杰夫，米亚子等的协助。论文初稿曾经靳正忠和桂东伟两位老师审阅，并提出了宝贵修改意见。特此致谢。

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