极端干旱区夏季不同土地类型的小气候特征差异研究

2013-09-14闫人华熊黑钢夏英辉

水土保持研究 2013年4期

闫人华，熊黑钢，张芳，夏英辉

（1.新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐830046；2.中国科学院南京地理与湖泊研究所，南京210008；3.新疆大学绿洲生态教育部重点实验室，乌鲁木齐830046；4.北京联合大学应用文理学院，北京100083）

由下垫面的某些局部特征形成的小气候不仅是生物生长发育最重要的环境因子［1］，而且也直接影响着人类的生产、生活活动，因为大多动物和植物，都是在贴近地面和土壤上层的小范围气候中生长和繁殖的［2－3］。因此，小气候的研究成为生态学、地理学、大气科学关注的重要研究领域。长期以来，国内外许多学者对农田［4］、湿地［5］、草地［6］、森林［7－9］等不同土地类型（下垫面）的微气候特征进行了大量的研究，深化了对这些地区的小气候特征及其变化规律的认识。近年来，西北干旱区的沙漠［10－11］、戈壁［12］、绿洲［13－17］等单一下垫面的小气候也日益受到人们的关注。目前，在极端干旱区对不同下垫面小气候差异的对比研究并不多见，尤其是气象气候因素同时、同步的固定观测试验更少。然而只有同时、同步气候数据的获取，才能保证观测数据有较高的可比性和关联性，以揭示不同土地类型（下垫面）之间的差别和相互作用，从而有利于提高干旱区大气环境和气候数值模拟的精度。

新疆于田绿洲属典型的极端干旱区，因人类不合理地开发利用水土资源以及自然因素的影响，导致绿洲在不断的扩展中，荒漠植被种类、数量的减少，交错带宽度变窄、沙漠扩大，生态环境恶化。恢复退化的生态系统，充分利用和保护好其各类资源，促进生态环境向良性转化是急需解决的关键问题。本文对极端干旱区具有代表性的5种不同土地利用类型（下垫面）同时进行小气候因子观测，对比分析不同性质下垫面的小气候特征差异，以期为治理荒漠，改善绿洲生态环境提供科学依据。

1 研究区概况

新疆于田县位于塔里木盆地南缘，介于81°09′—82°51′E，35°14′—39°29′N，南为雄伟的昆仑山，北临浩瀚的塔克拉玛干大沙漠，东邻民丰县，西接策勒县，北面穿越塔克拉玛干沙漠与阿克苏地区沙雅县接壤，南面与西藏自治区改则县、日吐县相连。南北长约466 k m，东西宽30～120 k m。全年热量丰富、日照充足、光热资源充沛、降水稀少、蒸发量大。年平均气温11.6℃，＞10℃积温4 208.1℃，7月平均气温24.7～26.2℃，1月平均气温－5.6～－9.2℃，气温年较差30.5℃，日较差12.8℃。多年平均降水量47.7 mm，北部沙漠地带降水量仅为12 mm，多年平均蒸发量2 423.1 mm，属于典型的暖温带大陆干旱荒漠气候，并具有典型的绿洲、绿洲—沙漠交错带、戈壁、沙漠等不同下垫面。

2 研究方法

2.1 样地设置

从南部山区至北部的沙漠，选择戈壁—绿洲—交错带—沙漠等典型样地布置5个观测点（图1），其自然环境与植被情况见表1。为了更好地对绿洲内部进行差异性比较，在绿洲内部的玉米地、棉花地分别设立观测点。前者不仅植被覆盖度高，而且植物的植株高达200～300 c m，后者高度仅有40～60 c m。通过对比分析这5个下垫面上的小气候变化，探讨极端干旱区不同下垫面的差异性。

图1 观测点分布

表1 不同下垫面的地貌、植被与土壤特征

2.2 数据采集

于2000年9月5—12日，利用HOBO观测仪对5个样地的气温、相对湿度、风速、蒸发、地温等小气候因子进行同步观测。其中，气温、相对湿度、风速探头分为5个高度（0，50，100，150，200 c m）观测；地温分0 c m（地表），5，10，15，20，40 c m 六层布设。每天的观测时间为6：00—22：00，每隔2 h进行一次数据采集。蒸发选用小型蒸发皿，早、晚8：00各观测一次。利用SPSS统计分析软件、DPS数据处理系统对野外所采集的数据进行整理和分析。

3 结果与分析

3.1 不同下垫面的气温特征比较

3.1.1 日平均气温不同下垫面之间的日平均气温存在明显的差异（图2），表现为玉米地＜棉花地＜戈壁＜交错带＜沙漠。绿洲植被众多，能吸收大量的太阳辐射能量进行光合作用，并且较高的植被覆盖遮挡阳光，对太阳辐射有很强的反射、散射作用，也不利于大气对地表的长波辐射，因此，绿洲区近地表的气温较低，而且覆盖度较高的玉米地温度低于覆盖度低的棉花地，是棉花地的98%。与此相反，沙漠下垫面的砂质地表吸收太阳辐射的能力很强，使得地表温度迅速升高释放大量的辐射能量到地表空气中，致使沙漠区的气温较高，达到21.78℃，是棉花地的1.20倍。性质上介于沙漠与绿洲之间的交错带具有过渡性，导致其气温高于绿洲下垫面而低于沙漠下垫面。由于被测的戈壁地区位于山麓处，海拔较高，温度低于交错带，是交错带的97%。

图2 不同下垫面日平均气温比较

3.1.2 气温逐日变化幅度通过对各下垫面的气温逐日变化曲线添加趋势线，计算出变化率，结果（表2）显示，各下垫面气温变化斜率绝对值为：沙漠＞交错带＞戈壁＞棉花地＞玉米地。绿洲内部的玉米地变化率绝对值最小，说明该地区气温逐日变化幅度最小，仅为0.45，从而营造出了适宜动、植物生存生长的稳定温度环境。沙漠的气温逐日变化幅度最大，达到1.02，是玉米地的2.27倍，大部分生物难以适应这样剧变的气温，因此不利于有机生命的活动。这些差异主要是由于地表物质的比热差异以及植被覆盖度的不同引起的。

表2 不同下垫面气温逐日变化趋势分布

3.1.3 气温垂直变化特征沙漠、戈壁、交错带、棉花地、玉米地5个下垫面气温的垂直变化特征是：变化趋势相似，变化幅度不同（图3）。在变化趋势上，沙漠、戈壁、交错带及棉花地气温都随着高度的上升而降低，并且均在0～50 c m之间变化很大，往上缓慢降低。因为地面的长波辐射是近地表空气热量的主要来源，上层空气离地面越远，接收到的长波辐射能量越少，气温也就越低。在变化幅度方面，下垫面的植被覆盖度越大，变化幅度越小。沙漠、戈壁、交错带由于下垫面光秃单一，变化幅度分别达到2.62，3.41，2.78℃；玉米地（株高200～300 c m）不仅变化幅度小，而且越向上气温越高，150，200 c m高度的温度分别比地表温度高0.07，0.03℃，主要是因为下部玉米枝叶稠密，对太阳辐射遮挡作用强，而到顶部稀疏，接收热量多，温度高于地表。棉花地植被覆盖度虽然很高，但因其植株矮小，地表温度仍然高于上部。

图3 不同下垫面各层平均气温垂直变化

3.2 不同下垫面的相对湿度特征比较

3.2.1 日平均相对湿度玉米地、棉花地、交错带、戈壁及沙漠的日平均相对湿度差异明显，呈现出植被覆盖度越大，相对湿度越大的趋势（图4）。玉米地分别为后四者的1.05倍、1.36倍、1.85倍、1.57倍。玉米地、棉花地下垫面与其他三者的差别在于一方面它们受到了人类灌溉、耕作等活动的影响，地表具有较多的水分，且土壤结构较好，保水、涵水能力强；另一方面，绿洲植被众多，滞水、持水能力强，且植物蒸腾旺盛，造成其相对湿度最高。具有过渡性质的交错带虽然植被覆盖少，但由于靠近绿洲，相对湿度也较高。而在沙漠和戈壁区，其裸露的砂砾质地表涵水能力差，水分容易流失，导致地表及浅层土壤水分稀少，相对湿度较低，其中沙漠地区由于地下水位相对较浅，其湿度为戈壁的1.17倍。对比图1和图4可知，日平均气温和湿度呈负相关，经计算，相关系数达－0.869，相关性水平显著。

3.2.2 相对湿度逐日变化幅度在变化幅度方面，玉米地＞棉花地＞交错带＞沙漠＞戈壁，总体表现出：其相对湿度基数越大，变化幅度则越大（表3）。玉米地、棉花地与交错带的变化率较大，而且较接近，分别为0.83，0.52，而戈壁、沙漠却与前三者截然不同，一直都保持在一个较低的水平上，分别是玉米地的49%，36%，这与戈壁、沙漠的水份稀缺、下垫面性质简单紧密相关。

图4 不同下垫面日平均相对湿度

表3 不同下垫面相对湿度逐日变化趋势分布

3.2.3 相对湿度垂直变化特征与植被覆盖度一致，下垫面各高度的相对湿度值均体现为玉米地最大，棉花地、交错带、沙漠依次减小，戈壁最小（图5）。在变化趋势上，表现为随着高度的增加，棉花地、玉米地的相对湿度逐渐减少，200 c m处相对湿度分别比地表减少了6.27%，8.43%。而沙漠、交错带则有所增加，200 c m处相对湿度比地表分别增加了3.52%，7.11%，并且它们与棉花地、玉米地的差距随高度的增加在减小，这可能与绿洲—荒漠环流的高度相关。

在变化幅度上，玉米地在0—100 c m范围内相对湿度变化甚微，因为玉米植株在这一高度范围内枝叶稠密，温度变化小，风速小，相对湿度变化小，超过100 c m处受到风等因素的影响，相对湿度有所降低。而棉花地由于棉花高度约为50 c m，在0—50 c m处变化较小。戈壁的相对湿度则随高度在27%～37%之间出现摇摆式变化，交错带则随高度有小幅度增加。

图5 不同下垫面各层日平均相对湿度变化

3.3 不同下垫面的气温与湿度相关性

虽然各下垫面的气温与湿度均呈现出负相关，但相关系数及显著水平却有较大差异（表4）。戈壁、沙漠的相关系数绝对值较小，显著性水平极低，分别仅为－0.29，－0.421。由于它们的土壤水分含量少，使得其蒸发量较小，空气水分奇缺，无论气温的增减，相对湿度的变化都不大，因此相关性不高。其中沙漠相对于戈壁而言，地下水埋藏浅，蒸发量相对较大，空气水分高，易受温度的影响，出现湿度的增减，因而相关性大于戈壁。玉米地、棉花地、交错带的的相关系数绝对值较大并依次递增，分别为－0.7，－0.722，－0.984，显著性水平也呈递增趋势。这三种下垫面地下水位埋深较浅，土壤水分都比较多。其中，交错带较其他两者植被稀疏，地表空旷，使得温度增减直接引起蒸发量的剧烈变化，从而造成其湿度与气温的相关性较高。而玉米地、棉花地由于植被覆盖度好，水分充足。当气增高时，由于植被的遮挡作用影响土壤蒸发和植被蒸腾的进行，使得实际水汽压对气温变化的响应有一定的滞后性，进而影响到湿度与气温的相关性，使其值小于交错带。

表4 不同下垫面气温与湿度相关系数及其显著性水平

3.4 不同下垫面的风速特征比较

3.4.1 日平均风速沙漠、戈壁、交错带风速相差小且远大于玉米地、棉花地，这五者的平均风速分别为2.18，1.71，1.42，0.34，0.46 m／s（图6）。这一结果与下垫面性质密切相关，绿洲由于其复杂的地表结构，较高的植被覆盖度和较高大的植株，使其对空气的摩擦作用较强，不利于近地面空气的运动，所以该下垫面的风速小于沙漠、戈壁与交错带下垫面，又因玉米地比棉花地植株高大，对风的阻碍更大，因此玉米地的风速小于棉花地26%。沙漠、戈壁地表开阔，利于空气的流动，风速分别是玉米地的6.41倍、5.02倍；而交错带虽然有植被，但是其数量少，分布稀疏并且植株矮小，对风的阻挡作用微弱，所以它与沙漠、戈壁下垫面的风速都较大，且三者相差不大。

图6 不同下垫面日平均风速

3.4.2 风速逐日变化幅度各下垫面变化斜率绝对值为：沙漠＞戈壁＞交错带＞棉花地＞玉米地（表5）。沙漠和戈壁由于地表单一光秃利于空气的流动，风速的变化只受不稳定的大气候环境的影响，因而变幅较大，达到0.19，0.08，分别比玉米地地区高出18.7%，8.1%。交错带植被分布稀疏，对风的阻挡作用微弱，变幅也较大，为0.037 2。绿洲由于其内部景观空间分布的复杂性，对风的影响较大，导致其变幅小，玉米地和棉花地变化幅度相似，棉花地仅比玉米地高0.25%。这些都说明了绿洲在为生物生存提供较为稳定的气流环境方面起了独特作用。3.4.3 风速垂直变化特征沙漠、戈壁、交错带及玉米地、棉花地下垫面在50～200 c m高度的日平均风速均是沙漠＞戈壁＞交错带＞棉花地＞玉米地，并且都随着高度的上升而逐渐增加，但变化幅度不同（图7）。其中，交错带变化最大，其风速增加值为0.57 m／s，沙漠、戈壁、棉花地次之，分别为0.50，0.35，0.31 m／s，玉米地增加最小，仅0.06 m／s。棉花地0—50 c m风速小于玉米地，这是由于棉花地在0—50 c m的稠密度要高于玉米地，大大削弱了地表空气运动。

表5 不同下垫面风速逐日变化趋势斜率分布

图7 不同下垫面风速垂直变化

五种下垫面在0—100 c m的高度上，风速增加幅度均较大，尤其以棉花地最为明显，其风速增加了222.51%，这是由于棉花地地表风速基数最小，而到50 c m高度后则超过了棉花的生长高度，阻挡作用迅速减弱，风速增加较快。交错带、戈壁和沙漠次之，增加百分比分别为166.78%，37.93%，31.39%，其原因是交错带和沙漠、戈壁植被覆盖较少，地表光秃单一，对空气摩擦力小，风速变幅较大；而在玉米地，其稠密的植被覆盖阻碍作用很强，十分不利于气流的运动，且100 c m范围内仍为玉米的主体高度，导致风速的变化幅度最小，仅增加了3.02%。

3.5 不同下垫面的地温特征比较

3.5.1 日平均地温沙漠、戈壁、交错带的日平均地温差距较小，均＜1℃，且它们远高于棉花地、玉米地的平均地温（图8），其中沙漠为26.2℃，分别是棉花地和玉米地的1.26倍、1.35倍。其原因一方面是，前三者特别是沙漠、戈壁地表主要是砂砾质物质，比热容小，吸收同样的热量，地温增幅较大；另一方面，这三者地面光秃，地表直接接收了太阳辐射，使地面迅速升温，并将能量向下传递，致使地温较高。而绿洲地表则与之相反。

图8 不同下垫面日平均地温

3.5.2 地温逐日变化幅度表6显示，各下垫面变化率绝对值为：玉米地＜棉花地＜交错带＜戈壁＜沙漠。绿洲地区远低于交错带、戈壁、沙漠，其中玉米地分别为后者的46%，37%，33%。绿洲地区一方面由于植被覆盖度较高，对太阳辐射有一定的反射、吸收作用，削弱了其对地表的直接影响，并对地面长波辐射有一定的阻挡作用，影响地表与外界能量的直接交换；另一方面，绿洲地表物质比热容较大，地温变化缓和，不易受外界突变大气环境的影响，因此玉米地、棉花地的变化率绝对值分别仅为0.256，0.354 9。而沙漠、戈壁由于地表光秃裸露，比热容较小，直接受外界不稳定大气环境的影响，地温易出现较大幅度变化。

表6 不同下垫面地温逐日变化趋势斜率分布

3.5.3 地温垂直变化特征在变化趋势上，五种下垫面地温的垂直分布均以地表的温度最高，而后随着土层深度的增加而降低（图9）。由于下层土壤的主要热源是地表，深度越大，所获得的能量越少，地温也就越低。在0—10 c m各下垫面地温变化幅度较大，戈壁、交错带、棉花地、玉米地、沙漠降低温度百分比分别为8.03%，4.63%，11.30%，13.31%，10.30%，而在10—40 c m各温度增减百分比仅为2.01%，0.77%，1.22%，3.81%，8.72%。主要是因为土壤到达一定深度后（10 c m），因受地表温度影响微弱，地温变化幅度减小，较稳定。

沙漠、戈壁与交错带地温相差小，变化趋势相近，而且都远大于棉花地、玉米地同深度层的温度，这与戈壁、交错带地表温度高，向下传递的热量多有直接关系。

图9 不同下垫面地温的垂直变化

3.6 不同下垫面的蒸发特征比较

3.6.1 日平均蒸发特征各下垫面的多日平均蒸发量为：沙漠＞交错带＞戈壁＞棉花地＞玉米地，其中蒸发量最大的沙漠是蒸发量最小的玉米地的5.5倍，差距较大（图10）。温度、风以及地表性质差异是影响蒸发的三大因素。沙漠、戈壁地表空旷，地表气温高，风速大，利于蒸发的进行。而绿洲植被覆盖度高，内部结构复杂，与其它三者相比，温度低，风速小，所以其蒸发量少。交错带植被覆盖较少，植株高度较低，其下垫面性质与沙漠、戈壁相似，所以蒸发也很强烈，比玉米地、棉花地分别多6.70，4.77 mm。

图10 不同下垫面的蒸发特征值

3.6.2 昼夜变化特征各下垫面的白天蒸发量远大于夜间蒸发量，戈壁、玉米地、棉花地、交错带、沙漠昼夜蒸发量比值分别为：2.74，5.28，12.28，4.59，2.30（图10）。夜间由于气温下降，各下垫面的蒸发都有所减弱，其中玉米地和棉花地下降率达到81%，91%，甚至蒸发量接近于0。而沙漠、戈壁、交错带由于其地表空旷，风速较大，蒸发量仍然较大。