光热资源对六盘山自然保护区生物量的影响

常耀军+王桂芳+刘博+贾永辉

摘要 本文研究了六盘山自然保护区内的光热气候资源特征以及相对应的森林草原植被分布。结果表明：在保护区内特定的气候条件下，形成了由湿润植物群落和半干旱植物群落等各种植被类型所组成的地带群落交错区，包括温带落叶阔叶林、针阔叶混交林、山地灌木草原、山地草甸草原、亚高山草甸。而形成这种具有立体空间多元组合的生物群落的主导因子是光和热，光热条件受群落个体所处的区位、地形、地势、拔海高度、坡向、云雾、风能等综合因素影响而存在差异，生物吸收的光热差异又导致其产生的生物量不同，因而有效利用光热资源、做好保护区内林牧业发展建设是充分利用自然资源的主要措施。

关键词 光热资源；生物量；影响；评价；开发利用；六盘山自然保护区

中图分类号 S162.3 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）06-0222-04

Effects of Light and Heat Resources on Biomass of Liupan Mountain Nature Reserve

CHANG Yao-jun 1 WANG Gui-fang 1 * LIU Bo 1 JIA Yong-hui 2

（1 Guyuan Meteorological Bureau in Ningxia Hui Autonomous Region，Guyuan Ningxia 756000； 2 Liupanshan Weather Station）

Abstract In this paper，the characteristics of light and heat climate resources of Liupan Mountain Nature Reserve were studied，and corresponding forest steppe vegetation were also conducted. The results showed that under particular climate conditions，ecotone zone feature was formed，which was consisted of various vegetation types of moist plant communities and semi-arid plant community.There were temperate broad-leaved forest and coniferous and broad-leaved mixed forest，mountainous shrub steppe and mountain meadow steppe，and subalpine meadow.The dominant factors of biological community，is light and heat.Being comprehensively affected by location，terrain，topography，altitude，slope direction，clouds，wind and other factors of community individual，light and heat were different.Differences were the photothermal differences of the biological absorption led to the differences of biomass.Therefore，the effective use of light and heat resources，development and construction of animal husbandry in forest reserve are the main measures to make full use of natural resources.

Key words light and heat resources；biomass；effect；evaluation；development and utiliztion；Liupan Mountain Nature Reserve

1 六盘山自然保护区概况

1.1 地理位置及面积

六盘山自然保护区位于西安、银川、兰州所形成的三角中心地带，横跨宁夏泾源、隆德、原州区两县一区，总面积6.78万hm2 [1]。主峰米缸山海拔2 942 m，森林覆盖率达80%以上，年平均气温5.8 ℃，年降水量676 mm，年平均相对湿度60%～70%，是西北重要的水源涵养林基地。

1.2 自然资源

保护区内有植物资源788種。植被类型既有水平地带性的森林、草原，又有山地植被垂直带谱中出现的低山草甸草原、阔叶混交林、针阔混交林、阔叶矮林等组成的垂直植被景观。主要树种有山杨、桦、辽东栎、混生椴、槭、山柳、华山松等，林下多箭竹、川榛及多种灌木，发育山地灰褐土。在林带以下和2 200 m以下阳坡为草甸草原和干草原；2 200 m以上阳坡和2 600 m以上阴坡为杂类草草甸，发育山地为草甸土，是大牲畜良好牧场。野生生物资源丰富，仅药用植物即有600余种，党参、黄芪、贝母、桃儿七等药材畅销全国。属国家一类保护的动物有金钱豹，二类保护的动物有林麝、红腹锦鸡、勺鸡和金雕等。脊椎动物约有200种，其中兽类有金钱豹、林麝等38种；鸟类有金雕、红腹锦鸡等147种。昆虫资源17目123科905种，其中有珍贵稀有的金蝠蛾、丝粉蝶、黑凤蝶、波纹水蜡蛾等[2]。

1.3 历史文化

元代时，一代天骄成吉思汗把军事大本营设在六盘山，其子孙蒙哥汗、忽必烈灭南宋、灭大理、征叶蕃多是以六盘山为大本营的。六盘山还是毛泽东率领中国工农红军翻越的最后一座大山，从此中国革命走上坦途。毛泽东留下了气壮山河的《清平乐·六盘山》。2006年12月六盘山国家森林公园被国家旅游局评为AAAA级生态旅游区。

2 六盘山自然保护区光热气候特征分析

2.1 气候特征

保护区内的日照适宜、降水充足、温度偏低。年太阳总辐射519.05～548.35 kJ/cm2，生理辐射255.33～272.08 kJ/cm2 [3]，年日照时数2 100～2 400 h，年日照百分率48%～55%。年平均温度1.0～5.8 ℃，最热月（7月）月平均温度11.6～17.4 ℃，最冷月（1月）平均温度为-11.3～-7.0 ℃，年较差为22.1～25.4 ℃。≥0 ℃持续日数为184～228 d，其积温1 499.7～2 671.2 ℃·d。无霜期短，平均为104～146 d。年平均降水量553.3～676.9 mm[3]，年平均干燥度<1.5，属森林草原气候区。全年蒸发量1 214.3～1 426.5 mm，保护区内的水分条件较好，植物安全生长季较短。

2.2 光影响因子

利用本区及附近气象站的地面日射资料，用气候学原理建立经验公式，计算出太阳总辐射（Q0）、生理辐射（D）。

2.2.1 总辐射。

（1）总辐射的时间分布。入春以来，总辐射开始逐渐增加，6月最高，达62.79 kJ/cm2左右，以后逐渐减少，最低值出现在12月，仅有29.3 kJ/cm2左右。春季多于秋季，5—7月总辐射最多。这时正值林木生长旺盛时间，有利于光合作用，对林木生长有利。

（2）总辐射的地理分布。高山顶部，由于照射时间长，所以总辐射比山麓地带一般要多。保护区内的总辐射在全自治区内是最少的，但因热量条件的限制，光能资源的有效性发挥不足，光合作用的潜力受到一定影响。

2.2.2 生理辐射。根据公式D=0.43S+0.57b计算六盘山地区各气象站各月、年平均生理辐射（表1）。

（1）生理辐射的时空分布。由六盘山地区各气象站月、年平均生理辐射值可知，六盘山日生理辐射在255.34～272.08 kJ/cm2，其地理分布与总辐射的分布一致。高山最多，隆德最少。4—8月一般在25.12 kJ/cm2以上，9—10月为16.74 kJ/cm2左右。全年以6月最多，达30.56 kJ/cm2以上；12月最少，不足14.65 kJ/cm2。

（2）六盘山地区各界限温度的总辐射、生理辐射（日平均气温稳定通过各界限温度的最长持续时期内的总辐射、生理辐射）。≥0 ℃的稳定通过时期代表生长季，各地年生理辐射在325.66 kJ/cm2以上，占全年的70%左右。但在高山顶则不足60%。≥10 ℃的稳定通过时期代表活跃生长季，山麓全年生理辐射在108.83 kJ/cm2以上，占全年的41%～44%。高山顶部则低于41.86 kJ/cm2，只占全年的13%。以隆德站代表西坡，泾源站代表东坡，5—6月东坡多于西坡；而8—9月由于东坡阴雨多，所以东坡少于西坡。分析各界限温度持续时期内的生理辐射发现，由于山地海拔升高，温度随高度升高而降低，某一界限温度的持续日数相对缩短，可供植物生长的生理辐射能也随之减少。同时，由于温度低，光合作用减慢，光能利用率相对减少，所以应选用耐寒树种，以延长生长季，提高光合效率，以利用较多的光能资源。

2.2.3 坡地辐射。六盘山保护区包括东、西两侧，其地势地形复杂，山地坡度有缓有陡，各种坡度及各坡向上的太阳辐射有较大差异。因此，除应了解水平面上的辐射量外，还应知道不同坡度与不同坡向上的光辐射状态，这对利用山区光能资源有重要意义。

（1）坡地辐射计算。坡地直接辐射总量计算公式[3]：

Qβα=Wβα /W×SQ（1）

式（1）中：Qβα是坡地直达辐射量，Wβα是坡地上空的天文辐射量，W是水平面上的天文辐射，SQ是水平面上的太陽直接辐射， β代表坡向的方位角，α代表坡度。

坡地上的散射辐射为：

qβα=q×cos2（a/2）（2）

式（2）中：qβα为坡地散射辐射量；q为水平面的散射辐射量；a为坡度。

坡地上的生理散射仍用叶氏公式计算：

Qβα=0.43 Qβα+0.57 qβα（3）

从以上各项辐射量计算结果（以泾源县的气象站辐射资料为例）看到，在山地坡度小的情况下，辐射量变化不大，坡度增加，辐射量减少，同时看到各坡向的辐射量各不相同，以坡度30°为例：南坡年生理辐射达246.63 kJ/cm2，而北坡只有174.72 kJ/cm2，是水平面上的67.3%。单从辐射量角度来讲，南坡优于北坡。因此，南坡适宜阳性树种，北坡以种植中性或阴性树种为宜。

2.3 日照

日照时数，即太阳照射到地面上的时间，日照时数的多少受天空云量、阴雨和地形的影响。衡量某地的日照量，常用日照时数（太阳实际照射的时间）和日照百分率（实际照射到地面的时数和可以照射的时数的百分比）表示。日照时数的多少直接影响太阳辐射量的多少。

2.3.1 日照的地理分布。从表2可以看到，六盘山地区日照时数的分布和总辐射的分布相似，仍以高山上最多，山下较少。这是由于山下测站受地形影响所致，早、晚各有一段时间太阳光被高山阻挡。如泾源站西面的六盘山的仰角在8°以上（泾源气象站资料），每天下午约有5%的时间终年被高山阻挡而无日照。在六盘山的东南两侧坡地上的日照时间在上半年差异不大；而在7—9月，东坡由于受东南季风所带来的水汽影响，水汽遇山地受阻而抬升致云，阴雨天气较多，因而东坡日照少于西坡。

2.3.2 日照的季节分布。日照时数的季节分配，以夏季最多（641.2～687.7 h），秋季最少（492.9～539.1 h）；最少月在9月（140.9～157.2 h），最多时期在5—6月。各地月平均日照时数在212～237 h之间。

日照百分率以冬季最多（58%～67%），秋季最少（只有44%～48%）。最多月在12月，达61%～69%；最少月在9月，只有38%～43%。

各界限温度最大持续时期内日照时数及日照百分率见表2。可以看出，≥0 ℃时期内的时数为1 240～1 420 h，占全年时数的51%～64%；≥1 ℃时期的日照时数在280～840 h之间，占全年的12%～38%；而六盘山≥10 ℃时期的日照时数只有287.6 h左右，占全年的11.80%。由此可见，六盘山区的活跃生长期极为短暂，可以利用的日照时数也是短少的。

2.4 气温

2.4.1 气温的地理分布。保护区位于六盘山主峰附近，其南北境占有0.5个纬度，其气温的地理分布在纬度上的差异不明显，而海拔高度、地势、地形和坡向等对气温分布的影响则较为突出。由于区内地形复杂，温度差异悬殊，加之测站稀少，所以区内各地气温是根据气候学原理，用附近气象站的资料，经过高度和地理环境的订正而推算出来的。

（1）年平均气温的地理分布。从订正而推算出来的资料可知，保护区内年平均气温在0.6～6.0 ℃之间，随着山地海拔升高而降低。在同一海拔高度上，西坡高于东坡。

（2）最热（冷）月平均气温的地理分布。1月平均气温，由于太阳辐射增温较弱，故地理差异较小，在-11.0～-7.0 ℃之间。在2 600 m以下的森林带中，月平均温度在-10 ℃以上。冬季冷空气由西边越过山岭后，产生气流下沉而增温，促使东坡温度高于西坡。7月平均温度，由于太阳辐射增温较强，故地理差异较1月大，在11.0～18.0 ℃之间[4]，在2 600 m以下的森林带中，月平均温度在13.0 ℃以上。夏季受东南季风影响所带来的暖湿气流被六盘山阻挡在迎风坡上形成地形雨，东坡多出现阴雨天气，温度相应降低；而背风面的西坡则多晴天，气温相对较高，所以西坡气温略高于东坡。

（3）气温的垂直分布。保护区内山脉南北横亘，从经源县惠台乡的树台到米缸山脊顶峰，其间水平距离4.2 km，高差达900 m，其间的气温则随山地海拔高度的迁升而依次下降，于是气温随之出现了垂直分布。以六盘山气象站为基准点，求得保护区附近各气象站的气温垂直递减率。从中可以看出，保护区内气温垂直递减率具有夏季大、冬季小的特征。其中，以5月和6月最大，在0.6 ℃/100 m以上；12月和1月最小，在0.4 ℃/100 m以下。在山谷间，容易形成逆温，导致河谷地区的气温更加寒冷，而山顶接近自然大气，气温不太寒冷。夏季太阳辐射强，同时山地气温梯度增大，冷暖空气分布不均匀，容易产生强烈对流，在遇到北方冷空气南下时，被山地阻挡，往往形成雹云、雷阵雨，因而经常发生雹灾。

2.4.2 气温的时间变化。

（1）气温的年变化与年较差。保护区地处内陆大陆性气候区，四季与昼夜的气温变化都很大，春季回暖快而不稳定，夏季短而凉爽，秋季降温早而快，冬季长而寒冷，但无严寒。六盘山及临近各气象站的逐月平均气温见表3。可以看出，各地最热月都出现在7月，最冷月出现在1月。保护区内气温年较差在22.1～25.4 ℃之间，比银川平原要小得多，说明区内寒暑变化不剧烈。

（2）气温的年际变化与月际变化。当地气温的年际变化是反映该地区气温年际间变化是否稳定的标准，以标准差作为衡量气温的年际变化值。六盘山气象站在海拔2 840 m的高山顶上，与大气环流规律基本一致。从11月至翌年3月，冷暖空气活动历年不一，各月年际变化大，标准差≥1.30 ℃，最大值出现在2月，达2.24 ℃。

在夏季各月，气温年际变化小，其标准差≤0.60 ℃。六盘山东西两侧年际变化均不如高山顶大。六盘山东侧以泾源站为例，最小标准差在9月，此时气流较稳定，冷空气活动较小，同时降水多、湿度大、热容量大、气温变化缓慢。

气温的月际变化是表示一地气温升高或降低的幅度及快慢，用本月平均气温减去上月平均气温之差即为气温月际变化量。此外，也可用温度相对变化率表示气温月际变化。从资料表明，12月至翌年2月，温度变量小，为持续低温；3—5月溫度上升快，为升温时期；6—8月为温度变化小的时期；9—11月降温快，是降温时期。3—4月升温最快，隆德回暖早，在2—3月已达到6.2 ℃；山顶及泾源要到3—4月升温才增快。9—11月降温较快，每月均在5.0 ℃以上；以10—11月降温最快，各地均 >6.0 ℃；隆德降温幅度最大，达7.1 ℃。

按张宝堃教授的全国气候四季划分标准，保护区属长冬无夏、春秋相连，这显然不符合农业生产实际的农事季节活动状况。除六盘山高山地带无明显夏季特征外，大部分地区仍有四季物候的相应变化。按照物候来划分四季，能较好地满足农业生产活动的需要。

2.5 积温

为满足不同需要，积温通常统计0、5、10、15 ℃等界限温度的初、终日期及其持续日数。

≥0 ℃积温的初日正是牧草返青、桃杏树芽萌动、土壤表层解冻、植树造林开始期，终日为树木落叶已尽、秋季造林结束期；≥5.0 ℃积温时期是林木主要生长期；≥10.0 ℃积温时期是林木安全生长季，此时无冻害发生，生长速度快；≥15.0 ℃积温时期是林木生长旺季，生长速度最快。从积温资料分析，保护区内各地各界限温度的积温都有与月平均气温相同的特点，其地理分布为西坡多于东坡，阳坡多于阴坡；并随山地海拔升高而递减，海拔愈高，其积温与日数愈少。≥0 ℃积温在1 400～2 800 ℃·d之间，持续日数在180～225 d之间，海拔每升高100 m，递减130～160 ℃·d，日数递减4～6 d；≥5 ℃的积温1 200～2 400 ℃·d，持续日数120～180 d，每升高100 m递减积温120～170 ℃·d，日数递减7～8 d；≥10 ℃积温400～1 800 ℃·d，持续日数39～120 d，每升高100 m，递减积温130～200 ℃·d°，日数递减8～12 d；≥15 ℃积温多在700 ℃·d以下，持续日数5～12 d，每升高100 m递减积温166～220 ℃·d。至海拔2 600 m的高处，≥10 ℃积温有500～800 ℃·d，日数只有40～90 d；≥15 ℃积温，至2 600 m的中山区，只有186 ℃·d，日数也只有12 d。2 600 m以上的山地，已无 ≥15 ℃的积温。每100 m递减积温120～230 ℃·d，日数10～12 d。

根据以上分析，保护区内热量条件并不充裕，因而只适宜发展北方耐寒树种。由于积温随海拔高度迅速递减，所以也形成适宜不同高度的树种，如低山区的白桦、中山区的红桦、高山区的糙皮桦以及海拔2 800 m以上山顶出现高山草甸等分布规律，都与气温的垂直分布变化相适应。

2.6 阴、阳坡与林地、非林地的气候差异

保护区内阴、阳坡植被差异很明显，阴坡主要是乔木林，阳坡以灌木和草原为主。北部更为明显，这种差异主要是因为太阳照射时间长短不同而导致南北坡地所接受热量不同所致。

各种坡向、坡度的太阳辐射差异前面已详细分析。从中可知，南坡与北坡差异甚大，以坡度40°为例，北坡只有南坡的57%。无林地南坡与北坡的温度差异见表4。可以看出，无林地南、北坡的温度差异，南坡比北坡高，午后及夜间温度差异不大，子夜几乎相等。白昼南坡比北坡高0.7 ℃，日平均高0.2 ℃。南坡蒸发量大，土壤干燥影响植被类型。

在同一坡面上有林与无林的温度也有明显差异。以阳坡为例（表5），同一坡地，植被不同，温度也有差异。子夜裸露地因辐射冷却影响而很快降温。有林地的温度比裸露地高0.4 ℃。中午林冠阻挡太阳直接辐射，林地比裸露地低0.7 ℃。相对温度，林内与林外比较，不论南坡或北坡，林内相对湿度比裸露地都高4%～5%。

比较分析南坡与北坡的有林地、非林地上的蒸发量，若以南坡无林地的蒸发量为100%，而林内地蒸发量只有48%，1/2以上水分供应了林木光合作用；在无林地的北坡只有南坡的57%，有林地为33%。说明北坡植被较好，蒸发量都较小。南坡地蒸发量较大，土壤水分散失快，植被也较差。由此形成半干旱地区山地南北坡不同类型的植物群落。

3 光热气候资源评价

保护区内资源丰富多样，现仅就林木生长过程中对光能的利用率作如下评价。

光能资源生产潜力的估算：保护区内的生产潜力拟用林木干物质积累过程中对光能的利用率来估算其生产潜力，其生产潜力公式如下：

y=K×E×Q（4）

式（4）中：y—计算植物生物量（kg/hm2），K（常数）=666.7×104×15÷（4.25×500）=47 059，E—光能利用率，Q—生理辐射。

根据有关资料得知：针叶林的叶、干比平均系数分别为干0.35～0.37、皮0.09～0.11、枝0.03～0.05、叶0.03～0.36、地下部分0.15～2.00。林木的光能利用率一般为1%～2%，最高可达5%。林冠吸收太阳辐射为60%～80%。一般情况下，软质木材密度为400 kg/m3，硬质木材密度为800 kg/m3，中等木材密度为600 kg/m3。

根据上述资料，光能利用率为1%，以树木生物量的0.35计算木材生长量，计算平地全年光合生产潜力，见表6。可以看出，六盘山区的林木生产潜力是很大的。但保护区内林木生长季较短，林木能充分进行光合作用的生长季只有5—10月。

根据上述资料，已知林木的生物量与木材量的比为0.35，计算吸光率为70%，光能利用率为2%，以平地上的林木生产的中等木材计算，每年可生产木材6.9 m3/hm2。如在北坡30°地块，可生产木材5.2 m3/hm2。从上面所分析的情况看，保护区内木材生长量较丰富。如再从改造林相、提高光效力着手提高光吸收率和光能利用率，对林木生长有很大经济意义。

4 气候资源分析及开发利用

保护区内的光能资源就其总量看是比较丰富的，但冬季较长，日平均气温<0 ℃的连续最长日数达140 d左右。有30%～40%的太阳辐射在这期间不能被植物光合作用充分利用，影响光能资源的有效利用。热量资源存在温度低的特点。日平均气温≥0 ℃的积温只有1 300～2 600 ℃·d，持续日数有178～228 d，限制喜温树种生长。水分资源较丰富，但分配不匀，有冬干、春夏旱、秋雨多的特点。秋雨占全年降水量的60%左右，往往造成秋涝，导致农作物减产。

根据保护区内的气候特征以及相对应的森林草原植被来看，发展林牧业是充分利用自然资源的主要方向。保护区在特定的气候条件下，形成了由湿润植物群落和半干旱植物群落等各种植被类型组成的地带群落交错区，包括温带落叶阔叶林、针阔叶混交林、山地灌木草原、山地草甸草原、亚高山草甸，素有黄土高原“绿岛”之称[5]。认真保护并发展“绿岛”中的植被，对调节气候、稳定河流水量、改善生态环境、减轻以至避免灾害性气候等都具有重要意义。

5 结语

六盘山自然保护区内丰富的自然资源是附近地区所罕见的，为了充分利用保护区的气候资源，发挥自然资源的生态效益、经济效益和社会效益，应积极开展科学研究，对山区不同高度和不同坡向开展气象和物候观测，以取得较详细资料进行科学分析，按自然规律把六盘山保护区建设成为生态功能强、水源效益高的林业等多学科的科研、教育场所。

6 参考文献

[1] 武国柱，席建超，刘浩龙，等.六盘山自然保护区不同类型植被对人类旅游干扰的响应[J].资源科学，2008（8）：1169-1175.

[2] 牛艳丽，吴宏林.六盘山新增500多种野生植物和昆虫[EB/OL].（2009-07-30）[2016-10-24].http：//www.nxep.gov.cn/info/1045/12676.htm.

[3] 董永祥，周仲显.宁夏气象候与农业[M].银川：宁夏人民出版社，1986.

[4] 杜鑫，赵鹏祥，陈海波，等.六盘山自然保护区38年来植被覆盖与气候变化关系分析[J].安徽农业科学，2011，39（41）：6558-6561.

[5] 苏占胜，王连喜.宁夏气候变化特征分析[J].陜西气象，2002（3）：1-4.