沙漠植被调节气温的生物学功能初步测定分析——以民勤沙区为例

赵建梅,王晓燕

(白银市林业和草原局 甘肃,白银 730900)

1 引言

气温异变,雨水减少和人类活动等原因导致沙漠化的土壤是对我们生存环境的重大威胁。围绕着沙漠化防治,世界各沙漠分布国家都进行了广泛的探索并做了大量卓有成效的工作。防沙治沙的措施可分为直接措施和间接措施[1],直接措施包括造林治沙、沙障压沙和封沙育草。间接措施一般是农业节日措施或向沙漠地区调水等。造林治沙也称生物措施,是目前最主要的治沙措施之一[2-3]。调节气候是森林的重要生态功能之一[4-6]。截至目前,国内外对沙漠植被(包括人工固沙林)的防风功能、阻固流沙功能[7-9]以及改变土壤理化性质功能[10]的研究有许多,而忽视了其调节气温的功能研究,国内外几乎没有关于沙漠植被对调节气温、平抑沙漠地区增温的研究报道,而这恰恰是沙漠植被最重要的生物学生态功能之一,是区别于沙障压沙等物理固沙措施的特有的生态功能。

植物通过对光能的吸收和消化来维持其生物功能。然而,已有的研究植物光合利用率或呼吸利用率的研究往往只测定单株植物的某时段的光合或呼吸强度[11-14],一方面并没有考虑单位面积植被全时段(如1年)的光利用率。另一方面,通过测定光合和呼吸不能获得植物消耗光能的全部量,因为还有无效蒸腾、损耗。植物材料的比热容远大于沙粒、砾石,因而还具有吸收热量等功能。此外,研究“大气—植物—土壤连续体”(SPAC)等方面[15-17]。然而,这方面的研究主要是针对农作物开展的,再者,该系统只研究水分从土壤到植物再到大气的运移规律,而并不考虑植物对太阳辐射的利用情况。

鉴于此,本文利用民勤沙区的植物样方调查资料,对沙漠植物调节气温的生态功能作为一初步估算分析,以资讨论。

2 研究区与研究方法

民勤县位于石羊河流域下游,县城的东、西和北部都被沙漠所环绕。整个县境内荒漠、盐碱滩和戈壁等荒漠化地区的总面积占据了土地总面积的90.34%,而森林覆盖率仅为17.91%。民勤县多年平均降水量113.24 mm,年平均降水日数仅为79.2 d,沙尘暴等极端恶劣日数为63.6 d,该区域是典型的大陆干旱性荒漠气候。

植被调查:民勤县天然植物群落主要有沙蒿、白刺等,人工固沙林主要是梭梭、沙枣等。本文选择白刺样方、沙蒿样方、麻黄样方和梭梭人工林样方及“白刺+梭梭”样方,3次重复,调查并测定植被盖度及投影盖度。本文中使用植株冠幅面积占样地面积的比例来测定盖度。盖度的测定方法是通过将植物地上冠幅的铅锤投影覆盖在样地上的面积,并计算其与所占样地面积的比值。

光照强度和沙面光反射率测定:太阳光照强度和沙面地被物的反射率采用SL-86LA照度计测定,不同地被物的测定高度相同。河西走廊各生态气候资料来源于国家气象信息中心,并对部分气象观测点的数据进行了索取与校对。下式为太阳辐射入射总量计算公式:

Pλ=Pα+Pβ+Pτ

(1)

其中,Pλ为到达地面太阳辐射入射总量,Pα为地被物反射量,Pβ为地被物吸收量,Pτ为地被物透射量。

地被物的反射率Pγ:

(2)

光利用率计算:调查、测定当地主要植物群落投影盖度,以已知的投影盖度100%植被的光利用率,换算当地主要植物群落的光利用率(3式),令Si为待计算植被的光利用率,S0为已知投影盖度100%时的光能利用率,Ci为植被投影盖度,则:

Si=S0·Ci

(3)

3 结果分析

3.1 太阳辐射

甘肃河西地区的日照时间厂,其中走廊地区的年均日照时数达到了3000.2 h/a,走廊中西部的日照时数,年平均太阳辐射超过了1700 kWh/m2,走廊西部玉门,日照时数高达3267.6h/a,太阳辐射高达1789.8 kWh/m2,民勤沙区日照时数高达3028.4 h/a,太阳辐射1634.1 kWh/m2。

沙尘暴是生态恶劣导致土壤沙漠化后由气压差导致风带动沙砾迁移的典型气候灾害的表现形式之一。沙漠地区沙面裸露,沙尘暴的动力是风,而风的动力源则是气压,气压的动力源又是太阳辐射。由于沙子的比热(0.9×103J(kg·℃))很小,约为水的比热(4.2×103J(kg·℃))的1/4.7。当太阳照射时,沙面的增温速率快,还会折射太阳辐射到空气,导致沙漠近地面的温度上升,空气开始膨胀并上升。与此同时,西伯利亚的高压冷空气向四周扩散,与沙漠地区的高温低压区形成气压差。气压差越大,那么风速越快,由此会吹起干燥、裸露的沙面的沙尘,引起大风沙尘暴。风速越大,沙尘暴强度就越大[18]。民勤沙区1993—2021年平均,年平均发生沙尘暴13.26次,其中4月份平均2.96次,3月份平均2.78次。

3.2 植被反射

民勤沙区的观测结果表明,裸露沙面的反射率最大,为13.8%,小麦田的反射率最小,为3.6%,不同沙面地被物的反射率排序结果是:裸露沙面>耕地>地膜>梭梭>白刺>毛条>麻黄>花棒>沙拐枣>柽枊>沙枣>小麦田。灌木对太阳辐射的平均反射率为9.2%,其中梭梭、白刺的反射率相对最高,均为10.9%,沙枣的反射率最低,为5.6%,柽枊的反射率次小,为7.8%(见表1)。

表1 沙面各个地被物的反射率

地被物日照强度(103 Lux)垂直反射(103 Lux)法线反射(103 Lux)平均反射率(%)沙丘部位重复数植被梭梭Halaxylon ammodendron130.413.314.01.9顶部、上部4毛条Caragana korshinskii120.811.113.01.6低平沙地4沙拐枣Calligonum mongolicum141.011.312.78.5中上部3白刺Nitraria tangutorum118.011.312.710.9白刺包3花棒Hedysarum scoparium124.09.712.09.1低平沙地3柽枊Tamarix ramosissima135.07.08.05.6低平沙地3沙枣Elaeagnus angustifolia135.07.08.05.6低平沙地3麻黄Ephedra przewalskii117.011.013.010.3低平沙地3裸露沙面130.516.119.27.8顶部、腰部6小麦138.05.05.03.6苗高15 cm3耕地78.010.011.013.5耕作地3地膜138.014.017.011.2耕作地3

进一步测定不同沙面地被物表面温度和上空气温,结果表明:

(1)同一时刻,梭梭、沙拐枣、花棒、柽枊、白刺5种植物的平均叶面温度为31.82℃,较裸露沙面温度(51.0℃)低19.18℃;较麦草沙障(41.7℃)低9.88℃;较干粘土(41.3℃)低9.48℃。

(2)同一时刻,距离这5种植物枝叶上空30 cm高度的平均气温为33.08℃,较裸露沙面上空30 cm高度气温(37.5℃)低4.42℃;较麦草沙障上空30 cm高度气温(33.8℃)低0.72℃;较干粘土上空30 cm高度气温(40.0℃)低6.92℃。

(3)同一时刻,距离这5种植物枝叶上空50cm高度的平均气温为33.46℃,较裸露沙面上空50 cm高度气温(36.6℃)低3.13℃;较麦草沙障上空50 cm高度气温(33.0℃)低-0.46℃;较干粘土上空50 cm高度气温(39.2℃)低5.74℃(见表2)。

表2 同一时刻沙面不同地被物的热效应

3.3 光能利用率

由公式(1)可见,太阳辐射的到达沙漠地表后,一部分被植物吸收,一部分被植被反射,另一部分经过植被空隙透射到沙面后被沙面吸收和反射。沙漠地区的植被数量少,且密度小,例如在民勤西沙窝绿洲边缘封育区,白刺、沙蒿、麻黄、梭梭林人工“梭梭+白刺”的植被投影盖度分别为6.11%、5.16%、5.26%、3.96%和6.30%;植被平均盖度和平均投影盖度分别为13.69%和5.36%。

由公式(2)计算得民勤沙区1 m2白刺的年光能利用率为0.066%,沙蒿的年光能利用率为0.055%,麻黄的年光能利用率为0.057%,梭梭的年光能利用率为0.043%,白刺+梭梭的年光能利用率为0.068%,这5种群落平均年光能利用率为0.058%。

4 讨论

前述已知,已有的研究植物光合利用率或呼吸利用率的研究往往只能测定单株植物的某时段的光合或呼吸强度[11-14],很难测定单位面积植被全年光的利用率。这可能就是限制沙漠植物生物学生态功能研究因素之一。沙漠植物的生物学生态功能可能表现在多个方面,本文只是对其调节气温、平抑沙漠气温剧变作了初步估算,以资探索和讨论。以往的荒漠植被的生态功能一般都只考虑防风、固沙阻沙功能,而忽视了沙漠植被调节气候/气温的功能,这是有别于沙障压沙等固沙措施的生物学功能。忽视了植物/植被的生物学生态功能,即意味把植物治沙等同于沙障等物理固沙措施,这显然是不正确的。然而,到目前为止,国内外缺少有关沙漠植物生物学生态功能的研究,这一理论上的空缺,影响了植物治沙和保护沙漠植被的实践活动。

我国的西北和内蒙古的中西部地区裸露的沙面积大,是我沙漠化较为严重的区域,而沙面热力不平衡是引起沙城暴的重要原因。当气温回暖时,沙面会反射太阳辐射,导致空气温度上升,进而引起热空气上升,气压下降,由此在春季与西伯利亚的冷空气形成一定的气压差。当气压差增大,就会增加风速。裸露的沙面受到强风的吹袭,就会引起风沙流或沙尘暴[18]。风沙流、沙尘暴的物质来源于裸露的、干燥的沙尘,而沙尘暴主要由风吹形成,而风的形成主要是因为空气热力不均衡所致,而沙漠植被一般很稀疏,调节气温、平抑沙漠春季气温剧增的作用较小[18]。沙漠地区气温变化很大,因而,稀疏的沙漠植物对平抑沙漠地区气温变化,尤其是春季增温是有重要意义的。

为了防风固沙和治理沙尘暴,造林和保护荒漠植被是最有效的措施之一。同时,水是干旱区和半干旱区荒漠生态系统中的主导因子之一[2]。因此,节约用水和科学用水是建设和保护荒漠植被的根本措施。

5 结论

沙漠植物具有生物环境交互能力能够有效调节气温和阻尼气温剧变,尤其是对减缓西北地区每年春季的沙尘暴具有沙障等物理固沙措施不可替代的生物学生态功能。森林地区空气湿度相对较大,气候相对稳定。但沙漠化地区的空气中含水量较少,导致空气温度变化较为强烈。民勤绿洲边缘单位面积沙漠植被太阳辐射利用率虽然仅为5.8%,但其对调节当地沙漠具有不可忽视的重要意义。本文只是对其进行了初步的探索性研究,还需要进一步深入研究和实践。