科尔沁沙地人工小叶锦鸡儿群落小气候效应研究

贺山峰，邱兰兰，蒋德明，骆永明

（1.河南理工大学，河南 焦作454000；2.中国科学院 沈阳应用生态研究所，沈阳110016）

小气候是指由于下垫面的某些构造特征所引起的近地面大气层中和上层土壤中的小范围气候。小气候是生物生长发育最重要的环境因子，在一定程度上反映了生态系统功能和景观结构的微变化［1］。不同的植物群落形成了不同的小气候环境，而各异的小气候生境又构成了不同的生物群落［2］。一方面，植物各组织器官的生长发育、光合蒸腾等生理活动受到生境微气象因子的限制；另一方面，植被反映下垫面的局部特征，并通过辐射、蒸腾、屏障等作用，影响近地面的小气候特征，调节系统内部水、热等小气候环境，使系统产生热量和水量平衡的差异［3］。有研究指出，灌木的发育可降低林内风速，改变土壤和空气温度及表层土壤湿度条件，使得林内小气候得到很大改善，进而创造一个促进生物定居和生长的有利环境［4］。可见，群落小气候的形成是植被与环境综合作用的结果，是群落质量的综合反映，也是退化植被恢复和重建效果评价的一个重要指标［5］，要协调生物与环境之间的关系，离不开对小气候的研究［6－7］。

位于北方农牧交错带的科尔沁沙地是我国生态系统中的“环境脆弱带”。近些年，不少研究者对这一地区的植物群落结构、种群组成、人工生态系统建设等做 了 大 量 工 作［8－10］。 小 叶 锦 鸡 儿 （Car agana microp hyll a）是豆科具刺灌木，具有耐寒抗旱、耐贫瘠和耐高温等特点，因此被广泛用于科尔沁沙地植被恢复［11－17］。以往对小叶锦鸡儿的研究大多集中于固沙效应［11－12］、土壤环境和水分［13－15］、群 落稳定 性［16－17］等方面，而对其人工群落小气候效应研究却未见报道。本研究通过对风速、空气温度、空气相对湿度和地温等指标的观测，分析科尔沁沙地流动沙丘和不同恢复年限人工小叶锦鸡儿群落内小气候特征，旨在揭示建立人工植被对小气候的改善作用，探讨群落小气候因子与植被恢复重建过程的联系，为我国北方沙漠化地区植被生态恢复及其效果评价提供理论依据和实践参考。

1 研究区概况

研究区位于科尔沁沙地西部的乌兰敖都地区。该区属于典型的半干旱风沙性气候，气候干燥，年均气温5.8～6.4℃，年均降水量330～340 mm，年蒸发量达2 000～2 500 mm。风沙大且频繁，年均风速达4.5 m／s，八级以上大风日数为75.3 d。该区沙丘起伏，坨甸相间，形成了广阔的沙地景观，主要生境类型可分为流动和半流动沙丘、固定沙丘、沙沼地、丘间低地和石质残丘。土壤类型主要有风沙土、草甸土和盐碱土。其原生植被属于森林向草原的过渡类型，但已被破坏殆尽，目前植被表现出强烈的次生性，大部分已演变为沙生植被和草甸植被［18］。区系分布上为蒙古植物区系、华北植物区系和长白植物区系的交接地带，其中分布最广、种类最多的是蒙古植物区系植物。

2 材料与方法

2.1 样地设置

分别在流动沙丘和不同栽植年限的人工小叶锦鸡儿群落中选取样地，人工小叶锦鸡儿初植密度均为1 m×1 m，栽植年限分别为6 a和11 a。对各样地进行调查发现，随着恢复年限的增加，小叶锦鸡儿灌木林内物种种类逐渐丰富，数量逐渐增多，逐步形成了一个相对稳定的群落［19］。各样地基本情况详见表1。

表1 样地基本情况

2.2 研究方法

2.2.1 风速测定 选择春季大风日（日均风速≥8.0 m／s），使用“AVM-03型”风轮风速计同步观测各样地内不同高度（200，80，30 c m）的风速，每隔半分钟计数风速1次，每个高度观测30次。小叶锦鸡儿群落内的风速观测点均位于流动沙丘下风向，距流动沙丘边缘约50 m。

2.2.2 气温测定 选择夏季典型天气（天气晴朗，日均温≥25℃；下同），使用水银温度计同步观测各样地内不同高度（0，30 c m）的空气温度，观测时间分别为8：00，14：00和20：00，每个高度设置3组重复。

2.2.3 相对湿度测定 使用干湿球温度计（经阿斯曼干湿温度表校正）同步观测各样地内不同高度（0，30 c m）的空气相对湿度，观测时间分别为8：00，14：00和20：00，每个高度设置3组重复。

2.2.4 地温测定 使用曲管地温表同步观测各样地内不同土层深度（0，5，10 c m）的地温，观测时间分别为8：00，14：00和20：00，每个深度设置3组重复。

为避免降水对各个观测指标的影响，所有指标均在降水后5 d进行测定。应用SPSS 19.0软件对所得数据进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 风速变化

如图1所示，观测期间各样地内风速随高度的变化规律一致，即“流动沙丘风速＞6 a生小叶锦鸡儿群落风速＞11 a生小叶锦鸡儿群落风速”。图1清楚地反映出小叶锦鸡儿群落对近地表风速有很大的阻滞作用，并且随着高度的降低，小叶锦鸡儿群落对风速的阻滞作用越来越显著。这主要是由于人工植被的建立提高了地表粗糙度，当风经过林地时，风速受到树干、树枝叶的磨擦和阻拦会有所减小，同时大股气流演变成无数的大小不等、强度不一和方向紊乱的小股气流，这时气流的动能被消耗，风速也会随之减弱。在200，80，30 c m高度上，与流动沙丘相比，6 a生和11 a生小叶锦鸡儿灌木林内风速分别降低了17.9%，31.6%，71.9%和27.9%，39.7%，76.0%。由于11 a生小叶锦鸡儿密度、高度和冠幅较大，群落植被总盖度也较高，其阻风效果较6 a生小叶锦鸡儿群落更好。

图1 各样地风速变化

3.2 空气温度变化

流动沙丘和小叶锦鸡儿群落内气温的同期观测结果（表2）表明：小叶锦鸡儿灌木林内与流动沙丘气温的日变化趋势基本一致，但在各个时段、各个高度上灌木林内气温均显著低于流动沙丘。这可能是因为林冠层对太阳辐射的吸收和反射作用，使透射到林下的太阳辐射能大量减少，导致地面和近地层空气温度较低。白天，在0 c m和30 c m高度处的平均气温，流动沙丘比6 a生小叶锦鸡儿样地分别高出4.5℃和3.0℃，比11 a生小叶锦鸡儿样地分别高出5.9℃和3.9℃，说明在夏季，小叶锦鸡儿灌木林可有效地降低林内空气温度。

表2 各样地空气温度变化 ℃

3.3 空气相对湿度变化

空气湿度是小气候的综合体现。由于林木的屏障和摩擦作用降低了风速，使林内土表及植物蒸发蒸腾出来的水分能在近地面滞留较长时间，同时林内的气温又明显低于流动沙丘，使得空气相对湿度较高。由表3可见，三块样地内空气湿度的日变化规律是一致的，而且6 a生和11 a生小叶锦鸡儿群落样地的空气湿度在各个时段均明显高于流动沙丘，尤其以8：00和20：00更为明显。6 a生和11 a生小叶锦鸡儿群落内日平均空气湿度分别比流动沙丘高13.7%和21.2%。可见，植被的存在显著地提高了周围的空气相对湿度。A 24c 25c 20c 15b 29b 26c B 42b 43b 29b 26a 43a 38b

表3 各样地空气相对湿度变化 %

C 55a 51a 35a 29a 42a 54a注：对同一时间、高度，不同样地内空气相对湿度进行显著性检验，相同字母表示差异不显著，不同字母表示差异显著（P＜0.05）。

3.4 浅层土壤温度变化

从表4中可以看出，植被区浅层土壤温度状况与流动沙丘有显著区别。各个土层深度下小叶锦鸡儿林内土壤最高温度（14时）均明显低于流动沙丘，而最低温度（8：00）要略高于流动沙丘。总的来看，6 a生和11 a生小叶锦鸡儿灌木林内土壤温度日变幅要小于流动沙丘，温度变化更缓和，这对林内植物的定居和生长是非常有利的。植被对浅层土壤温度具有一定的调节功能，主要是由于人工植被建立后，大大增加了地表粗糙度，同时在植被的作用下，流沙逐步稳定并在表面形成一层灰色结皮，土壤容重与容积热容量也相应下降，直接影响到土壤的导热性能。

表4 各样地地温变化℃

4 结论

通过以上分析可以发现，由于流动沙丘与不同恢复年限的人工小叶锦鸡儿群落下垫面性质的差异，各样地内风速、空气温度、相对湿度和地温等小气候因子特征值存在着显著差异。总体来说：

（1）小叶锦鸡儿群落对近地表风速有很大的阻滞作用。在30 c m高度上，相比流动沙丘，6 a生和11 a生小叶锦鸡儿灌木林内的风速分别降低了71.86%和75.96%。

（2）进行人工植被恢复后，小叶锦鸡儿林内夏季白天平均温度明显低于流动沙丘，空气相对湿度显著提高，土壤浅层温度日变幅减小。

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