毛乌素沙地南缘生态过渡带不同生境小气候的研究

赵丽莉，杨丽华，许冬梅*

(1.宁夏大学 农学院，宁夏 银川750021;2.吴忠市第三中学，宁夏 吴忠751100)

沙漠化作为困扰当今世界的重要环境和社会经济问题，严重影响社会的发展。我国是受沙漠化影响最为严重的国家之一［1］，沙漠化土地主要分布在北方干旱、半干旱和部分半湿润地区［2］。毛乌素沙地是沙漠化的严重区域，沙漠化导致该区域草场和耕地普遍风蚀粗化，土地生产能力衰退，可利用土地资源大幅减少，生态平衡遭受破坏，自然环境趋于恶化;同时，农牧民生产生活设施遭受危害，严重影响区域社会经济的发展［1］。

小气候是小范围内因各种局部因素如相对高度、地形条件、土壤性质及地面覆盖等影响而形成的与大气候不同的气候特点［3］，是由于下垫面条件不同在大气候背景下所表现的小尺度气候特点。人类的生产和生活活动主要是在近地面大气层进行，人类容易通过改变下垫面的局部特性来影响和改造小气候［4］。

小气候研究是生态系统研究中的一个重要内容，小气候因子的时空动态与植被群落结构和群落种类组成有着紧密的联系，不同的植被群落形成不同的微气候环境［5－6］。因此，要协调生物与环境的关系，离不开小气候的研究［7］。草地沙化，首先表现为植物群落的逆向演替以及土壤理化性状的退化，进而影响下垫面条件，对局部小气候产生影响。目前，对草地沙化过程中植被、土壤等的研究较多。有关干旱沙区小气候，冯起等［8］观测并分析了极端干旱区荒漠绿洲的微气象特征，表明荒漠绿洲具有调节局地小气候的生态作用;范文波等［9］研究表明种植芨芨草对沙漠小气候有较好的改善作用。李胜功等［10］对人工固沙过程中的微气候变化进行了研究;李玉灵等［11］采用湍流运动理论，对乌兰布和沙漠东缘几种灌木林的微气候特征进行比较研究。尽管目前国内外对干旱沙区小气候有了一定的研究，但总体资料较少，特别是关于毛乌素沙地小气候的研究资料匮乏。因此，本试验拟通过对毛乌素沙地南缘生态过渡带不同生境条件下小气候的动态特征进行研究，以期更好地阐明气候因子影响生态环境的变化趋势，进一步丰富沙漠化过程中植被与环境关系的资料，为防止草地沙化和植被恢复提供理论依据。

1 研究区自然概况

研究样地设在宁夏盐池县沙边子治沙基地，该基地地处毛乌素沙地南缘，是毛乌素沙地与荒漠草原的过渡带。北纬37°52'30″ －37°57'30″，东经107°26'15″ －107°33'45″，海拔130 0 ～136 0 m;年均温7.5 ℃;年均降雨量280 mm，其中70%以上集中在6 ～9 月份，降水年际变率大;年蒸发量271 0 mm。依地貌单元，该地划分为沙丘地、盐化丘间低地和缓坡丘陵梁地3 个类型，地带性植被属荒漠草原带。

2 研究方法

2.1 调查样点设置

在植物生长最旺盛时期，选取流动半流动沙丘草地(SS)、固定半固定沙地草地(FS)、盐化丘间低地草地(SB)和缓坡丘陵梁地草地(SR)4 个生境类型，在每个生境类型随机确定3 个观测样点，共计12 个，在所有样点同时进行气象指标的测定，观测时间点为08:00、11:00、14:00、17:00、20:00，连续监测3 d。

2.2 气象指标的测定

在每个样点测定空气温度、湿度、光照强度、地面温度和土壤温度(5 cm、10 cm、15 cm、20 cm)。地上1 m 处的空气温、湿度采用TRH－AZ 型便携式温湿度计测定;光照强度用ZDS-10 型照度计测定;地表温度采用地面温度表测定、地下5 cm、10 cm、15 cm 和20 cm 土壤温度采用曲管地温表测定。

2.3 数据分析

采用SPSS 统计分析软件进行方差分析。

3 结果与分析

3.1 毛乌素沙地南缘不同生境草地1 m 处气温

由图1 可以看出，毛乌素沙地南缘各生境草地不同时段1 m 处气温差异极显著(p ＜0.01)。不同生境条件下气温变化表现出一致的规律，08:00 到14:00 气温上升，特别是流动半流动沙丘草地变幅最大，从08:00 的24.5 ℃上升到14:00 的34.3 ℃;各生境类型草地14:00 气温均达到最高，其中流动半流动沙丘草地的气温为4 种生境中最高。14:00 以后各生境类型草地的气温均开始下降。各生境类型草地的气温从11:00 到17:00 变化幅度较小，17:00 以后气温下降较快，尤其以流动半流动沙丘草地下降最快，从32.3 ℃下降至18.8 ℃。除08:00 固定半固定沙地草地和流动半流动沙丘草地气温显著低于盐化丘间低地草地和缓坡丘陵梁地外草地，其它时间各类型草地气温差异不显著(p ＞0.05)。

图1 毛乌素沙地南缘不同生境1 m 处气温变化Fig.1 Temperature in aboveground 1 m in different habitats in south fringe of Mu Us sandy land

图2 毛乌素沙地南缘不同生境草地1 m 处空气湿度变化Fig.2 Humidity in aboveground 1 m in different habitats in south fringe of Mu Us sandy land

图4 毛乌素沙地南缘不同生境草地地表温度的变化Fig.4 Soil surface temperature in different habitats in south fringe of Mu Us sandy land

3.2 毛乌素沙地南缘不同生境草地1 m 处空气湿度

由图2，毛乌素沙地南缘各生境类型草地空气湿度均呈先下降、后上升趋势，且变幅都较大，不同时间点空气湿度差异极显著(p ＜0.01)，各生境类型草地08:00 时空气湿度较高，后迅速下降，在气温最高、太阳辐射最强的14:00 时空气湿度降至最低，后又开始上升，特别是17:00 以后，升幅较大，至20:00空气湿度又达到较高值。流动半流动沙丘草地各时间点空气湿度均低于其它类型草地(p ＜0.01)，这主要是由于流动半流动沙丘草地植被盖度极低，植物蒸腾作用弱而空气流通速率快，因此导致其空气湿度低于其它生境草地。

3.3 毛乌素沙地南缘不同生境草地1 m 处光照强度

毛乌素沙地南缘各生境类型草地的光照强度在17:00 以前变幅不大，其中08:00、11:00、14:00 之间差异不显著(p ＞0.05)，之后迅速下降至20:00 的最低水平(图3)。17:00 以前流动半流动沙丘草地和固定半固定沙地草地光照强度平均分别为129.52 Lx 和123.98 Lx，显著高于盐化丘间低地草地和缓坡丘陵梁地草地(平均分别为107.25 Lx 和108.50 Lx)(p ＜0.01)，这主要是由于盐化丘间低地和缓坡丘陵梁地植被盖度较高，群落对光照的吸收、反射和折射能力增强，其内部光强降低，变化幅度减小。

3.4 毛乌素沙地南缘不同生境草地土壤温度的变化

由图4 可以看出，毛乌素沙地南缘不同生境草地地表温度均以14:00 时最高，尤其是流动半流动沙丘草地，此时的地表温度达52.3 ℃，比缓坡丘陵梁地草地高9.2 ℃。固定半固定沙地草地和流动半流动沙丘草地地表温度日变幅相对较大，08:00 时分别为17.2 ℃和16.1 ℃，显著低于盐化丘间低地草地和缓坡丘陵梁地草地(p ＜0.05)，而14:00 和17:00 显著高于盐化丘间低地草地和缓坡丘陵梁地草地(p ＜0.05)。

图5 毛乌素沙地南缘不同生境草地土壤温度的变化Fig.5 Soil temperature in different habitats in south fringe of Mu Us sandy land

不同生境草地地下土壤温度差异不显著(p ＞0.05)，随着深度的增加，日变幅减小，各生境类型草地地下5 cm 土壤温度在14:00 以前均快速上升，14:00 达峰值，由于受地表温度影响较大，温度升降较快(图5a);各生境类型草地地下10 cm、15 cm、20 cm 土壤温度均以17:00 时最高，其中，地下20 cm 土壤温度较为稳定，日变幅较小，从08:00 的平均19.3 ℃上升至17:00 的平均26.4 ℃(图5b，图5c，图5d)。

总体看，毛乌素沙地南缘各生境类型草地之间小气候差异不大，但随着沙漠化的加重，表现出温度、光照强度增加，空气湿度降低的趋势。

4 讨论与结论

光照强度是空气温湿度及土壤温度的主导因子，可使植被内各层次间空气温、湿度及土壤温度发生较大变化［7］。反过来，植被又影响群落内的太阳辐射强度和分配，从而影响到其它气象因子［12］。本研究中，光照强度以流动半流动沙丘草地最高，平均为103.96 Lx，缓坡丘陵梁地草地最低，平均为87.64 lx;空气湿度则以流动半流动沙丘草地最低，平均为20.64%，缓坡丘陵梁地草地最高，平均为27.38%;气温及地表温度均以流动半流动沙丘草地变幅最大，分别为45.19%和67.11%，缓坡丘陵梁地草地变幅最小。这是由于在极度沙化阶段，植被盖度低，环境具有开放性，光照充足，空气流动性好，各环境因子随光照强度的变化产生的变幅较大;而在潜在沙化阶段，由于植被的缓冲作用，环境较为封闭和稳定，群落内小气候相对显示出阴、凉、湿的特点。有研究表明随着植被的进展演替，群落内小气候向着稳定的方向发展，群落环境得到改善［13－14］。

土壤温度主要受光照及近地气温的影响，只是在时间上存在一定滞后［7］。毛乌素沙地南缘不同生境草地地表温度日变幅较大，随着土层深度的增加，土壤温度变化幅度逐渐减小;5 cm 土层温度变化趋势接近地表，14:00 温度达最高，其它土层温度17:00 达最高，滞后于地表和5 cm 土层。李德文等［15］对川西亚高山岷江冷杉林内小气候进行定位观测，表明地表层的温度波动比地下层温度的波动大。张艳武［16］利用额济纳绿洲微气象站观测资料，分析该地区小气候特征，结果表明:随着土壤深度的增加，土壤温度变化趋势越来越缓慢，地表温度波动变化最大，而在40 cm 深处土壤温度日变化很小。范文波等［9］对古尔班通古特沙漠边缘小气候的测定表明，人工种植的芨芨草草地和裸沙地地表和5 cm 土层的温度变化起伏较大，规律相似;10、15、20 cm 温度变化起伏较小，规律相近。

［1］吴薇.毛乌素沙地沙漠化过程及其整治对策［J］.中国生态农业学报，2001，9(3):15 －18.

［2］朱震达，陈广庭.中国土地沙质荒漠化［M］.北京:科学出版社，1994.

［3］傅抱濮.小气候学［M］.北京:气象出版社，1994.

［4］姚德良，张强，沈振西，等.高寒草甸小气候考察研究［J］.草地学报，2003，11(4):301 －305.

［5］向悟生，李先琨，吕仕洪，等. 广西岩溶植被演替过程中主要小气候因子日变化特征［J］. 生态科学，2004，23(1):25 －31.

［6］张远彬，王开运，鲜骏仁，等. 川西亚高山白桦林小气候的时空动态特征［J］. 应用与环境生物学报，2006，12(3):297 －303.

［7］付为国，李萍萍，吴沿友，等.镇江内江湿地不同演替阶段植物群落小气候日动态［J］. 应用生态学报，2006，17(9):1699 －1704.

［8］冯起，司建华，张艳武，等.极端干旱地区绿洲小气候特征及其生态意义［J］.地理学报，2006，61(1):99 －108.

［9］范文波，雷雨，莫亮，等.芨芨草改善沙漠小气候的研究［J］.石河子大学学报:自然科学版，2006，24(2):213 －216.

［10］李胜功，赵哈林，何宗颖，等.沙丘人工差不嘎蒿建立后的微气候变化［J］.中国沙漠，1997，17(2):133 －137.

［11］李玉灵，王林和，董锦兰.乌兰布和沙漠东缘几种灌木林微气候特征比较［J］.内蒙古林学院学报，1997，4:14 －19.

［12］张邦琨，张萍，赵云龙.喀斯特地貌不同演替阶段植被小气候特征研究［J］.贵州气象，2000，(3):17 －21.

［13］李宗峰，陶建平，王微，等. 岷江上游退化植被不同恢复阶段群落小气候特征研究［J］. 生态学杂志，2005，24(4):364 －367.

［14］邓艳，蒋忠诚，李先琨，等.广西弄岗不同演替阶段植被群落的小气候特征［J］.热带地理，2004，24(4):316 －325.

［15］李德文，高跃，高志勇.川西亚高山岷江冷杉林小气候特征［J］.四川林业科技，2006，27(6):30 －34.

［16］张艳武，冯起，黄静，等.黑河下游绿洲地表辐射平衡及小气候特征分析［J］.冰川冻土，2006，28(2):191 －198.