郑州黄河湿地不同植被类型的小气候效应研究

方 晓,桑凯新,黄 超,范贝贝,杨果果,郭二辉

(河南农业大学 林学院,河南 郑州 450002)

湿地生态系统是全球生态系统中的重要组成部分[1],由于其特殊的结构和功能,湿地已成为响应全球气候变化的敏感区域[2]。湿地在减缓全球气候变化和调节区域小气候特征方面扮演着重要角色[3]。研究发现,湿地的水分蒸发,以及植物的蒸腾作用要消耗周围空气的大量热量,使得湿地和大气之间不断地进行着能量和物质交换,从而湿地能够在局部环境内达到降温增湿的效果,影响到区域的小气候环境[4-6]。崔丽娟等研究发现，湿地对局部周边环境具有明显的降温和增湿效果[7]。此外,湿地内的植被覆盖度、植被的类型也会直接或间接地影响区域气候环境,例如：吴菲等研究发现林下广场在遮阳、降温增湿和改善局地小气候方面效果更佳[8]；黄海霞等指出森林绿地的覆盖能够缓和区域温差,降低气温,植被可能是引起区域小气候变化的一个重要因素[9]。近年来有关湿地区域小气候调节的研究多关注于偏远地区及城市,而对城市郊区的湿地生态系统小气候调节研究还较少。本研究选取郑州市黄河湿地作为研究对象,通过野外对裸地、草地、灌草、林地等4种不同植被类型的风速、空气温度、空气湿度、地表温度和热压力指数(heat stress index)等的观测,阐明了郑州市黄河湿地周围不同植被类型的区域小气候的变化规律,定量研究了黄河湿地不同植被类型对风速、空气温度、空气湿度、地表温度和热压力指数等的影响,可以为黄河湿地不同植被的生态服务功能评估提供科学依据,也可为黄河湿地的植被修复提供参考。

1 研究地概况和研究方法

1.1 研究地概况

本试验地选择在郑州市黄河湿地花园口段,属于北温带大陆性季节气候,年平均气温14.4 ℃,年平均降雨量632 mm,无霜期220 d,全年日照时间约2400 h。

1.2 研究方法

1.2.1 样地的选择 本试验以裸地为对照,选择草地区(主要为芦苇、看麦娘、狗牙根等)、灌草区(主要为柽柳和白茅等)和林地区(主要为柳树等)为试验区。4种植被类型均以河岸处为起点,分别在垂直于河岸的0、50、100、150、200 m处设置5个样地(取5块样地的观测平均值)。样地尽量选取在坡度较为平稳、人为干扰较少、植被种类相差不大的区域,在选好的样地中设置样方,进行植被调查(如表1)。

表1 试验样地的基本情况

1.2.2 小气候观测 于2016年5月份,选择晴朗的天气，在9:00～17:00之间每2 h测量1次,连续测量5 d，取其平均值；小气候指标的测定采用Kestrel 3000型手持风速测量仪,测量的指标主要包括风速、空气温度、空气湿度、热压力指数等；同时使用美国的FLUKE F572红外测温仪测量地表温度。

1.3 分析方法

1.3.1 数据计算方法 阻风率、降温强度、增湿强度的计算公式如下:

DT=DS-Dt

(1)

式(1)中:DT为降温强度；DS为裸地温度;Dt为取样点温度。

DRh=DSRH-DaRh

(2)

式(2)中:DRh为增湿强度；DSRH为取样点湿度;DaRh为裸地湿度。

D=[(Dv-Ds)/Dv]×100%

(3)

式(3)中:D为阻风率；Dv为裸地风速;Ds为取样点风速。

1.3.2 数据分析方法 根据观测数据,计算风速、空气温度、空气湿度、地表温度和热压力指数的平均值,分析不同植被类型湿地小气候效应的强弱变化。利用SPSS 19.0对13:00时不同植被类型的阻风率、降温强度、增湿强度、热压力指数进行多重差异显著性分析并对小气候相关指标进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 湿地植被类型对风速变化的影响

当风进入植被区后,由于受到植物的摩擦和阻力，风速有所下降[10]。本研究(图1)发现：9:00～15:00林地的风速均低于其他3种植被类型的,而裸地、草地、灌草的风速相差不大；在不同时间点林地与其他3种植被类型风速的相差范围为0.22～0.67 m/s。从表2可以看出，在13:00时林地的阻风率显著高于草地和灌草的(P<0.05),灌草的显著高于草地的(P<0.05)，这说明林地的阻风能力明显高于裸地、草地、灌草。

植被类型阻风率/%空气降温强度/℃空气增湿强度/%地表降温强度/℃草地5.26±0.14 c1.01±0.08 b3.28±0.27 c5.19±0.25 b灌草9.47±0.85 b1.09±0.08 b5.38±0.22 b1.69±0.25 c林地34.04±2.94 a1.74±0.17 a6.24±0.17 a7.69±0.65 a

注:同列数据后附不同字母表示在不同植被类型间差异显著(P<0.05)。

2.2 湿地植被类型对空气温度和湿度变化的影响

植被区的空气温度能够影响植被内的水分平衡,以及植物的生长发育。从图2可以看出,4种植被类型从9:00开始空气温度迅速升高,随后裸地在13:00达到了最高,林地和草地在15:00达到了最高；在13:00之后裸地的气温均高于其他3种植被类型的,而林地的空气温度最低。在9:00～15:00期间空气温度的变化幅度大小顺序为林地<草地<灌草<裸地。但在9:00时4种植被类型空气温度的排序为裸地<草地<林地<灌草。在13:00时林地的空气降温强度显著高于草地和灌草的(P<0.05)，这可能是由于草地和灌草的群落层次和群落结构较为简单,林地的降温效果更为明显。

图2 不同植被类型空气温度的变化规律

由图3可见,空气湿度从9:00开始迅速降低,裸地的空气湿度在13:00降低到最低点,而林地、草地、灌草的空气湿度至17:00前一直保持下降趋势。在9:00～15:00内空气湿度的变化幅度为林地<灌草<草地<裸地。在9:00时4种植被类型空气湿度的排序为灌草<林地<草地<裸地,这与空气温度的变化趋势相反。由表2可知,在13:00时林地的空气增湿强度显著高于草地和灌草的(P<0.05),灌草的空气增湿强度显著高于草地的(P<0.05)，说明林地的增湿效果明显优于草地和灌草的。

图3 不同植被类型空气湿度的变化规律

2.3 湿地植被类型对地表温度的影响

由图4可知,4种植被类型的地表温度在9:00～17:00期间均呈同步的倒U型曲线,即地表温度从9:00开始逐渐上升,随后草地、灌草、裸地的地表温度在13:00时达到了最高点,而林地的地表温度在15:00到达最高点，之后均逐渐下降。在9:00～17:00期间,林地、草地、灌草、裸地的地表温度变化幅度分别为9.52、11.24、11.24、16.09 ℃。由表2可知,在13:00时林地的地表降温强度显著高于草地和灌草的(P<0.05),草地的又显著高于灌草的(P<0.05),这可能是由于在调查区,草地的覆盖度高于灌草,草地区植物下的郁闭度较高,使得草地的地表降温效果明显优于灌草的。

图4 不同植被类型地表温度的变化规律

2.4 湿地植被类型对热压力指数的影响

热压力指数代表温度、湿度、风速等因素的热压力状况,是评估热危害的重要指标之一。4种植被类型的热压力指数均从9:00开始逐渐上升,裸地、林地、灌草的热压力指数在13:00升高到最高点,而草地的热压力指数在15:00升高到最高点,随后直至17:00一直保持下降趋势。在9:00～17:00期间热压力指数的变化幅度表现为林地<草地<灌草<裸地(图5)。在13:00时裸地的热压力指数显著高于林地、灌草、草地的(P<0.05),且林地的热压力指数最低(图6)。

图5 不同植被类型热压力指数的变化规律

图6 不同植被类型在13:00时的热压力指数

2.5 小气候相关指标的相关性分析

从表3可知：热压力指数与风速、空气温度、地表温度呈极显著正相关,与空气湿度呈极显著负相关,这说明较低的温度、较高的空气湿度能够降低热压力指数；空气湿度与风速、空气温度、地表温度呈极显著负相关关系,说明较高的温度和风速能够降低空气湿度；风速与空气温度、地表温度呈现极显著正相关关系；地表温度与空气温度也呈现极显著正相关关系。

注:“**”表示在0.01水平上(双侧)极显著相关。

3 结论与讨论

在地理和气候条件基本相同的情况下,不同的植被类型其区域内外物质和能量交换阻力不同,致使其区域内小气候具有一定的差异,这主要受到植被覆盖度、植被类型等的影响[11]。本研究发现郑州市黄河湿地不同植被类型对区域小气候产生了明显的影响,其中林地在9:00～17:00期间的空气温度、地表温度、风速、热压力指数、空气湿度的变化幅度最低,其次是草地和灌草,而裸地则完全与之相反,主要是因为林地中的植被在蒸腾作用中,不断地从周围环境中吸收热量,降低了林内环境的气温[12],同时上层的空气向下层不断交换[13],使林地的地表温度也相应降低。有研究发现,白天林地植被及土壤的蒸散作用过程中产生较多的水汽,但是林冠层的阻碍减缓了水汽传输,有利于林内维持较高的空气湿度[14-15],这表明林地的风速较低，空气温度、地表温度稳定性较高。但是在9:00时4种植被类型的空气温度表现为裸地<草地<林地<灌草,而在此时间段的空气湿度顺序与此正好相反,这可能是由于裸地、草坪上空较为空旷,无树木遮拦,有利于空气的对流和散热以及水汽的扩散和交换,使得周围空气温度下降较快,空气湿度较高[8]。本研究也发现在9:00～17:00期间林地的风速显著高于其他植被类型的。由于13:00是一天中太阳光照强度最高的时刻,在此时刻温度、湿度、热压力指数等均会发生明显的变化,因此在此时刻研究增湿降温效果更具有代表性。本研究分析发现，林地在13:00时的阻风率、空气降温强度、地表降温强度、空气增湿强度均明显高于灌草和草地的,而裸地的热压力指数最高,这进一步证明了林地在降温、增湿、降低风速方面起到了较好的作用。

植被区域内热压力指数、气温、空气湿度以及地表温度等的波动相互也会发生一定的影响。本文相关分析结果表明：热压力指数与风速、空气温度、地表温度呈极显著正相关,与空气湿度呈极显著负相关,说明影响区域小气候热压力指数的主要因素包括风速、空气温度、地表温度、空气湿度等；空气湿度与空气温度、地表温度呈极显著负相关关系,这可能是由于水面的存在使空气不断地进行水汽的扩散和交换,对周围环境的空气湿度具有显著的影响[16]；水分的蒸发、大面积湿地的蒸发作用以及湿地植物的蒸腾作用要耗去大量的热量,使周围空气温度和地表温度降低[7,17]。

通过对郑州段黄河湿地中裸地、草地、灌草、林地的风速、空气温度、空气湿度、地表温度和热压力指数等气象因子进行定点同步观测，发现:在9:00～17:00期间,林地降低风速的效果最佳；在降温增湿效果上林地最佳,灌草和草地次之,裸地最差；在9:00～17:00期间热压力指数的变化幅度表现为林地<草地<灌草<裸地,在13:00时林地、草地、灌草的热压力指数均显著低于裸地的,其中林地最低。因此，黄河湿地中的林地在降温、增湿、降低风速方面具有明显的效果。