低覆盖度行带式固沙林对区间小气候的改变

　　水分是我国干旱、半干旱区的一个极为重要的生态制约因素，由于降水少、蒸发大，我国干旱、半干旱区自然演替形成的乔灌木植被盖度一般低于 40%,这种低覆盖度的疏林地不能够完全固定流沙[1 -2].杨文斌[3]等通过研究发现，在相同盖度的条件下，通过调整固沙林分布格局，配置成行带式后，即使覆盖度降低到 20%,也能完全固定流沙。在满足水分平衡原理基础上[4],低覆盖度行带式固沙林能加快带间植被及土壤修复效应[5],从而促进沙地逆转，是一种近自然治沙技术。

　　小气候是指在具有相同的大气候特点范围内，因局部地区下垫面不一致影响而形成的与大气候不同的特殊气候[6].小气候是影响生物生长发育最重要的环境因子，而不同的植物群落又形成不同的小气候环境[7].其中针对防风固沙林小气候的研究表明： 固沙林具有缓和空气温度和地温变化，提高空气湿度，降低风速，提高植被产量等重要生态作用[8 -9].低覆盖度行带式固沙林带间具有较大空间，受林带影响其带间小气候存在空间差异性。目前对这种格局固沙林气候环境研究不多，且主要集中在对风速影响。文中选取典型低覆盖度行带式固沙林，研究林带对带间小气候的影响，分析带间太阳辐射及空气温湿度分布与变化特征，了解带间水平方向上水热输送与循环特征，为该区固沙林结构调整提高科学依据，并为进一步探讨低覆盖度行带式固沙林带间植被修复机理奠定研究基础。

　　1 研究方法

　　1. 1 研究区域

　　研究在内蒙古赤峰市敖汉旗乌兰召林场进行（42°30'09″N,119°44'18″N,海拔 400 ~600m） ,地处科尔沁沙地南缘，是典型的半干旱地区。当地气候属温带半干旱大陆性季风季候区，年降水量 350mm 左右，极端最大降雨量可达 740mm,极端处最低降雨量只有 200mm,年蒸发量 2400 ~ 2600mm,是降水量的 6 ~ 8倍，年均温在 5 ~7℃，年积温 2700 ~3200℃，无霜期 130 ~140d,年平均日照时数 2850 ~2950h,年平均风速 3. 8m/s,大风天气集中在 3 ~5 月，最大风速可达 24. 4m/s.当地地带性土壤为栗钙土，由于地质历史年代沉积了丰富而松散的地表沙质沉积物，在风力吹扬作用下，形成波状起伏的沙地，受风力和生沙过程影响，为固定风沙土和栗钙土型风沙土，机械组成以物理性沙粒为主，地下水深埋在 15m 以下。植被以地带性植被为主，主要造林树种为杨树（Populus × Xiaozhuannica W. Y Hsu et Liang cv. Chifengensis） ,草本有狗尾草（Setaria viridis） 、盐蒿（Artemisia halodendron） 、赖草（Leymus secalinus） 、蒺藜（Tribulus terrestris） 、蒲公英（Taraxacum mongolicum） 、苍耳（Xanthium. ） 、黑沙蒿（Artemisia ordosica） 、芦苇（Phragmites australis） 等。

　　1. 2 调查方法

　　通过前期调查，选择当地最具代表性的" 两行一带式" 赤峰杨固沙林，林带规格为 2 × 5 ~ 25m（株距 × 行距 ~ 带间距） ,林带东西走向，树龄 23 年，平均胸径 16. 3cm,平均树高（H） 为 14. 2m,冠幅 3.5m × 4m; 林下草本以胡枝子、甘草及其他和本科类为主，草本盖度 35% 左右。对距林带不同距离水平梯度上的太阳辐射（RA） 、空气温度（TA） 及相对湿度（RH） 等气象要素进行观测。测点布设（图 1） ,垂直于林带，以林带的一端林下为原点，每隔 3m 设置 1 条样线，共 9 个测点，重复 3 条样线。

　　太阳辐射及空气温湿度测定，采用 RR -9100 环境气象自动监测系统，该系统是以 RR -1008 数据采集器为核心，集成多个传感器的环境自动监测系统，采样时间间隔为 1s,输出数据为 1min 内的平均值，其中太阳辐射安装高度为 2m,空气温湿度安装高度为 1. 5m.于 2014 年生长季无风天气，连续 3 个典型晴天对带间小气候进行观测，由于仪器数量有限，故利用 3 台环境检测系统对测点进行移动观测，从 6:00 开始，每隔两小时测定一次，每个测点观测 5min,到 18:00 结束，在弃荒裸地安装 1 台检测系统进行同步对比观测。

　　1. 3 数据处理与分析方法

　　小气候效应分析方法参照《气象学》[10],各指标具体计算公式如下：R = （RAck- RAm） /RAck× 100%（1）ΔT = Tck- Tm（2）ΔRH = RHck- RHm（3）式中： R,ΔT 和 ΔRH 分别为太阳辐射效应，气温效应和相对湿度效应；RAck,Tck和 RHck分别为对照样地太阳辐射，气温及相对湿度； RAm,Tm和RHm分别为带间某位置处的太阳辐射，气温及相对湿度。数据处理与制图采用 Excel2007和 surfer8. 0 软件。

　　2 结果与分析

　　2. 1 带间小气候空间变化特征

　　图 2 所示为林带间小气候随距林带不同距离的变化特征，太阳辐射空间变化总体趋势（图 2 - a） 表现为两端小中间大，最小辐射值出现在林下 0m处，最大值出现在 12 - 15m,其中 0 -6m 间辐射急剧增加，6 - 12m 呈缓慢增加趋势，15 -24m 又逐渐缓慢减少； 气温空间变化（图 2 - b） 为单峰曲线，峰值出现在 12m 左右，最小值出现在0m 和24m 处，0 -12m 气温逐渐升高，15 -24m 又逐渐减小，最高气温与最低气温相差 0. 7℃； 相对湿度空间变化趋势（图 2 - c） 与气温相反，0 -9m 间相对湿度随距林带距离增大而逐渐减小，15 -24m 间相对湿度随距林带距离减小而逐渐增加，最小相对湿度出现在 9 -15m,最高相对湿度与最小相对湿度相差3% .总体来看，在行带式固沙林带影响下，到达近地层的太阳辐射受林冠层遮荫阻挡而减少，其中林下太阳辐射最低，导致补充给大气的热量减少，降温最明显，同时固沙林的蒸腾作用也会吸收热量、增加大气湿度，因此，行带式固沙林带如"降温加湿"系统，能降低带间气温，增加其相对湿度，且"降温增湿"作用随距离林带距离增加而减小，与袁素芬、桑玉强及 R. J. Davies - Colley 等人[11 -13]对防护林及林缘小气候梯度变化研究结果一致。

　　2. 2 带间小气候效应时空变化特征

　　图 3 所示为 6:00 -18:00 带间不同位置处太阳辐射及空气温湿度效应的分布与变化特征。林下太阳辐射与林冠层遮荫直接相关[14],太阳辐射到达林冠层后，经过林木枝条、树叶反射、吸收后，剩余一部分透过林冠层到达地表[15],因此，林带对带间辐射的影响范围与林荫相关，辐射效应与太阳辐射穿过冠层厚度相关。太阳辐射效应空间变化（图 3 - a） 较急促，辐射等值线集中在 0 -8m 和 18 -25m 间，与林荫范围重合，说明林带对带间辐射阻挡效应主要集中在距林带 0. 5H 范围内，与宋兆民等[6]研究结果一致，其中，林荫范围等值线较密，且与林带走向相对平行，辐射阻挡效应随距林带距离增加而减小，最大辐射阻挡效应出现在林下，达到 90%.

　　空气温湿度效应空间变化较太阳辐射效应变化平缓。图 3 - b 所示为气温效应时空分布与变化特征，从空间上看，同一时刻带间不同位置气温效应总体变化趋势为靠近林带两端降温效应明显，其中 0m 处降温最显着，中间降温效应较小； 从时间上看，林带降温时间主要集中在 8:00 -16:00,其中 14:00 左右林带降温效应最明显，且影响范围较大。相对湿度效应时空变化趋势（图 3 - c） 与气温变化相似，从空间上看，同一时刻带间不同位置相对湿度效应总体变化趋势为靠近林带两端增湿效应明显，其中 0m 及 24m 处增湿最显着，达到 4%以上，中间增湿效应较小； 从时间上看，林带降温时间主要集中在 8: 00 - 16: 00,其中12: 00 左右林带增湿效应最明显。

　　3 讨论

　　当植被覆盖度在 20%左右时，习惯上称为疏林，由于林间具有较大的空间或者叫走廊等，固沙林通过冠层遮荫影响林内光照时间和辐射强度方式，使得穿透进入林地内的太阳辐射量分布不均匀[16],从而影响林地内的水热循环过程。在微观尺度上，植被的空间立体机构是影响光气候环境的关键因素[17],低覆盖度行带式固沙林是一种集群分布格局，本文针对这种格局带间林荫及太阳辐射调查发现，其林冠层遮荫与随机分布和均匀分布疏林冠层形成破碎化斑点林荫不同，带间林荫为平行于林带走向的带状分布，带间光照强度及太阳辐射受林冠层遮荫而减弱，这种格局分布固沙林形成了明暗相间独特的光气候环境，其形成的辐射势能梯度影响带间水热的输送及循环过程。

　　近地层大气温湿度是植物生长的重要环境条件，反映着生物生存环境的水热状况，历来是生态系统环境研究、生物与环境交互研究的核心问题[18].地表通过辐射、湍流及对流运动和潜热输送过程传给近地气层，从而影响大气中的热量[19].地表的植被阻挡了太阳辐射，导致补充给大气的热量减少，使地表的温度降低，相应降低了空气中的饱和水汽压，同时植被蒸腾消耗了大量热量，也会使气温降低、水汽增加[20].

　　试验结果显示，低覆盖度行带式固沙林具有减弱带间太阳辐射、降低气温及增加相对湿度效应，且其带间温湿度及其效应空间分布总体上呈抛物线分布，受林带遮荫及蒸腾影响，距林带距离由近及远气温逐渐升高、相对湿度逐渐降低。生态场（在此特指温度场和相对湿度场） 作用范围内，场源植物对其周围环境的作用随作用距离的变化而变化。

　　4 结论

　　沙区植被建设是改善生态小气候重要的途径，低覆盖度行带式固沙林带间形成独特的生态气候场，其主要特征如下：

　　（1） 由于林冠层的阻挡，行带式固沙林具有降低带间太阳辐射作用，最大辐射阻挡效应达到 90%,林带对太阳辐射影响区域主要集中在 0. 5H 范围内； 带间辐射强度分布为两端小，中间大，其中林带 0 -6m范围内变化剧烈，6 -24m 范围内变化缓慢。

　　（2） 低覆盖度行带式固沙林具有降低气温效应，最大降温达到 2℃，且降温效果随距林带距离增大而减小，带间 12 -15m 气温最高，降温效果最小。

　　（3） 低覆盖度行带式固沙林具有增加相对湿度效应，林带对带间相对湿度的影响随距林带距离越远而越小，林带两端增湿效果最明显，最大达到 6. 5%.

　　参考文献：
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