閆人華,熊黑鋼,張 芳,夏英輝
(1.新疆大學 資源與環(huán)境科學學院,烏魯木齊830046;2.中國科學院 南京地理與湖泊研究所,南京210008;3.新疆大學 綠洲生態(tài)教育部重點實驗室,烏魯木齊830046;4.北京聯(lián)合大學 應(yīng)用文理學院,北京100083)
由下墊面的某些局部特征形成的小氣候不僅是生物生長發(fā)育最重要的環(huán)境因子[1],而且也直接影響著人類的生產(chǎn)、生活活動,因為大多動物和植物,都是在貼近地面和土壤上層的小范圍氣候中生長和繁殖的[2-3]。因此,小氣候的研究成為生態(tài)學、地理學、大氣科學關(guān)注的重要研究領(lǐng)域。長期以來,國內(nèi)外許多學者對農(nóng)田[4]、濕地[5]、草地[6]、森林[7-9]等不同土地類型(下墊面)的微氣候特征進行了大量的研究,深化了對這些地區(qū)的小氣候特征及其變化規(guī)律的認識。近年來,西 北 干 旱 區(qū) 的 沙 漠[10-11]、戈 壁[12]、綠 洲[13-17]等單一下墊面的小氣候也日益受到人們的關(guān)注。目前,在極端干旱區(qū)對不同下墊面小氣候差異的對比研究并不多見,尤其是氣象氣候因素同時、同步的固定觀測試驗更少。然而只有同時、同步氣候數(shù)據(jù)的獲取,才能保證觀測數(shù)據(jù)有較高的可比性和關(guān)聯(lián)性,以揭示不同土地類型(下墊面)之間的差別和相互作用,從而有利于提高干旱區(qū)大氣環(huán)境和氣候數(shù)值模擬的精度。
新疆于田綠洲屬典型的極端干旱區(qū),因人類不合理地開發(fā)利用水土資源以及自然因素的影響,導致綠洲在不斷的擴展中,荒漠植被種類、數(shù)量的減少,交錯帶寬度變窄、沙漠擴大,生態(tài)環(huán)境惡化?;謴屯嘶纳鷳B(tài)系統(tǒng),充分利用和保護好其各類資源,促進生態(tài)環(huán)境向良性轉(zhuǎn)化是急需解決的關(guān)鍵問題。本文對極端干旱區(qū)具有代表性的5種不同土地利用類型(下墊面)同時進行小氣候因子觀測,對比分析不同性質(zhì)下墊面的小氣候特征差異,以期為治理荒漠,改善綠洲生態(tài)環(huán)境提供科學依據(jù)。
新疆于田縣位于塔里木盆地南緣,介于81°09′—82°51′E,35°14′—39°29′N,南為雄偉的昆侖山,北臨浩瀚的塔克拉瑪干大沙漠,東鄰民豐縣,西接策勒縣,北面穿越塔克拉瑪干沙漠與阿克蘇地區(qū)沙雅縣接壤,南面與西藏自治區(qū)改則縣、日吐縣相連。南北長約466 k m,東西寬30~120 k m。全年熱量豐富、日照充足、光熱資源充沛、降水稀少、蒸發(fā)量大。年平均氣溫11.6℃,>10℃積溫4 208.1℃,7月平均氣溫24.7~26.2℃,1月平均氣溫-5.6~-9.2℃,氣溫年較差30.5℃,日較差12.8℃。多年平均降水量47.7 mm,北部沙漠地帶降水量僅為12 mm,多年平均蒸發(fā)量2 423.1 mm,屬于典型的暖溫帶大陸干旱荒漠氣候,并具有典型的綠洲、綠洲—沙漠交錯帶、戈壁、沙漠等不同下墊面。
從南部山區(qū)至北部的沙漠,選擇戈壁—綠洲—交錯帶—沙漠等典型樣地布置5個觀測點(圖1),其自然環(huán)境與植被情況見表1。為了更好地對綠洲內(nèi)部進行差異性比較,在綠洲內(nèi)部的玉米地、棉花地分別設(shè)立觀測點。前者不僅植被覆蓋度高,而且植物的植株高達200~300 c m,后者高度僅有40~60 c m。通過對比分析這5個下墊面上的小氣候變化,探討極端干旱區(qū)不同下墊面的差異性。
圖1 觀測點分布
表1 不同下墊面的地貌、植被與土壤特征
于2000年9月5—12日,利用HOBO觀測儀對5個樣地的氣溫、相對濕度、風速、蒸發(fā)、地溫等小氣候因子進行同步觀測。其中,氣溫、相對濕度、風速探頭分為5個高度(0,50,100,150,200 c m)觀測;地溫分0 c m(地表),5,10,15,20,40 c m 六層布設(shè)。每天的觀測時間為6:00—22:00,每隔2 h進行一次數(shù)據(jù)采集。蒸發(fā)選用小型蒸發(fā)皿,早、晚8:00各觀測一次。利用SPSS統(tǒng)計分析軟件、DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對野外所采集的數(shù)據(jù)進行整理和分析。
3.1.1 日平均氣溫 不同下墊面之間的日平均氣溫存在明顯的差異(圖2),表現(xiàn)為玉米地<棉花地<戈壁<交錯帶<沙漠。綠洲植被眾多,能吸收大量的太陽輻射能量進行光合作用,并且較高的植被覆蓋遮擋陽光,對太陽輻射有很強的反射、散射作用,也不利于大氣對地表的長波輻射,因此,綠洲區(qū)近地表的氣溫較低,而且覆蓋度較高的玉米地溫度低于覆蓋度低的棉花地,是棉花地的98%。與此相反,沙漠下墊面的砂質(zhì)地表吸收太陽輻射的能力很強,使得地表溫度迅速升高釋放大量的輻射能量到地表空氣中,致使沙漠區(qū)的氣溫較高,達到21.78℃,是棉花地的1.20倍。性質(zhì)上介于沙漠與綠洲之間的交錯帶具有過渡性,導致其氣溫高于綠洲下墊面而低于沙漠下墊面。由于被測的戈壁地區(qū)位于山麓處,海拔較高,溫度低于交錯帶,是交錯帶的97%。
圖2 不同下墊面日平均氣溫比較
3.1.2 氣溫逐日變化幅度 通過對各下墊面的氣溫逐日變化曲線添加趨勢線,計算出變化率,結(jié)果(表2)顯示,各下墊面氣溫變化斜率絕對值為:沙漠>交錯帶>戈壁>棉花地>玉米地。綠洲內(nèi)部的玉米地變化率絕對值最小,說明該地區(qū)氣溫逐日變化幅度最小,僅為0.45,從而營造出了適宜動、植物生存生長的穩(wěn)定溫度環(huán)境。沙漠的氣溫逐日變化幅度最大,達到1.02,是玉米地的2.27倍,大部分生物難以適應(yīng)這樣劇變的氣溫,因此不利于有機生命的活動。這些差異主要是由于地表物質(zhì)的比熱差異以及植被覆蓋度的不同引起的。
表2 不同下墊面氣溫逐日變化趨勢分布
3.1.3 氣溫垂直變化特征 沙漠、戈壁、交錯帶、棉花地、玉米地5個下墊面氣溫的垂直變化特征是:變化趨勢相似,變化幅度不同(圖3)。在變化趨勢上,沙漠、戈壁、交錯帶及棉花地氣溫都隨著高度的上升而降低,并且均在0~50 c m之間變化很大,往上緩慢降低。因為地面的長波輻射是近地表空氣熱量的主要來源,上層空氣離地面越遠,接收到的長波輻射能量越少,氣溫也就越低。在變化幅度方面,下墊面的植被覆蓋度越大,變化幅度越小。沙漠、戈壁、交錯帶由于下墊面光禿單一,變化幅度分別達到2.62,3.41,2.78℃;玉米地(株高200~300 c m)不僅變化幅度小,而且越向上氣溫越高,150,200 c m高度的溫度分別比地表溫度高0.07,0.03℃,主要是因為下部玉米枝葉稠密,對太陽輻射遮擋作用強,而到頂部稀疏,接收熱量多,溫度高于地表。棉花地植被覆蓋度雖然很高,但因其植株矮小,地表溫度仍然高于上部。
圖3 不同下墊面各層平均氣溫垂直變化
3.2.1 日平均相對濕度 玉米地、棉花地、交錯帶、戈壁及沙漠的日平均相對濕度差異明顯,呈現(xiàn)出植被覆蓋度越大,相對濕度越大的趨勢(圖4)。玉米地分別為后四者的1.05倍、1.36倍、1.85倍、1.57倍。玉米地、棉花地下墊面與其他三者的差別在于一方面它們受到了人類灌溉、耕作等活動的影響,地表具有較多的水分,且土壤結(jié)構(gòu)較好,保水、涵水能力強;另一方面,綠洲植被眾多,滯水、持水能力強,且植物蒸騰旺盛,造成其相對濕度最高。具有過渡性質(zhì)的交錯帶雖然植被覆蓋少,但由于靠近綠洲,相對濕度也較高。而在沙漠和戈壁區(qū),其裸露的砂礫質(zhì)地表涵水能力差,水分容易流失,導致地表及淺層土壤水分稀少,相對濕度較低,其中沙漠地區(qū)由于地下水位相對較淺,其濕度為戈壁的1.17倍。對比圖1和圖4可知,日平均氣溫和濕度呈負相關(guān),經(jīng)計算,相關(guān)系數(shù)達-0.869,相關(guān)性水平顯著。
3.2.2 相對濕度逐日變化幅度 在變化幅度方面,玉米地>棉花地>交錯帶>沙漠>戈壁,總體表現(xiàn)出:其相對濕度基數(shù)越大,變化幅度則越大(表3)。玉米地、棉花地與交錯帶的變化率較大,而且較接近,分別為0.83,0.52,而戈壁、沙漠卻與前三者截然不同,一直都保持在一個較低的水平上,分別是玉米地的49%,36%,這與戈壁、沙漠的水份稀缺、下墊面性質(zhì)簡單緊密相關(guān)。
圖4 不同下墊面日平均相對濕度
表3 不同下墊面相對濕度逐日變化趨勢分布
3.2.3 相對濕度垂直變化特征 與植被覆蓋度一致,下墊面各高度的相對濕度值均體現(xiàn)為玉米地最大,棉花地、交錯帶、沙漠依次減小,戈壁最小(圖5)。在變化趨勢上,表現(xiàn)為隨著高度的增加,棉花地、玉米地的相對濕度逐漸減少,200 c m處相對濕度分別比地表減少了6.27%,8.43%。而沙漠、交錯帶則有所增加,200 c m處相對濕度比地表分別增加了3.52%,7.11%,并且它們與棉花地、玉米地的差距隨高度的增加在減小,這可能與綠洲—荒漠環(huán)流的高度相關(guān)。
在變化幅度上,玉米地在0—100 c m范圍內(nèi)相對濕度變化甚微,因為玉米植株在這一高度范圍內(nèi)枝葉稠密,溫度變化小,風速小,相對濕度變化小,超過100 c m處受到風等因素的影響,相對濕度有所降低。而棉花地由于棉花高度約為50 c m,在0—50 c m處變化較小。戈壁的相對濕度則隨高度在27%~37%之間出現(xiàn)搖擺式變化,交錯帶則隨高度有小幅度增加。
圖5 不同下墊面各層日平均相對濕度變化
雖然各下墊面的氣溫與濕度均呈現(xiàn)出負相關(guān),但相關(guān)系數(shù)及顯著水平卻有較大差異(表4)。戈壁、沙漠的相關(guān)系數(shù)絕對值較小,顯著性水平極低,分別僅為-0.29,-0.421。由于它們的土壤水分含量少,使得其蒸發(fā)量較小,空氣水分奇缺,無論氣溫的增減,相對濕度的變化都不大,因此相關(guān)性不高。其中沙漠相對于戈壁而言,地下水埋藏淺,蒸發(fā)量相對較大,空氣水分高,易受溫度的影響,出現(xiàn)濕度的增減,因而相關(guān)性大于戈壁。玉米地、棉花地、交錯帶的的相關(guān)系數(shù)絕對值較大并依次遞增,分別為-0.7,-0.722,-0.984,顯著性水平也呈遞增趨勢。這三種下墊面地下水位埋深較淺,土壤水分都比較多。其中,交錯帶較其他兩者植被稀疏,地表空曠,使得溫度增減直接引起蒸發(fā)量的劇烈變化,從而造成其濕度與氣溫的相關(guān)性較高。而玉米地、棉花地由于植被覆蓋度好,水分充足。當氣增高時,由于植被的遮擋作用影響土壤蒸發(fā)和植被蒸騰的進行,使得實際水汽壓對氣溫變化的響應(yīng)有一定的滯后性,進而影響到濕度與氣溫的相關(guān)性,使其值小于交錯帶。
表4 不同下墊面氣溫與濕度相關(guān)系數(shù)及其顯著性水平
3.4.1 日平均風速 沙漠、戈壁、交錯帶風速相差小且遠大于玉米地、棉花地,這五者的平均風速分別為2.18,1.71,1.42,0.34,0.46 m/s(圖6)。這一結(jié)果與下墊面性質(zhì)密切相關(guān),綠洲由于其復雜的地表結(jié)構(gòu),較高的植被覆蓋度和較高大的植株,使其對空氣的摩擦作用較強,不利于近地面空氣的運動,所以該下墊面的風速小于沙漠、戈壁與交錯帶下墊面,又因玉米地比棉花地植株高大,對風的阻礙更大,因此玉米地的風速小于棉花地26%。沙漠、戈壁地表開闊,利于空氣的流動,風速分別是玉米地的6.41倍、5.02倍;而交錯帶雖然有植被,但是其數(shù)量少,分布稀疏并且植株矮小,對風的阻擋作用微弱,所以它與沙漠、戈壁下墊面的風速都較大,且三者相差不大。
圖6 不同下墊面日平均風速
3.4.2 風速逐日變化幅度 各下墊面變化斜率絕對值為:沙漠>戈壁>交錯帶>棉花地>玉米地(表5)。沙漠和戈壁由于地表單一光禿利于空氣的流動,風速的變化只受不穩(wěn)定的大氣候環(huán)境的影響,因而變幅較大,達到0.19,0.08,分別比玉米地地區(qū)高出18.7%,8.1%。交錯帶植被分布稀疏,對風的阻擋作用微弱,變幅也較大,為0.037 2。綠洲由于其內(nèi)部景觀空間分布的復雜性,對風的影響較大,導致其變幅小,玉米地和棉花地變化幅度相似,棉花地僅比玉米地高0.25%。這些都說明了綠洲在為生物生存提供較為穩(wěn)定的氣流環(huán)境方面起了獨特作用。3.4.3 風速垂直變化特征 沙漠、戈壁、交錯帶及玉米地、棉花地下墊面在50~200 c m高度的日平均風速均是沙漠>戈壁>交錯帶>棉花地>玉米地,并且都隨著高度的上升而逐漸增加,但變化幅度不同(圖7)。其中,交錯帶變化最大,其風速增加值為0.57 m/s,沙漠、戈壁、棉花地次之,分別為0.50,0.35,0.31 m/s,玉米地增加最小,僅0.06 m/s。棉花地0—50 c m風速小于玉米地,這是由于棉花地在0—50 c m的稠密度要高于玉米地,大大削弱了地表空氣運動。
表5 不同下墊面風速逐日變化趨勢斜率分布
圖7 不同下墊面風速垂直變化
五種下墊面在0—100 c m的高度上,風速增加幅度均較大,尤其以棉花地最為明顯,其風速增加了222.51%,這是由于棉花地地表風速基數(shù)最小,而到50 c m高度后則超過了棉花的生長高度,阻擋作用迅速減弱,風速增加較快。交錯帶、戈壁和沙漠次之,增加百分比分別為166.78%,37.93%,31.39%,其原因是交錯帶和沙漠、戈壁植被覆蓋較少,地表光禿單一,對空氣摩擦力小,風速變幅較大;而在玉米地,其稠密的植被覆蓋阻礙作用很強,十分不利于氣流的運動,且100 c m范圍內(nèi)仍為玉米的主體高度,導致風速的變化幅度最小,僅增加了3.02%。
3.5.1 日平均地溫 沙漠、戈壁、交錯帶的日平均地溫差距較小,均<1℃,且它們遠高于棉花地、玉米地的平均地溫(圖8),其中沙漠為26.2℃,分別是棉花地和玉米地的1.26倍、1.35倍。其原因一方面是,前三者特別是沙漠、戈壁地表主要是砂礫質(zhì)物質(zhì),比熱容小,吸收同樣的熱量,地溫增幅較大;另一方面,這三者地面光禿,地表直接接收了太陽輻射,使地面迅速升溫,并將能量向下傳遞,致使地溫較高。而綠洲地表則與之相反。
圖8 不同下墊面日平均地溫
3.5.2 地溫逐日變化幅度 表6顯示,各下墊面變化率絕對值為:玉米地<棉花地<交錯帶<戈壁<沙漠。綠洲地區(qū)遠低于交錯帶、戈壁、沙漠,其中玉米地分別為后者的46%,37%,33%。綠洲地區(qū)一方面由于植被覆蓋度較高,對太陽輻射有一定的反射、吸收作用,削弱了其對地表的直接影響,并對地面長波輻射有一定的阻擋作用,影響地表與外界能量的直接交換;另一方面,綠洲地表物質(zhì)比熱容較大,地溫變化緩和,不易受外界突變大氣環(huán)境的影響,因此玉米地、棉花地的變化率絕對值分別僅為0.256,0.354 9。而沙漠、戈壁由于地表光禿裸露,比熱容較小,直接受外界不穩(wěn)定大氣環(huán)境的影響,地溫易出現(xiàn)較大幅度變化。
表6 不同下墊面地溫逐日變化趨勢斜率分布
3.5.3 地溫垂直變化特征 在變化趨勢上,五種下墊面地溫的垂直分布均以地表的溫度最高,而后隨著土層深度的增加而降低(圖9)。由于下層土壤的主要熱源是地表,深度越大,所獲得的能量越少,地溫也就越低。在0—10 c m各下墊面地溫變化幅度較大,戈壁、交錯帶、棉花地、玉米地、沙漠降低溫度百分比分別為8.03%,4.63%,11.30%,13.31%,10.30%,而在10—40 c m各溫度增減百分比僅為2.01%,0.77%,1.22%,3.81%,8.72%。主要是因為土壤到達一定深度后(10 c m),因受地表溫度影響微弱,地溫變化幅度減小,較穩(wěn)定。
沙漠、戈壁與交錯帶地溫相差小,變化趨勢相近,而且都遠大于棉花地、玉米地同深度層的溫度,這與戈壁、交錯帶地表溫度高,向下傳遞的熱量多有直接關(guān)系。
圖9 不同下墊面地溫的垂直變化
3.6.1 日平均蒸發(fā)特征 各下墊面的多日平均蒸發(fā)量為:沙漠>交錯帶>戈壁>棉花地>玉米地,其中蒸發(fā)量最大的沙漠是蒸發(fā)量最小的玉米地的5.5倍,差距較大(圖10)。溫度、風以及地表性質(zhì)差異是影響蒸發(fā)的三大因素。沙漠、戈壁地表空曠,地表氣溫高,風速大,利于蒸發(fā)的進行。而綠洲植被覆蓋度高,內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜,與其它三者相比,溫度低,風速小,所以其蒸發(fā)量少。交錯帶植被覆蓋較少,植株高度較低,其下墊面性質(zhì)與沙漠、戈壁相似,所以蒸發(fā)也很強烈,比玉米地、棉花地分別多6.70,4.77 mm。
圖10 不同下墊面的蒸發(fā)特征值
3.6.2 晝夜變化特征 各下墊面的白天蒸發(fā)量遠大于夜間蒸發(fā)量,戈壁、玉米地、棉花地、交錯帶、沙漠晝夜蒸發(fā)量比值分別為:2.74,5.28,12.28,4.59,2.30(圖10)。夜間由于氣溫下降,各下墊面的蒸發(fā)都有所減弱,其中玉米地和棉花地下降率達到81%,91%,甚至蒸發(fā)量接近于0。而沙漠、戈壁、交錯帶由于其地表空曠,風速較大,蒸發(fā)量仍然較大。
將因土地類型的性質(zhì)差異而引起的各小氣候因素特征值及其變化幅度列入表7。
表7 不同下墊面小氣候因子特征值及其變化幅度
由表7可知,植被覆蓋較好的玉米地和棉花地的氣溫、風速、地溫等氣候因子及其變化幅度都最低,而相對濕度最高,蒸發(fā)最低,這都說明了在西北內(nèi)陸的極端干旱背景下,綠洲在降溫、保水、耐旱、防止風沙等方面起著獨特的作用,為生物的生長發(fā)育提供了一個良好的、較為穩(wěn)定的生態(tài)環(huán)境,成為極端干旱區(qū)大多數(shù)生物的最佳棲息地。
由于下墊面的光禿單一,沙漠和戈壁的各氣候因子及其變化幅度都極為相似,是氣溫較高、風速較大、蒸發(fā)強烈、濕度最低的地區(qū)。并且氣溫、風速、地溫等因子的變化幅度較大,氣候環(huán)境不穩(wěn)定,不利于生產(chǎn)生活。交錯帶由于植被稀疏,植株矮小,其各因子的特征值及其變化趨勢與沙漠、戈壁相似。
[1] 張一平,劉玉洪,馬友鑫,等.熱帶森林不同生長時期的小氣候特征[J].南京林業(yè)大學學報:自然科學版,2002,26(1):83-87.
[2] 王健,桑長青,何清.塔克拉瑪干沙漠公路中段兩側(cè)不同下墊面的小氣候分析[J].中國沙漠,2003,23(5):577-580.
[3] 鄧艷,蔣忠誠,藍芙寧,等.拉典型峰叢洼地生態(tài)系統(tǒng)中青岡林群落的小氣候特征比較[J].廣西科學,2004,11(3):236-242.
[4] 方文松,朱自璽,劉榮花,等.秸稈覆蓋農(nóng)田的小氣候特征和增產(chǎn)機理研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2009,27(6):123-128.
[5] 張穎,鄭西來,伍成成,等.遼河口蘆葦濕地蒸散試驗研究[J].水科學進展,2011,22(3):351-358.
[6] 楊恒山,劉江,張宏宇,等.不同播種方式下苜蓿與無芒雀麥人工草地的小氣候特征分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2009,30(2):175-179.
[7] 王巖,魏忠平,潘文利,等.遼河三角洲泥質(zhì)海岸防護林小氣候效益研究[J].水土保持研究,2011,18(4):65-73.
[8] 吳力立.城市森林小氣候?qū)χ袣夂虿▌拥捻憫?yīng)[J].南京林業(yè)大學學報:自然科學版,2011,35(2):43-46.
[9] 張明如,陳建新,俞蘸武,等.浙西山地森林小氣候變化特征及其對休閑旅游活動的影響[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學學報,2007,28(1):13-18.
[10] 司建華,馮起,張小由,等.荒漠河岸林胡楊和檉柳群落小氣候特征研究[J].中國沙漠,2005,25(5):668-674.
[11] 魏豐良,劉廷璽,張圣微,等.科爾沁沙地植被覆蓋變化及其與氣候因子的關(guān)系研究[J]水土保持研究,2012,19(3):254-258.
[12] 左洪超,胡隱樵.黑河地區(qū)綠洲和戈壁小氣候特征的季節(jié)變化及其對比分析[J].高原氣象,1994,13(3):246-254.
[13] 張強,周毅.敦煌綠洲夏季典型晴天地表輻射和能量平衡及小氣候特征[J].植物生態(tài)學報,2002,26(6):717-723.
[14] 徐麗萍,楊改河,馮永忠,等.黃土高原人工植被對局地小氣候影響的效應(yīng)研究[J].水土保持研究,2010,17(4):170-179.
[15] 謝余初,鞏杰,趙彩霞,等.干旱區(qū)綠洲土地利用變化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值響應(yīng):以甘肅省金塔縣為例[J].水土保持研究,2012,19(2):165-170.
[16] 丁建麗,張飛,塔西甫拉提·特依拜,等.新疆于田綠洲-荒漠脆弱帶時空演變及其調(diào)控方法研究[J].水土保持研究,2008,15(4):70-73.
[17] 馮起,司建華,張艷武,等.極端干旱地區(qū)綠洲小氣候特征及其生態(tài)意義[J].地理學報,2006,61(1):99-108.
[18] 熊黑鋼,韓茜.新疆綠洲可持續(xù)發(fā)展研究[M].北京:科學出版社,2008:120-122.