沈運擴，董智，王麗琴，張志鵬，邵水仙

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)重點實驗室/泰山森林生態(tài)站，271018，山東泰安)

小氣候(microclimate)是指在相同的大氣候和 局地氣候范圍內(nèi)，由于地形、土壤和植被等下墊面構(gòu)造和特性的差異，引起水熱收支不同，從而形成的近地層特殊氣候［1］。小氣候的形成是植被與環(huán)境耦合作用的結(jié)果，是當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量的綜合反映［2］。德國于1924年建造的第一座森林觀測塔是國外對小氣候研究的開始［3］，而中國對小氣候的廣泛研究開始于江愛良等對橡膠林和防護林小氣候的研究［4］。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對城市、森林、草原、農(nóng)田、濕地、湖泊、海岸以及干旱區(qū)戈壁、綠洲、荒漠等地區(qū)不同樹種的小氣候進行了大量的研究［5-11］，但是對濱海鹽堿地人工林小氣候的研究很少見。近2年來，隨著霧霾天氣的日益嚴重，有關(guān)改良局地小氣候環(huán)境質(zhì)量的研究越來越多。

濱海鹽堿地的改良利用一直是國內(nèi)外研究熱點［12］，人工造林可以改變下墊面的植被狀況，是人工改造小氣候的一種有效措施［13］。白蠟(Fraxinus chinensis Roxb)是改良濱海鹽堿地的主要造林樹種，是為數(shù)不多的表現(xiàn)優(yōu)良的大喬木樹種，因此，研究白蠟林的小氣候效應(yīng)具有重要的意義。筆者利用HOBO小型自動氣象站對濱海鹽堿地白蠟人工林的小氣候效應(yīng)進行觀測，以期揭示白蠟人工林在動力、熱力效應(yīng)方面的變化，為濱海鹽堿地生態(tài)造林小氣候改善效應(yīng)的評價提供參考。

1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于山東省濱州市沾化縣西部的下洼鎮(zhèn)楊家營村，地理坐標為 E 118°02'7.0″，N 37°43'9.2″。地貌類型為黃河沖積平原淺平洼地，海拔1.6～2.4 m。研究區(qū)屬暖溫帶半干旱東亞季風(fēng)區(qū)，多年平均溫度12℃ ，平均降水量610.3 mm，降水多集中于6—9月，年蒸發(fā)量2 095.1 mm。多年平均日照時間2 699.2 h，日照率61%。多年平均風(fēng)速2.6 m/s，大風(fēng)時間每年21 d，多在3—5月發(fā)生。試驗區(qū)地勢平坦，土壤類型為鹽化潮土，土壤養(yǎng)分含量低，保水保肥性差，鹽堿程度嚴重，含鹽量0.3% ～1.0%，pH值＞7.5。試驗區(qū)為山東生態(tài)造林項目人工林營造區(qū)，造林樹種為白蠟，林齡4 a，平均樹高5.3 m，平均冠幅3.2 m×2.5 m，株行距2 m×3 m，造林密度約為1 666 株/hm2。

2 研究方法

2.1 觀測內(nèi)容

采用美國ONSET公司生產(chǎn)的HOBO小型自動氣象站(H21-001)以及北京長英科技生產(chǎn)的紐扣式溫度自動記錄儀(DS1921)，定位觀測2012年4—10月一個生長季白蠟林地與曠野的小氣候因子，研究白蠟林內(nèi)與曠野的動力效應(yīng)、熱力效應(yīng)與水文效應(yīng)的變化。觀測內(nèi)容包括空氣溫度、空氣相對濕度、風(fēng)速、太陽輻射、土壤溫度、土壤濕度等。為明確研究區(qū)小氣候的季節(jié)變化規(guī)律，季節(jié)劃分采用通用的氣象劃分法，即以公歷3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12—翌年2月為冬季。為更好地描述和分析各季節(jié)小氣候的典型變化，分別以4月、7月和10月的觀測數(shù)據(jù)代表春夏秋3季。

2.2 儀器布設(shè)及采樣間隔

在選定的白蠟人工林(造林面積0.5 hm2)林地中心和距離林緣20H(H表示防護林平均樹高)的曠野裸地，分別架設(shè)HOBO小型自動氣象站，并設(shè)3個重復(fù)，在離地面2 m高度處安裝輻射、大氣溫濕度、風(fēng)速等傳感器，進行太陽總輻射、大氣溫濕度、土壤溫濕度、風(fēng)速的定位觀測，其中，土壤濕度觀測值為0～20 cm的平均體積含水量，土壤溫度觀測0～20 cm深度平均土壤溫度。同時采用紐扣式溫度自動記錄儀分別測定0～10、10～20和20～30 cm的土溫。

所有觀測項目均為同期同步觀測，HOBO小型自動氣象站數(shù)據(jù)采集器設(shè)定為每15 s自動采集1次數(shù)據(jù)，紐扣式溫度自動記錄儀設(shè)定為每5 min自動采集1次數(shù)據(jù)，所記錄數(shù)據(jù)均為該時段的平均值。

2.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel2003和SPSS17.0對數(shù)據(jù)進行處理分析。在處理數(shù)據(jù)時，以曠野為參照點，采用林地內(nèi)外小氣候因子的對比分析法，用同期曠野小氣候因子減去林內(nèi)小氣候因子的差值來分析生態(tài)造林白蠟林地對濱海鹽堿地小氣候的影響。采用均值T檢驗(α=0.05)比較林內(nèi)外不同數(shù)據(jù)組差異，用Pearson相關(guān)系數(shù)評價不同氣象因子之間的相關(guān)關(guān)系。

式中:E為防風(fēng)效益，%;v為平均風(fēng)速，m/s;v0為曠野平均風(fēng)速，m/s。

3 結(jié)果與分析

3.1 熱力效應(yīng)

3.1.1 對太陽輻射的影響 太陽輻射是地球能量的總來源，也是氣候形成的總動力。在晴天全光照條件下，無論是林內(nèi)還是曠野，太陽輻射日變化均呈現(xiàn)倒U型曲線(圖1)。早晨太陽總輻射隨著太陽高度角的升高而增大，在12:00左右達到峰值，之后太陽總輻射逐步減小，至傍晚達到最低。各季節(jié)太陽輻射的日變化規(guī)律一致，均表現(xiàn)為林內(nèi)的總輻射強度始終顯著低于曠野(P＜0.05)，且輻射的日較差高于曠野。

對比各季節(jié)林內(nèi)曠野太陽總輻射的變化發(fā)現(xiàn)，曠野平均太陽輻射春季＞夏季＞秋季，而林內(nèi)平均太陽輻射春季＞秋季＞夏季，林內(nèi)夏季太陽總輻射顯著低于曠野，春、夏、秋3季太陽總輻射林內(nèi)比曠野平均降低23.2、361.0和76.5 W/m2，降低比例分別為4.1%、67.5%和21.4%。這說明林內(nèi)太陽輻射日變化不僅受到太陽高度角和大氣透明度的影響，更受到下墊面人工林冠層、葉面積和葉特性等因素的影響。在林木生長旺盛的夏季，由于冠層生長達到最大，濃密的冠層對太陽輻射產(chǎn)生強烈的反射，使得林內(nèi)的輻射總量減少。而春季由于新葉剛開始生長冠層尚未達到最大，冠層對總輻射的影響較小;至秋季則因部分葉片開始發(fā)黃脫落，冠層的反射功能隨之減弱，因而總輻射減少的幅度要小于夏季。

3.1.2 對氣溫的影響 由表1可知，林內(nèi)外空氣溫度日變化規(guī)律基本一致，08:00溫度開始上升，13:00—15:00達到峰值，而后溫度逐漸下降，整個日變化進程呈現(xiàn)一種單峰型曲線，這跟太陽總輻射日進程基本一致，但曲線峰值比太陽輻射延遲1～2 h。從一天內(nèi)林內(nèi)與曠野氣溫的變化來看，二者相差不大，平均在0.10～0.24℃，最大為0.40℃;且林內(nèi)曠野氣溫差在上午較大，隨著氣溫的升高，差值逐漸減小，在午后或傍晚溫度差值最小。整體上看，白蠟人工林對林內(nèi)、曠野的氣溫影響較明顯，這與其他觀測［14-15］一致。這可能是因為氣溫除受到林帶的影響外，還受天氣類型、風(fēng)力大小、亂流交換強弱的影響。

圖1 林分和曠野不同月份太陽輻射日變化Fig.1 Diurnal variation in solar radiation of forest and bare land in different months

從季節(jié)上來看，林內(nèi)外空氣溫度均呈現(xiàn)夏季＞秋季＞春季的規(guī)律;而且春季林內(nèi)外溫度差值為負值，即林內(nèi)溫度高于曠野，夏、秋季節(jié)溫度差值基本為正值，即林內(nèi)溫度低于曠野。從氣溫日變幅來看，夏季林內(nèi)小于曠野，春、秋季節(jié)林內(nèi)大于曠野。這說明白蠟人工林在春季大氣溫度較低的情況下發(fā)揮了保溫作用，在夏、秋季節(jié)在氣溫較高時起遮蔭降溫作用，緩和了空氣溫度的日變化。

表1 林內(nèi)和曠野不同月份空氣溫度日變化Tab.1 Diurnal variation in air temperature of forest and bare land in different months ℃

3.1.3 對土壤溫度的影響 由圖2可以看出，白蠟人工林對地溫的影響比氣溫明顯。由于白天太陽輻射熱量聚集在地表后逐漸向下傳輸，土壤溫度呈現(xiàn)出一定的日變化規(guī)律。在垂直梯度上，0～10 cm土層溫度呈現(xiàn)急速上升緩慢下降的趨勢，10～20 cm土層溫度則是緩慢上升的趨勢，20～30 cm土層溫度變化比較平緩(圖中線條密集，未在圖中標出)，土層越深，溫度達到峰值的時間越晚。不同土層日間溫度變幅隨土層深度的增加而下降，曠野土壤溫度日變幅大于林內(nèi)，0～10、10～20和20～30 cm土層土壤溫度日變幅林內(nèi)分別為4.2、2.5和1.3℃，曠野分別為7.8、3.0和1.4℃。

圖2 林內(nèi)和曠野不同月份土壤溫度日變化Fig.2 Diurnal variation in soil temperature of forest and bare land in different months

表2 林內(nèi)和曠野不同月份0～20 cm土壤溫度變化Tab.2 Diurnal variation in 0-20 cm soil temperature of forest and bare land in different months ℃

由于20～30 cm溫度變化相對較小，筆者對0～20 cm土層平均溫度進一步研究(表2)，發(fā)現(xiàn)0～20 cm土壤平均溫度表現(xiàn)為夏季＞春季＞秋季，土壤溫度日變化均表現(xiàn)為先增加后下降的趨勢，林內(nèi)土壤溫度在15:00左右達到最大值，曠野略有提前，曠野土壤溫度以及溫度日變幅均顯著高于林內(nèi)。由于白蠟樹冠的遮蔭效應(yīng)，使得到達林地上的太陽輻射減小，從而改變了林地表面的熱量狀況，造成了白天林內(nèi)土壤溫度低于曠野。

3.2 水文效應(yīng)

3.2.1 對空氣相對濕度的影響 由圖3可以看出，林內(nèi)外濕度日變化規(guī)律基本一致，呈現(xiàn)近U型曲線，08:00時最高，然后隨時間而降低，達到最低值而后逐漸增高，這與太陽輻射的日變化成相反的變化?？諝庀鄬穸攘謨?nèi)明顯高于曠野，而林內(nèi)空氣濕度日變幅也小于曠野。

從不同季節(jié)看，春、夏、秋3季空氣濕度最高值均出現(xiàn)在08:00左右，而最低值分別出現(xiàn)在15:00、14:00和13:00左右，平均空氣濕度表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季，春、夏、秋3季林內(nèi)外空氣濕度差值分別為10.36%、7.59%和18.61%，空氣濕度日變幅表現(xiàn)為秋季(57.3%)＞春季(26.5)＞夏季(24.0%)，高于陳佳瀛等［16］得出的夏、秋季林內(nèi)分別比曠野大4.4%和6.7%的結(jié)果。方差分析表明，林內(nèi)外之間存在顯著差異(P＜0.05)。由于白蠟人工林的遮蔭和阻風(fēng)作用，與曠野比較，林內(nèi)樹木和地表蒸發(fā)蒸騰出的水分能在近地表停留較長時間，從而增加空氣濕度，說明白蠟人工林具有良好的增濕效應(yīng)。

3.2.2 對土壤濕度的影響 土壤含水量的日變化雖小，但在一定程度上仍然可以反映部分土壤濕度變化特征。由圖4可知，無論是林內(nèi)還是曠野，0～20 cm土壤含水量日變化有波動但不明顯，0～20 cm土壤濕度季節(jié)差異顯著;但總體來看，曠野土壤含水量大于林內(nèi)，林內(nèi)外土壤濕度差值表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季，降低土壤濕度比例夏、秋、春3季分別為21.8%、17.0%和10.5%。

一般來說，林內(nèi)土壤濕度要比空曠地高;但是從以上結(jié)果可以看出，白蠟林根系的耗水作用強于林分的遮蔭保濕作用，導(dǎo)致0～20 cm的土壤水分含量有林地反而低于無林地。

3.3 動力效應(yīng)

白蠟人工林的動力效應(yīng)主要體現(xiàn)在對風(fēng)速的影響上。4—10月的風(fēng)速觀測表明，一天內(nèi)白蠟林內(nèi)平均風(fēng)速始終低于曠野，風(fēng)速日變幅曠野(1.55 m/s)大于林內(nèi)(0.88 m/s)(表3)，白蠟林的阻擋能明顯降低林內(nèi)風(fēng)速，防風(fēng)效益顯著(P＜0.05)且在一天內(nèi)比較穩(wěn)定。

圖3 不同月份空氣濕度日變化Fig.3 Diurnal variation of air humidity in different months

圖4 不同月份0～20 cm土壤濕度日變化Fig.4 Diurnal variation of 0-20 cm soil moisture in different months

從季節(jié)來看，風(fēng)速表現(xiàn)為春季＞夏季＞秋季，而防風(fēng)效益夏季最高，平均77.87%;秋季次之，平均59.72%;春季防風(fēng)效益最低，僅為9.54%。

濱海鹽堿地人工種植白蠟林后，改變了原來的地表性質(zhì)，增加了地表覆蓋度，提高了地表粗糙度。當(dāng)風(fēng)穿過林地時，大氣流被林木阻擋分割成很多小氣流，損失部分動能，小氣流一部分與樹干及枝葉摩擦，動能轉(zhuǎn)化為熱能，一部分搖曳枝干轉(zhuǎn)化為機械能，從而風(fēng)能總體減小，林內(nèi)風(fēng)速減弱。

經(jīng)分析，當(dāng)白蠟人工林枝葉生長完全(郁閉度穩(wěn)定)時，在測定風(fēng)速范圍內(nèi)，其降低風(fēng)速值與風(fēng)速的大小呈顯著的線性正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)R在0.9以上。圖5是匯總7月、8月、10月的觀測數(shù)據(jù)并去除零值所做的散點圖，其回歸方程為

表3 不同月份風(fēng)速觀測結(jié)果Tab.3 Observation of wind speed in different months m/s

圖5 白蠟林降低風(fēng)速的效應(yīng)Fig.5 Effect of reducind wind speed in Fraxinus chinensis

式中:y為林地降低的風(fēng)速值，m/s;x為曠野風(fēng)速，m/s。相關(guān)系數(shù)R為0.907 6，y的標準差為0.17。

3.4 小氣候因子相關(guān)性分析

對林內(nèi)太陽總輻射R、空氣溫度 ta、空氣濕度HA、土壤溫度ts、土壤濕度HS、風(fēng)速v這6個指標進行相關(guān)性分析。結(jié)果表明，各氣象因子兩兩之間極顯著相關(guān)(表4)，說明各因子之間相互影響、關(guān)系密切，其中風(fēng)速與太陽輻射為極顯著正相關(guān)，與其他小氣候因子為極顯著負相關(guān)，相關(guān)關(guān)系最好的為氣溫和土溫，相關(guān)系數(shù)達到0.946。

表4 林內(nèi)主要氣象因子相關(guān)性分析Tab.4 Correlation analysis among major microclimate factors in forest

4 結(jié)論

1)白蠟林具有良好的遮蔭效應(yīng)。林內(nèi)外的太陽總輻射日變化均呈倒U型曲線，春、夏、秋3季林內(nèi)比曠野分別降低了4.1%、67.5%和21.4%，遮蔭效果表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季。

2)白蠟林具有降低風(fēng)速的作用。夏季防風(fēng)效益最高(77.87%)，秋季次之(59.72%)，春季最小(9.54%)。說明白蠟林夏季防風(fēng)作用更強，當(dāng)白蠟林郁閉度穩(wěn)定時，其降低風(fēng)速的作用與風(fēng)速的大小呈顯著的線性正相關(guān)。

3)白蠟林地能降低表層土壤溫度。0～20 cm土壤溫度表現(xiàn)為夏季＞春季＞秋季，曠野土壤溫度以及溫度日變幅均顯著高于林內(nèi)，不同土層日間溫度變幅隨土層深度的增加而下降，而深層土壤溫度變化不明顯。白蠟林對土壤濕度也有一定的調(diào)節(jié)作用，曠野土壤含水量高于林內(nèi)，但土壤濕度日變化不明顯，林內(nèi)外土壤濕度差值表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季。

4)空氣溫度日變化為單峰型曲線，早晚低，正午高，整體上與太陽輻射變化一致，但峰值出現(xiàn)時間延遲1～2 h。春季林內(nèi)空氣溫度高于曠野，起保溫作用，夏季和秋季林內(nèi)溫度低于曠野，起遮蔭降溫作用，而氣溫日變幅林內(nèi)均小于曠野，溫度變化比曠野緩和。

5)白蠟林具有增加林內(nèi)空氣濕度的作用。空氣濕度日變化規(guī)律與太陽輻射相反，呈現(xiàn)近U型變化，空氣濕度日變幅表現(xiàn)為林內(nèi)＜曠野，平均空氣濕度表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季，林內(nèi)外平均差值春、夏、秋分別為10.36%、7.59%和18.61%。當(dāng)?shù)貧夂虮容^干燥，種植白蠟林能增加區(qū)域空氣濕度，從而改善人體舒適度和植物生長條件。

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