内蒙古高原荒漠区垫状锦鸡儿灌丛的微气候特征

内蒙古高原荒漠区垫状锦鸡儿灌丛的微气候特征
梅续芳;解李娜;刘哲;马成仓
【摘要】为了解内蒙古高原荒漠区垫状锦鸡儿灌丛对自身及灌丛周围微气候的影响,进而分析其在维持荒漠区生态系统结构和功能稳定中的作用,采用手持微气候仪测定灌丛内部、背风面、裸地(对照)的风速、温度和湿度等微气候指标.结果发现:垫状锦鸡儿灌丛降低了灌丛内部和背风面的风速,灌丛背风面的风速降低幅度大于灌丛中心;垫状锦鸡儿灌丛降低了灌丛内部和背风面的夏季午间温度,灌丛中心温度降幅大于灌丛背风面;垫状锦鸡儿灌丛提高了灌丛内部和背风面的湿度,灌丛中心湿度增幅大于灌丛背风面.垫状锦鸡儿灌丛改变微气候的效应随着灌丛体积的增大而增强,3个指标的变化与灌丛体积均呈线性正相关.由此可见,垫状锦鸡儿灌丛能够显著改善灌丛内部和背风面的微气候条件.
【期刊名称】《天津师范大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2016(036)004
【总页数】4页(P55-58)
【关键词】垫状锦鸡儿;灌丛;微气候;荒漠区
【作者】梅续芳;解李娜;刘哲;马成仓
【作者单位】天津师范大学生命科学学院,天津300387;天津师范大学天津市动植物抗性重点实验室,天津300387
【正文语种】中文
【中图分类】Q948
近年来，随着全球气候变化和人类活动尤其是过度放牧对草原植被影响的日趋加剧，灌丛化已成为全球草地生态系统的一个普遍现象[1].灌丛化斑块不仅引起灌丛内植物、动物、微生物多样性的增加，也引起灌丛内养分的富集，形成比周围环境更适宜的微气候区域[2-3]，其在维持草地生态系统结构和功能稳定中的作用越来越重要.内蒙古草原占我国国土总面积的十分之一，锦鸡儿属（Caragana）植物是该地区的常见灌木，其在整个内蒙古草原不断地扩展和聚集，最终形成了以锦鸡儿灌丛斑块占据优势的灌丛化草原生态系统[4-5].目前关于锦鸡儿灌丛环境岛效应的研究
主要集中在小叶锦鸡儿（C.microphylla），涵盖了小叶锦鸡儿灌丛对土壤水分[6]、降雨分布[7]、气流结构与风蚀[8]、资源分布[9]等的影响.垫状锦鸡儿（Caragana tibetica）也是锦鸡儿属
的重要物种，在内蒙古西部灌丛化草原中具有重要的生态作用.Zhang等[10]报道
了垫状锦鸡儿灌丛内外土壤的理化性质、土壤结构和土壤水分的差异.关于垫状锦
鸡儿灌丛微气候特征的研究尚未见报道.
植物微气候是指在大范围气候条件下，植被在植冠和地表层之间形成的特殊气候区，它由植物引起，反过来又会影响植物的生长发育，进而影响生态系统的结构与功能.不同种植物能形成不同的微气候，进而孕育出不同的生物群落.植物微气候的特点
可以通过湿度、温度和风速3个指标进行描述.有文献报道：豌豆（Pisum sativum）[11]、沙蒿（Artemisia desertorum）、油蒿（Artemisia ordosica）[12]灌丛具有明显降低风速的作用；胡杨（Populus euphratica）、柽柳（Tamarix ramosissima）[13]、天山云杉（Picea schrenkiana）[14]林内的大
气相对湿度均高于林外；Tsuyuzaki等[15]研究发现灌木树冠层可以显著降低灌丛内温度；Richard等[11]则发现豌豆（Pisum sativum）植丛内外温度没有明显差异.
本项研究测定垫状锦鸡儿灌丛内部和灌丛背风面的风速、温度和湿度等微气候指标，
揭示垫状锦鸡儿灌丛形成的微气候特点，并讨论这些微气候的生态效应，以便于全面了解垫状锦鸡儿灌丛在维持荒漠区生态系统结构和功能稳定中的作用.
1.1 自然概况
研究区域位于内蒙古自治区阿拉善左旗（105.34°E，37.87°N），海拔800～1 500 m，气候类型为典型的大陆性季风气候，属温带干旱荒漠区.该地区风沙大，干旱少雨，日照充足，蒸发强烈，年降雨量80～220 mm，年蒸发量2 900～3 300 mm，年日照时间3 096 h，年总辐射量628.1～669.9 kJ/cm2，年平均气温7.2℃，无霜期120～180 d.
1.2 研究方法
2013年7月份，在研究区域内设置100 m×100 m的样方，选取9个生长状况良好、立地条件一致（减少灌丛自身生长状况和环境对取样的影响）、大小具有梯度差异的垫状锦鸡儿灌丛作为研究对象.首先测量每个灌丛的周长和高度，计算灌丛体积.然后根据风向分别在裸地（无灌丛的地段，距离灌丛边缘5 m）、灌丛中心和灌丛背风面（距离灌丛边缘20～30 cm）放置3个kestrel4500手持微气候仪（美国Kestrel公司），距离地面20 cm.在中午11：00—12：00期间记录同一时刻3个手持微气候仪的风速、温度和湿度数据.
灌丛微气候的风速特征用灌丛与裸地风速差的百分比表示.灌丛中心风速差百分比（内裸差）=[（灌丛内风速-裸地风速）/裸地风速]×100%；灌丛背风面风速差百分比（背裸差）=[（灌丛背风面风速-裸地风速）/裸地风速]×100.灌丛微气候的温度特征用灌丛与裸地的温度差表示.灌丛中心温度差（内裸差）=灌丛内温度-裸地温度；灌丛背风面温度差（背裸差）=灌丛背风面温度-裸地温度.灌丛微气候的湿度特征用灌丛与裸地的湿度差表示.灌丛中心湿度差（内裸差）=灌丛内湿度-裸地湿度；灌丛背风面湿度差（背裸差）=灌丛背风面湿度-裸地湿度.
对风速、温度和湿度的变化值与灌丛体积进行相关分析，以此反映灌丛内微气候随
着灌丛体积增大的变化趋势.
2.1 垫状锦鸡儿灌丛对风速的影响
风速随垫状锦鸡儿灌丛体积的变化情况如图1所示.
从图1可以看出，灌丛风速的内裸差和背裸差均为负值，表明灌丛确实能降低风速.随着垫状锦鸡儿灌丛体积的增大，灌丛中心及背风面风速的降幅均增大，风速
差绝对值与灌丛体积间呈线性正相关，相关性具有高度统计学意义（P＜0.01）.灌丛中心风速依灌丛体积从小到大降低了约30%～95%，灌丛背风面风速降低了约42%～100%.由此可见，灌丛背风面风速的下降幅度大于灌丛中心.
2.2 垫状锦鸡儿灌丛对温度的影响
垫状锦鸡儿灌丛中心和背风面温度随灌丛体积的变化情况如图2所示.由图2可以
看出，垫状锦鸡儿灌丛在夏季午间的温度内裸差和背裸差均为负值，表明灌丛降低了其中心及周围的温度.灌丛中心和背风面温度的降幅随着灌丛体积的增大而增大，两者呈
线性正相关，相关性具有高度统计学意义（P＜0.01）.灌丛内温度随着灌丛体积从小到大降低了约1.3～4.9℃，灌丛背风面降低约1.3～3.9℃.由此可见，灌丛中心
的温度降幅大于灌丛背风面的降幅，且灌丛越大两者差异越显著.
2.3 垫状锦鸡儿灌丛对湿度的影响
垫状锦鸡儿灌丛中心和背风面湿度随灌丛体积的变化情况如图3所示.
从图3可以看出，垫状锦鸡儿灌丛湿度的内裸差和背裸差均为正值，表明灌丛可
以增加其中心和背风面的湿度.灌丛中心和灌丛背风面湿度的增幅随着灌丛体积的
增大而增大，两者均与灌丛体积存在线性正相关，相关性具有高度统计学意义（P ＜0.01）.灌丛中心湿度随灌丛体积从小到大增加了4.2%～7.5%，灌丛背风面湿
度增加了3.2%～5.8%.灌丛中心的湿度增加幅度显著大于灌丛背风面的增加幅度. 3.1 垫状锦鸡儿灌丛微气候形成的原因
内蒙古高原荒漠区夏季午间的气候特点是强辐射、高温、低湿及严重风蚀.本研究
发现垫状锦鸡儿灌丛可以有效减弱灌丛内的太阳辐射、降低风速、降低气温、保持空气湿度，形成与裸地差异显著的微气候，且这种效应随着灌丛体积的增大而逐渐增强.
以往研究表明灌丛具有明显降低风速的作用[11，15].垫状锦鸡儿灌丛能减小风速，这与其空间结构直接相关.垫状锦鸡儿灌丛高15～30 cm，株丛紧密，枝条短而密集，沙包的植物覆盖度达80%～90%，且侧向分枝较少，因此形成水平尺度较小、垂向发育相对旺盛的半球形灌丛[16].由于垫状锦鸡儿灌丛结构为紧密型，进入灌
丛内的气流受到枝叶阻挡，摩擦作用增大，使得气流分散[12]，因此达到了降低风速的作用.垫状锦鸡儿灌丛体积越大其减弱风速的作用越显著.这也与Hesp[17]得
出的植物冠幅越大其降低风速越明显的结论一致.灌丛背风面的风速减小幅度比灌
丛中心更大，进一步说明了灌丛具有明显降低风速的作用.温度方面，由于垫状锦
鸡儿植株冠层发育旺盛，能够阻挡中午强烈的太阳辐射，加之灌丛内植物的蒸腾降温作用，因此灌丛中心及周围的温度低于裸地温度，且灌丛中心的温度降幅比灌丛背风面的降幅更大.这些说明在太阳辐射强烈的中午，垫状锦鸡儿灌丛具有明显的
降温作用，这也是其能够很好适应高温环境的主要原因之一.湿度方面，由于垫状
锦鸡儿灌丛内风速减弱，午间温度较裸地低，植物蒸腾和土壤挥发的水蒸汽能够较长时间停留在近地面层空气中，加之冠层的庇荫作用，使得垫状锦鸡儿灌丛内和灌丛下风位置的空气湿度高于裸地，且此效应在灌丛中心比灌丛背风面更大.这说明
垫状锦鸡儿灌丛具有明显的增湿效应.
3.2 垫状锦鸡儿灌丛微气候的生态效应
灌丛内适宜的小气候环境有利于植物的生长发育[18-19].研究发现小叶锦鸡儿灌丛能够捕获和利用更多水分[20]以促进草本植物的生长[21]；Proe等[22]研究发现森林通过提高温度、减少风速影响林内植物的生长；Uesaka等[23]研究发现赖因氏
柳（Salix reinii）能够提高土壤水分，促进灌丛下草本植物的生长.垫状锦鸡儿灌
丛能够有效地降低风速，提供一个相对恒温、高湿度的小环境，这些不仅为灌木自身生长发育提供了有利条件，也为其他植物的生存繁衍创造了良好的微环境.微气
候环境的斑块性必然导致生物群落结构的异质性，这是荒漠区植物群落的结构特点.锦鸡儿属植
物通过灌丛微气候为干旱荒漠区生物群落的建成和稳定创造了条件，在维持当地生态系统结构和功能稳定中发挥了重要作用.
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