乌兰布和沙漠绿洲防护林体系小气候效应研究

罗凤敏，高君亮，辛智鸣，郝玉光，李新乐，段瑞兵

(内蒙古磴口荒漠生态系统国家定位观测研究站，乌兰布和沙漠综合治理国家长期科研基地，中国林业科学研究院沙漠林业实验中心,内蒙古 磴口 015200)

绿洲是干旱、半干旱地区特有的地理景观，在人类社会发展历程中的作用极为突出[1-3]。作为仅占中国绿洲面积3%～5%的干旱区绿洲，为区域内多于90%的居民创造了适宜生活和居住的环境，使其农业产值超过该地区产值的95%[4]。在景观、环境及功能等方面，干旱区绿洲都具有其独特性，并发挥着不可替代的作用。气候变化是影响生态系统服务的重要驱动因素，气温升高、降水变化、极端气候事件都会对生态系统产生很大的影响[5]。气候资源是绿洲赖以发展的最重要的再生资源，同时绿洲又会对气候的变化产生显著的影响[6]。乌兰布和沙漠是中国重要的沙源地之一，风沙灾害严重，沙漠呈东侵南扩趋势，影响其境内交通运输网络及水利设施发挥正常功能，威胁着绿洲的生态安全、农牧业发展和居民健康生活[7-8]。乌兰布和沙漠绿洲作为内蒙古自治区生态移民区，为减轻生态危困区人口压力、维持生态平衡、促进经济发展等方面做出了巨大的贡献[3]，与此同时，作为“三北工程”的重要组成部分，其对促进河套地区经济繁荣发展、减弱风沙灾害也发挥着重要作用。在防护林结构及防风效益[4,9-11]、降尘机理和减沙效应[12-15]等方面，众多学者开展了大量研究。然而，关于绿洲小气候方面的研究相对较少，已有的研究报道多是短时间序列的监测数据[5,16-17]。干旱区绿洲是经济繁荣发展的必要条件，而气候因子又对维持绿洲可持续发展起着至关重要的作用[18]。选取乌兰布和沙漠绿洲防护林体系内、外两个气象站36 a(1983—2018年)连续监测的气象数据进行了统计分析，研究大气温度、地表温度、相对湿度、降水量、蒸发量，以及风速的年、季和月变化特征，探讨绿洲内、外小气候差异的原因，分析乌兰布和沙漠绿洲防护林体系长时间序列的气候特征，以期更好地预测未来小气候的变化趋势和方向，进一步为绿洲防护林体系的经营及可持续发展奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于乌兰布和沙漠东北部、内蒙古磴口县境内(105°30′～107°0′E,40°0′～40°30′N)。该区域属于温带大陆性季风气候，夏、秋季受东南季风影响，冬、春季受西伯利亚-蒙古冷高压控制，干旱少雨，温湿同期，夏热冬冷，季节温差大；土壤主要以风沙土和沙壤土为主。研究区内主要分布有白刺(Nitrariatangutorum)、油蒿(Artemisiaordosica)、杨树(Populusspp.)、沙拐枣(Calligonumalaschanicum)以及梭梭(Haloxylonammodendron)等植物种[15,19]。本研究设置的2个观测点相距2.85 km。防护林内、外地貌及植被特征见图1、表1。

审图号：GS(2019)3333。图1 观测点位置图Fig.1 The location map of the observation plot

表1 防护林内外地貌及植被特征Table 1 The situations of observation spots inside and outside the oasis shelter forest

1.2 数据来源

各气象因子均根据中国气象局颁发的《地面气象观测规范》[20]的相关规定进行采集，观测时间为每日08:00、14:00、20:00(北京时间)，防护林内、外同时观测，现场实时记录。数据经极值检验、时间一致性检验、人工抽查均无误。

1.3 研究方法

统计研究区绿洲防护林内、外两座气象站36 a(1983—2018)逐天平均气温、平均地温(地表温度)、平均大气相对湿度、平均降水量、平均水面蒸发量和平均风速资料，求得月、季和年各气象因子的变化趋势及防护林内、外的差值。采用中国气象学上四季划分方法[21](春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12月至次年2月)，将36 a连续观测的各气象要素值用Exce1 2016整理，分析各季节环境因子均值、增长率及趋势系数，用Origin 8.0绘制各气象因子变化趋势图。

用气候倾向率和气候趋势系数表征防护林体系小气候效应。

1)气候倾向率用线性趋势回归方程表示[22]：

xi=a+bti，i=1，2，3，…，n。

(1)

式中：xi为样本量为n的气候变量，ti为xi所对应的时间，b为气候变量的倾向率，b>0为直线递增，b<0为直线递减，b×10为每10 a的变化率(本文中各气象因子均为每10 a的值，包括：气温和地温， ℃；相对湿度，%；降水量和蒸发量，mm；风速，m/s)。

2)气候趋势系数表示某气候要素长期变化趋势的方向和程度，其显著性用气候趋势系数(rxt)检验：

i=1，2，3，…，n。

(2)

式中：n为年数，逐年时间是递增序列；xi为第i年的要素值；x为要素平均值；t=(n+1)/2。

根据蒙特卡罗模拟方法[23]，通过信度α=0.1、0.05、0.01显著性检验所对应的相关系数临界值分别为0.306、0.365、0.443，气候趋势系数的绝对值大于上述临界值，表明气候趋势系数分别为较显著、显著、很显著。

2 结果与分析

2.1 绿洲防护林体系内、外小气候的年际变化

绿洲防护林体系内、外大气温度整体呈现上升的趋势(图2)。防护林内、外多年平均气温变化趋势线性方程分别为y=0.03x+7.89、y=0.03x+8.38，每10 a的气温变化倾向率分别为0.27、0.32 ℃，多年平均气温分别为8.40、9.00 ℃。

R1.防护林内的相关系数correlation coefficient in the shelter forest;R2.防护林外的相关系数correlation coefficient outside the shelterbelt。图2 绿洲防护林体系内、外气象因子的年际变化Fig.2 Inter-annual variation of meteorological factors for internal and external shelter forest

防护林内、外地表温度整体上呈现上升趋势。防护林内、外的多年平均地温变化趋势线性方程分别为y=0.03x-45.81、y=0.04x-59.16，每10 a的地温变化倾向率分别为0.28、0.36 ℃，多年平均地温分别为10.69、12.07 ℃。防护林内外相对湿度整体上呈现下降趋势，但变化幅度较为平缓。防护林内、外多年平均相对湿度变化趋势线性方程分别为y=-0.02x+95.19、y=-0.13x+312.89，每10 a相对湿度变化倾向率分别为-0.2%、-1.3%，多年平均相对湿度分别为53.17%、47.87%。防护林内、外降水量变化较为平缓，防护林内、外多年平均降水量变化趋势线性方程分别为y=0.39x-126.08、y=0.04x-103.78，每10 a降水量变化倾向率分别为1.8、2.5 mm，多年平均降水量分别为128.9、108.85 mm。防护林内、外蒸发量呈现下降趋势，防护林内、外多年平均蒸发量变化趋势线性方程分别为y=-4.25x+10 586、y=-7.843x+18 260，每10 a蒸发量变化倾向率分别为-42.5、-78.4 mm，多年平均蒸发量分别为2 092.72、2 571.35 mm。防护林内、外风速呈现下降趋势，防护林内、外多年平均风速变化趋势线性方程分别为y=-0.01x+19.29、y=-0.02x+40.85，每10 a风速变化倾向率分别为-0.1、-0.2 m/s，多年平均风速分别为2.63、3.69 m/s。

由防护林内、外环境因子差值可知(图3)，从整体趋势上分析，大气温度、地表温度、蒸发量和风速等指标防护林内低于林外，大气相对湿度和降水量则表现为防护林内高于林外。表明大规模的防护林体系能够使得大气温度降低0.2～1.6 ℃，地表温度降低0.10～5.49 ℃，相对湿度增加0.5%～18.6%，降水量增加0.50～100.7 mm，蒸发量降低18.4～1 282.8 mm，风速减小0.45～1.98 m/s。说明乌兰布和沙漠东北部绿洲防护林具有降温保湿作用，并且能够显著降低风速，因此可有效减轻风沙危害对绿洲内农作物的破坏。

图3 防护林内、外环境因子年际差值Fig.3 Inter-annual difference values of meteorological factors for internal and external shelter forest

2.2 绿洲防护林体系内、外小气候的年内变化

测定可知(图4)，防护林内、外的大气温度、地表温度、相对湿度、降水量和蒸发量年内变化均呈现先增加后降低的趋势，为单峰曲线，风速的年内变化曲线则为双峰曲线；大气温度、地表温度、蒸发量和风速表现为防护林内低于防护林外，而相对湿度和降水量则为防护林内高于防护林外。

图4 防护林内、外气象因子的年内变化Fig.4 Annual variation of meteorological factors for internal and external shelter forest

由图4可知，大气温度、地表温度和蒸发量均为7月达到最大值，防护林内、外大气温度分别为25.69、25.92 ℃，地表温度最大值分别为31.63、32.13 ℃，蒸发量分别为329.47、417.41 mm；相对湿度和降雨量分别在6月和8月达到最大值，防护林内、外相对湿度和降雨量最大值分别为60.53%、55.92%和35.46、26.01 mm；防护林内风速在4月达到最大值(3.43 m/s)，防护林外风速在5月达到最大值(4.19 m/s)。

由防护林内、外环境因子月份差值可知(图5)，从整体趋势上看，大气温度、地表温度、蒸发量和风速防护林内低于林外，大气相对湿度和降水量防护林内高于林外。大气温度和地表温度均是在冬季表现为防护林内大于防护林外，随着月份增加，防护林降温幅度逐渐增加，6月达到最大值，大气温度和地表温度降温幅度最大可达0.98 ℃和0.96 ℃。蒸发量差值随着月份的增加呈现先增加后降低的趋势，增加幅度最大值(87.93 mm)出现在夏季，防护林在降低林内温度的同时还能够增加湿度。降水量、大气相对湿度和风速差值变化特征吻合，在农作物和防护林生长季(5—9月)，防护林内降水量、大气相对湿度变化幅度较大，二者月均值可提高0.08～6.74 mm、0.47%～6.64%，风速减小0.54～0.97 m/s。

图5 防护林内、外环境因子月份差值Fig.5 Annual difference values of meteorological factors for internal and external shelter forest

以上结果表明绿洲防护林具有增温保湿作用，同时能够有效降低风速，减少蒸发，尤其在作物生长季特别明显，这不仅有利于减轻高温和风沙灾害对防护林内农作物及防护林的危害，同时对于防护林越冬也起着积极的作用。

2.3 绿洲防护林体系内、外小气候的季节变化

乌兰布和沙漠东北部防护林内、外的各环境因子具有明显的季节差异，大气温度、地表温度和蒸发量均为夏季最大，春季次之，冬季最小；降水量为夏季最大，秋季次之，冬季最小；大气相对湿度表现为冬季最大，秋季次之，春季最小；风速表现为春季最大，冬季次之，秋季最小，夏季与秋季较为接近(表2)。

由表2可知，防护林外四季温度和蒸发量增长率均大于林内。西北干旱区春、夏季风场易出现气旋式环流距平，近地层风速减弱，进而导致气温增暖低于地温；秋、冬季风场易出现反气旋式环流距平，寒潮活动减少，进而导致气温增暖高于地温。四季相对湿度均为林内高于林外；春、冬季降水量为降低趋势，且林外降低幅度较大，夏、秋季为增加趋势，降水增长率为春、夏季林内高于林外，秋、冬季为林内低于林外。防护林内、外四季风速均为减小趋势，且林内减小幅度高于林外，四季风速增长率均为林内低于林外。参考蒙特卡罗模拟方法[23]，防护林内、外夏季蒸发量和林内春季风速气候趋势系数很显著，防护林外冬季大气温度、秋季相对湿度、春季和冬季风速气候趋势系数显著，防护林内冬季大气温度、秋季相对湿度、秋季和冬季风速气候趋势系数较显著，防护林外春季和秋季大气温度及地表温度、冬季相对湿度气候趋势系数较显著。以上现象表明，防护林能够有效减少温度上升幅度，降低风速，增加降水和空气湿度，降低蒸发量，达到改善区域环境、控制农田风蚀的作用。

表2 绿洲防护林内外不同季节环境因子均值、增长率及趋势系数Table 2 Mean value and growth rate and tendency coefficient of environmental factors of various seasons

3 讨 论

绿洲是保障干旱地区居民正常生存、活动的重要区域，研究其气候效应对系统的可持续发展具有至关重要的意义[24]。20世纪以来，气候变暖已经是公认的事实，但是增温趋势及幅度存在区域差异[25]。1975年至今，全球平均气温每10 a升高0.2 ℃[26]，西北地区平均气温每10 a升高0.22 ℃[27]，且秋、冬季升温幅度最大[28]。中国西部地区降水量呈增加趋势，西北部最明显，每10 a增加3.2 mm[27]。随着土地利用方式的改变，耕地以及人工绿洲面积的增大导致气温升高速度加快[29]。乌兰布和沙漠东北部每10 a气温变化倾向率为0.27～0.32 ℃、地温变化倾向率为0.9～1.3 ℃、降水量变化倾向率为1.8～2.5 mm，这与西北地区气候向暖湿方向发展的结论一致[29-31]。本研究区降水量季节特征表现为春、冬季减少，夏、秋季增加，而民勤绿洲1953—2006年间的降水量则表现为春季增加幅度较大，秋、冬季略有增加，夏季减少[31]。由于区域不同，降水存在季节差异，本研究中每10 a风速变化倾向率为-0.1～-0.2 m/s、蒸发量变化倾向率为-42.5～-78.4 mm，随着风速的减小，空气中的水汽分子增多，水面蒸发量减小，这与在喀什地区的研究结论一致[32]。

绿洲防护林体系能够维持绿洲小气候的稳定，并降低自然灾害[33]。绿洲防护林内大气的“冷湿效应”使其上空形成冷湿气柱，林外沙漠大气的“暖干效应”使其上空形成热干气流，“冷湿效应”与“暖干效应”的相互作用形成局地环流，林外上空的热空气输送到防护林上空，形成逆温稳定层结构，林内凉湿空气得以保持，利于作物生长[34]。防护林对气流的阻挡影响空气热量传输，导致林内气温变化滞后于林外[35]。林内植物对太阳辐射能量的吸引以及反射导致空气吸收的太阳辐射能量减少，与此同时，植物的生长和蒸腾还要消耗大量的热能，加之防护林的遮光作用，因此春、夏和秋季防护林具有降温作用，而冬季具有保温作用，降温作用在植物生长季尤为明显[36]。作物生长季节，处于有叶期的防护林增强了对气流的阻挡作用，湍流交换的减弱使得风速降低，而处于无叶期的防护林内风速则会增大[10]。乌兰布和沙漠东北部绿洲防护林体系也存在夏季降温、冬季保温的效应，在春、夏、秋季能够降低气温，而冬季则会使防护林内气温升高，这与黑河流域的防护林小气候效应基本一致[37]，这种小气候利于植物越冬和免受高温伤害，在植物生长、营养物质积累和品质提高等方面均有重要的意义[38]。

林内气温低于林外会形成饱和水汽，林冠阻挡林内外空气的交换，加之风速的降低，林内向外扩散的水汽减少，导致林内空气相对湿度高于林外[35]。乌兰布和沙漠东北部绿洲防护林体系使得相对湿度增加0.5%～18.6%，蒸发量降低18.4～1 282.8 mm，这对于提高土壤含水量、抑制作物蒸腾起着积极作用，进而提高林内作物产量，长此以往还能改良土壤[38]。

陆面过程是引起气候变化的重要因子，主要通过下垫面反射率、土壤湿度及土壤热储量等3个方面影响天气变化[39]。气象因子之间相互关联且同步变化，蒸发量与风速、气温表现为正相关关系，与相对湿度、降水量表现为负相关关系[40]。太阳辐射是大气运动的动力来源，通过照射下垫面引起地表温度升高，而下垫面则通过发射长波辐射和释放感热、潜热将能量传递给大气，即太阳辐射是控制地表温度的能量来源，地面是大气的直接热源，因此气温是响应地表温度变化而变化的；蒸发是地表热量平衡及水循环的重要组成部分，其变化对全球降水和气候变化均有影响，蒸发通过抑制辐射向感热能量转化进而影响空气湿度和气温等气象要素；降水通过土壤湿度反馈机制和改变地表热量收支平衡对地温产生间接影响，其地表径流也会与气候产生相互影响[41]。风速通过地表热量动力作用对地温产生间接影响，蒸发通过影响地表热量平衡使土壤含水量间接影响地温变化，降水增加是全球显著变暖驱动水循环加剧的部分结果[42]。总而言之，气温可直接影响地温，降水会直接导致地温降低，平均风速越大，蒸发越剧烈，空气中的水汽分子越少，水汽压越小，相对湿度越小；地温变化与同期气温变化趋势一致，气温波动与太阳辐射在时间上保持一致，地温则明显滞后[43]。

当前，有很多学者围绕不同尺度上防护林的环境效益开展研究[4,44-46]，由于以网格形式分布于特定空间的林带在空间和时间尺度上具有极大异质性[40]，所以林带尺度上的研究方法无法应用到区域尺度上[47]，因此区域防护林体系的环境效益综合评价指标体系亟待研究。本研究利用绿洲防护林内、外36 a气象连续实测数据，在时间和空间上分析其小气候差异，但缺少植被、土壤等数据的支持，使得本次研究存在局限性。因此，未来的研究将侧重于将林网尺度的成果推演到多个林网甚至景观尺度，在时间尺度上利用插值方法建立模型[48]，综合植被、土壤、气候等因子[49]，以期得到简便有效的研究结果。

4 结 论

1983—2018年，乌兰布和沙漠绿洲防护林内、外的大气温度、地表温度和降水量整体呈上升趋势，相对湿度、蒸发量和风速整体呈下降趋势；大气温度、地表温度、蒸发量和风速林内低于林外，大气相对湿度和降水量林内高于林外。绿洲防护林体系能够使防护林内大气温度降低0.2～1.6 ℃，地表温度降低0.10～5.49 ℃，相对湿度增加0.5%～18.6%，降水量增加0.5～100.7 mm，蒸发量降低18.4～1 282.8 mm，风速减小0.45～1.98 m/s。

防护林内、外的大气温度、地表温度、相对湿度、降水量和蒸发量的年内变化规律均为先增加后降低，为单峰曲线，而风速的年内变化呈现出双峰趋势。在农作物和防护林生长季(5—9月)，林内降水量、大气相对湿度幅度较大，二者月均值可提高0.08～6.74 mm、0.47%～6.64%，风速减小0.54～0.97 m/s。

四季温度和蒸发量增长率均表现为防护林内低于林外，四季相对湿度均为林内高于林外，风速相反；降水增长率为春、夏季林内高于林外，秋、冬季为林内低于林外。防护林内、外夏季蒸发量、林内春季风速气候趋势系数很显著，防护林外冬季大气温度、秋季相对湿度、春季和冬季风速气候趋势系数显著。