黄土丘陵区人工刺槐林温湿度缓冲效应.pdf

第3 0卷第5期2 0 2 3年1 0月水土保持研究R e s e a r c ho fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 0,N o.5O c t.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 4-1 8 修回日期:2 0 2 2-0 6-0 8 资助项目:西部青年学者项目(X A B 2 0 2 0 YN 0 4);中国科学院战略性先导科技专项(X D A 2 0 0 4 0 2 0 2);国家自然科学基金项目(4 1 5 0 1 0 5 5);国家科技基础条件平台建设项目(2 0 0 5 D KA 3 2 3 0 0)第一作者:高原(1 9 9 7),男,山东济南人,硕士生,主要从事水土保持监测和植被恢复的研究。E-m a i l:g a o y u a n 2 0 1m a i l s.u c a s.a c.c n 通信作者:史海静(1 9 8 3),女,陕西扶风人,博士,副研究员,主要从事水土保持与科研信息化的研究。E-m a i l:s h i h a i j i n g c n n w a f u.e d u.c nh t t p:s t b c y j.p a p e r o n c e.o r gD O I:1 0.1 3 8 6 9/j.c n k i.r s w c.2 0 2 3.0 5.0 2 5.高原,史海静,丁成琴,等.黄土丘陵区人工刺槐林温湿度缓冲效应J.水土保持研究,2 0 2 3,3 0(5):1 7 5-1 8 3.GAOY u a n,S H IH a i j i n g,D I N GC h e n g q i n,e t a l.B u f f e r i n gE f f e c t o fA r t i f i c i a lR o b i n i ap s e u d o a c a c i aF o r e s t o nT e m p e r a t u r e a n dH u m i d i t y i nL o-e s sH i l l yR e g i o nJ.R e s e a r c ho fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,2 0 2 3,3 0(5):1 7 5-1 8 3.黄土丘陵区人工刺槐林温湿度缓冲效应高 原1,2,3,史海静1,2,丁成琴4,郑 诚5,姜艳敏1,2,张 艳1,2,3(1.中国科学院 教育部 水土保持与生态环境研究中心,陕西 杨凌7 1 2 1 0 0;2.中国科学院 水利部 水土保持研究所,陕西 杨凌7 1 2 1 0 0;3.中国科学院大学,北京1 0 0 0 4 9;4.西北农林科技大学 水土保持研究所,陕西 杨凌7 1 2 1 0 0;5.西北农林科技大学 草业与草原学院,陕西 杨凌7 1 2 1 0 0)摘 要:目的 研究黄土丘陵区人工刺槐林对环境温湿度的缓冲效应,探究不同时间尺度林带对环境气候的缓冲特点以及森林小气候效应与环境因素之间的关系,为黄土丘陵区的群落构建和植被恢复提供参考依据。方法 选取该区域同年建立的人工刺槐林和林外空旷地为研究对象,对气温、地表温度、土壤温度和空气相对湿度进行为期一年的连续监测,量化不同时间尺度人工刺槐林的温湿度缓冲效应。结果 林内气温、地表温度、土壤温度和相对湿度年均值分别低于林外0.1 3,0.9 9,0.9 2和0.1 6%。在一天中的1 4:0 01 6:0 0时段,林内气温、地表温度和土壤温度分别低于林外1.0 8,4.1 7和1.8 8,相对湿度高于林外2.7 2%;在5:0 07:0 0时段,林内气温和地表温度分别高于林外0.4 5和0.5 8,相对湿度低于林外1.8 0%。最热月(7月)林内气温、地表温度和土壤温度分别低于林外0.7 6,2.1 7和3.2 9,相对湿度高于林外1.6 7%;最冷月(1月)林内气温和土壤温度分别高于林外0.2 8和0.8 7,地表温度低于林外0.2 0,相对湿度低于林外1.1 6%。人工刺槐林的缓冲效应随环境气候变化表现不同,当林外气温、地表温度、土壤温度分别高于1 6.7 0,9.8 9和1.4 3时,人工刺槐林表现为降温作用,低于该温度则表现为升温作用;温度和缓冲值之间为一元三次方程关系,随着温度升高或降低,缓冲值的绝对值增大速率加快。结论 在人工刺槐林温湿度缓冲效应影响下,林内温湿度比林外更加稳定,形成了优于林外环境气候的独特小气候。关键词:温度;湿度;人工刺槐林;温湿度缓冲效应中图分类号:S 7 1 6 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 5-3 4 0 9(2 0 2 3)0 5-0 1 7 5-0 9B u f f e r i n gE f f e c t o fA r t i f i c i a lR o b i n i ap s e u d o a c a c i aF o r e s t o nT e m p e r a t u r ea n dH u m i d i t y i nL o e s sH i l l yR e g i o nGAOY u a n1,2,3,S H IH a i j i n g1,2,D I NGC h e n g q i n4,Z HE NGC h e n g5,J I ANGY a n m i n1,2,Z HANGY a n1,2,3(1.R e s e a r c hC e n t e ro fS o i la n dW a t e rC o n s e r v a t i o na n dE c o l o g i c a lE n v i r o n m e n t,C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e sa n dM i n i s t r yo fE d u c a t i o n,Y a n g l i n g,S h a a n x i7 1 2 1 0 0,C h i n a;2.I n s t i t u t eo fS o i la n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e sa n dM i n i s t r yo f W a t e rR e s o u r c e s,Y a n g l i n g,S h a a n x i7 1 2 1 0 0,C h i n a;3.U n i v e r s i t yo fC h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s,B e i j i n g1 0 0 0 4 9,C h i n a;4.I n s t i t u t eo fS o i la n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,N o r t h w e s tA&FU n i v e r s i t y,Y a n g l i n g,S h a a n x i7 1 2 1 0 0,C h i n a;5.C o l l e g e o fG r a s s l a n dA g r i c u l t u r e,N o r t h w e s tA&FU n i v e r s i t y,Y a n g l i n g,S h a a n x i7 1 2 1 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v eT h eb u f f e r i n ge f f e c to fa r t i f i c i a lR.p s e u d o a c a c i af o r e s to ne n v i r o n m e n t a l t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y i nt h e l o e s sh i l l ya r e aw a ss t u d i e d,a n dt h eb u f f e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so f f o r e s tb e l t so ne n v i r o n-m e n t a l c l i m a t ea td i f f e r e n tt i m es c a l e sa n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf o r e s tm i c r o c l i m a t ee f f e c ta n de n v i r o n-m e n t a l f a c t o r sw e r ee x p l o r e d,s oa s t op r o v i d er e f e r e n c e f o rc o mm u n i t yc o n s t r u c t i o na n dv e g e t a t i o nr e s t o r a-t i o n i nt h e l o e s sh i l l ya r e a.M e t h o d sT h ea r t i f i c i a lR.p s e u d o a c a c i af o r e s tp l a n t e d i nt h es a m ey e a r i nt h i sa r e aw a s t a k e na sa ne x a m p l e,a n da i r t e m p e r a t u r e(Ta),n e a rs u r f a c et e m p e r a t u r e(Tn s),s o i l t e m p e r a t u r e(Ts)a n da i rr e l a t i v eh u m i d i t y(RH)i n s i d ea n do u t s i d eo ft h ef o r e s tc o n t i n u o u s l yf o raw h o l ey e a rw e r em e a s u r e d.T h ec l i m a t eb u f f e r i n ge f f e c t so fa r t i f i c i a lR.p s e u d o a c a c i af o r e s t sa td i f f e r e n tt i m es c a l e sw e r eq u a n t i f i e d.R e s u l t sT h ea n n u a l a v e r a g eTa,Tn s,Tsa n dRHi nt h ef o r e s tw e r e l o w e rb y0.1 3,0.9 9,0.9 2a n d0.1 6%,r e s p e c t i v e l y,t h a nt h o s eo u t s i d eo f t h ef o r e s t.D u r i n g1 4:0 0t o1 6:0 0o fad a y,t h eTa,Tn sa n dTsi n s i d eo f t h e f o r e s tw e r e1.0 8,4.1 7a n d1.8 8l o w e r,r e s p e c t i v e l y,t h a nt h o s eo u t s i d eo f t h ef o r e s t,w h i l e t h eRHo fa i rw a s2.7 2%h i g h e r.D u r i n g5:0 0t o7:0 0,t h eTaa n dTn si n s i d eo f f o r e s tw e r e0.4 5a n d0.5 8 h i g h e r t h a nt h o s eo u t s i d eo f f o r e s t,r e s p e c t i v e l y,a n dt h eRH w a s1.8 0%l o w e r t h a nt h a to u t s i d eo f f o r e s t.T h eTa,Tn sa n dTsi n s i d eo f f o r e s tw e r el o w e rb y0.7 6,2.1 7 a n d3.2 9t h a nt h o s eo u t s i d eo f t h e f o r e s t i nJ u l y,r e s p e c t i v e l y,a n dt h eRH w a sh i g h e rb y1.6 7%,t h a nt h a to u t s i d eo f t h e f o r e s ti nJ u l y.I nJ a n u a r y,w h e ne x t r e m el o wt e m p e r a t u r eo c c u r r e d,t h eTaa n dTsi nt h ef o r e s tw e r e0.2 8 a n d0.8 7 h i g h e r,Tn sw a s0.2 0l o w e rt h a nt h o s eo u t s i d et h ef o r e s t,r e s p e c t i v e l y,a n dRH w a s1.1 6%l o w e rt h a n t h a t o u t s i d e t h e f o r e s t.T h eb u f f e r i n ge f f e c to f a r t i f i c i a lR.p s e u d o a c a c i af o r e s tv a r i e dw i t hc h a n g eo f e n v i r o n-m e n t a l c l i m a t e.W h e n t h eTa,Tn sa n dTso u t s i d e t h e f o r e s tw e r eh i g h e r t h a n1 6.7 0,9.8 9 a n d 1.4 3 r e s p e c t i v e-l y,t h eb u f f e r i n gv a l u ew a sp o s i t i v e(i n s i d e t h e f o r e s tw a sw a r m e r t h a no u t s i d e),w h i l et h e yw e r e l o w e r t h a nt h o s e,t h eb u f f e r i n gv a l u ew a sn e g a t i v e.T h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t e m p e r a t u r e a n db u f f e r i n gv a l u ew a s c u b i c.W i t ht h e i n c r e a s eo rd e c r e a s eo f t e m p e r a t u r e,t h ea b s o l u t ev a l u eo fb u f f e r i n gv a l u e i n c r e a s e da t a f a s t e r r a t e.C o n c l u s i o nT h e t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y i nt h e f o r e s tw e r em o r e s t a b l e t h a nt h a t t h o s eo u t s i d e t h e f o r e s tw i t ht h eb u f f e r i n ge f f e c to f a r t i f i c i a lR.p s e u d o a c a c i af o r e s t,f o r m i n gau n i q u em i c r o c l i m a t es u p e r i o rt ot h ee n v i r o n m e n t a l c l i m a t eo u t s i d e t h e f o r e s t.K e y w o r d s:t e m p e r a t u r e;h u m i d i t y;a r t i f i c i a lR.p s e u d o a c a c i af o r e s t;b u f f e r i n ge f f e c to nt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y 气候在微观尺度的变化受地形和植被覆盖影响1。由植被对环境气候缓冲形成的特殊局部林下气候称为森林小气候2。由于森林的存在,下垫面的特征发生改变,太阳辐射、水热等重新分配,因此林地内的温度和湿度与林外空旷地具有明显的差异3-4。主要表现为林内冬暖夏凉、夜暖昼凉、温度日较差较小、日间湿度增大、风速减小、辐射降低等特点5-7。小气候作为影响植被群落的主要环境特征之一,是植物群落与环境相互作用的结果8,其本身也会影响生态系统的结构与功能。研究森林小气候的形成机制以及特征,对于进一步实现群落构建和生态恢复具有重要意义。森林小气候系统性研究的快速发展时期始于2 0世纪中叶,各国建立了长期定位观测站,并借助更加先进的仪器,扩 大了小气候 观测 的 空 间 和 时 间 范围5。自2 0世纪9 0年代末以来,我国学者借助气象要素自动观测技术、3 S技术和生态系统定位研究网络,更好地实现了大范围尺度的森林小气候定量研究9-1 0。众多研究结果表明,由于森林自身特点和所处时段不同,林下小气候特点不尽相同8,1 1-1 2。孙金伟等6研究表明长白山阔叶红松林在生长季对温度和湿度的调节作用明显,在非生长季则不明显。张一平等8研究表明,热带森林在不同生长期(林窗期、建群期、成熟期)降温增湿作用各不相同,小气候要素也存在差异。L i等1 3在全球尺度上研究了森林的温度调节作用,结果表明,在热带、温带和寒温带表现有所不同。杨铭伦等1 4研究了不同海拔高度层次的小气候梯度特征,结果表明,近地面1.5m气温显著低于4 07 0m气温,土壤温度日较差和年较差随深度增加逐渐变小。陕北黄土丘陵地区由南向北横跨森林区、森林草原区和草原区,植被分布具有很好的代表性1 5-1 6。自2 0世纪末以来,黄土高原开展了大规模的退耕还林还草工程。刺槐(R o b i n i ap s e u d o a c a c i a)因生长快、易繁殖等优势成为黄土高原地区退耕还林、水土保持的先锋树种1 6-1 7,在黄土高原地区广泛种植。人工林发挥多种生态效益,形成具有独特物质、营养条件的不同于区域气候的小气候环境,这种小气候环境影响人工林群落结构的组成及物种类型的多样性,同时可为物种提供天然的“避难所”1 8-1 9。目前对该区人工刺槐林的研究多集中于水土保持、涵养水源、改良土壤等2 0方面,尚缺乏对植被与小气候关系的全面认识。在现有研究当中,定点监测研究多为小范围短期观测2 1-2 2,由于监测时间短,无法反映区域温湿度的长期变化特点以及人工林在不同时间尺度和温湿度条件下对气候缓冲的规律。大范围长期的研究多基于遥感数据2 3-2 4,限于遥感数据自身的特点,难以反映森林内部不同高度层次的气候条件。为此,本文以671 水 土 保 持 研 究 第3 0卷陕北黄土丘陵区退耕还林种植的人工刺槐林为研究对象,针对森林小气候和环境气候之间的差异,在不同的时间尺度上研究林带缓冲环境气候的特点,并探究森林小气候效应与环境因素之间的关系,旨在揭示黄土丘陵区人工刺槐林温湿度缓冲效应的规律,为该区的群落构建和植被恢复提供参考依据。1 研究地区与研究方法1.1 研究区概况研究区选在陕北黄土高原延河流域。延河是黄河的一级支流,发源于陕西省靖边县天赐湾乡,流经志丹县、安塞县和延安市等地区,于延长县南河沟乡注入黄河。延河流域地处陕北黄土高原中部,地理位置位于3 6 2 1 0 0 3 7 1 9 0 0 N,1 0 8 3 8 0 0 1 1 0 2 9 0 0 E,包括安塞、延长、宝塔三县(区)主体以及志丹、靖边两县部分地区,流域总面积77 2 5k m2。延河流域内地表破碎,梁、峁状地带占该流域总面积的约8 0%,流域内年平均气温8.8 01 0.2 0,四季分明,高温集中于6月8月份,低温集中于1 22月份,年平均降水量为5 2 0mm,雨热同期,集中于夏季,秋季次之,春季较少,冬季有少量降雪。延河流域是东南季风气候区与西北内陆气候区的交界地带,自东南向西北降水量逐渐减少,温度降低,植被分布呈现明显的地带性规律,横跨森林区、森林草原区和草原区,但因过去强烈的人类活动影响,该区自然植被破坏严重,水土流失剧烈,因而该区也是黄土高原水土保持与生态恢复重建的关键区域2 5。1.2 研究方法在延河流域内,根据“代表性、典型性和一致性”原则,选取多个退耕还林种植的刺槐林采样点。为研究刺槐对环境温湿度的缓冲作用,在各采样点内,选取退耕年限相近且生长状况良好的刺槐林地,并在林外不受刺槐林荫蔽影响的开阔地带上,选取具有相同坡向(阳坡)和坡位(坡上位)的对照样点,共测定刺槐样地1 2个,参照样地1 2个(图1)。图1 植被分区和采样点位置数据采集装置选用微型温湿度记录仪(i B u t t o n sD S 1 9 2 3)。选取直径1 0c m、高1 0c m、厚度1mm且侧面有多个圆形通风口的白色圆柱体P V C容器,将记录仪悬挂在容器中心位置,不与容器接触。容器能够防止记录仪被太阳直射,并保证空气流通。选用长度约1.5m的P V C管,将3个容器分别固定于P V C管的顶部和底部(顶部一个、底部两个),使其保持在一条轴线上。分别在林内和林外将P V C管底部下端的容器埋于土壤中,使3个记录仪保持垂直,分别处在地上1.5m、地表5c m和地下5c m的高度,用来记录空气、地表、土壤的温度和1.5m处的空气相对湿度。记录仪以8位或1 6位格式在8K B数据记录存储器中保存数据,数字温度计以8位(0.5)或1 1位(0.0 6 25)分辨率测量温度,-1 06 5范围内的温度精度优于0.5。内置湿度传感器实现温度与湿度的同步记录,每个传感器被设定为同时启动,测定时间间隔为1h,测定时间段为2 0 1 6年7月2 6日2 0 1 7年7月2 6日。1.3 数据处理与分析采用E x c e l 2 0 1 9和R对气象数据进行整理,排除因仪器故障造成的异常数据,选择数据保留完好的片段,采用线性内插法和查表法插补因异常排除的数据,用相同方法插补仪器更换间隔的缺失数据。计算不同时间尺度林内外温湿度均值、最值;为了更好地研究林带对极端温度的缓冲作用,我们选取温度最值的第9 5和第5百分位作为极端温度,并用温湿度日较差和标准差表示其变幅,来衡量温湿度变化的稳定性2 6(表1)。表1 参数和说明参数说明温度/相对湿度日均值温度/相对湿度在同一观测日(2 4h)的算术平均值极端高温/低温同一观测日温度最值的9 5/5分位数某时刻的温度/相对湿度某时刻所有观测日(3 6 6 d a y)温度/相对湿度的算术平均值温度/相对湿度变幅温度/相对湿度日较差;温度/相对湿度标准差温度/相对湿度缓冲值T=T林外-T林内,RH=RH林外-RH林内 将数据在E x c e l2 0 1 9中进行进一步整理,导入S P S S2 5.0进行描述统计、成对样本t检验、方差分析(A N O V A)、多重比较(D u n c a n)和曲线估算,运用O r i g i n2 0 2 2绘制图像。统计结果表示形式为均值标准差。771第5期 高原等:黄土丘陵区人工刺槐林温湿度缓冲效应2 结果与分析2.1 年尺度温湿变化和缓冲效应量化由图2可以看出,林内外的气温、地表温度和土壤温度均具有相似的变化趋势,表现为两端高中间低的“谷”状。高温季节为68月,林外和林内气温、地表温度和土壤温度极端高温分别为:4 3.0 5(2 0 1 7年7月1 0日)和3 9.1 0(2 0 1 7年7月1 2日);4 9.2 5(2 0 1 7年7月1 0日)和4 0.0(2 0 1 7年7月1 2日);3 7.1 3(2 0 1 6年8月1 2日)和3 1.9 2(2 0 1 6年9月4日)。低温季节为1 22月,林外和林内气温、地表温度和土壤温度极端低温分别为-1 9.7 2(2 0 1 7年1月2 0日)和-1 8.8 1(2 0 1 7年1月2 0日);-1 9.7 5(2 0 1 7年1月2 0日)和-1 8.2 0(2 0 1 7年1月2 0日);-6.7 2(2 0 1 7年1月2 0日)和-4.5 5(2 0 1 7年1月2 0)。相对湿度的均值全年集中于3 0.0 0%8 0.0 0%,夏秋两季湿度 较高,冬春较 低,林内外 最高相对湿度均接近1 0 0.0 0%,最低相对湿度集中在1 0.0 0%2 5.0 0%。人工刺槐林具有明显的温湿度缓冲效应,当林外极端高温出现时,同时期林内气温、地表温度和土壤温度分别低于林外5.9 5,1 6.2 1,9.5 4;当林外极端低温出现时,同时期林内气温、地表温度和土壤温度分别高于林外2.3 3,4.0 0,2.1 2。由表2可知,高温季节,人工刺槐林对气温和土壤温度的缓冲效应表现为正缓冲:2 0 1 6年71 0月以及2 0 1 7年57月,林内气温月均值分别低于林外0.7 7,0.7 2,0.3 5,0.0 7,0.1 8,0.5 8,0.7 5;2 0 1 6年71 0月以及2 0 1 7年47月,林内土壤 温 度 月 均 值 分 别 低 于 林 外3.7 2,3.3 9,2.1 1,0.4 8,0.4 1,2.0 2,2.9 9,2.8 6。低温季节则表现为升温作用:2 0 1 6年1 12 0 1 7年4月,林内气温月均值分别高于林外0.1 8,0.1 0,0.2 8,0.1 4,0.1 9,0.2 9;2 0 1 6年1 1次年3月,林内土壤温度月均值 分 别 高 于 林 外0.9 1,0.9 1,0.8 7,0.8 0,0.1 0。人工刺槐林对地表温度的缓冲作用全年主要表现为降温作用,高温季节明显,低温季节该效应降低,2 0 1 6年7月2 0 1 7年7月分别低于林外2.1 9,2.8 2,1.3 2,0.5 4,0.0 3,0.1 5,0.2 0,0.2 1,0.4 8,0.3 1,1.2 7,2.2 2,2.1 5。在高温夏季,林内相对湿度的月均值高于林外;2 0 1 6年78月,林内相对湿度的月均值分别高于林外2.7 5%和2.2 9%,2 0 1 7年78月,林内相对湿度的月均值分别高于林外0.5 9%和1.0 1%;在2 0 1 6年9月次年5月(除2 0 1 6年1 0月),林内相对湿度月均值均低于林外,其中1月差值最大,林内相对湿度低于林外1.1 6%。表2 逐月温湿度缓冲值月份 Ta/Tn s/Ts/RH/%7月0.7 72.1 93.7 2-2.7 58月0.7 22.8 23.3 9-2.2 99月0.3 51.3 22.1 10.1 91 0月0.0 70.5 40.4 8-0.2 11 1月-0.1 80.0 3-0.9 11.1 81 2月-0.1 00.1 5-0.9 10.7 31月-0.2 80.2 0-0.8 71.1 62月-0.1 40.2 1-0.8 00.7 73月-0.1 90.4 8-0.1 00.9 94月-0.2 90.3 10.4 11.0 25月0.1 81.2 72.0 20.4 56月0.5 82.2 22.9 9-0.5 97月0.7 52.1 52.8 6-1.0 12.2 日尺度温湿变化和缓冲效应量化人工刺槐林内外温度在所有观测日不同时刻呈趋势相似的单峰型日变化曲线,土壤温度变化相较于气温和地表温度表现出明显的时滞效应,迟滞2h左右(图3)。人工刺槐林在日间表现为降温和增湿:一年当中,日间(6:0 01 8:0 0)林内气温低于林外0.6 1,地表温度低于林外2.1 1,土壤温度低于林外1.0 1,相对湿度高于林外1.2 7%;在夜间则与日间相反,表现为升温和降湿,夜间(1 8:0 06:0 0)林内气温高于林外0.3 5,地表温度高于林外0.3 7,土壤温度则低于 林 外0.7 1,相 对 湿 度 低 于 林 外1.9 0%(表3)。一天中,极端高温出现在1 4:0 01 6:0 0,这一时段林外空旷地和林内气温分别为1 8.9 8和1 7.9 0,林内低于林外1.0 8;地表温度分别为2 3.1 5和1 8.9 8,林内低于林外4.1 7;土壤温度分别为1 6.8 7和1 4.9 9,林内低于林外1.8 8。在此之后温度开始下降,至5:0 07:0 0达到极端低温,林外空旷地和林内气温分别为4.3 4和4.7 9,林内高于林外0.4 5;地表温度为4.3 2和4.9 0,林内高于林外0.5 8;土壤温度为1 0.4 6和1 0.0 5,林内低于林外0.4 5;在温度较低的时段,人工刺槐林对土壤的缓冲效应仍表现为正缓冲,但降温的幅度有所减小,夜间3:0 0温度正缓冲效应达到最低,林内土壤温度低于林外0.1 7。一天中的高温时段空气相对湿度最低,在1 5:0 0前后林外空旷地和林内的空气相对湿度达到最低871 水 土 保 持 研 究 第3 0卷值,分别为3 8.6 9%和4 1.4 1%,林内高于林外2.7 2%;低温时段空气相对湿度最高,在7:0 0前后林外和林内的空气相对湿度达到最高值,分别为8 5.6 2%和8 3.8 2%,林内低于林外1.8 0%。图2 温湿度年内变化971第5期 高原等:黄土丘陵区人工刺槐林温湿度缓冲效应表3 日间和夜间温湿度缓冲值时段 Ta/Tn s/Ts/RH/%日间0.6 12.1 52.1 13.8 21.0 13.0 6-1.2 74.2 0夜间-0.3 51.3 4-0.1 31.6 10.8 22.0 61.5 93.2 32.3 人工刺槐林内外温湿度变幅比较由表4可知,在人工刺槐林的温湿度缓冲作用下,林内外温湿度均具有显著差异(p气温土壤温度,可以看出,在3种温度中,地表温度的变幅最大,土壤温度的变幅最小。表4 林内外年均温湿度和成对样本t检验温度类型林外林内tp值气温1 0.7 91 2.0 11 0.6 61 1.3 91 0.1 9 80.0 1地表温度1 1.7 31 3.4 11 0.7 41 1.6 04 3.3 8 90.0 1土壤温度1 3.0 01 0.8 91 2.0 89.0 35 4.7 3 90.0 1空气相对湿度6 3.6 42 8.2 16 3.4 82 7.2 93.7 5 20.0 1表5 林内外年均温湿度日较差参数林外林内tp值气温日较差1 6.2 55.8 21 4.4 65.3 91.9 60.0 1地表温度日较差2 0.7 27.5 71 5.3 16.0 45.7 80.0 1土壤温度日较差7.5 64.0 25.6 52.8 72.1 30.0 1空气相对湿度日较差5 4.3 31 6.9 64 9.3 81 6.2 25.4 60.0 1081 水 土 保 持 研 究 第3 0卷2.4 人工刺槐林在不同环境气候下的缓冲效应林外的气温、地表温度和土壤温度与人工刺槐林对相应温度的缓冲值之间均具有显著的正相关关系(p0.0 1),拟合的回归曲线为一元三次方程(图5)。其中:气温y=-0.2 9 1 8+0.0 0 6 9 0 9 8x-0.0 0 0 9 3 2 5 8x2+0.0 0 0 1 0 0 3 1x3(R2=0.4 4)地表温度y=-0.4 6 6 9+0.0 2 9 1x+0.0 0 0 8 1 3 8 2x2+0.0 0 0 1 0 4 2 0 x3(R2=0.6 7)土壤温度y=-0.9 1 5 7+0.0 4 1 1x+0.0 0 3 2 5 3 9x2+0.0 0 0 0 5 6 7 3 5x3(R2=0.8 1)林外的相对湿度与人工刺槐林对相对湿度的缓冲值之间具有显著的正相关关系(p0.0 1),但拟合模型的可靠性较低(R20.1)。图5 林外气候与人工刺槐林气候缓冲值的散点图和回归曲线 当林外的气温、地表温度、土壤温度分别达到1 6.7 0,9.8 9和1.4 3时,人工刺槐林对温度不具有缓冲作用;当环境温度高于上述值时,人工刺槐林对环境温度具有降温作用,且随环境温度升高缓冲值增加速率变快;当环境温度低于上述值时,人工刺槐林具有升温作用,随环境温度降低,缓冲值绝对值增加速率变快。由表5可以看出,人工刺槐林对气温、地表温度和土壤温度的缓冲值之间具有显著差异(p0.0 1),整体均表现为降温作用,其中对地表温度的降温最强(0.9 9),对土壤温度的降温作用与地表温度接近(0.9 2),对气温的降温作用最弱(0.1 3),林内外相对湿度整体接近持平。差值为0.1 6%。表5 不同类温度差值的单因素方差分析参数气温地表温度土壤温度Fp林内外温差0.1 31.2 10.9 92.7 60.9 22.1 1 4 3 7.4 4 50.0 13 讨 论植物冠层在日间吸收、散射和反射入射的太阳辐射,从而减少穿透冠层以下空气和土壤的能量,辐射衰减特征与群落结构密切相关2 7-2 8。夜间由于太阳辐射消失,辐射差额变为负值,森林的温度缓冲效应与白天方向相反2 9。森林具有温度缓冲效应主要是通过形成环境气候与林下小气候的屏障,一方面减弱林下小气候受到环境气候变化的影响,另一方面保持林内小气候的稳定性,从而达到减缓温度变化和保持温度恒定的效果3 0-3 1。陕北黄土丘陵区延河流域的人工刺槐林在日间1 6:0 0对气温和地表温度的降温作用最强,分别可以降低1.2 5和4.5 9,在夜间4:0 0,5:0 0对气温和地表温度的升温作 用最强,分别 可以升高0.6 5和0.6 1。该区人工刺槐林对气温和地表温度的缓冲作用主要表现为日间降温和夜间升温,这与P e n g等3 2的研究结论相符。在环境中的空气相对湿度较低时,林带具有增湿的作用,该区的人工刺槐林在1 3:0 0增湿效果达到峰值,增加空气相对湿度2.9 5%,而在空气湿度较高时,则具有降湿的作用,夜间1:0 0降湿效果最强,降低空气相对湿度达2.4 9%。181第5期 高原等:黄土丘陵区人工刺槐林温湿度缓冲效应由于森林植被的遮盖作用,林内地表和地表以下各深度处土壤温度与林外相比温差有所降低,温度变化不如林外剧烈3,且随着土层深度增加,各地被类型温度最大值出现的时间相应推迟。该区5c m深度处土壤温度相较于气温和地表温度变化迟滞约2h,就全天来看,该区的人工刺槐林对土壤温度的缓冲整体表现为降温作用,但夜间的降温效果远低于日间;在1 8:0 0降低土壤温度的作用最强,可以降低2.0 6,夜间3:0 0降温效果最弱,降低0.1 7。人工刺槐林的气候因子缓冲效应在一年之中具有不同的特点,在高温季节表现为明显的降温和增湿作用,7月林内气温、地表温度和土壤温度在分别低于林外0.7 7,2.1 9,3.7 2,空气相对湿度高于林外1.6 7%;在低温季节,刺槐林对气温和土壤温度整体为升温作用,