表层地温对植物替代互花米草措施的响应*

蒙宽宏 倪章华 何丛颖 李 璠 王吉涛

（宁波海洋研究院，浙江 宁波 315932）

互花米草（Spartina alterniflora）为禾本科米草属外来入侵植物，在沿海地区占据了大面积的滩涂区域，对当地原生生态系统产生较大影响[1-4]，当前对互花米草的生态后果评价、治理与控制等方面的研究日益成为当前的研究热点[5-11]。植物替代法是根据植物群落演替的自身规律，利用植物的种间竞争关系实现对互花米草群落生态空间的争夺，利用有生态和经济价值的植物取代外来入侵植物，是一种操作便捷、生态良好的技术措施[12-15]。在利用不同的植物群落进行互花米草生物替代治理时，由于地表覆盖物类型的改变势必引起地温的变化，而温度几乎影响到植物所有的生理生化过程，对植物的生长发育和种群扩散有着重要影响[16,17]，有研究表明在温度较高的情况下，温度的升高会减缓生物入侵的速度[18]。因此，对于互花米草治理后人工构建的不同类型植被替代群落的土壤温度，尤其是最为敏感的表层地温的响应的研究，对于进一步探索植物替代物种，以及群落配置模式具有一定的参考价值。

1 研究地点概况

研究地点位于浙江省宁波市北仑区梅山湾，位于我国东部沿海中段，杭州湾南侧，属于亚热带季风气候区，四季分明，雨量充沛，光照充足，气温适中。梅山湾为西南-东北走向的狭长型海湾，海湾总长11.5 km，宽度500～1 600 m，面积约为12 km2，水深多在5～10 m，土壤平均pH 8.83，平均盐度值为0.25%，近海侧的盐度稍高，距离海域越远盐度值越低，直至盐度为0。海湾两岸潮间带被互花米草占据，滩涂淤涨，植物生物多样性丧失，景观单调。

互花米草治理植物替代试验在梅山湾梅山岛侧靠近梅东大闸的岸滩开展，试验区总面积为2 hm2，试验开始时间为2019年4月底。

2 研究方法

2.1 试验地设置

将试验区西侧1 hm2面积区域设置为植物替代试验区，东侧1 hm2面积区域设置为对照区。

对植物替代试验区内的互花米草实施刈割处理，作为植物替代试验区，试验区长约100 m，宽约100 m，从中部将试验地分隔为乔木区和灌木区，其中乔木区位于向陆侧，灌木带位于向海侧，长度均为100 m，宽约40 m。乔木区、灌木区内再次进行带状分隔，以便栽植不同类型的植物。乔木区的栽植带又分别进行地膜覆盖和非地膜覆盖两种地表管理措施，分别即为乔木覆膜带和乔木非覆膜带。

2.2 植物栽植

乔木覆膜带共有7条，宽4 m，以2 m×2 m的株行距栽植2列乔木植物，栽植乡土植物乌桕，植物栽植后，用农用地膜覆盖地表；乔木非覆膜带共有10条，宽6 m，以2 m×2 m的株行距栽植2列乌桕；灌木带宽6 m，位置与乔木非覆膜带相衔接，以1 m×1 m的株行距栽植4列海滨木槿。

2.3 表层地温测定

在乔木覆膜带、乔木非覆膜带、灌木带、互花米草对照区，以及试验地内互花米草刈割后未栽植人工植被、由乡土植物自然恢复的空地4种位置分别埋入自计式温度计。采用的设备为美国产HOBO U22-001长时自记式温度计，埋深0～5 cm，设置测定时间间隔为0.5 h，开始日期为2020年10月，结束日期为2021年9月底。

表1 表层地温观测位置植被特征

2.4 气温数据

为结合气温数据进行分析，通过气象网站查询到当地2020年10～12月，2021年1～9月的气温数据。

3 结果与分析

3.1 月平均温度变化趋势

将记录到的12个月的温度数据进行处理，得到逐月平均温度变化情况（图1），3种植物替代栽植带、空地以及互花米草对照区的平均温度变化趋势基本一致，即最低温度均出现在1月份，观测到的平均最低温度值为7.74℃；除空地最高温度出现在7月外，各处观测到的最高温度出现在8月份，观测到的平均最高温度值为27.91℃。总体趋势为乔木覆膜带土壤表层各月份的平均温度均高于其他各处，空地表层地温均低于其他各处。在气温较低的月份，12月至次年3月，各位置间的表层地温相差不明显；气温较高的10月与11月，以及次年4～9月，各位置之间表层地温差异较为明显。

表2 表层地温观测同期每月气温数据

图1 不同位置表层地温逐月平均值图

将乔木覆膜带、乔木非覆膜带以及灌木带全年0.5 h表层地温数据进行平均，再进行组间对比分析。从图2可以看到，与互花米草对照区相比，3种植物替代栽植带除乔木非覆膜带在气温较低的12月和1月表层地温呈现小幅度的负增温状态之外（-0.26～-0.30℃），3种植物替代栽植带均呈现不同程度的正向增温状态；空地仅在2～7月表现出正向增温状态，其他月份则为负增温状态，负增温幅度高达-0.90℃。总体上的规律为大部分月份中乔木覆膜带的增温幅度要高于其他位置，空地大部分月份增温幅度最低，乔木非覆膜带与灌木带介于二者之间。

图2 不同试验措施条件下增温幅度逐月平均值图

乔木覆膜带增温幅度为0.00～1.76℃，全年中有9个月增温幅度超过0.50℃，有5个月增温幅度超过1.00℃；乔木非覆膜带的增温幅度为0.30～1.55℃，全年中有4个月增温幅度超过0.50℃，有3个月增温幅度超过1.0℃；灌木带增温幅度为0.00～1.76℃，全年有4个月增温幅度超过0.50℃，有3个月增温幅度超过1.00℃；空地的增温幅度为-0.90～1.14℃。

增温数据可以说明，当地表覆盖物类型改变（由互花米草群落改变为人工植被群落或空地）时，表层土壤从大气中接收到的温度传导的能力和接收温度后再度失温的能力有所不同。两处乔木带的表层土壤增温趋势几乎相同，除6月外，均保持了乔木覆膜带增温幅度高于乔木非覆膜带的状态。这反映了在相同的环境下，乔木覆膜带与乔木非覆膜带从大气中接收温度传导的能力基本一致，而乔木覆膜带在绝大部分月份中表层地温均高于乔木非覆膜带则表明了在地表覆盖地膜之后，有效减缓了土壤温度的丧失，使得表层土壤温度昼夜变化幅度小于乔木非覆膜带，这与一些学者的研究结论相吻合[19-21]。灌木带的增温趋势与两处乔木带近似，但在增温幅度的数值上表现为气温较低的10月至次年5月居于两处乔木带之间，而气温较高的次年6～9月则一直处于低于两处乔木带的状态。可以认为灌木带表层土壤在增温机制上与两处乔木带相似，但在高温天气条件下，表层土壤温度丧失速度较快，其原因可能是与郁闭条件最好的灌木带内强烈的蒸散作用将大量的温度随水分一同丧失。与3种植物替代林带以及互花米草对照区相比，空地的地被物数量少、盖度低，白天同样可以从空气中获得热量以增加表层土壤的温度，但由于缺乏致密地表覆盖又会迅速的失温导致增温幅度在全年大部分月份中均处于最低状态。7月是个特例，该月份空气温度维持在较高的数值（最高温度35℃），且昼夜温差较小（28～35℃），高温空气下的大气逆辐射阻碍了地面辐射的发生，有效的减缓了空地的失温情况。

3.2 日间平均温度变化趋势

将每日0.5 h记录的48个时间点温度进行全年统计分析，可以发现每日最低温度出现时间段集中在6:30～8:00，每日最高温度出现时间段集中在14:30～17:00。互花米草对照地与空地的最低温度值出现时间略晚，均出现在8:00；最高温度出现的时间段也稍晚，均在15:00（图3）。

图3 全年日间平均温度变化图

将乔木覆膜带、乔木非覆膜带以及灌木带全年0.5 h表层地温数据进行平均，再进行组间对比分析（图4）。可以看到3种植物替代措施对于表层地温有较大增温效果，且增温幅度均高于空地，增温幅度为0.30～1.31℃；空地则在不同时间段分别出现增温和负增温两种响应情况，最低降温为0.11℃，最高增温为0.28℃。在0:00～8:00时段，3种植物替代措施下表层地温均高于互花米草群落，增温幅度为0.5℃左右；空地的表层地温则低于互花米草群落，负增温幅度为0.1℃左右。8:00之后植物替代区域与空地温度均高于互花米草群落，同时又呈现不同的变化趋势。

图4 全年日间平均增温变化趋势图

乔木覆膜带的平均增温幅度为0.62～1.31℃，0:00～24:00随时间推移的变化趋势呈先低后高再逐渐降低的变化规律；0:00～5:00，随时间的推移温度值呈现逐步的小幅度降低趋势，增温幅度从0.62℃逐步降低至0.48℃；在5:00～7:00时间段内保持在0.47～0.48℃的范围，并在5:30～6:30维持在0.47℃的最低值；7:30增温幅度呈现急剧上升的状态，增温速度最快的9:00～10:30时段，增温速度超过0.20℃/h；至12:00时达到1.30℃，并在12:00～14:00时间段内保持在1.30～1.31℃；14:00后增温幅度逐步缓慢回落，23:30降低至0.62℃。

空地的增温幅度为-0.11～0.28℃，有13个小时（20:30至次日9:30）空地的表层地温低于互花米草群落。0:00～24:00时间段内，空地增温趋势与乔木覆膜带相似，亦先出现一个小幅度的降低，随后大幅度提高，增幅范围和时间点则有所不同。0:00～3:30，随时间的推移温度值呈现逐步的小幅度降低趋势，增温幅度从-0.04℃逐步降低至-0.09℃，在3:30～7:00时间段内维持在(-0.10±0.01)℃，并在5:30～6:30维持在-0.11℃的最低值；7:30～14:00，增幅小幅度提升，增温速度为0.03～0.08℃/h；14:00空地的增温幅度达到0.28℃的最高值，随后立即开始缓慢回落，至21:00增温幅度再次呈现负值。

乔木非覆膜带与灌木带的增温幅度及变化趋势相似，即最高增温时刻均出现在0:00，最低增温时刻均出现在14:00，在增温曲线上呈凹形状态。大部分时间段内，灌木带增温幅度均高于乔木非覆膜带，仅在19:30～20:30时段内略低于乔木非覆膜带（0.01℃）。

乔木非覆膜带的增温幅度为0.30～0.55℃，0:00～24:00随时间的推移变化趋势呈现先下降后上升的趋势。增温幅度最高的时刻出现在0:00，增温幅度为0.55℃；10:30之前的随着时间的推移而缓慢下降，下降速度均不超过0.01℃/h；11:00增温幅度开始快速降低，最高下降速度达0.06℃/h，至14:30降至全天最低的0.30℃；15:00开始增温幅度快速回升，最高上升速度亦达到0.6℃/h，19:30增温达到0.52℃，此后再次进入缓慢增加状态，20:00～23:00增温范围维持在(0.53±0.01)℃。

灌木带的增温幅度为0.42～0.55℃，0:00～24:00随时间推移的变化趋势亦呈先下降后上升的趋势。增温幅度最高的时刻出现在0:00，增温幅度为0.55℃，0:00～10:30随着时间的推移增温幅度基本无变化，总体上维持在(0.54±0.01)℃；11:00～14:00呈现明显的下降趋势，增温幅度从0.53℃下降至0.42℃，其中11:00～12:30下降速度较快，下降速度0.02～0.04℃/h，从0.53℃降至0.46℃，13:00～14:00维持在0.46℃，14:30出现一次明显的下降，达0.43℃的当日最低值，下降速度为0.05℃/h；13:00～23:00，增温幅度保持持续的小幅度上升状态，回升至0.54℃。

3.3 逐月0.5 h平均温度变化情况

将每日0.5 h记录的48个时间点温度进行逐月平均的统计分析，可以看到在不同的月份中表层地温的响应又有所不同（图5～图16）。

图5 1～12月份日间平均温度变化图

10月份，3种植物替代栽植带、空地以及互花米草的表层地温的平均每日0.5 h温度变化趋势基本一致，均为从0:00～7:30左右小幅度降低至最低点，此后以相对较快的速度回升，至14:30左右达到最高点，之后较为缓慢的下降。除温度最高的14:30和15:00之外，总体都保持了乔木覆膜带表层地温值最高，乔木非覆膜带与灌木带交替处于二三的位置，互花米草位居第三，空地最低。

11月份温度变化趋势与10月大致相同，亦呈先降后升再降的过程，乔木覆膜带表层地温最高，乔木非覆膜带与灌木带交替处于二三位置，互花米草在气温较高的时间段亦略高于前二者，时间段上比10月份长，从12:30持续至16:00，空地的表层地温依旧是最低的。

12月份温度变化趋势与前两月份亦大致相同，同样呈先降后升再降的过程。不同之处在于表层地温最高者在0:00～11:00，以及16:00之后出现在灌木带，11:00～16:00土壤温度最高者则为乔木覆膜带。总体上看，灌木带的温度最高，其次为互花米草、乔木覆膜带，之后为乔木非覆膜带，空地依旧最低。

1月份变化趋势同样呈先降后升再降的过程，与前者不同之处为气温达到最低点之后的升温速度极快，呈现陡增的状态，到达最高值之后的下降速度较升温速度有所减缓。不同之处在于，表层地温最高者在0:00～10:30，以及19:30之后出现在灌木带，10:30～19:00土壤温度最高者则为乔木覆膜带。在气温较高的14:00～17:30，空地的表层地温仅低于乔木非覆膜带，而高于其他位置。同样反映了在气温较低的状态下，地表植被越少，越有利于土壤温度的回升。乔木覆膜带表层地温在这个时段在最高位置，同样说明了地膜覆盖后有效的阻止了低温的丧失。

2月与3月的土壤数据呈现出与1月类似的规律。此时，由于致密的植被群落存在，使得互花米草接收大气逆辐射的能力受阻，表层土壤增温效果不佳，在大部分时间段中表层土壤温度值处于最低水平。

4月份气温与3月相比有较大程度的提升（日均温由8～17℃提高14～23℃），高温时段空地的增温效果逐渐减弱，而乔木覆膜带的升温与保温效果愈加明显。互花米草群落表层地温全天处于最低的水平。

5、6月份气温随着气温的进一步提升，前述的表层地温变化趋势规律总体上保持一致，而高温时段空地的增温效果进一步减弱，空地的表层地温仅略高于互花米草群落。

7月是全年气温最高的月份，日平均最高最低气温再次大幅度超过前三个月，使得在气温较高的时段空地的表层土壤增温趋势尤为显著，成为全年中唯一高于其他所有位置的月份。

8、9月份与7月不同之处是互花米草在全天的观测值均高于空地，且在高温时段的温度上升最快，处于仅次于乔木覆膜带的水平，空地依旧是最低。

4 结论与讨论

4.1 利用刈割的方式进行互花米草群落的清除，清除后栽植乔木、灌木形成人工植物带，并对乔木带进行覆膜与非覆膜两种处理。利用自计式温度计对乔木覆膜带、乔木非覆膜带、灌木带、空地以及互花米草对照区进行0.5 h 1次的连续的表层土壤温度监测，监测时长为1年。数据分析表明，总体上3种植物替代栽植带与空地以及互花米草群落的每月平均温度变化规律与气温变化基本一致。乔木覆膜带高于其他各处，空地最低。在气温较低的月份，各位置之间的表层地温相差不明显；气温较高的月份差异较为明显。3种植物替代栽植带均呈现不同程度的正向增温状态，空地仅在2～7月表现出正向增温状态，其他月份则为负增温状态。

4.2 3种植物替代措施对于表层地温有较大增温效果，且增温幅度均高于空地，其中大部分时间段均以乔木覆膜带最高，空地则在不同时间段分别出现增温和负增温两种响应情况。

4.3 表层土壤温度变化以及各措施的增温数据均表明良好的木本植被群落较互花米草群落有更加的升温优势，地表覆膜措施更可以进一步减缓表层土壤的温度丧失。

4.4 通过对表层地温的观测，证明了植被覆盖类型、地表覆盖类型的不同，导致表层地温的响应机制存在较大差异，总的趋势是人工构建的以木本植物组成的植被群落使得表层地温高于互花米草对照区，在地面覆盖的地膜的情况下增温效果更加明显。

土壤温度的增加对植物生长是有利的，因为提高了植物生长所需的活动积温、促进植物根的生长与植株发育，同时有学者研究证实温度的升高对于互花米草的扩散存在一定的抑制作用。在进行互花米草植物替代治理与抑制的工作中，可以进一步探索通过人工构建的替代植物群落促进土壤温度的提升的幅度以及对互花米草的抑制程度，为治理互花米草提供更精准的植物品种与群落构建措施。