全 文 ：　第 10卷　第 3期 青　海　草　业 Vol.10 No.3
　2001年 9月 QINGHAI PRATACULTURE Sep.2001
文章编号:1008-1445(2001)03-0001-05
试验研究 矮嵩草(Kobresia humilis)草甸内架设开顶式增温小室对微气候的影响＊
周华坤1 ,师燕2 ,周兴民1 ,周立1 ,李英年1 ,沈振西1
(1.中科院西北高原生物研究所 ,青海　西宁　810001;
2.西宁市土地规划管理局 ,青海　西宁　810001)
摘　要:矮嵩草(Kobresia humilis)草甸内架设开顶式增温小室后 ,在牧草生长季节 ,增温小室内的气温平均
提高 1.47℃,土温平均提高 1.00℃,地表温度平均提高 1.54℃;增温小室外的湿度略高于其内部;增温小
室外的风速明显高于其内部;增温小室内外的太阳水平总辐射 、反射系数和极端温度差异不显著 ,但变化
趋势各有异同;增温小室的修建对地温与湿度间 、气温与空气湿度间的相关显著性有影响 ,对温度与其他
气候因子间的相关关系影响不大。
关键词:开顶式增温小室;微气候;矮嵩草草甸;影响
中图分类号:S812.1　　文献标识码:A
　　全球变化是当今生态学研究的三大热点之一 ,
而温室效应是全球变化对陆地生态系统影响的主
要研究内容 ,特别是高海拔 、高纬度地带的生态系
统对全球变化最敏感[ 1、2] ,已是生态学家研究的热
点 ,并取得了一批重要的成果[ 3、4] 。
高寒草甸(alpine meadow)广泛分布于青藏高原
东部和亚洲中部的高山上 ,是青藏高原和高山寒冷
中湿气候的产物 ,是典型的高原地带性和山地垂直
地带性植被[ 5] 。以寒冷中生短根茎地下芽嵩草
(Kobresia)为建群种所构成的植物群落为高寒草甸
的主要类型。组成高寒草甸的植物种类比较丰富 ,
约有 800余种 ,其中矮嵩草(Kobresia humils)草甸在
高寒草甸中占有很大比例 ,分布于排水良好的滩地
和山地阳坡 ,是发展草地畜牧业的重要基地。在高
原和高山极端环境影响下所形成的高寒草甸生态
系统极其脆弱 ,对人类干扰和由于温室效应引起的
全球气候变化极其敏感 ,对这些干扰和变化的响应
具超前性 。
我国对青藏高原生态系统在全球变暖方面的
研究始于 90年代初期 ,大部分研究是利用地理信
息系统(Geographic Information System ,GIS)或数学模
拟的方法来模拟全球变暖对生态系统所带来的可
能影响 ,而缺乏实验证据 。中科院西北高原生物研
究所海北定位研究站与美国加州大学合作 ,在国内
率先采用国际冻原计划(International Tundra EXperi-
ment , ITEX)模拟温室效应对植被影响的方法[ 6] ,在
矮嵩草草甸内架设开顶式增温小室(Open -Top
Chambers , OTC ,),测定了矮嵩草草甸内的微气候 、
物候 、群落结构 、营养 、土壤和地上生物量的变化规
律 ,以探讨高寒草甸对增温效应的反应 ,为预测全
球气候变化对高寒草甸植被的影响以及高寒草甸
对全球气候变化的反应与反馈提供科学依据 。其
中一些研究结果已有报道[ 7] ,本文是对增温小室内
外微气候变化规律的初步总结 ,为全球气候变化对
高寒草甸生态系统的影响提供基础参数 ,并对畜牧
业管理和生产起指导作用。
1　研究地点 、材料和方法
研究样地选在中国科学院海北高寒草甸生态
收稿日期:2001-05-23
＊基金项目:中科院“九五”重大及特别支持项目(KZ951-A1-204 , KZ951-A1-301 , KZ95T-04 , KT95T-06)、国家基础研究
规划项目(1998040800)和中科院海北高寒草甸生态系统开放站基金资助
1
青海草业　　2001年　　第 10卷　第 3期
系统定位站站区地势平坦 、植被分布均匀的矮嵩草
草甸内 。该地区的自然状况和气候状况已有专文
报道[ 8、9] 。1997年 8月～ 9月选择样地并设置小型
温室 ,1998年 4月 ～ 10月进行有关参数的测定。
开顶式增温小室(图 1)是用美国产玻璃纤维
(glass fiber)制成的圆台体 , 顶部敞开 , 基面积 1.
66m2 ,顶面积 0.77m2 ,高度为 0.4m 。样地面积 30m
×30m ,以铁丝网围栏做保护。样地内随机设置 2
×4个样圆 ,分两种处理 ,温室和对照 ,四次重复。
图 1　圆台形开顶式增温小室
Figl　The figure of Open Top Chambers
微气候指在局地内 ,因下垫面条件影响而形成
的与大气候不同的贴地层和土壤上层气候 ,这种气
候的特点主要表现在个别气象要素 、个别天气现象
的差异上 ,如温湿度 、风 、降雨等[ 10] 。由于本试验
所采用的玻璃纤维系透明材料 ,修建的温室顶部敞
开 ,故我们认为与对照相比 ,修建温室不影响降雨
量和日照时数 ,所以降雨量和日照时数以本站同期
记录为准 ,不包含在下述测项中。
每月上 、中 、下旬选择三个晴天 , 10:00 ～ 18:00
间两小时测一次温度 、空气相对湿度 、风速 、光辐射
等微气候因子 , 10:00 ～ 11:00 间取土样测土壤湿
度。
1.1　温度测定
距地表 5cm 、10cm 、20cm 处分别架设温度计 ,
遮阳伞遮挡阳光 ,获取气温;用地表温度计测地表
温度;用曲管地温表测 5cm、10cm、15cm 和 20cm 深
处的地温。上述仪器在温室 、对照样圆内分别设
置 ,同时测定 。
1.2　湿度测定
用土钻法取样 ,测对照 、温室处理下的土壤湿
度 , 测定土深分 4 个层次:距地表依次为 5cm 、
10cm 、15cm和20cm 。用阿斯曼通风干湿表测对照 、
温室处理距地表 20cm 处的空气湿度。
1.3　风速测定
用 DEM6型天津气象海洋仪器厂制造的三杯
风向风速表测定对照 、温室处理中的风速 ,测定高
度为离地表 20cm 、30cm、40cm 。
1.4　光辐射测定
用 Li-188B 型光辐射仪测定对照 、温室处理
中的光辐射(水平总辐射 、反射辐射),并计算反射
系数[ 11] ,测定高度为距地表20cm 。反射系数( p)公
式如下: p=sr/ st其中 p为反照率(albedo)或反射系
数 , st为水平表面的辐射通量 , sr为反射辐射通量。
1.5　极端温度测定
在对照 、温室样圆中水平放置最高温度表和最
低温度表 ,每月选择 6 ～ 8个昼夜 ,测地表极端最高
温度和极端最低温度。
2　观测结果分析与讨论
2.1　温度变化
增温小室内的气温 、地表温度与地温比对照平
均提高 1℃以上(表 1),而月间增温幅度不一致 ,呈
现一定的季节性变化规律 , 如 5cm～ 10cm 的地温
表 1 温差月间动态(℃)
Table1　The dynamics of temperature difference monthly(℃)
地　　温 气　　温 地表温度
5cm 10cm 15cm 20cm 平均值 5cm 10cm 20cm 平均值 0cm
4月 0.85 0.95 0.30 0.31 0.61 1.23 1.94 1.75 1.64 3.71
5月 0.79 0.48 0.00 -0.07 0.27 1.94 2.07 1.87 1.96 1.86
6月 0.95 0.56 0.03 -0.02 0.38 1.47 2.15 1.38 1.67 2.02
7月 1.13 1.40 0.21 0.57 0.85 2.75 1.07 1.25 1.69 0.27
8月 2.53 2.65 1.93 1.43 2.18 1.14 1.06 1.33 1.18 0.93
9月 2.80 1.89 1.21 0.85 1.71 0.63 0.62 0.75 0.67 0.58
平均值 0.50 1.50 0.66 0.50 1.00 1.53 1.481 1.38 1.47 1.54
T检查 T=4.576 T=5.382 T=2.722 T=2.766 T=4.302 T=3.776 T=5.124 T=4.217 T=4.633 T=2.534(n=18) p<0.01 p<0.01 p<0.05 p<0.05 p<0.01 p<0.01 p<0.01 p<0.01 p<0.01 p<0.05
　温差=温室-对照 The difference at temperature is the one that the temperature of house minus of control plots.
2
　　矮嵩草(Kobresia humilis)草甸内架设开顶式增温小室对微气候的影响 周华坤等
温差在 4 、5 、6三个月小 ,一般在 0.48℃～ 0.98℃之
间 ,8月最大 ,达 2.53℃～ 2.63℃;5cm ～ 20cm 的气
温温差在春季较大 ,一般在 1.23℃～ 2.15℃之间 ,
以后随时间进程而减小。温差不仅有季节性变化 ,
而且在不同高度(或不同深度)也有所不同 ,从地表
到一定深度 ,温差逐渐降低;从地表到一定高度 ,温
差较不规则 ,但总的来讲是逐渐降低的 。本模拟试
验导致的增温量在高海拔的西欧过去 15年内报道
的温度升高的范围内[ 12]和苔原生境下未来 50年
CO2浓度翻倍所预测的温度升高的范围内[ 13] ,说
明模拟温室效应的效果良好。
2.2　湿度变化
由表 2可以看出:5cm 处土壤含水量变化不规
则 ,其中 4 、5 、6月温室内的土壤含水量大于对照 ,
表 2 土壤含水量(%)月间动态
Tab2　The varies of soil water content
monthly(%)
土深 处理 4月 5月 6月 7月 8月 9月 X±S.D
5cm
对照
温室
41.03
42.11
35.72
36.73
39.48
39.55
40.26
35.08
42.55
38.63
36.22
34.26
39.21±2.71
37.73±2.95
10cm
对照
温室
31.73
30.74
30.72
26.85
28.31
28.32
28.74
25.76
32.47
28.19
27.62
26.62
29.93±1.99
27.75±1.76
15cm
对照
温室
29.17
28.02
27.06
25.76
26.54
25.75
26.57
24.88
29.51
26.72
25.90
24.98
27.46±1.51
26.02±1.18
20cm
对照
温室
28.89
27.53
27.12
26.86
26.47
25.30
26.61
25.90
28.50
26.28
25.22
24.71
27.14±1.37
26.07±1.00
这是因为 6月底以前 ,海北地区的土壤处于冻结状
态 ,温室内温度较高 ,土壤消融较早 ,下层水分不断
以毛管水形式向地表输送 ,造成地表含水量增多 ,
而7月以后 ,土壤深层水很难上升到地表 ,所以 7 、
8 、9 月 5cm 处以及 10cm 、15cm 、20cm 处 ,对照中的
土壤含水量稳定地大于温室 ,这也与温室的修建多
少影响了室内土壤表层对水分的获取有关。从上
到下 ,土壤含水量逐渐下降 ,各月的这种趋势均一
致。总的来说 ,近地表层(0cm ～ 20cm)的土壤含水
量均为对照略大于温室 ,而二者间的差异在统计意
义上不显著(p>0.05 ,n=12)。
由表 3看出 ,距地表 20cm 处的相对湿度在温
室 、对照间高低变化不等 ,呈现出无规律性 ,而差异
不显著(n=10 , p>0.05)。平均而言 ,对照内的相
对湿度略高于温室 ,这是由于温室的修建影响了近
地表层的空气湍流[ 10] 、热量与水汽的散失等 。
表 3 温室内外的空气相对湿度(%)
Tab3　 The air relative humidity in and out
of greenhouse(%)
日期 98.4.18 98.5.19 98.6.2 98.6.18 98.7.21 X±S.D
对照温室 30.6728.30 44.8644.57 71.2976.36 84.8380.67 75.1277.09 70.80±18.2170.19±18.54
日期 98.8.4 98.8.13 98.9.3 98.9.4 98.9.12
对照温室 81.6083.60 82.8079.80 82.0082.33 73.5771.43 79.2979.29
2.3　风速变化
不论温室与对照 ,近地表层内 ,从低到高风速
都有递增的趋势(表 4)。温室内风速明显降低(表
4),与对照相比差异极其显著(n=13 , p<0.001)。
正因为温室的阻挡作用 ,室内空气湍流明显减弱 、
风速降低 ,使热量不易散失 ,起了聚热作用 ,加之玻
璃纤维被太阳辐射中的红外线穿透的能力较
好[ 14] ,所以温室内温度提高成为了必然 。
表 4 温室内外的风速(m/ s)
Tab4　The wind speed in and out of greenhouse(m/ s)
高度(cm) 98.4.18 98.4.24 98.5.19 98.5.26 98.6.2 98.6.18 98.7.10
温室 2030
40
0.014
0.23
0.47
0.014
0.13
0.34
0.086
0.17
0.20
0.00
0.00
0.11
0.00
0.029
0.13
0.00
0.00
0.057
0.00
0.057
0.26
对照 1 2030
40
0.94
1.38
1.57
0.80
1.64
1.86
0.51
0.60
0.96
0.71
1.00
1.20
0.61
0.91
1.16
0.086
0.21
0.37
0.33
0.56
0.86
98.7.21 98.8.5 98.8.13 98.9.3 98.9.4 98.9.12 X±S.D
温室 2030
40
0.00
0.00
0.20
0.00
0.00
0.17
0.00
0.14
0.46
0.00
0.033
0.15
0.00
0.00
0.057
0.00
0.057
0.26
0.0088±0.024
0.065±0.077
0.22±0.15
对照 2030
40
0.33
0.63
0.90
0.18
0.38
0.60
0.42
0.74
1.16
0.15
0.37
0.58
0.071
0.26
0.44
0.31
0.61
0.94
0.42±0.28
0.71±0.43
0.97±0.43
3
青海草业　　2001年　　第 10卷　第 3期
2.4　太阳辐射与反射系数的变化
经T 检验 , 4月 ～ 9月内对照与温室间的水平
总辐射和反射系数(表 5)差异不显著(p>0.05 , n
=6)。水平总辐射对照略高于温室 ,均于 7月达到
表 5 水平总辐射(W/m2)和反射系数月间动态
Tab5　The horizontal total radiation(w/m2)and albedo coefficients monthly
月份 4月 5月 6月 7月 8月 9月 X±S.D
对照 总辐射反射系数 575.50.2528 598.30.2510 708.10.2475 758.40.2641 594.10.2648 472.50.2769 617.82±101.750.2595±0.0170
温室 总辐射反射系数 462.80.2715 552.70.2816 690.90.2583 779.40.2453 603.70.2452 449.30.2666 598.8±129.290.2614±0.01462
最高 ,变化趋势都为单峰式倒“V”形 。对照条件下
的反射系数平均为 0.2595 ,其结果与贲桂英[ 15]的
观测结果相近 ,温室处理使平均反射系数略有提
高 ,为 0.2614。反射系数的月变化与植物群落的
物候变化 ,植物器官的光学性质及植物群落结构有
关 ,对照 、温室下的变化趋势均为“高 -低-高” 。
牧草生长初期 ,植被郁闭度小 ,反射率受地表影响
较大 ,反射系数高 ,增温小室的修建使反射系数更
高 ,此后整个植被郁闭度变大 ,反射系数降低;牧草
生长末期 ,气温下降 ,植被枝叶开始枯黄 ,反射系数
变高 ,在此期间 ,增温处理使牧草枯黄期推迟 ,延长
了生育期 ,影响了下垫面的颜色状况等 ,使反射系
数低于对照。
2.5　极端温度的变化
温室内的极端温度均高于对照(表 6),但与对
照间差异不显著(n=5 , p>0.05)。不论对照 、温
室 ,极端最高温的变化趋势基本一致 ,均于 8月达
到顶点 ,分别为 43.07℃、44.4℃,5月～ 9月内的平
均温差为 2.82℃;极端最低温的变化趋势略不一
致 ,对照于 8月达到顶点(2.433℃),温室内于 7月
达到顶点(3.863℃),5月～ 9月内的平均温差为 0.
82℃。
表 6　生长季节内极端地表温度月间动态
tab6　 The maximum and minimum
temperatureof soil surface in growing
season monthly
月份 5月 6月 7月 8月 9月 X±S.D
温室最高最低 34.47-1.586 41.42-1.075 42.673.863 44.402.867 35.91-2.238 39.77±4.350.37±2.79
对照最高最低 32.22-1.857 37.86-1.375 38.802.350 43.072.433 32.80-3.818 36.95±4.51-0.45±2.75
2.6　温度与其它气候因子间的关系
由表 7可知 ,温室的修建对气温与空气相对湿
度间 ,地温与土壤湿度 、空气相对湿度间的相关显
表 7 温度(X)与其它微气候因子(Y)间的相关系数和线性回归方程
Tab7　The correlation coefficients and liner regression equations between temperature(X)
and other microclimatic factors(Y)
土壤湿度(%) 空气相对湿度(%) 风速(m/ s) 水平总辐射(w/m2)
对
照
地表温度(℃)
气温(℃)
地温(℃)
Y=0.037X+29.14
R=0.0563 , P>0.05
Y=0.11X+28.15
R=0.1550 , P>0.05
Y=-0.31X+32.31
R=-0.4651 , P>0.05
Y=-1.14x+82.98
R=-0.3680 , P<0.05
Y=-1.11x+81.77
R=-0.3484 , P<0.05
Y=1.86x+50.06
R=0.3626 , P<0.05
Y=0.0029x+0.37
R=0.0343 , P>0.05
Y=0.039x+1.33
R=-0.1086 , P>0.05
Y=-0.031x+0.66
R=-0.2174 , P>0.05
Y=29.96x+202.9
R=0.7522 , P<0.001
Y=31.32x+199.00
R=0.7218 , P<0.001
Y=24.18x+460.30
R=0.2586 , P>0.05
温
室
地表温度(℃)
气温(℃)
地温(℃)
Y=-0.088x+29.23
R=-0.1729 , P>0.05
Y=-0.13x+29.80
R=-0.2408 , P>0.05
Y=-0.27x+30.49
R=-0.5715 , P<0.05
Y=-1.14x+80.15
R=-0.3536 , P<0.05
Y=-0.61x+69.85
R=-0.1749 , P<0.05
Y=0.48x+56.18
R=0.2330 , P>0.05
Y=-0.00039x+0.011
R=-0.0934 , P>0.05
Y=0.0082x+0.052
R=0.0370 , P>0.05
Y=-0.00049x+0.0095
R=-0.073 , P>0.05
Y=26.80x+225.00
R=0.7343 , P<0.001
Y=29.58x+186.30
R=0.7290 , P<0.001
Y=10.70x+566.00
R=0.1106 , P>0.05
样本数 n 13 49 62 25
注释:以上各微气候因子的测定位置分别为:土壤湿度:10cm , 空气相对湿度:20cm , 风速:20cm , 水平总辐射:20cm , 地表温
度:0cm ,气温:20cm ,地温:10cm
4
　　矮嵩草(Kobresia humilis)草甸内架设开顶式增温小室对微气候的影响 周华坤等
著性有影响 ,其它除相关系数略有变化外不受太大
影响 。不论对照 、温室 ,地表温度 、气温与水平总辐
射间相关极其显著(表 7),说明太阳辐射仍为最主
要的热源 ,而地温则由于土壤热传导特性[ 10]的影
响 ,与辐射相关性不显著 。温度与风速间相关不显
著 ,则是由于采集数据的时间选在全晴天 10:00 ～
18:00间 ,近地表层的风速对温度影响不大所致 。
温度与湿度间大多负相关或不相关 ,温室的修建使
这种关系更加明显。
由上述可见 ,增温小室的架设一定程度上改变
了下垫面 ,改善了小室内的水热等微气候状况 ,为
物候 、群落结构和生物量等的生态学反应[ 7]奠定了
基础 ,是研究全球气候变化对陆地生态系统影响的
有力实验手段[ 6、16] 。
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THE INFLUENCE OF ESTABLISHING OPEN-TOP CHAMBER TO
MICRO-CLIMATE IN Kobresia humilis MEADOW
ZHOU Hua-kun et al
(Northwest Plateau Institute of Biology , the Chinese Academy of Science
Qinghai Province Xining 810001 , China)
Abstract:The influence of establishing Open-Top Chamber to micro -climate was reported in Kobresia humilis
meadow in 1998.
The air temperature , the temperature of soil surface and the soil temperature in house were increased by 1.47℃,
1.54℃and1.00℃ than those in control plots , respectively in herbage growing season.The humidity in control plots
was slightly higher than that in house.The wind speed in control plots was higher than that in house significantly (n=
13 , P<0.001).The difference of horizontal total radiation(w/m2), albedo coefficients and maximum or minimum
temperature were not significant;however , the changing trends were different.The establishment of Open-Top
Chamber influenced the correlation between the temperature and the humidity.It was also proved that the influence to
correlation between temperature and other climate factors was slightly.
Key words:Open-Top chamber;Micro-climate;Kobresia humilis meadow ;Influence
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