江蘇丘陵區櫟林土壤溫度與水分特征先

摘要：為了揭示江蘇丘陵區櫟林內的小氣候變化規律，利用土壤溫度和濕度傳感器測量不同層次土壤溫度和水分，并對其時空變化進行分析。結果表明，從土壤溫度日變化來看，4個層次土壤日平均溫度冬季為40 cm>10 cm>0 cm>5 cm、春季為0 cm>5 cm>10 cm>40 cm、夏秋季為0 cm>40 cm>10 cm>5 cm；從土壤溫度月變化來看，4個層次土壤溫度呈倒U型變化，各層土壤月平均溫度差異并不顯著；從土壤溫度季節變化來看，秋、冬兩季隨著土壤深度的增加，溫度總體呈現上升的趨勢，以冬季最為明顯，而春、夏兩季規律性不是很明顯；從日、月、季節土壤溫度變化幅度來看，溫度變化幅度隨著土壤深度的增加而減小，說明土壤越深，溫度越穩定。從日、月、季節土壤水分來看，各層土壤水分變化都較穩定、變幅很小，各層土壤含水量隨著土壤深度的增加而增加，水分變化的幅度隨著土壤深度的增加而降低。

關鍵詞：櫟林；江蘇丘陵區；土壤；溫度；水分；特征

中圖分類號：S152 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）01-0039-04

森林小氣候是影響生態系統結構與功能的重要要素，對小氣候進行觀測與分析是研究生態系統能量平衡的主要基礎，而林內土壤溫濕度又是森林小氣候的重要組成部分，它是植物群落與環境相互作用的結果[1-4]。目前，雖然國內外對森林土壤溫濕度有較多研究[5-10]，但對櫟林土壤溫度和濕度進行深入研究的很少。因此，筆者通過對江南丘陵區櫟林土壤溫濕度特征的研究，為森林生態系統研究提供了基礎數據積累，同時也對植被的恢復、人工林的營造提供了一定的理論依據。

1 研究區概況和研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于江蘇下蜀城市森林生態系統定位研究站內，地理位置東經119°14′，北緯31°59′，地形為丘陵山地，土壤為黃棕壤，年均氣溫15.2 ℃，年均降雨量1 056 mm，年際間變化較大，年均相對濕度80%，無霜期233 d，是北亞熱帶向暖溫帶過渡的植被類型，現存森林主要是天然次生林和松、杉、竹等人工林，其中的栓皮櫟（Quercus variabilis Blume）、麻櫟（Quercus acutissima Carruth）和其他闊葉樹組成的天然次生闊葉混交林是該地區最有代表性的森林植物群落[11]。

1.2 研究方法

1.2.1 數據收集 主要采集土壤溫度和水分含量。溫度傳感器安裝在地表0 cm 和地下5、10、40 cm處；濕度傳感器安裝在地下10、20、40、60 cm處。所有測定結果經處理后記錄在數據采集器中，平均數據的記錄間隔為1 h，數據采集器內的程序功能包括測量取樣、轉換成被測參數，將測量結果進行平均等。收集到的數據包括日期、時間、土壤水分、土壤溫度。數據采集時間為2008年1-12月。

1.2.2 數據處理 原始數據的統計、計算以及圖表制作使用Microsoft office 2003軟件；數據統計分析采用SAS統計分析軟件。

2 結果與分析

2.1 土壤溫度、水分日變化規律

2.1.1 土壤溫度日變化規律 主要研究不同季節日變化規律，分別選取1月（冬季）、4月（春季）、7月（夏季）、10月（秋季）進行分析。在1月份，0 cm和5 cm土壤溫度的日變化具有相似的變化規律，都是白天溫度高，夜晚溫度相對較低，從8∶00左右溫度開始上升，14∶00左右達到最大值，而后開始下降，總體呈倒U型變化，0 cm土壤溫度變幅為1.6～4.7 ℃，5 cm土壤溫度變幅為1.7～3.7 °C；10 cm和40 cm土壤溫度日變化幅度較0 cm和5 cm土壤小得多，特別是40 cm土壤溫度全天幾乎沒有變化，10 cm土壤溫度日變幅也較小，在正午有個小的波動，16∶00達到峰值后平穩下降，全天變幅為3.4～4.3 ℃。從4個層次土壤日平均溫度來看，1月份各層土壤溫度為40 cm>10 cm>0 cm>5 cm；從土壤溫度穩定性看，各層土壤為40 cm>10 cm>5 cm>0 cm。所以，冬季隨著土壤深度的不斷增加，土壤溫度不斷升高，穩定性逐漸增強。4月份與1月份相比，各層土壤溫度變化幅度降低，0、5、10 cm土壤溫度變化曲線相似，12∶00左右開始緩慢上升，到15∶00達到一個小的波峰，隨后緩慢下降；40 cm土壤溫度日變化幾乎沒有起伏，保持在14 ℃；4個層次土壤日平均溫度為0 cm>5 cm>10 cm>40 cm。春季各層土壤溫度與冬季截然不同，冬季土壤溫度隨著土層的加深溫度逐漸升高，而春季土壤溫度隨著土層的加深溫度逐漸降低，土壤溫度穩定性與冬季相同。在7月份，0 cm土壤溫度日變化呈W型，夜晚溫度一直下降，到日出前后達到最小值，而后又緩慢上升，到14∶00左右到達頂峰，19∶00又有微弱的上升趨勢；5 cm土壤日平均溫度小于其他幾層，變化幅度較0 cm土壤小，而又比10 cm和40 cm土壤大；從4個層次土壤日平均溫度來看，各層土壤溫度為0 cm>40 cm>10 cm>5 cm，而變化幅度與春、冬兩季一致。在10月份，各層土壤溫度日變化與夏季較為相似。另外，櫟林0 cm土壤溫度各季節日變化不及空曠地顯著。

2.1.2 土壤水分日變化規律 1月份土壤水分梯度的日變化最顯著的特點是各層土壤的水分含量均處于穩定狀態，從白天到夜晚幾乎保持同一定值。但是在水分含量方面各層土壤還是具有一定的差異。10、20、40、60 cm土壤水分含量分別為20.5%、25.2%、26.1%、26.3%。可見，隨著土壤深度的增加其水分含量不斷增加，不同深度之間的水分差異不斷減小，當到達一定深度后水分含量達到穩定。另外，雖然各層土壤水分日變化穩定、變幅非常小，但還是有細微的變化，那就是隨著土壤不斷加深，土壤水分日變化更加穩定、變幅更加小。在4、7、10月份，各層土壤水分日平均含量、變化規律與1月份基本相同，但相比之下10 cm土壤水分在7月份日波動較大，土壤水分含量為17.4%，與其他幾層土壤水分差異較大。

2.2 土壤溫度、水分月變化規律

2.2.1 土壤溫度月變化規律 從圖1可知，4個層次土壤溫度的月變化規律幾乎相同，呈倒U型變化。2月份各層土壤溫度均最低，之后各層土壤溫度慢慢上升， 除5 cm處的土壤溫度在8月份達到最高值外，其余土壤的溫度均在7月達到最高值，之后下降。0、5、10、40 cm土壤最高與最低溫度差值分別為22.5、20.9、20.4、19.4 ℃。以上結果說明隨著土壤深度的增加，土壤全年最高溫度和最低溫度的差值逐漸減小；從各月平均溫度來看，各層溫度差異并不顯著（P>0.05），同一個月內，各層溫度差異最大出現在4月份，為2.9 ℃，其他月份差值平均在1.1 ℃左右。

2.2.2 土壤水分月變化規律 從圖2可知，櫟林內土壤水分的月變化特征為各層土壤水分的月變化幅度很小，只有2%的波動范圍。各層土壤含水量從高到低依次為60、40、20、10 cm，可見隨著土壤深度的加深，土壤水分含量不斷增加。10 cm土壤水分年均值為19.39%，明顯低于其他幾層，波動幅度也較其他幾層大，這有可能是由于表面土壤疏松，空隙較大，持水能力較差而引起的；其他幾層土壤之間的水分含量差值很小，20、40、60 cm土壤水分年平均值分別為24.97%、25.07%、25.93%，各層之間相差不超過1%。從全年來看，土壤各層的水分含量相當穩定，這主要與土壤自身物理性質有關，不會因為降雨等其他外部條件而發生劇烈變化。

2.3 土壤溫度、水分季節變化規律

2.3.1 土壤溫度季節變化規律 由表1可知，各季節土壤平均溫度為夏季>秋季>春季>冬季。春、夏兩季隨著土壤深度的增加，溫度都存在相應的波動，規律性不明顯；秋、冬兩季隨著土壤深度的增加，總體呈現上升的趨勢，以冬季最為明顯。從不同深度土壤溫度極差角度分析，以春季為例，0、5、10、40 cm土壤最高與最低溫度分別相差5.8、3.8、2.5、0.2 ℃，可見隨著深度的增加，溫差越小，溫度變化幅度越低，溫度更為穩定，其余季節也具有相同的規律。

2.3.2 土壤水分季節變化規律 由表1可知，土壤水分的變化基本呈現出隨土壤深度加深含水量增加的趨勢。從不同深度土壤極差角度分析，同樣以春季為例，10、20、40、60 cm土壤水分含量最大值與最小值分別相差0.3、0.2、0.1、0.1個百分點，可見水分含量變化很小，并隨著土壤深度的增加，變化趨向更小，其他季節也有相同的變化規律，說明在季節變化過程中，土壤水分變化的幅度隨著土壤深度的增加而降低。

3 結論與討論

3.1 結論

從不同季節日變化看，各季節0 cm和5 cm土壤溫度的日變化具有相似的變化規律，都是白天高、夜晚相對較低，且比10 cm和40 cm土壤溫度日變化幅度要大；從月變化規律來看，4個層次土壤溫度變化規律幾乎相同，呈倒U型變化，各層土壤月平均溫度差異并不顯著，同一個月內，各層溫度差異最大是4月的2.9 ℃，其他月份差值平均在1.1 ℃左右，隨著土壤深度的增加，溫度變化幅度變小；從各季節土壤平均溫度來看，各層土壤溫度為夏季>秋季>春季>冬季，隨著季節的變化，不同深度土壤溫度變化幅度是不一樣的，土壤越深變化幅度越小，反之變化幅度相對較大。

各層土壤水分日變化穩定、變幅非常小，隨著土壤不斷加深，土壤水分日變化更加穩定、變幅更小；從月變化規律來看，各層土壤水分的月變化幅度很小，只有2%的波動范圍，各層土壤含水量隨土壤深度的增加而增加；從季節變化來看，各層土壤含水量基本也呈現出隨土壤深度增加而增加的趨勢，土壤水分變化的幅度仍然隨著土壤深度的增加而降低；從全年看，土壤各層的水分含量相當穩定。

3.2 討論

本研究中櫟林7月、10月份4個層次土壤日平均溫度為0 cm>40 cm>10 cm>5 cm，0 cm土壤溫度各季節日變化不及空曠地顯著。閆俊華等[9]對鼎湖山季風常綠闊葉林小氣候特征分析表明，土壤溫度在春、夏季節自上而下逐步降低，在秋、冬季節自上而下逐步升高，季風常綠闊葉林土壤表層溫度日變化也不及空曠地顯著，與本研究結果一致，不同季節土壤溫度梯度差異的原因可能是南北亞熱帶緯度不同導致太陽熱量的收支差異。閆文德等[12]、曾士余等[13]研究了不同森林小氣候特征，結果表明，土壤溫度由于溫度變化遲滯效應，日變化和季節變化與太陽輻射或氣溫變化不同步，空氣溫度對太陽輻射強度的敏感性比土壤溫度的敏感性高；土壤濕度日變化和季節變化較小，同本研究結果一致，在全年中，葉初期土壤含水率最高，葉盛期最低，葉衰期較高，表明土壤水分受植物生長影響大。徐文鐸等[14]對沈陽城市森林不同生長期土壤溫度和濕度日變化進行研究，結果表明，森林生長季前期、中期、后期土壤溫度為白天高于夜間，這與本研究結果一致，而停止生長期（休眠期）土壤溫度為夜間高于白天；不同生長期土溫日變化幅度為上層（20 cm）>中層（40 cm） >下層（80 cm），而同一層不同生長期的土溫日變化幅度為上層深度為20 cm時，生長季前期>生長季后期>停止生長期（休眠期）>生長季中期；土層深度大于40 cm時，生長季前期>停止生長期（休眠期）>生長季后期>生長季中期。由于筆者研究時間較短，加之試驗條件的限制，未能對其進行更全面、深入地研究分析；針對本研究的不足之處，還需進行以下研究工作：對櫟林不同生長季節與土壤溫濕度關系做進一步研究和綜合對比分析，以使研究更加全面和科學。

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