覆蓋經(jīng)營(yíng)雷竹林的土壤熱通量季節(jié)變化特征

陳云飛， 江 洪，2， 周?chē)?guó)模， 楊 爽， 陳 健

（1. 浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 杭州 浙江311300； 2. 南京大學(xué)國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所， 南京 江蘇210093）

土壤是生態(tài)系統(tǒng)中重要的自然環(huán)境， 是土壤—植被—大氣連續(xù)體的基礎(chǔ)。 土壤熱狀態(tài)變化直接影響著植物的生長(zhǎng)過(guò)程， 甚至影響生態(tài)系統(tǒng)的能量分配和演替。 土壤熱通量是生態(tài)系統(tǒng)能量平衡研究中的重要分量， 它表征土壤表層與深層間的熱交換狀況， 盡管在數(shù)值上要較潛熱通量、 顯熱通量小很多， 但在較小時(shí)間尺度上進(jìn)行比較就必須準(zhǔn)確估算土壤熱通量的變化， 才能正確地評(píng)價(jià)能量閉合程度。 現(xiàn)有的土壤熱通量研究主要集中在農(nóng)田和草地［1－5］， 作物的生產(chǎn)更容易受土壤熱狀態(tài)的影響。 森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤熱通量時(shí)空差異較大， 易受林地土壤性質(zhì)、 地形、 氣象因素的影響。 土壤熱通量大多是作為能量閉合的研究中的一個(gè)分量來(lái)計(jì)算［6－8］。 目前， 對(duì)于竹林的土壤熱通量研究還未見(jiàn)報(bào)道。 竹林兼具森林和農(nóng)田的特點(diǎn)， 人工經(jīng)營(yíng)的雷竹Phyllostachys violascens 林， 通過(guò)覆蓋增溫措施， 使竹筍的出土?xí)r間提前， 增加了經(jīng)營(yíng)農(nóng)戶(hù)的經(jīng)濟(jì)效益， 也勢(shì)必影響竹林土壤熱狀況的變化。 基于此， 在浙江省臨安市太湖源鎮(zhèn)建立的微氣象觀測(cè)塔和土壤熱通量板等， 對(duì)土壤—植被—大氣連續(xù)體進(jìn)行氣體交換過(guò)程及能量利用變化的觀測(cè)研究， 目的在于揭示人為經(jīng)營(yíng)活動(dòng)影響下雷竹林土壤熱量交換特征。 本研究對(duì)2010 年10 月至2011年9 月的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 并進(jìn)一步討論地溫、 凈輻射與土壤熱通量的變化關(guān)系。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)雷竹林面積為504 m2， 2001 年建園， 位于浙江省臨安市太湖源鎮(zhèn)橫路村（30°18′N(xiāo)， 119°34′E），屬于亞熱帶季風(fēng)氣候， 溫暖濕潤(rùn)， 雨熱同期， 氣候特征春季多雨， 夏濕熱有梅雨期， 秋氣爽， 冬干冷。全年降水量為1 600 mm， 年平均氣溫為16.0 ℃， 全年日照時(shí)數(shù)為1 900.0 h。 試驗(yàn)地土壤以紅壤為主，海拔為185 m， 坡向北偏東35°， 坡度2°～3°。 觀測(cè)塔下雷竹林群落平均高度為4.5 m， 平均胸徑4 cm，以2～3 年生竹為主， 胸徑總蓋度為80%， 有雷竹1 128 株， 林下灌木草本很少， 有竹葉礱糠覆蓋， 為人工經(jīng)營(yíng)的雷竹林。

雷竹林主要的管理措施是在11 月底先施肥， 再覆蓋一層稻草， 稻草之上覆蓋稻殼礱糠， 持續(xù)到第2 年4 月覆蓋的稻草腐爛入土， 礱糠及時(shí)移除。 自然狀態(tài)下， 2 月下旬至3 月上旬土壤溫度10.0 ℃以下， 而竹出筍最低溫度需9～10 ℃， 最適溫度20～24 ℃［9］， 有效積溫200 ℃， 11 月底竹林覆蓋稻草礱糠可以保持地溫10 ℃以上， 使雷竹提前發(fā)筍。 筍芽12 月底開(kāi)始萌動(dòng)， 1 月中下旬大量出土， 恰趕春節(jié)前后上市， 價(jià)格較高。

2 儀器及觀測(cè)

氣象觀測(cè)系統(tǒng)， 安裝有3 層風(fēng)速儀（010C， metone， 美國(guó)）， 3 層大氣溫度和濕度儀（HMP45C， Vaisala，Helsinki， 芬蘭）。 安裝高度分別為1.0 m， 5.0 m， 17.0 m， 2 個(gè)SI-111 紅外溫度計(jì)分別置于1.5 m 和5.0 m， 用于采集地表和冠層溫度， 凈輻射儀（CNR4， Kipp & Zonen）安裝高度17.0 m， 用于采集上行/下行的長(zhǎng)波/短波輻射、 凈輻射的數(shù)據(jù)。 此外， 還有土壤熱通量板 （HFP01， Hukseflux）， 觀測(cè)深度3 cm 和5 cm， 2 層各有1 塊土壤熱通量板； 土壤含水量?jī)x （CS616， Campbell， 美國(guó)）觀測(cè)深度5 cm， 50 cm， 100 cm； 土壤溫度計(jì)（109， Campbell， 美國(guó)）觀測(cè)深度5 cm， 50 cm， 100 cm， 土壤溫濕度測(cè)定在土壤3 層梯度上各有1 個(gè)探針。 土壤熱通量板和探針選取代表性好的地點(diǎn)， 挖開(kāi)土壤剖面， 水平地面插入， 土壤回填保持原狀。 上述數(shù)據(jù)采樣頻率均為0.5 Hz， 通過(guò)數(shù)據(jù)采集器（CR1000， CampbellInc， 美國(guó)）30 min 自動(dòng)記錄平均風(fēng)速、 溫度、 氣壓、 凈輻射等常規(guī)氣象信息。 根據(jù)其他站點(diǎn)觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)本研究土壤熱通量數(shù)據(jù)為5 cm 深度觀測(cè)數(shù)據(jù)， 3 cm 深度用于插補(bǔ)校正數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同季節(jié)土壤熱通量的日變化

將土壤熱通量0.5 h 的連續(xù)數(shù)據(jù)， 每個(gè)月的相同時(shí)刻做平均處理， 得到月平均的日變化進(jìn)程（圖1）。從月平均的日變化進(jìn)程看， 整體上成“S”形變化。 其中， 在冬季（12－2 月）變化趨勢(shì)明顯小于其他月份，“S”形變化平緩， 正負(fù)差值小。 “S”形曲線(xiàn)， 明顯呈現(xiàn)出1 個(gè)谷值和1 個(gè)峰值， 在谷值即負(fù)向最大值， 表明土壤熱量由土壤深層向土壤表層及大氣釋放熱量達(dá)到最大值； 在峰值即正向最大值， 表明土壤熱量由大氣及土壤表層向土壤深層傳遞熱量到達(dá)最大值。

圖1 不同季節(jié)土壤熱通量日變化Figure 1 Diurnal changes of soil heat flux in the different seasons

春季（3－5 月）， 熱通量值3 月為負(fù)值， 即熱源。 平均的日進(jìn)程變化都是負(fù)值， 在9：30 達(dá)到最大值（－3.10 W·m－2·s－1）， 最小值在18：30（－0.25 W·m－2·s－1）。 “S”形的谷值和峰值在4 月提前到8：30（－1.00 W·m－2·s－1）和17：30（3.63 W·m－2·s－1）， 在5 月推遲至5：30（－4.90 W·m－2·s－1）和15：00（12.45 W·m－2·s－1）。 隨著4－5 月正向熱通量數(shù)值的增大和時(shí)間的推移， 土壤變成熱匯。 春季凈通量值為3.27 W·m－2·s－1， 占全年熱匯比例的13.7%。

夏季（6－8 月）， 熱通量變化一致， 典型的“S”形變化。 谷值在5：30－6：00， 在絕對(duì)數(shù)值上， 8 月＞7月＞6 月； 峰值在14：00－14：30， 在絕對(duì)數(shù)值上， 7 月＞8 月＞6 月。 夏季3 個(gè)月均為熱匯， 土壤深層從大氣以及土壤表層匯聚大量熱量。 夏季凈通量值為20.50 W·m－2·s－1， 占全年熱匯比例的86.3%。

秋季（9－11 月）， 在峰谷時(shí)刻變化上與夏季一致， 在正向最大數(shù)值上明顯小于夏季， 分別為9 月（9.81 W·m－2·s－1）， 10 月（4.2 W·m－2·s－1）， 11 月（5.72 W·m－2·s－1）， 但在負(fù)向的絕對(duì)數(shù)值上卻明顯大于夏季， 說(shuō)明秋季土壤熱量向外輻射的已經(jīng)開(kāi)始增加， 秋季因此轉(zhuǎn)為熱源， 10 月并成為全年的最大熱源， 影響土壤全年能量平衡成為熱源。 秋季凈通量值為－30.32 W·m－2·s－1， 占全年熱源比例為69.3%。

冬季 （12－2 月）， 可能由于覆蓋經(jīng)營(yíng)和冬季凈輻射減少的原因， 熱通量峰谷差值比較小， 12 月（－2.52～－1.30 W·m－2·s－1）， 1 月（－2.41～－1.98 W·m－2·s－1）， 2 月（－1.59～－0.59 W·m－2·s－1）。 在時(shí)刻變化上沒(méi)有明顯規(guī)律呈現(xiàn)， 谷值在8：00－12：00， 峰值在17：00－19：30 變化， 較其余月峰谷值都有推遲。 冬季凈通量值為－13.45 W·m－2·s－1， 占全年熱源比例的31.7%。

從圖2 可以看出： 土壤熱通量存在明顯的季節(jié)變化， 夏秋季明顯高于春冬季， 可能受凈輻射和地溫影響。 土壤的月熱通量總值在4－8月為正值， 表明為熱源； 其余月份為負(fù)值， 表明為熱匯。 2 次熱通量符號(hào)發(fā)生變化分別發(fā)生在3－4 月和8－9 月， 即發(fā)生春秋季。 從全年月變化上看， 5 cm 處土壤熱能量負(fù)向絕對(duì)值的最大值出現(xiàn)在10 月（－13.40 MJ·m－2）， 正向最大值出現(xiàn)在7 月 （9.17 MJ·m－2）， 絕對(duì)值最小值出現(xiàn)在8月（2.23 MJ·m－2）， 月際最大差值為22.57 MJ·m－2。

圖2 土壤熱通量月變化Figure 2 Monthly change of soil heat flux

3.2 土壤熱通量與土壤溫度的關(guān)系

5 cm， 50 cm 和100 cm 土壤月平均溫度變化（圖3）顯示， 全年呈單峰變化， 月平均最高溫為8月， 最低溫為1 月。 土壤3 層深度的溫度高低變化，有3 次交替。 1－3 月100 cm 溫度高于50 cm， 50 cm 高于5 cm， 土壤溫度隨土壤深度而升高； 4 月3 層土壤溫度相差不大； 之后5－8 月變化剛好相反， 土壤溫度隨土壤深度增加而降低； 9 月3 層土壤溫度又接近； 10－12 月3 層土壤溫度變化和1－3 月相同， 土壤溫度隨土壤深度而升高。 土壤3 層梯度的溫度高低變化顯示， 表層土壤較深層土壤是先低后高再低的變化趨勢(shì)。 其中在4， 9 月2 次重合， 同時(shí)也是土壤熱通量符號(hào)轉(zhuǎn)變的月份， 可見(jiàn)土壤熱通量狀態(tài)的變化， 直接影響土壤溫度深度上溫度的變化。

對(duì)土壤熱通量月均值（y）和月均土壤溫度（x）進(jìn)行回歸分析： 在土壤5 cm， y=0.232x－4.580， R2=0.250， F=3.33， P=0.098， n=12， 不顯著； 在土壤50 cm， y=0.170x－3.577， R2=0.091， F=1.022， P=0.340， n=12， 不顯著； 在土壤100 cm， y=0.084x－4.580， R2=0.015， F=0.155， P=0.702， n=12， 不顯著。

在日尺度上， 對(duì)土壤熱通量日均值（y）和日均土壤溫度（x）進(jìn)行回歸： 在土壤5 cm， y=0.214x－4.142，R2=0.120， F=49.466， P＜0.001， n=365， 極顯著； 在土壤50 cm， y=0.123x－2.688， R2=0.025， F=9.468，P=0.002， n=365， 顯著； 在土壤100 cm， y=0.03x－1.048， R2=0.010， F=0.155， P=0.528， n=365， 不顯著。

月尺度上的一元回歸關(guān)系不顯著。 從圖3 中可以看出： 溫度變化要滯后熱通量達(dá)到最大值， 同時(shí)因熱通量在10－12 月的負(fù)向減小而形成全年的“S”形曲線(xiàn)變化也和土壤溫度的單峰變化不相符。 土壤熱通量反映土壤表層與深層間的熱交換狀況， 直接的結(jié)果就是地溫的變化。 可能熱通量的方向變化， 在大尺度上變化符號(hào)， 與地溫變化不顯著。

在日尺度上， 比較3 層梯度的日均土壤溫度與土壤熱通量回歸關(guān)系， 隨深度增加相關(guān)性， 由極顯著到顯著到不顯著。 說(shuō)明熱狀況對(duì)地溫變化的影響隨土壤深度的增加而減弱。

3.3 土壤熱通量與凈輻射的關(guān)系

土壤熱通量是生態(tài)系統(tǒng)能量平衡的重要分項(xiàng)。 土壤熱通量的精準(zhǔn)計(jì)算， 關(guān)系能量閉合的評(píng)價(jià)。 生態(tài)系統(tǒng)入射的凈輻射Rn， 是能量流通、 轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)量度。 當(dāng)能量向下入射進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)時(shí)， Rn取正號(hào)；反之， 當(dāng)能量由生態(tài)系統(tǒng)放出時(shí)， Rn取負(fù)號(hào)。 一般能量平衡以下式表達(dá)［10－11］：

式（1）中： Rn為太陽(yáng)凈輻射（W·m－2）； G 為土壤熱（存儲(chǔ)）通量（W·m－2）； S 為植物和大氣中的熱存儲(chǔ)能量（W·m－2）， 雷竹冠層不足8 m， 熱量?jī)?chǔ)存可忽略不計(jì)； Hc為顯熱能量（W·m－2）即顯熱耗能； LE為潛熱能量（W·m－2）即潛熱耗能； Q 為其他來(lái)源的能量總和， 由于數(shù)量極小常忽略不計(jì)。 因而能量平衡表達(dá)為：

式（2）的右端項(xiàng)為可利用能量， 左端項(xiàng)為標(biāo)準(zhǔn)湍流通量。 土壤熱通量與凈輻射、 顯熱通量、 潛熱通量的月均值變化關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖3 土壤5 cm， 50 cm， 100 cm 溫度與土壤熱通量月變化Figure 3 Monthly change of soil temperature at the depths of 5 cm， 50 cm， 100 cm and soil heat flux

圖4 土壤熱能量、 顯熱能量、 潛熱能量、 凈輻射的月變化Figure 4 Monthly changes of soil heat flux， sensible heat flux， latent heat flux， net radiation

對(duì)土壤熱通量月均值（y）和冠層凈輻射（x）進(jìn)行回歸分析： y=0.054x－5.675， R2=0.510， F=10.422， P=0.009， n=12， 達(dá)顯著水平。 在月平均的0.5 h 尺度上： y=0.018x－2.313， R2=0.293， F=237.727， P＜0.000 1， n=574， 達(dá)極顯著水平。

回歸關(guān)系顯示： 相關(guān)系數(shù)一般， 但稍高于鼎湖山［12］月尺度（n=12）相關(guān)系數(shù)（0.49）， 0.5 h 尺度（n=17 131）相關(guān)系數(shù)0.13。 在農(nóng)田土壤和稀疏冠層的研究發(fā)現(xiàn)， 在日尺度上相關(guān)系數(shù)有0.8 以上［13－14］， 可見(jiàn)凈輻射能否有效的穿過(guò)冠層達(dá)到地表， 是影響凈輻射與土壤熱通量相關(guān)程度的重要因素。 同時(shí)， 在小的尺度上土壤熱通量與冠層凈輻射的關(guān)系更顯著， 也說(shuō)明能量平衡要在較小的時(shí)間尺度內(nèi)進(jìn)行才能確保能量閉合的準(zhǔn)確計(jì)算。

土壤熱通量月總值占凈輻射的比例全年變化大致呈“S”形， 夏秋為正值， 春冬為負(fù)值（圖5）。 由于凈輻射全年始終為正值， 故比例符號(hào)也就是土壤熱通量的方向變化符號(hào)。 從1 月的－5.58%開(kāi)始至3 月（－1.99%）， 為負(fù)值的變化區(qū)間， 所占比例絕對(duì)值下降， 4 月（0.88%）到8 月（0.60%）為正值變化， 所占比例的絕對(duì)值先升后降， 6 月（3.50%）為全年正向最大值， 9 月（－2.70%）再次進(jìn)入負(fù)方向的變化區(qū)間， 絕對(duì)值先增后減， 在10 月（－6.25%）達(dá)到全年負(fù)向的最大值。

回歸關(guān)系與占凈輻射比例變化與南亞熱帶針闊混交林土壤熱通量［12］結(jié)果相一致， 其中正負(fù)熱通量的月變化與大興安嶺原始林區(qū)［15］、 鼎湖山針闊混交林［16］完全一致。 在月總值變化上， 大興安嶺與鼎湖山地區(qū)的負(fù)向最大值都出現(xiàn)在11 月、 12 月和1 月， 而覆蓋經(jīng)營(yíng)的雷竹林的負(fù)向熱通量最大出現(xiàn)在10 月， 11－1 月開(kāi)始減小。 這可能是因?yàn)槎靖采w增溫措施， 在地表所覆蓋的稻草和稻殼谷糠以及施用的有機(jī)肥， 減少了深層土壤向表層及大氣中輻射熱量， 保持了土壤熱狀態(tài)的穩(wěn)定。 這樣為雷筍的增產(chǎn)和提前出土， 創(chuàng)造了有利的土壤條件。

圖5 土壤熱通量月總值占凈輻射的比例變化Figure 5 Monthly variation of the ration between soil heat flux to net radiation

4 結(jié)論

就年尺度而言， 覆蓋經(jīng)營(yíng)的雷竹土壤為熱源， 5 cm 土壤年總熱能量為－20.01 MJ·m－2。 在月尺度上，1－3 月土壤熱能量為負(fù)值， 4－8 月為正值， 9－12 月再次為負(fù)值。 全年明顯的季節(jié)變化， 夏秋季為熱匯，春冬季為熱源。 土壤月均值熱能量占月凈輻射的－6.2%～3.5%， 年總值為凈輻射的－0.67%。 土壤熱通量與相關(guān)因素之間的回歸研究說(shuō)明， 土壤熱通量在小尺度時(shí)間內(nèi)與土壤溫度相關(guān)， 與5 cm 土壤最顯著；土壤熱通量與凈輻射在月尺度與0.5 h 尺度上顯著相關(guān)。 與有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的森林相比， 冬季覆蓋后熱通量負(fù)向絕對(duì)數(shù)值變小， 說(shuō)明覆蓋物有效地防止了熱量的散失， 有利于提高地溫和雷竹筍的早出增產(chǎn)。 限于該站點(diǎn)觀測(cè)僅對(duì)地溫、 凈輻射數(shù)據(jù)分析， 沒(méi)有對(duì)土壤理化性質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定， 對(duì)土壤熱通量的變化解釋也就不完整， 這樣需要下一步工作的補(bǔ)充。

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