喀斯特山區不同土地利用方式下土壤溫度日變化特征

樊云龍，鄒細霞，羅緒強

(1.貴州師范學院地理與旅游學院，貴州 貴陽 550018;2.貴州師范學院農業生態與鄉村發展研究所，貴州 貴陽 550018;3.畢節學院畢節循環經濟研究院，貴州 畢節 551700)

土壤溫度是重要的土壤物理性質，它是表示土壤熱量狀況特征的量度，也是土壤氣候資源的重要指標。溫度是影響根系生理功能的重要因素，而且植物對根區溫度比地上部溫度更敏感［1］。土壤溫度的高低，能影響植物的蒸騰作用、根的呼吸與吸收功能、土壤入滲和土壤溶液中各種無機鹽的溶解速度等，進而影響植物的生長［2］。土壤溫度的變化是太陽輻射平衡、土壤熱量平衡和土壤熱學性質相互作用的結果，不同時間、不同地點和土壤的不同組成及性質，都不同程度地影響土壤熱量的收支平衡［3］。此外，不同的植被類型、農業耕作方式和地貌特征也決定了土壤溫度的變化規律［4-6］。土壤溫度作為小氣候的一個重要指標，對生態系統空間異質性，生態交錯帶的結構、過程和功能都起到了關鍵作用［7，8］。土壤溫度的區域分異和時間變化在影響地上植物、地下微生物和土壤動物的生長和發育、繁殖、分布過程中起著多大的作用，還有待進一步研究。

喀斯特山區獨特的地貌特征導致其小生境多種多樣，小氣候特征也有較大差異［9，10］。已有學者對貴州喀斯特地貌區森林和草地的土壤溫度日較差進行了調查［11］，以及在廣西喀斯特地區不同植被演替階段的土壤溫度等小氣候指標進行了全面的比較［12，13］。以上研究均針對喀斯特山區的自然植被下土壤溫度日變化開展研究。然而，當前人類生產活動又極大地改變了土地利用方式，形成不同的地表植被類型和不同農業景觀，對其土壤溫度日變化動態特征仍不了解。通過對土壤溫度調查，了解不同地表植被類型和不同農業生產方式對土壤溫度的日變化的影響，并進加深對土壤溫度變化一般規律的認識，可為生態環境保護提供理論依據。

1 研究方法

1.1 研究區及樣地概況

研究區位于貴州省貴陽市烏當區東風鎮，是典型的喀斯特盆地地。盆地地勢平坦，南明河穿流而過，農業基礎較好，一直是貴陽市的蔬菜基地。盆地周邊的山地保留了林地、灌叢，退耕草地等植被類型。受到城市化進程的影響，人類活動程度不斷加劇，土地利用方式加速轉變并日益多樣化。土地利用方式的改變必定影響到土地質量、土壤環境、植被生態等方面的功能和特性，因此有必要對該區域多加關注。而該區域土地利用方式的改變對于研究土壤溫度對植被類型改變的響應有著獨特的優勢。

烏當區處于貴陽市東北部，位于東經106°30'～107°03'，北緯 26°33'～26°55'之間。平均海拔為1 100～1 400 m，地勢北高南低，起伏變化較大，主要以山地丘陵為主。屬于亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫為15℃左右，年均日照時數1 134.32 h，年總輻射為36 483 800 J/m2，年平均降雨量1 188 mm;7月為一年中最熱月，平均氣溫為24℃左右;1月為一年中最冷月，平均氣溫為4℃ ～5℃。由于碳酸鹽類巖石和非碳酸鹽類巖石交錯分布，形成了石灰性土壤與地帶性土壤共存的現象。土壤的pH值變化幅度較大，為極弱酸性至微堿性。

根據研究區烏當區東風鎮主要的植被類型，選擇喀斯特盆地周邊山地的林地、灌叢、草地，以及盆地底部常見的兩種農業景觀:農田、溫室大棚，共五種土地利用方式。各樣地海拔高度位于990 m～1 060 m之間。林地樣地位于山坡中部，坡向西南，建群種主要以馬尾松為主(馬尾松林為東風鎮周邊的主要植被類型)，包括毛軸蕨、山茶、樟樹等;灌叢樣地選擇在山麓，坡向西南，樣地中主要包括樟樹、山茶、構樹、女貞、馬尾松等植物;草地樣地位于山脊處，以白茅、莎草、鬼針草、蒲公英等禾本科和菊科植物為主;農田和大棚樣地位于東風鎮盆地中央，地勢平坦，農作歷史長，樣地中作物均為剛移栽的蔬菜。

1.2 研究方法

2012年10月27日(晴天間多云)，離地面1 m高庇蔭處使用氣溫計監測樣地大氣溫度;在5個樣地同時進行了不同深度(5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm)的土壤溫度監測，使用儀器是直角地溫計。從早9點～18點每隔一小時記錄一次。由于野外操作不慎將草地樣地15 cm土壤溫度計損壞，故缺失此層溫度記錄。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式氣溫日變化特征

各種土地利用方式大氣溫度日變化呈現大致相似的趨勢，即一天當中早晚氣溫低，中午氣溫升高，最高溫度出現在14:40左右。需說明的是，最高溫并未出現在傳統認識上的14:00時，是因為貴陽所處經度較東經120°偏西約14°，所以正午時間比北京時間晚約53分鐘。

各樣地白天大部分時間氣溫大致呈:大棚＞草地＞農田＞灌叢＞林地。其中，溫室大棚氣溫日變化最為劇烈，上午11:40以后迅速升溫，13:40達到峰值，隨后又迅速降溫。大棚的增溫作用使得氣溫大大高于室外溫度，遇到云層出現太陽輻射量暫時性減少的情況會迅速導致大棚內溫度劇烈變化。因此，大棚氣溫變化曲線較其他樣地特殊。

草地位于山脊上，地勢高而開闊，周邊較少樹林遮蔽，一天當中9:00-15:00能大量接受陽光輻射，溫度升高較快［14］;16:00以后輻射量減少，熱量散失較快，加之地勢高處空氣流動性大，氣溫很快降低。草地在白天升溫迅速，15:40以后開始急速降溫，到16:40時甚至降到所有樣地的最低溫度，主要原因是草地所處的地貌決定其氣溫變化特征。農田、灌叢、林地的氣溫變化曲線基本平行，符合氣溫變化基本規律。

圖1 不同土地利用方式氣溫日變化Fig.1 Diurnal variation of air temperature of different land use patterns

2.2 不同土地利用方式土壤溫度日變化

不同土地利用方式土壤溫度日變化均呈極不對稱的單峰曲線，且持續升溫時間較長，降溫時間較短。農田、草地、灌叢、林地土壤溫度峰值均出現在15:40左右，較氣溫峰值滯后約1小時，此結果與李生等人在廣西凌云縣典型喀斯特地區的研究結果相似［9］。總體而言，各種土地利用方式的5 cm深處土壤溫度日變化規律與大氣溫度日變化規律相一致，因此，土壤溫度日變化根本上受到太陽輻射和大氣溫度日變化的控制。

各種土地利用方式土壤溫度日較差呈:大棚＞農田＞草地＞灌叢＞林地。可以看出隨著地表植被的減少土壤溫度的日較差增大。農田、草叢因群落種數少，層次簡單，蓋度低，太陽輻射可直接到達地面，地表溫度升降快而不穩定。林地、灌叢的土壤溫度明顯下降，變化幅度減小。尤其林地土壤溫度變動最小，從早上至晚上土壤溫度曲線起伏很小。

圖2 不同土地利用方式土壤溫度(5 cm)日變化Fig.2 Diurnal variation of soil temperature(5 cm)of different land use patterns

2.3 不同土地利用方式土壤溫度垂直變化

圖3 不同土地利用方式各深度溫度日變化Fig.3 Diurnal variation of soil temperature in different depth under different land use patterns

土壤溫度峰值隨深度增加而滯后。農田、草地、灌叢、林地土壤溫度在5 cm處峰值均出現在15:40左右，較氣溫峰值滯后1 h，10 cm處峰值與之相似。而15 cm、20 cm、25 cm處土壤溫度峰值時間都不同程度低較表層土壤滯后，如15 cm深度大棚土溫峰值出現在16:40;20 cm深度草地土溫峰值在16:40左右，而大棚、農田、灌叢土溫峰值更是滯后到17:40。由于溫度通過介質自表層向下傳遞需要一定的時間，隨著傳遞深度的增加，熱傳遞所需的時間也隨之增大，土溫峰值也相應延后［11］。

各樣地不同深度溫度日變化圖(圖3)中可以看出，早晨土壤底層溫度大于表層，呈“下高上低”的態勢，這是因為地表經過一個夜晚的對外長波輻射，溫度降低很多，而深層土壤熱量散失較少，所以溫度比表層高。日出之后，地表開始接受太陽輻射，氣溫上升，地表不斷吸收熱量并逐漸向下傳遞，逐步轉變為“下低上高”的溫度態勢。表層土壤溫度日較差大，隨著深度的增加，土壤溫度的日較差逐漸減小。

溫室大棚和農田作為農業生態系統，人為活動影響大，土壤溫度變化特征與其他自然狀態的土地利用方式相比，有其自身的特征。本研究中的農田樣地恰逢冬季青菜種植期，翻耕作用使得土壤非常疏松，5 cm處土壤溫度幾乎與大氣溫度接近。土壤總孔隙度導致土壤與大氣的通透性加強，從而影響了土壤溫度相應氣溫變化的速度和幅度。

大棚內溫度和各層土壤溫度均比室外農田的溫度要高，隨著太陽輻射的加強，室內溫度增高很快，溫度差最大是在12:00-13:00之間，達到8.2℃，大棚的增溫的效果顯著。但降溫也很迅速，16:00以后氣溫急劇下降，到18:00甚至低于25 cm處土壤溫度。所以溫室大棚白天增溫效果明顯［15］，夜間大棚內氣溫到會低到和室外一樣，但土壤層因白天吸收大量熱量保溫效果較持久。

表1 不同土地利用方式土壤溫度日較差比較 (單位/℃)Tab.1 Diurnal temperature range in the soil under different land use patterns

隨著土壤深度增加，各樣地土壤溫度的日較差變幅減少。隨著地表植被的增加，土壤溫度的日較差變幅亦減少。不同土地利用方式土壤溫度日較差也有較大差異，農田淺層土壤溫度日較差與最高溫度都是最大的，下層增溫不明顯。大棚對土壤溫度的增溫效應主要體現在10-25 cm的下層，土壤溫度升高幅度大，日較差大。草地、灌叢、林地的土壤日較差和最高溫依次降低，林地各層土壤日較差都很小，25 cm處甚至只有0.5℃的日較差，可見變化很小。總體而言，5-10 cm的淺層土壤溫度最高溫和日較差呈現:農田＞大棚＞草地＞灌叢＞林地;10-25 cm的深層土壤溫度最高溫和日較差呈現:大棚＞農田＞草地＞灌叢＞林地(如表1)。

3 結論

3.1 喀斯特山區不同土地利用方式下樣地大氣溫度日變化呈現大致相似的趨勢，即一天當中早晚氣溫低，中午氣溫升高，最高溫度出現在14:40左右，白天大部分時間氣溫變化曲線符合氣溫變化基本規律。各樣地之間白天溫差變幅總體趨勢大致呈:大棚＞草地＞農田＞灌叢＞林地。其中，大棚、草地由于溫室增溫效應和開闊山脊的地貌特征決定了較其它樣地有更為劇烈的氣溫變化幅度。

3.2 受到太陽輻射和大氣溫度日變化的影響，各種土地利用方式下5 cm深處土壤溫度日變化規律與大氣溫度日變化規律相一致。各樣地土壤溫度日變化均呈極不對稱的單峰曲線，升溫時間較長，降溫時間較短。5 cm處土壤溫度峰值均出現在15:40左右，較氣溫峰值滯后約1 h。農田、草叢土壤溫度日變化表現為升降快而不穩定，林地、灌叢的土壤溫度日變化幅度小，可見，隨著地表植被覆蓋度的降低土壤溫度的日較差也隨之增大。

3.3 土壤溫度峰值隨深度的增加而滯后。早晨土壤底層溫度大于表層，呈“下高上低”的態勢，日出之后，地表開始接受太陽輻射，氣溫上升，地表不斷吸收熱量并逐漸向下傳遞，逐步轉變為“下低上高”的溫度態勢。表層土壤溫度日較差大，隨著深度的增加，土壤溫度的日較差逐漸減小。

(致謝:貴州師范學院地理與旅游學院2011級農業資源與環境專業全體同學。)

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