蘆芽山針葉林生態系統土壤熱通量變化特征

李青輝 劉菊

摘要 觀測現有蘆芽山梯度氣象塔，對土壤熱通量進行研究，結果表明5、10 cm深度的土壤熱通量有明顯的日、季度及年變化特征。5、10 cm深度的土壤熱通量在春季和夏季日平均值為正值，表現為熱匯，在秋季和冬季表現卻相反，日平均值為負值，表現為熱源;5、10 cm深度土壤熱通量的日變化規律表現為“S”型，且振幅在不同季節幅度不同。年總土壤熱通量占年總凈輻射量的比例很小，但月總土壤熱通量占月總凈輻射量的比例增大。通過日均土壤熱通量與月均土壤熱通量的研究，表明5、10 cm深度的土壤熱通量與凈輻射量均呈線性相關，但5月以后隨著氣候的變暖，森林中的植被覆蓋度增加，冠層吸收凈輻射量增大，導致土壤熱通量出現減小，而不是隨著太陽輻射量的增大而增大。

關鍵詞 土壤熱通量;變化特征;凈輻射量;相關性

中圖分類號 S714 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2020）03-0122-04

Abstract The existing Luyashan gradient meteorological tower was used to study the soil heat flux，which showed that the soil heat flux at 5， 10 cm depth had obvious daily， quarterly and annual changes. The daily average value of soil heat flux at the depth of 5， 10 cm was positive in spring and summer， showing heat sink; however， it was opposite in autumn and winter， showing negative daily average value， showing heat source. The diurnal variation of soil heat flux at the depth of 5， 10 cm showed an “S” pattern， and the amplitude varied in different seasons. The proportion of annual total soil heat flux in the total net radiation amount was small， but the proportion of monthly total soil heat flux in the total net radiation amount increased. Through the study of average daily soil heat flux and average monthly soil heat flux， it was shown that the soil heat flux at 5， 10 cm depth had a linear correlation with the net radiation amount.However， with the warming of the climate after May， the vegetation coverage in the forest increased and the net radiation absorbed by canopy increased， which led to the decrease of soil heat flux rather than the increase of solar radiation.

Key words Soil heat flux;Change characteristics;Net radiation quantity;Correlation

土壤是森林生態系統的重要組成部分，是林木植被生存的基礎條件，同時也是微生物活動的主要場所。土壤熱通量是地表熱量平衡的組成部分，是土壤物理參量之一[1]。土壤熱通量的變化特征因土壤類型、植被覆蓋等因素有所差異[2]。通過土壤熱通量板測量，對蘆芽山針葉林生態系統的土壤熱通量進行研究，了解地表能量的收支情況[3]，其結果對土壤的熱交換及傳遞規律具有重要的意義。

1 研究地概況與觀測方法

1.1 研究地概況

山西省蘆芽山地處山西省呂梁山系北端，位于111°50′00″～112°05′30″E、38°35′40″～38° 45′00″N，海拔1 346～2 787 m。蘆芽山區屬暖溫帶半濕潤山區氣候，四季分明，冬季漫長，無霜期短，晝夜溫差大。年均氣溫為4 ℃左右，最低氣溫1月年均為-15～-21 ℃，最高氣溫7月年均為15 ℃;無霜期為90～120 d，年均降水量為500～600 mm，主要集中在夏季的7—9月，占全年降水量的50%～60%，冬季以降雪為主，年蒸發量為1 760 mm，年均日照時數為2 944 h。以不同林齡及演替階段的云杉天然次生林，華北落葉松天然次生林，油松天然次生林及松櫟混交林，白樺林、山楊林及其二者組成的混交林，油松人工林等針葉林為主。蘆芽山區內由于成土因素復雜，形成了特有的土壤類型，成為山西省復雜土壤的組成部分，并且具有明顯的垂直分布帶，自下而上分別是灰褐土，這是山區淺山地帶的主要土壤，分布于海拔1 400～1 800 m，土體呈褐色，呈微堿反應;棕壤，分布于海拔1 600～2 200 m，土體呈棕色，土壤呈中性—低酸反應;亞高山草原草甸，分布于海拔2 200 m以上，土體呈暗棕色，土壤呈酸性。

1.2 觀測方法

在標地上安裝總高 35 m 的四角鐵塔。將 4 個溫濕度傳感器（HMP155A）、4 個風速傳感器（4461）、4個光合有效傳感器（Li190SB）安裝在塔體的 1.5、10、18、34 m 高度處，2個風向傳感器（4462）安裝在塔體的 1.5、34 m高度處。在 34 m 的位置還安裝四分量輻射傳感器（CNR4）進行輻射的測量。同時還配有 2 個熱通量板（HFP-01），安裝在地面下 5、10 cm，4 個土壤三參數傳感器（CS655）安裝在地面下 5、10、20、40 cm，從而形成一套完整的梯度觀測系統。使用 CR1000 數據采集器進行數據采集并通過 DTU 通訊模塊進行遠程數據采集與監控，同時使用 NL116 加 2G 工業存儲卡將采集到的數據進行存儲，數據采集系統每30 min 采集記錄數據 1 次。 觀測數據使用時段為 2017年9月1日—2018年8月31日。

2 結果與分析

2.1 土壤熱通量日變化

蘆芽山處于暖溫帶，一年分為春（3—5月）、夏（6—8月）、秋（9—11月）、冬（12月—次年2月）4 個季節，分別對每個季節時間段的每天不同時刻的30 min土壤熱通量求平均值，得出4個季節土壤熱通量的平均日變化規律。

由圖1可知，春夏秋3個季節5 cm深度的平均土壤熱通量在1 d內變化呈“S”型，冬季5 cm深度的平均土壤熱通量在1 d內日變化幅度開始變小。在秋冬季，10 cm深度的平均土壤熱通量在1 d內的變化幅度不大，呈“S”型。從圖1看出，不同深度的土壤熱通量在不同季節日變化特征有所不同。

由表1可知，在春季和夏季，5、10 cm深度的土壤熱通量日平均值為正，即土壤從環境中吸收熱量，而在秋季和冬季表現相反，土壤熱通量日平均值為負，即土壤向環境中釋放熱量。5 cm深度土壤熱通量的日平均值在春、夏、秋、冬季分別為6.31、7.59、 -4.13、 -4.65 W/m2，10 cm深度的日平均值分別為 6.01、8.49、 -9.53、 -9.55 W/m2，可見，5、10 cm深度的土壤熱通量日平均值均表現為夏季 >春季 >秋季>冬季;春、夏季太陽輻射增強，則土壤吸收的熱量較多;秋、冬季太陽輻射減弱，土壤吸收的熱量較少，這說明土壤吸收或釋放熱量與太陽輻射關系較為密切。在1年四季，5 cm深度的土壤熱通量基本在 15：00—16：00達到最大值;10 cm深度的土壤熱通量基本在18：00達到最大值 。1 d內5 cm深度土壤熱通量最大值出現的時間比10 cm深度的早，說明熱量在土壤內的傳導需要一定的時間。由此表看出，不同深度土壤在不同季節的熱通量有明顯差異。

2.2 土壤熱通量季節變化

由圖2可知，2017年8—10月，5 cm 深度土壤熱通量平均為 -4.01 W/m2，10 cm 深度土壤熱通量平均為 -4.64 W/m2;2017年11月—2018年1月，5 cm 深度土壤熱通量平均為 -4.60 W/m2，10 cm 深度土壤熱通量平均為 -9.45 W/m2; 2018年2—4月，5 cm 深度土壤熱通量平均為 6.38 W/m2，10 cm深度土壤熱通量平均為 5.98 W/m2;2018年5—7月，5 cm 深度土壤熱通量平均為 8.37 W/m2，10 cm深度土壤熱通量平均為 7.65 W/m2。從土壤熱通量變化趨勢來看，夏季和秋季，5 cm和10 cm深度土壤熱通量都呈減少趨勢，變化趨勢一致，春季和冬季，5 cm和 10 cm深度土壤熱通量都呈增加趨勢，變化趨勢一致[4]。

2.3 土壤熱通量年變化

由圖3可知，5、10 cm深度土壤熱通量在3—8月為正值，1、2、9、10、11、12月為負值，且5月達到最大值，5 cm深度土壤熱通量最大值為12.22 W/m2，10 cm深度土壤熱通量最大值為12.95 W/m2。5 cm深度土壤熱通量11月達到最小值，為-7.42 W/m2，10 cm深度土壤熱通量12月達到最小值，為-14.79 W/m2[5]。2017年9月—2018年8月全年熱通量總量為 0.06 W/m2，說明在1年時間內，地面總體表現為微熱匯源。同樣，5 cm和 10 cm深度的土壤熱通量年總量分別為 1.48 和-1.42 W/m2，說明 5 cm土壤深度在一年內表現為微熱匯源，10 cm土壤深度在一年內表現為熱源，土壤向外釋放熱量。

安徽農業科學 2020年

2.4 土壤熱通量與凈輻射量的關系

2.4.1 土壤熱通量占凈輻射量的比例。

從比例上來看，全年的凈輻射量為1 253.79 W/m2，土壤5、10 cm處的年總土壤熱通量僅占它的0.12%和-0.11% 。在1年內，土壤的熱通量占凈輻射量的比例很小。表2為各個土壤深度的月總熱通量占月總凈輻射量的百分比[6]。

2.4.2 土壤熱通量與凈輻射量的相關性分析。

對5 cm和 10 cm深度的土壤熱通量（y）與凈輻射量（x）進行相關性分析，得出兩者均存在一定的相關性[7]。由圖4可以看出，在1 d內，2個深度的土壤平均熱通量與日均凈輻射量均呈線性相關，土壤熱通量與凈輻射量呈正相關，且相關系數隨著土層深度增加而減小。這說明隨著凈輻射量的增加，5、10 cm處土壤深度的熱通量也逐漸增大。

由圖5可知，2個深度的土壤月均熱通量與月均凈輻射量線性相關，比1 d內的更為明顯，相關系數更大。 與1 d內的一樣，5、10 cm深度土壤月均熱通量與月均凈輻射量呈正相關，隨著土壤深度的加深，相關系數呈減小趨勢。

5月以后，2個深度的土壤熱通量均出現下降趨勢（圖3），并沒有隨著凈輻射量的增加而增大，反而出現減小。這是由于5月以后隨著氣候的變暖，森林中的植被覆蓋度增加，冠層吸收太陽凈輻射量增大，導致土壤熱通量減小[8]。了解土壤熱通量與凈輻射量的關系，可以評估土壤的熱平衡狀況[9]。

3 結論

不同深度土壤的熱通量在不同季節日變化特征不同，且不同季節內不同深度土壤的熱通量特征有明顯的差異[10]。在春季和夏季5、10 cm深度的土壤日均熱通量表現為正值，從環境中吸收熱量，在秋冬季表現相反。土壤不同深度的熱通量在一天內變化呈“S”型，隨著土壤深度的加深，日變化的振幅開始變小。土壤熱通量有明顯的年變化特征，5、10 cm深度土壤在春夏季均為熱匯，秋冬季基本為熱源，最大值為5月，最小值為12月。年總土壤熱通量占年總凈輻射的比例很小，通過日均熱通量與月均熱通量的研究可以得出不同深度的土壤熱通量與凈輻射量均呈線性相關，兩者關系密切，但5月以后隨著氣候變暖，森林中的植被覆蓋度增加，冠層吸收凈輻射量增大，導致土壤熱通量減小，而不是隨著太陽輻射量的增大而增大。

參考文獻

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