芦芽山针叶林生态系统土壤热通量变化特征

来源:用户上传      作者:李青辉 刘菊

　　摘要 观测现有芦芽山梯度气象塔，对土壤热通量进行研究，结果表明5、10 cm深度的土壤热通量有明显的日、季度及年变化特征。5、10 cm深度的土壤热通量在春季和夏季日平均值为正值，表现为热汇，在秋季和冬季表现却相反，日平均值为负值，表现为热源;5、10 cm深度土壤热通量的日变化规律表现为“S”型，且振幅在不同季节幅度不同。年总土壤热通量占年总净辐射量的比例很小，但月总土壤热通量占月总净辐射量的比例增大。通过日均土壤热通量与月均土壤热通量的研究，表明5、10 cm深度的土壤热通量与净辐射量均呈线性相关，但5月以后随着气候的变暖，森林中的植被覆盖度增加，冠层吸收净辐射量增大，导致土壤热通量出现减小，而不是随着太阳辐射量的增大而增大。
　　关键词 土壤热通量;变化特征;净辐射量;相关性
　　中图分类号 S714 文献标识码 A 文章编号 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
　　土壤是森林生態系统的重要组成部分，是林木植被生存的基础条件，同时也是微生物活动的主要场所。土壤热通量是地表热量平衡的组成部分，是土壤物理参量之一[1]。土壤热通量的变化特征因土壤类型、植被覆盖等因素有所差异[2]。通过土壤热通量板测量，对芦芽山针叶林生态系统的土壤热通量进行研究，了解地表能量的收支情况[3]，其结果对土壤的热交换及传递规律具有重要的意义。
　　1 研究地概况与观测方法
　　1.1 研究地概况
　　山西省芦芽山地处山西省吕梁山系北端，位于111°50′00″～112°05′30″E、38°35′40″～38° 45′00″N，海拔1 346～2 787 m。芦芽山区属暖温带半湿润山区气候，四季分明，冬季漫长，无霜期短，昼夜温差大。年均气温为4 ℃左右，最低气温1月年均为-15～-21 ℃，最高气温7月年均为15 ℃;无霜期为90～120 d，年均降水量为500～600 mm，主要集中在夏季的7—9月，占全年降水量的50%～60%，冬季以降雪为主，年蒸发量为1 760 mm，年均日照时数为2 944 h。以不同林龄及演替阶段的云杉天然次生林，华北落叶松天然次生林，油松天然次生林及松栎混交林，白桦林、山杨林及其二者组成的混交林，油松人工林等针叶林为主。芦芽山区内由于成土因素复杂，形成了特有的土壤类型，成为山西省复杂土壤的组成部分，并且具有明显的垂直分布带，自下而上分别是灰褐土，这是山区浅山地带的主要土壤，分布于海拔1 400～1 800 m，土体呈褐色，呈微碱反应;棕壤，分布于海拔1 600～2 200 m，土体呈棕色，土壤呈中性—低酸反应;亚高山草原草甸，分布于海拔2 200 m以上，土体呈暗棕色，土壤呈酸性。
　　1.2 观测方法
　　在标地上安装总高 35 m 的四角铁塔。将 4 个温湿度传感器（HMP155A）、4 个风速传感器（4461）、4个光合有效传感器（Li190SB）安装在塔体的 1.5、10、18、34 m 高度处，2个风向传感器（4462）安装在塔体的 1.5、34 m高度处。在 34 m 的位置还安装四分量辐射传感器（CNR4）进行辐射的测量。同时还配有 2 个热通量板（HFP-01），安装在地面下 5、10 cm，4 个土壤三参数传感器（CS655）安装在地面下 5、10、20、40 cm，从而形成一套完整的梯度观测系统。使用 CR1000 数据采集器进行数据采集并通过 DTU 通讯模块进行远程数据采集与监控，同时使用 NL116 加 2G 工业存储卡将采集到的数据进行存储，数据采集系统每30 min 采集记录数据 1 次。 观测数据使用时段为 2017年9月1日—2018年8月31日。 　　2 结果与分析
　　2.1 土壤熱通量日变化
　　芦芽山处于暖温带，一年分为春（3—5月）、夏（6—8月）、秋（9—11月）、冬（12月—次年2月）4 个季节，分别对每个季节时间段的每天不同时刻的30 min土壤热通量求平均值，得出4个季节土壤热通量的平均日变化规律。
　　由图1可知，春夏秋3个季节5 cm深度的平均土壤热通量在1 d内变化呈“S”型，冬季5 cm深度的平均土壤热通量在1 d内日变化幅度开始变小。在秋冬季，10 cm深度的平均土壤热通量在1 d内的变化幅度不大，呈“S”型。从图1看出，不同深度的土壤热通量在不同季节日变化特征有所不同。
　　由表1可知，在春季和夏季，5、10 cm深度的土壤热通量日平均值为正，即土壤从环境中吸收热量，而在秋季和冬季表现相反，土壤热通量日平均值为负，即土壤向环境中释放热量。5 cm深度土壤热通量的日平均值在春、夏、秋、冬季分别为6.31、7.59、 -4.13、 -4.65 W/m2，10 cm深度的日平均值分别为 6.01、8.49、 -9.53、 -9.55 W/m2，可见，5、10 cm深度的土壤热通量日平均值均表现为夏季 >春季 >秋季>冬季;春、夏季太阳辐射增强，则土壤吸收的热量较多;秋、冬季太阳辐射减弱，土壤吸收的热量较少，这说明土壤吸收或释放热量与太阳辐射关系较为密切。在1年四季，5 cm深度的土壤热通量基本在 15：00—16：00达到最大值;10 cm深度的土壤热通量基本在18：00达到最大值 。1 d内5 cm深度土壤热通量最大值出现的时间比10 cm深度的早，说明热量在土壤内的传导需要一定的时间。由此表看出，不同深度土壤在不同季节的热通量有明显差异。
　　2.2 土壤热通量季节变化
　　由图2可知，2017年8—10月，5 cm 深度土壤热通量平均为 -4.01 W/m2，10 cm 深度土壤热通量平均为 -4.64 W/m2;2017年11月—2018年1月，5 cm 深度土壤热通量平均为 -4.60 W/m2，10 cm 深度土壤热通量平均为 -9.45 W/m2; 2018年2—4月，5 cm 深度土壤热通量平均为 6.38 W/m2，10 cm深度土壤热通量平均为 5.98 W/m2;2018年5—7月，5 cm 深度土壤热通量平均为 8.37 W/m2，10 cm深度土壤热通量平均为 7.65 W/m2。从土壤热通量变化趋势来看，夏季和秋季，5 cm和10 cm深度土壤热通量都呈减少趋势，变化趋势一致，春季和冬季，5 cm和 10 cm深度土壤热通量都呈增加趋势，变化趋势一致[4]。
　　2.3 土壤热通量年变化
　　由图3可知，5、10 cm深度土壤热通量在3—8月为正值，1、2、9、10、11、12月为负值，且5月达到最大值，5 cm深度土壤热通量最大值为12.22 W/m2，10 cm深度土壤热通量最大值为12.95 W/m2。5 cm深度土壤热通量11月达到最小值，为-7.42 W/m2，10 cm深度土壤热通量12月达到最小值，为-14.79 W/m2[5]。2017年9月—2018年8月全年热通量总量为 0.06 W/m2，说明在1年时间内，地面总体表现为微热汇源。同样，5 cm和 10 cm深度的土壤热通量年总量分别为 1.48 和-1.42 W/m2，说明 5 cm土壤深度在一年内表现为微热汇源，10 cm土壤深度在一年内表现为热源，土壤向外释放热量。
　　安徽农业科学 2020年
　　2.4 土壤热通量与净辐射量的关系
　　2.4.1 土壤热通量占净辐射量的比例。
　　从比例上来看，全年的净辐射量为1 253.79 W/m2，土壤5、10 cm处的年总土壤热通量仅占它的0.12%和-0.11% 。在1年内，土壤的热通量占净辐射量的比例很小。表2为各个土壤深度的月总热通量占月总净辐射量的百分比[6]。
　　2.4.2 土壤热通量与净辐射量的相关性分析。
　　对5 cm和 10 cm深度的土壤热通量（y）与净辐射量（x）进行相关性分析，得出两者均存在一定的相关性[7]。由图4可以看出，在1 d内，2个深度的土壤平均热通量与日均净辐射量均呈线性相关，土壤热通量与净辐射量呈正相关，且相关系数随着土层深度增加而减小。这说明随着净辐射量的增加，5、10 cm处土壤深度的热通量也逐渐增大。
　　由图5可知，2个深度的土壤月均热通量与月均净辐射量线性相关，比1 d内的更为明显，相关系数更大。 与1 d内的一样，5、10 cm深度土壤月均热通量与月均净辐射量呈正相关，随着土壤深度的加深，相关系数呈减小趋势。
　　5月以后，2个深度的土壤热通量均出现下降趋势（图3），并没有随着净辐射量的增加而增大，反而出现减小。这是由于5月以后随着气候的变暖，森林中的植被覆盖度增加，冠层吸收太阳净辐射量增大，导致土壤热通量减小[8]。了解土壤热通量与净辐射量的关系，可以评估土壤的热平衡状况[9]。
　　3 结论
　　不同深度土壤的热通量在不同季节日变化特征不同，且不同季节内不同深度土壤的热通量特征有明显的差异[10]。在春季和夏季5、10 cm深度的土壤日均热通量表现为正值，从环境中吸收热量，在秋冬季表现相反。土壤不同深度的热通量在一天内变化呈“S”型，随着土壤深度的加深，日变化的振幅开始变小。土壤热通量有明显的年变化特征，5、10 cm深度土壤在春夏季均为热汇，秋冬季基本为热源，最大值为5月，最小值为12月。年总土壤热通量占年总净辐射的比例很小，通过日均热通量与月均热通量的研究可以得出不同深度的土壤热通量与净辐射量均呈线性相关，两者关系密切，但5月以后随着气候变暖，森林中的植被覆盖度增加，冠层吸收净辐射量增大，导致土壤热通量减小，而不是随着太阳辐射量的增大而增大。
　　参考文献
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