黄河三角洲刺槐人工林土壤热通量的变化特征

来源:用户上传      作者:王霞 刘德玺 李永涛 王振猛 马丙尧

　　 摘要：为进一步研究黄河三角洲盐碱地区土壤-植被-大气连续体的作用机理并为热量平衡研究提供基础数据，本试验以黄河三角洲盐碱地区长期生长的刺槐人工林为对象，利用黄河三角洲森林生态系统定位研究站2016年度观测数据，研究了该地区刺槐人工林土壤热通量的变化特征及其与地表净辐射的关系。结果表明：10、20 cm土层土壤热通量日变化基本呈现“S”型变化，且随土壤深度增加振幅减小;两层土壤热通量的月累积总量在3—8月为正值，其它月份为负值;两层的年总土壤热通量分别为-23.85、-12.97 MJ/m2，占地表净辐射（720.07 MJ/m2）的比例分别为-3.31%、-1.80%，土壤均表现为热源;在日尺度、月尺度水平上，土壤热通量与地表净辐射分别呈极显著和显著正相关;土壤热通量对地表净辐射的反馈存在延时效应，延时5 h的10 cm土层土壤热通量和延时9 h的20 cm土层土壤热通量与地表净辐射相关性最高。本研究得出土壤热通量与地表净辐射关系密切，这对研究土壤-植被-大气连续体中地气能量交换和热量平衡具有重要意义。
　　关键词：黄河三角洲;刺槐;土壤热通量;净辐射
　　中图分类號：S152.8  文献标识号：A  文章编号：1001-4942（2020）01-0088-06
　　Abstract In order to further study the action mechanism of soil-plant-atmosphere continuum and provide basic data for studying the heat balance in the Yellow River Delta of saline-alkali area， based on the 2016 annual data of forest ecosystem positioning research station of the Yellow River Delta， the long-term plantation of Robinia pseudoacacia was taken as research objects to study the variation characteristics of soil heat flux and its relationship with surface net radiation. The results suggested that the diurnal variations of soil heat flux at 10- and 20-cm depth mostly showed S shapes， and the amplitude decreased with the depth of soil layers. The monthly accumulation of soil heat fluxes of both layers was positive from March to August and negative in the other months. The annual total soil heat fluxes at 10-cm and 20-cm depth were -23.85 and -12.97 MJ/m2 respectively with the proportion of total soil heat fluxes to the surface net radiation（720.07 MJ/m2） as -3.31% and -1.80% respectively， indicating that the soil of both layers was heat source at the annual temporal scale. There were extremely significant correlations between soil heat fluxes and the surface net radiation at daily temporal scale， while significant correlations at monthly temporal scale. There was time-lag effect in the feedback of soil heat flux to surface net radiation， the soil heat fluxes lagged 5 h at 10-cm depth and 9 h at 20-cm depth had the most correlation with the surface net radiation. In this study， we concluded that the soil heat flux was in close relationship with the surface net radiation， which had great significance to studying the energy exchange between ground and atmosphere among soil-plant-atmosphere continuum and heat balance.
　　Keywords Yellow River Delta;Robinia pseudoacacia;Soil heat flux;Net radiation
　　 土壤作为植物赖以生存的重要环境要素，是土壤-植被-大气连续体（soil-plant-atmosphere continuum，简称SPAC）的基础。土壤热通量是表征地-气能量交换的主要物理参量，是森林生态系统能量平衡方程中的重要组成部分，与系统的能量闭合程度息息相关[1]。研究土壤热通量的变化特征，对于分析森林生态系统的能量平衡以及区域小气候、土壤气候和土壤生态环境的形成有重要意义。目前，国内有关森林生态系统土壤热通量的研究，主要集中于寒带[2]、寒温带[3，4]和亚热带[1，5-10]等地区，研究对象有原始林、人工纯林和混交林等，而针对黄河三角洲盐碱地区森林生态系统土壤热通量的研究还较少。 　　刺槐（Robinia pseudoacacia Linn.），因其较强的耐盐碱能力和适应性，成为黄河三角洲盐碱地区的主要代表树种。近年来对该地区刺槐人工林土壤的研究多集中于土壤基本理化性质、土壤酶活性和土壤微生物特征[11-14]，还有土壤水分生态特征[15]、土壤水盐动态变化[16，17]等方面，而关于热通量的研究还未见报道。本试验以黄河三角洲盐碱地区长期生长的人工刺槐林为研究对象，探讨不同土层土壤热通量的变化特征，分析土壤热通量与地表净辐射的关系，旨在为进一步研究该区域人工刺槐林SPAC的作用机理和热量平衡提供参考。
　　1 材料与方法
　　1.1 研究区概况
　　试验区域位于山东省东营市河口区，属暖温带半湿润大陆性季风气候。年均气温12.9 ℃，年均无霜期234 d、冻土期44 d。全年降水分布不均，年均降水量500～600 mm，其中夏季降水约占全年降水量的70%，蒸降比为3.5∶ 1。地下水埋深2～3 m。土壤类型以盐化潮土和滨海盐土为主。土壤盐分组成以氯化物为主。该区主要造林树种有刺槐（Robinia pseudoacacia Linn.）、绒毛白蜡（Fraxinus velutina Torr.）、白榆（Ulmus pumila Linn.）、臭椿[Ailanthus altissima （Mill.）Swingle]、国槐（Sophora japonica Linn.）等，林下植被主要有翅碱蓬[Suaeda salsa （Linn.）Pall.]、白茅[Imperata cylindrica （Linn.）Beauv.]、小飞蓬[Conyza canadensis （Linn.）Cronq.]、狗牙根[Cynodon dactylon （Linn.）Pers.]、藜（Chenopodium album Linn.）、罗布麻（Apocynum venetum Linn.）等。
　　研究地点为黄河三角洲森林生态系统定位研究站孤岛辅站，位于济南军区黄河三角洲综合训练基地十二分场刺槐林内。刺槐林为1985年春人工栽植，株行距为2 m×3 m，平均胸径18.74 cm，平均树高8.95 m。
　　1.2 研究方法
　　人工刺槐林内设有25 m综合梯度观测塔（包含森林小气候观测系统）。其中，地下10 cm、20 cm处设有HFP01（SC）土壤热通量传感器（Hukseflux，Netherlands），用于测定土壤热通量;净辐射传感器CNR4（Kipp&Zonen，Netherlands）设置在距地面1.5 m处，用于测定地表净辐射能量。所有仪器测得数据由数据采集器CR1000（Campbell，USA）自动记录，数据采集频率为10 min，24 h不间断采集。
　　1.3 数据处理与分析
　　本研究选取2016年1月1日—2016年12月31日的观测数据，以0∶ 00为次日划分点。利用Microsoft Excel 2013软件进行数据统计、制图和分析。
　　2 结果与分析
　　2.1 土壤热通量的日变化特征
　　热量由表层或浅层土壤向深层土壤传输时，土壤热通量为正值，即土壤表现为热汇;热量由深层土壤向浅层或表层土壤传输时，土壤热通量为负值，即土壤表现为熱源。选择1、4、7、10月作为代表月份，选取代表月份逐日每半小时的瞬时数据，每月相同时刻数据进行平均处理，研究土壤热通量的日变化特征（图1）。
　　
　　 整体来说，10、20 cm土层土壤热通量日变化规律基本一致。其中，10 cm土层土壤热通量呈典型的“S”型变化趋势，波动较大，振幅大于20 cm土层，最小值出现在7∶ 00—9∶ 30，最大值出现在15∶ 30—17∶ 30。20 cm土层土壤热通量（1月除外）也呈“S”型变化，但波动程度低于10 cm土层，振幅较小，说明日尺度上深层土壤的地-气能量交换强度较浅层土壤小;而1月份20 cm土层土壤热通量变化较平缓，波动较小，说明该时段大气与该层次土壤热量交换强度很小;20 cm土层最小值出现在9∶ 30—12∶ 30，最大值出现在20∶ 00—21∶ 00，与10 cm土层相比较，极值出现时间有一定延迟，这是因为热量在土壤内传递需要一定的时间（图1）。
　　由图1可以看出，10、20 cm土层土壤热通量1月均为负值，平均值分别为-7.29、-6.07 W/m2，两层土壤表现为热源，说明两层土壤分别向其上层土壤释放热量;4月，10、20 cm土层土壤热通量平均值分别为5.07、4.99 W/m2，总体来说该时段两层土壤表现为热汇，说明两层土壤分别向其下层土壤传递热量;7月，10、20 cm土层土壤热通量均为正值，平均值分别为4.77、5.09 W/m2，两层土壤表现为热汇，说明两层土壤分别向其下层土壤传递热量;10月，10、20 cm土层土壤热通量平均值分别为-4.64、-3.92 W/m2，总体来说该时段两层土壤表现为热源，说明两层土壤分别向其上层土壤释放热量。
　　2.2 土壤热通量的月变化特征
　　一年中，10、20 cm土层土壤热通量月累计总量呈现一致的月变化特征。1、2月和9—12月10、20 cm土层土壤热通量累积量均为负值，两层土壤都表现为热源，说明两层土壤分别向其上层土壤释放热量;3—8月为正值，两层土壤都表现为热汇，说明两层土壤分别向其下层土壤传递热量;10 cm土层土壤热通量累积量负向绝对值的最大值出现在11月（-23.18 MJ/m2），正向最大值出现在4月（13.57 MJ/m2），绝对值最小值出现在8月（2.80 MJ/m2），该层年总热通量累积量为-23.85 MJ/m2，在年尺度上土壤表现为热源;20 cm土层土壤热通量累积量负向绝对值的最大值出现在11月（-20.48 MJ/m2），正向最大值出现在7月（14.07 MJ/m2），绝对值最小值出现在9月（-1.56 MJ/m2），该层年总热通量累积量为-12.97 MJ/m2，其绝对值小于10 cm土层，在年尺度上土壤表现为热源（图2）。 　　
　　2.3 土壤热通量与地表净辐射的关系
　　2.3.1 土壤热通量占地表净辐射的比例 10、20 cm土层土壤热通量月总值占地表净辐射的比例变化趋势基本一致。其中两层所占比例在3—8月为正值，其它月份为负值。由于地表净辐射始终为正，所以比例符号的变化即反映了土壤热通量的方向变化。两层的比例在1月分别为-104.12%、-86.73%，2月绝对值分别下降为-5.65%、-8.28%，3月转为正值，然后逐步增大，7月达到一年中正向最大值，分别为26.82%、28.60%，之后又逐步减小，9月转变为负值，12月急剧减小至负向最大比例，分别为-242.43%、-221.37%，也是一年中绝对值的最大值。就全年而言，10、20 cm土层年总土壤热通量累计值（-23.85、-12.97 MJ/m2）分别占地表净辐射（720.07 MJ/m2）的-3.31%和-1.80%（图3）。
　　
　　2.3.2 土壤热通量与地表净辐射的回归关系和延时效应 在日尺度（日均值）、月尺度（月均值）上对不同深度的土壤热通量和地表净辐射进行回归分析，结果见表1。10、20 cm土层土壤热通量和地表净辐射在日尺度水平上均呈极显著正相关，在月尺度水平上均呈显著正相关;月尺度水平上回归分析的决定系数均比日尺度水平的大。
　　 为检验地表净辐射与土壤热通量之间是否存在延时效应，选择1、4、7、10月作为代表月份，选取代表月份逐日每半小时的瞬时数据进行研究，分析0 h（没有延时）至延时12 h的土壤热通量与地表净辐射的回归关系，结果见表2。0.5 h尺度延时回归分析中，10、20 cm土层有相同的变化规律，即决定系数随着延时的增加先增大后减小;10、20 cm土层的延时相关均达到极显著水平（P<0.01），且在延时0～8 h时，10 cm土层决定系数均大于20 cm土层，延时9～12 h时10 cm土层决定系数均小于20 cm土层;10 cm土层决定系数延时5 h时达到最大值0.2906，20 cm土层决定系数则在延时9 h时达到最大值01263，比10 cm土层延迟4 h。
　　3 讨论与结论
　　本研究中土壤热通量的日变化基本呈现“S”型变化，即随时间的推移先减小后增大再减小，这与前人对青藏高原东南部冷杉原始林[2]、秦岭油松林[1]、会同杉木林[5]、临安雷竹林[7]、肇庆针阔混交林[9，10]等的研究结果一致。研究还发现10 cm土层土壤热通量日变化振幅大于20 cm土层，且最大值和最小值出现时间均早于20 cm土层。王旭[9]、尹光彩[10]等对南亚热带针阔混交林的研究发现，5 cm土层土壤热通量的正向和负向最大值数值均明显小于表层土壤热通量，且日变化节律上延滞约0.5～1 h;张文斌[18]对塔克拉玛干沙漠地区研究指出，10 cm土层土壤热通量的变化幅度比5 cm土层明显减小，且最大值的出现时间有一定滞后性;胡兆永等[1]对秦岭地区油松林研究显示非生长季和生长季10 cm土层土壤热通量振幅都大于20 cm土层，极值出现时间也略早;张利平等[5]对杉木人工林的研究得出当土壤深度为45 cm时，土壤热通量的日变化基本呈一条直线，无显著的日变化特征;李明财等[2]对青藏高原地区冷杉原始林的研究中也显示5 cm表层土壤热通量有明显的波动，而20 cm处呈微弱波动，至土壤60 cm处几乎没有日变化。上述研究与本研究均表明，随着土壤深度的增加，土壤热通量的日变化振幅有减小趋势，并且日尺度上的地-气热量交换主要发生在表层土壤或浅层土壤，深层土壤热通量极值出现的时间与浅层土壤相比有一定延迟，部分学者[5，18]把该延迟现象归因于热量传递需要一定的时间。
　　本研究中土壤热通量有明显的月变化特征：10、20 cm土层土壤热通量在1、2月和9—12月为负值，3—8月为正值，且波动变化大，符号转变的时间是2—3月和8—9月。2—3月，太阳辐射强度逐渐增大，加之无降水，土壤含水量低，地表净辐射主要用于土壤热通量，所以热通量增加迅速并在3月转为正值，4—8月受降水影响土壤热通量波动较大，9月土壤热通量则因太阳辐射强度降低而转为负值，这與张宏等[19]的研究有一定相似之处。
　　此外，10 cm土层土壤热通量的最大值出现在4月，20 cm土层的最大值出现在7月，两层的最小值均出现在11月。一年中地表净辐射的最大值、最小值则分别出现在4月和12月。热通量极值出现时间与净辐射的不完全一致，10 cm土层土壤热通量最大值出现时间和20 cm土层的也不一致。推测这是多因素综合影响的结果，这与张宏等[19]分析的土壤热通量受太阳辐射、降水、土壤湿度等因素的影响有关。在年尺度上，本地区10 cm和20 cm土层土壤均表现为热源，且10 cm土层土壤热通量绝对值大于20 cm土层。这与胡兆永等[1]对秦岭地区油松林的研究结果一致，但与张利平等[5]对会同杉木人工林的研究结果不一致。分析认为由于受不同地理位置、气候环境要素、土壤特性、森林物候等因素的影响，不同地区土壤热通量的变化特征会有差异[19，20]。
　　年总土壤热通量累计值占地表净辐射的比例很小，但两者关系密切，且存在延时效应。月尺度上，10、20 cm土层土壤热通量月总值占地表净辐射的比例变化范围分别为-242.43%～26.82%、-221.37%～28.60%。秦岭地区油松林[1]10、20 cm土层土壤热通量月总值占冠层净辐射的比例变化范围分别为-17.5%～3.11%、-18.61%～3.72%;会同杉木人工林[5]10、20 cm土层土壤热通量月总值占冠层净辐射的比例变化范围分别为-26.65%～3.33%、-23.64%～2.23%。本研究比例变化范围远大于油松林和杉木人工林，可能是由于林地的叶面积指数、净辐射通量以及林地土壤的导热性不同等所造成。10 cm土层土壤热通量在1、12月和20 cm土层在12月所占比例数值上超过100%，分析认为该时段太阳净辐射较小，土壤热通量为负值，深层土壤向其上层土壤释放热量，较浅层次土壤均接收来自深层次土壤向上释放的热量，故数值上大于地表净辐射。年尺度上，虽然10、20 cm土层土壤热通量占净辐射的比例很小，分别为-3.31%、-1.80%，但3—8月土壤储存热量表现为热汇，其它月份释放热量表现为热源，土壤热通量对全年能量收支平衡起到了“缓存”作用[21]，因而其存在的意义不可忽视。在日尺度和月尺度水平上，两层土壤热通量与地表净辐射分别呈极显著正相关和显著正相关，且月尺度水平上相关性更大，这说明本地区该林分土壤热通量对净辐射的反馈在较大时间尺度上表现的更为充分[10]。从0.5 h尺度上的延时回归分析中得出，延时5 h的10 cm土层土壤热通量和延时9 h的20 cm土层土壤热通量与地表净辐射相关性最高。尹光彩等[10]对南亚热带针阔混交林的研究发现地表土壤热通量对冠层净辐射的反馈延滞约2.5 h，而5 cm处土壤热通量则延滞3.5 h;李明财等[2]对青藏高原冷杉原始林的研究指出表层土壤（5 cm）热通量对地表净辐射的反馈延滞约6 h;胡兆永等[1]对秦岭地区油松林的研究得出，在非生长季，10、20 cm 土层的最大相关系数分别出现在延时3、5 h，而在生长季，两层的最大相关系数分别出现在延时4、7 h，均比非生长季同一土层要晚。土壤热通量的变化通常以净辐射为基础，另受林内微环境的影响，由太阳辐射转变为土壤热能，并且热能差异产生热通量需要一定时间，故土壤热通量对净辐射的反馈存在延时[2，22]。土壤热通量因地理位置、气象环境要素、土壤特性、森林物候等影响变化特征各异[19，20]，所以不同地区的延时效应时间会有所差异。 　　参 考 文 献：
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