樊云龍，鄒細(xì)霞，羅緒強(qiáng)

(1.貴州師范學(xué)院地理與旅游學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550018;2.貴州師范學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)與鄉(xiāng)村發(fā)展研究所，貴州 貴陽(yáng) 550018;3.畢節(jié)學(xué)院畢節(jié)循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究院，貴州 畢節(jié) 551700)

土壤溫度是重要的土壤物理性質(zhì)，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(biāo)。溫度是影響根系生理功能的重要因素，而且植物對(duì)根區(qū)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(wú)機(jī)鹽的溶解速度等，進(jìn)而影響植物的生長(zhǎng)［2］。土壤溫度的變化是太陽(yáng)輻射平衡、土壤熱量平衡和土壤熱學(xué)性質(zhì)相互作用的結(jié)果，不同時(shí)間、不同地點(diǎn)和土壤的不同組成及性質(zhì)，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(nóng)業(yè)耕作方式和地貌特征也決定了土壤溫度的變化規(guī)律［4-6］。土壤溫度作為小氣候的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)空間異質(zhì)性，生態(tài)交錯(cuò)帶的結(jié)構(gòu)、過(guò)程和功能都起到了關(guān)鍵作用［7，8］。土壤溫度的區(qū)域分異和時(shí)間變化在影響地上植物、地下微生物和土壤動(dòng)物的生長(zhǎng)和發(fā)育、繁殖、分布過(guò)程中起著多大的作用，還有待進(jìn)一步研究。

喀斯特山區(qū)獨(dú)特的地貌特征導(dǎo)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(xué)者對(duì)貴州喀斯特地貌區(qū)森林和草地的土壤溫度日較差進(jìn)行了調(diào)查［11］，以及在廣西喀斯特地區(qū)不同植被演替階段的土壤溫度等小氣候指標(biāo)進(jìn)行了全面的比較［12，13］。以上研究均針對(duì)喀斯特山區(qū)的自然植被下土壤溫度日變化開(kāi)展研究。然而，當(dāng)前人類生產(chǎn)活動(dòng)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(nóng)業(yè)景觀，對(duì)其土壤溫度日變化動(dòng)態(tài)特征仍不了解。通過(guò)對(duì)土壤溫度調(diào)查，了解不同地表植被類型和不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式對(duì)土壤溫度的日變化的影響，并進(jìn)加深對(duì)土壤溫度變化一般規(guī)律的認(rèn)識(shí)，可為生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)及樣地概況

研究區(qū)位于貴州省貴陽(yáng)市烏當(dāng)區(qū)東風(fēng)鎮(zhèn)，是典型的喀斯特盆地地。盆地地勢(shì)平坦，南明河穿流而過(guò)，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)較好，一直是貴陽(yáng)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(jìn)程的影響，人類活動(dòng)程度不斷加劇，土地利用方式加速轉(zhuǎn)變并日益多樣化。土地利用方式的改變必定影響到土地質(zhì)量、土壤環(huán)境、植被生態(tài)等方面的功能和特性，因此有必要對(duì)該區(qū)域多加關(guān)注。而該區(qū)域土地利用方式的改變對(duì)于研究土壤溫度對(duì)植被類型改變的響應(yīng)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

烏當(dāng)區(qū)處于貴陽(yáng)市東北部，位于東經(jīng)106°30'～107°03'，北緯 26°33'～26°55'之間。平均海拔為1 100～1 400 m，地勢(shì)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(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為15℃左右，年均日照時(shí)數(shù)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(cuò)分布，形成了石灰性土壤與地帶性土壤共存的現(xiàn)象。土壤的pH值變化幅度較大，為極弱酸性至微堿性。

根據(jù)研究區(qū)烏當(dāng)區(qū)東風(fēng)鎮(zhèn)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(jiàn)的兩種農(nóng)業(yè)景觀:農(nóng)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(fēng)鎮(zhèn)周邊的主要植被類型)，包括毛軸蕨、山茶、樟樹(shù)等;灌叢樣地選擇在山麓，坡向西南，樣地中主要包括樟樹(shù)、山茶、構(gòu)樹(shù)、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(nóng)田和大棚樣地位于東風(fēng)鎮(zhèn)盆地中央，地勢(shì)平坦，農(nóng)作歷史長(zhǎng)，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(jì)監(jiān)測(cè)樣地大氣溫度;在5個(gè)樣地同時(shí)進(jìn)行了不同深度(5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm)的土壤溫度監(jiān)測(cè)，使用儀器是直角地溫計(jì)。從早9點(diǎn)～18點(diǎn)每隔一小時(shí)記錄一次。由于野外操作不慎將草地樣地15 cm土壤溫度計(jì)損壞，故缺失此層溫度記錄。

2 結(jié)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(xiàn)大致相似的趨勢(shì)，即一天當(dāng)中早晚氣溫低，中午氣溫升高，最高溫度出現(xiàn)在14:40左右。需說(shuō)明的是，最高溫并未出現(xiàn)在傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)上的14:00時(shí)，是因?yàn)橘F陽(yáng)所處經(jīng)度較東經(jīng)120°偏西約14°，所以正午時(shí)間比北京時(shí)間晚約53分鐘。

各樣地白天大部分時(shí)間氣溫大致呈:大棚＞草地＞農(nóng)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(dá)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(xiàn)太陽(yáng)輻射量暫時(shí)性減少的情況會(huì)迅速導(dǎo)致大棚內(nèi)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(shì)高而開(kāi)闊，周邊較少樹(shù)林遮蔽，一天當(dāng)中9:00-15:00能大量接受陽(yáng)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(shì)高處空氣流動(dòng)性大，氣溫很快降低。草地在白天升溫迅速，15:40以后開(kāi)始急速降溫，到16:40時(shí)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(nóng)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(guī)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(duì)稱的單峰曲線，且持續(xù)升溫時(shí)間較長(zhǎng)，降溫時(shí)間較短。農(nóng)田、草地、灌叢、林地土壤溫度峰值均出現(xiàn)在15:40左右，較氣溫峰值滯后約1小時(shí)，此結(jié)果與李生等人在廣西凌云縣典型喀斯特地區(qū)的研究結(jié)果相似［9］?？傮w而言，各種土地利用方式的5 cm深處土壤溫度日變化規(guī)律與大氣溫度日變化規(guī)律相一致，因此，土壤溫度日變化根本上受到太陽(yáng)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(nóng)田＞草地＞灌叢＞林地?？梢钥闯鲭S著地表植被的減少土壤溫度的日較差增大。農(nóng)田、草叢因群落種數(shù)少，層次簡(jiǎn)單，蓋度低，太陽(yáng)輻射可直接到達(dá)地面，地表溫度升降快而不穩(wěn)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(dòng)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(nóng)田、草地、灌叢、林地土壤溫度在5 cm處峰值均出現(xiàn)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(shí)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(xiàn)在16:40;20 cm深度草地土溫峰值在16:40左右，而大棚、農(nóng)田、灌叢土溫峰值更是滯后到17:40。由于溫度通過(guò)介質(zhì)自表層向下傳遞需要一定的時(shí)間，隨著傳遞深度的增加，熱傳遞所需的時(shí)間也隨之增大，土溫峰值也相應(yīng)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(tài)勢(shì)，這是因?yàn)榈乇斫?jīng)過(guò)一個(gè)夜晚的對(duì)外長(zhǎng)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(kāi)始接受太陽(yáng)輻射，氣溫上升，地表不斷吸收熱量并逐漸向下傳遞，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椤跋碌蜕细摺钡臏囟葢B(tài)勢(shì)。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(nóng)田作為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，人為活動(dòng)影響大，土壤溫度變化特征與其他自然狀態(tài)的土地利用方式相比，有其自身的特征。本研究中的農(nóng)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(dǎo)致土壤與大氣的通透性加強(qiáng)，從而影響了土壤溫度相應(yīng)氣溫變化的速度和幅度。

大棚內(nèi)溫度和各層土壤溫度均比室外農(nóng)田的溫度要高，隨著太陽(yáng)輻射的加強(qiáng)，室內(nèi)溫度增高很快，溫度差最大是在12:00-13:00之間，達(dá)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(nèi)氣溫到會(huì)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(nóng)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(duì)土壤溫度的增溫效應(yīng)主要體現(xiàn)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(jiàn)變化很小?？傮w而言，5-10 cm的淺層土壤溫度最高溫和日較差呈現(xiàn):農(nóng)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(xiàn):大棚＞農(nóng)田＞草地＞灌叢＞林地(如表1)。

3 結(jié)論

3.1 喀斯特山區(qū)不同土地利用方式下樣地大氣溫度日變化呈現(xiàn)大致相似的趨勢(shì)，即一天當(dāng)中早晚氣溫低，中午氣溫升高，最高溫度出現(xiàn)在14:40左右，白天大部分時(shí)間氣溫變化曲線符合氣溫變化基本規(guī)律。各樣地之間白天溫差變幅總體趨勢(shì)大致呈:大棚＞草地＞農(nóng)田＞灌叢＞林地。其中，大棚、草地由于溫室增溫效應(yīng)和開(kāi)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(yáng)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(guī)律與大氣溫度日變化規(guī)律相一致。各樣地土壤溫度日變化均呈極不對(duì)稱的單峰曲線，升溫時(shí)間較長(zhǎng)，降溫時(shí)間較短。5 cm處土壤溫度峰值均出現(xiàn)在15:40左右，較氣溫峰值滯后約1 h。農(nóng)田、草叢土壤溫度日變化表現(xiàn)為升降快而不穩(wěn)定，林地、灌叢的土壤溫度日變化幅度小，可見(jiàn)，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(tài)勢(shì)，日出之后，地表開(kāi)始接受太陽(yáng)輻射，氣溫上升，地表不斷吸收熱量并逐漸向下傳遞，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椤跋碌蜕细摺钡臏囟葢B(tài)勢(shì)。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(xué)院地理與旅游學(xué)院2011級(jí)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境專業(yè)全體同學(xué)。)

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