劉士玲 ，楊保國(guó) ，盧立華 ，張 培 ，雷麗群 ，何 遠(yuǎn) ，鄭 路

（1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，廣西 憑祥 532600；2.廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，廣西 憑祥 532600）

地表土壤的水熱動(dòng)態(tài)過程和變化機(jī)制是陸面過程的重要研究?jī)?nèi)容[1-2]，其動(dòng)態(tài)影響著不同生態(tài)系統(tǒng)土壤的生物和非生物的生態(tài)學(xué)過程，包括植物的生產(chǎn)量、分解、礦化、水熱能量平衡[3]，但它們又受氣候、地形、地上植被的蓋度和數(shù)量，土壤自身的物理特性等因素控制[4]。森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能的主要載體，水熱在土壤中的分布特征和動(dòng)態(tài)變化對(duì)植被生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義。

關(guān)于土壤水熱，國(guó)內(nèi)外開展了諸多研究，如唐振興等[2]、牛赟等[5-6]研究了祁連山土壤水熱的垂直分層變化特征、空間變化特征及其影響因素；Koster等[7]研究了土壤水分與降水在大尺度上的耦合關(guān)系；Western等[8]研究了Australia Tarrawarra流域土壤水分的時(shí)空變異結(jié)構(gòu)及尺度效應(yīng)。以上研究雖然對(duì)土壤水熱變化過程有了一定認(rèn)識(shí)，但對(duì)于南亞熱帶林區(qū)的土壤水熱變化仍缺乏點(diǎn)尺度的長(zhǎng)期觀測(cè)資料，尤其缺乏土壤水熱與氣象要素的同步觀測(cè)，該區(qū)域點(diǎn)尺度上土壤水熱變化及其與氣候變化內(nèi)在關(guān)聯(lián)的研究也不夠。本研究在廣西大青山林區(qū)利用友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站建立的自動(dòng)氣象觀測(cè)站，對(duì)土壤水熱、氣象要素進(jìn)行定點(diǎn)連續(xù)觀測(cè)。通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析，旨在了解南亞熱帶大青山林區(qū)土壤水熱的變化特征及影響土壤水熱的主要?dú)庀笠?，以期為全球變化情景下，土壤水熱?duì)氣候變化的響應(yīng)提供參考，也為本區(qū)域林業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站（22°03′49″N，106°50′37″E）位于廣西大青山林區(qū)，屬南亞熱帶半濕潤(rùn)-濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，有明顯的干濕季。年均氣溫21.5℃，≥10℃積溫6 000～7 600℃，年均降水量1 200～1 500 mm，年蒸發(fā)量1 261～1 388 mm，相對(duì)濕度80%～84%。地貌類型以低山丘陵為主，海拔430～680 m。地帶性土壤為由花崗巖發(fā)育而成的赤紅壤，土層厚度100～150 cm，腐殖質(zhì)層厚度 5～10 cm。

2 研究方法

2.1 觀測(cè)設(shè)備

根據(jù)國(guó)家氣象局編制的《自動(dòng)氣象站建設(shè)技術(shù)要求》和《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》，在林外建立自動(dòng)氣象觀測(cè)站，主要觀測(cè)大氣溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降水、輻射等常規(guī)氣象要素和地面下5、15、30和50 cm的土壤要素。該氣象站采用的是CR1000數(shù)據(jù)采集器（Campbell，美國(guó)）。傳感器類型：溫度傳感器（109，Campbell，美國(guó)）、風(fēng)速風(fēng)向傳感器（034B，MetOne，美國(guó)）、翻斗式雨量筒（TE525MM ，Campbell，美國(guó)）、輻射傳感器（LI200X，Li-Cor，美國(guó)）、土壤水分傳感器（CS616，Vaisala & Campbell，美國(guó)）、土壤溫度傳感器（HMP45C，Campbell，美國(guó)）等。各要素?cái)?shù)據(jù)采集步長(zhǎng)均為5 min。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

本研究所用的是2016年觀測(cè)的土壤要素和氣象要素?cái)?shù)據(jù)。其中土壤要素為4個(gè)深度的土壤體積含水率（即Sdw5，Sdw15，Sdw30，Sdw50）和土壤溫度（即ST5，ST15，ST30，ST50）。氣象要素為大氣溫度（Ta）、相對(duì)濕度（RH）、大氣降水（P）、總輻射（Eg）和飽和水汽壓（VPD）。

飽和水汽壓的計(jì)算公式如下：

式中，T（℃）為空氣溫度，RH（%）為相對(duì)濕度。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修訂校正后將各要素的5 min步長(zhǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)加以整合，進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。本研究所用軟件為：SPSS 19.0、 Sigmaplot 13.0。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣溫與降水變化

圖1為自動(dòng)氣象站記錄的步長(zhǎng)為5 min的降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)經(jīng)整理后的月變化趨勢(shì)圖。降水主要集中于1、6—9月，其中8月份降水量312.6 mm為全年月降水量的最大值，而10月份降水量較少，12月份無降水。從氣溫曲線可以看出，在5—9月期間氣溫處于全年的極大值階段。

圖1 氣溫與降水月變化Fig.1 Temperature and precipitation monthly change

3.2 土壤水熱變化特征

圖2和圖3分別給出了土壤溫度和水分的變化趨勢(shì)，從圖中可知淺層土壤水熱曲線在5—9月處于極值階段，這與氣溫曲線（見圖1）的變化特征相似，由于降水主要集中于這些月份，且受氣溫的影響，所以土壤水熱變化在此期間波動(dòng)較顯著。

圖2 土壤溫度日變化特征Fig.2 Soil temperature daily variation features

土壤溫度的年內(nèi)變化特征與氣溫一致，呈“單峰型”，土壤溫度最低值出現(xiàn)在1月，最高值出現(xiàn)在7月。整體上各層土壤溫度變化較為一致，土壤溫度年內(nèi)變化幅度隨深度增加而減小，且土壤溫度的變化周期與大氣溫度相比存在一定的滯后期，滯后時(shí)間隨深度增加而增加，這主要是因?yàn)橥寥缹?duì)太陽輻射有顯著削弱作用。

土壤溫度的垂直變化特征為：3—9月土壤溫度隨深度增加而降低，1、2、10—12月隨深度增加而升高。造成這種差異的原因在于，土壤溫度主要受氣溫的影響，3—9月氣溫較高，土壤表面吸收太陽輻射而增溫，并通過熱傳導(dǎo)向深處傳遞熱量，愈是處在下層的土壤，獲得的熱量愈少，故土壤溫度隨深度增加而降低；1、2、10—12月氣溫較低，地表接收的太陽輻射小于地表長(zhǎng)波輻射，地表溫度下降，當(dāng)溫度下降到比深層的溫度低時(shí)，熱量將由深層向地表傳輸，但由于從下層得到的能量不足以抵消上層的降溫，因此土壤溫度隨深度增加而升高。

從土壤體積含水率變化特征曲線（見圖3）可以看出，整體上各層土壤水分變化較為一致，土壤水分年內(nèi)變化幅度隨深度加深而減小。1—4月份土壤水分較大，4月下旬開始土壤水分迅速減小，至7月底雖然降水使土壤水分有一定的波動(dòng)，但土壤水分整體偏低，5 cm層土壤水分表現(xiàn)更為顯著，15、30、50 cm土壤水分維持在相對(duì)穩(wěn)定的水平，但均處于全年較低值，這是因?yàn)樵摃r(shí)期降水量不高，但大氣溫度高，蒸發(fā)量大，表層土壤水分受蒸發(fā)量影響較大，深層土壤受影響程度較小。此外，生長(zhǎng)季植物根系的水分吸收也是影響土壤水分的重要因素。8—9月上旬降雨量較大且降水次數(shù)較多，降水的補(bǔ)給使得土壤水分迅速提高，但由于氣溫較高、蒸發(fā)量較大，降水過后土壤水分又迅速減小，從而表現(xiàn)出該時(shí)期土壤水分較高，但又具迅速升降的變化趨勢(shì)。9月中旬—10月中旬土壤水分又出現(xiàn)低谷，這是因?yàn)樵撛路轃o降水，加之氣溫較高、蒸發(fā)量較大，土壤水分持續(xù)走低。11—12月除降水對(duì)土壤水分階段性增加外，土壤水分整體上呈逐漸下降的趨勢(shì)。

從土壤溫度和土壤水分的變化關(guān)系圖中，我們很難清晰地看出土壤溫度與水分之間的關(guān)系，為了明確各土層土壤溫度與土壤水分之間的關(guān)系，對(duì)各土層的土壤溫度和水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析（見表1）。

從土壤水熱的相互關(guān)系來看，各層土壤溫度與土壤水分之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性隨土壤深度增加表現(xiàn)為先增大后減小再增大的趨勢(shì)，30 cm土壤溫度與土壤水分相關(guān)性最低。各土層土壤溫度都具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系，隨土壤深度增加，淺層土壤溫度與深層土壤溫度的相關(guān)系數(shù)減小，這是因?yàn)橥寥罍囟戎饕軞鉁赜绊?，隨深度增加土壤溫度的分子熱傳導(dǎo)作用逐漸減弱。各土層土壤水分亦都具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系，從影響程度大小來看，由于地表水進(jìn)入土壤后的下滲作用，隨土壤深度增加，淺層土壤水分與深層土壤水分的相關(guān)系數(shù)亦減小。

圖3 土壤含水率日變化特征Fig.3 Soil volume water content daily variation features

表1 土壤水熱相關(guān)性分析?Table 1 Correlation analysis of soil moisture and soil temperature

3.3 土壤水熱對(duì)氣象要素的響應(yīng)

通過多元逐步回歸對(duì)土壤水分、溫度和氣象要素氣溫、降水、輻射、飽和水汽壓差、風(fēng)速進(jìn)行分析，篩選出影響土壤水分和溫度的主要?dú)庀笠蜃?。以氣象站日觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，給出了不同深度土壤溫度、含水率與主要?dú)庀罂刂埔蜃拥年P(guān)系圖（見圖4、圖5）。

由土壤溫度對(duì)氣象要素的響應(yīng)圖4可知，土壤溫度的主要?dú)庀罂刂埔蜃訛闅鉁?，為正相關(guān)關(guān)系。不同深度土壤溫度對(duì)氣溫的響應(yīng)強(qiáng)度存在一定差異，隨土壤深度增加，二者之間相關(guān)系數(shù)變小，土壤溫度變化對(duì)氣溫的響應(yīng)強(qiáng)度減弱，5 cm土壤溫度與氣溫的相關(guān)性最好為0.911 9，50 cm土壤溫度與氣溫的相關(guān)性最差為0.847 6。這主要是因?yàn)?，太陽輻射通過加熱淺層土壤并以熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流的方式傳遞給深層土壤，隨著土層深度的增加，無論熱傳導(dǎo)，還是熱對(duì)流所攜帶的能量逐漸衰減，造成土壤溫度隨深度增加而逐漸降低，所以淺層土壤受氣溫變化的影響較大，深層土壤受氣溫變化的影響較小。

圖4 土壤溫度對(duì)氣象要素的響應(yīng)圖像Fig.4 Soil temperature control facts of meteorological

圖5 土壤水分對(duì)氣象要素的響應(yīng)圖像Fig.5 Soil moisture control facts of meteorological

圖5給出了對(duì)土壤水分有較大影響的降水、飽和水汽壓差與土壤水分響應(yīng)圖，從圖中可以看出5、15、30 cm土壤水分的主要?dú)庀罂刂埔蜃訛榻邓?，二者表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，其中5 cm土壤水分與降水的相關(guān)性最好為0.418 9，隨土壤深度增加二者關(guān)系明顯減弱，15、30 cm土壤水分與降水相關(guān)性僅為0.308 5、0.311 3；而影響50 cm土壤水分的主要?dú)庀笠蜃訛轱柡退麎海憩F(xiàn)為負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.299 8。土壤水分的主要來源是降水，淺層土壤水分主要受降水的影響，深層土壤水分由于被上層土壤的截留以及植物根系與枯落物對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)的改善能力降低，其土壤密度增大，容重增大，土壤孔隙度減小，水分在土壤中的流動(dòng)能力減弱，因此，隨土壤深度增加，土壤水分對(duì)降水的響應(yīng)逐漸減弱。土壤水分與降水的相關(guān)性比預(yù)期偏低，可能是因?yàn)楸狙芯拷y(tǒng)計(jì)的是點(diǎn)尺度上的短時(shí)間條件下氣象要素對(duì)土壤水熱的影響，在日變化水平上降水只是作為土壤水分來源的輸入?yún)⒘?，土壤水分?duì)降水的響應(yīng)存在滯后性，且受到地表徑流、土壤特征、植被及其它氣象要素的影響，這可能弱化了降雨對(duì)表層土壤水分的作用，隨著土壤深度加深，這種弱化作用表現(xiàn)的更加明顯。

為進(jìn)一步分析土壤水熱的主要?dú)庀罂刂埔蜃樱狙芯拷o出了月尺度上的土壤水熱對(duì)氣象要素的響應(yīng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果（見表2、表3）。月尺度結(jié)果表明土壤溫度的氣象控制因子為氣溫，隨土壤深度加深判定系數(shù)R2逐漸減小，這與日尺度的結(jié)果一致，但月尺度上的判定系數(shù)R2均優(yōu)于相應(yīng)土層的日尺度結(jié)果；土壤水分月尺度的氣象控制因子除50 cm為飽和水汽壓差， 5、15和30 cm的氣象控制因子均為降水，這亦與日尺度的結(jié)果一致，且月尺度的判定系數(shù)R2也優(yōu)于日尺度結(jié)果。由此可見，月尺度上的主要?dú)庀笠貙?duì)土壤水熱的影響更加顯著。

表2 土壤溫度與主要?dú)庀笠蜃拥慕y(tǒng)計(jì)關(guān)系?Table 2 Statistical relationship of soil temperature and mainly meteorological factor

表3 土壤水分與主要?dú)庀笠蜃拥慕y(tǒng)計(jì)關(guān)系?Table 3 Statistical relationship of soil moisture and mainly meteorological factor

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

利用廣西友誼關(guān)生態(tài)定位站建立的自動(dòng)氣象站對(duì)該區(qū)各氣象要素和土壤溫度、水分進(jìn)行了長(zhǎng)期連續(xù)定位觀測(cè)，分析土壤溫度、水分的變化特征，建立土壤溫度、水分相關(guān)關(guān)系，闡明影響土壤溫度、水分的主要?dú)庀笠?，主要得出以下結(jié)論：

（1）土壤溫度的年內(nèi)變化特征與氣溫一致，呈“單峰型”。整體上各層土壤溫度變化較為一致，土壤溫度年內(nèi)變化幅度隨深度增加而減小，且土壤溫度的變化周期與大氣溫度相比存在一定的滯后期，滯后時(shí)間隨深度增加而增加。

（2）土壤水分年內(nèi)變化復(fù)雜，受各月氣溫、降水的影響而呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)性。整體上各層土壤水分變化較為一致，土壤水分年內(nèi)變化幅度隨深度加深而減小。

（3）土壤水熱與氣象要素在月尺度上的統(tǒng)計(jì)關(guān)系好于日尺度。兩尺度上控制土壤溫度的主要?dú)庀笠蜃訛闅鉁兀?、15、30 cm土壤水分的主要?dú)庀罂刂埔蜃訛榻邓弑憩F(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，影響50 cm土壤水分的主要?dú)庀笠蜃訛轱柡退麎骸?/p>

（4）土壤溫度與水分呈顯著的線性負(fù)相關(guān)。

4.2 討 論

（1）唐振興等[2]、車宗璽等[9]研究表明土壤溫度年內(nèi)變化與氣溫一致，但存在滯后期，滯后時(shí)間隨深度增加而增加，這與本研究結(jié)果一致。土壤溫度對(duì)氣象要素的響應(yīng)關(guān)系，本研究結(jié)果表明，在不同時(shí)間尺度上，影響土壤溫度的主要?dú)庀笠鼐鶠榇髿鉁囟?；這與唐振興等[3]的研究結(jié)果略有差異，其主要原因是本研究的結(jié)果主要是基于氣象觀測(cè)站的所觀測(cè)的土層50 cm以上的土壤數(shù)據(jù)，而未對(duì)深層土壤溫度進(jìn)行觀測(cè)，深層土壤溫度變化在物理機(jī)制上考慮主要受上下層土壤熱量平衡影響，今后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)深層土壤溫度對(duì)氣象要素的響應(yīng)研究。

（2）已有研究[10-11]表明降水是影響土壤含水量變化的主要因素。本研究土壤水分對(duì)氣象要素的響應(yīng)研究表明，不同時(shí)間尺度上，5、15、30 cm土壤水分的主要控制氣象因素為降水，50 cm土壤水分控制要素為飽和大氣壓，且土壤水分的變化與降水呈正相關(guān)，這與唐振興等[2]的研究結(jié)果存在一定的差異。牛赟等[12]認(rèn)為影響土壤水分垂直變化的直接因素是降水和土壤植被的土壤水分消耗，引起這些變化的間接因素是土壤空間屬性的變化及其植被類型對(duì)土壤水分的影響。在今后研究中，要注重土壤水分空間變化機(jī)理及各因素的綜合影響程度等研究。

（3）在已有的文獻(xiàn)中土壤溫度和土壤水分具有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系[9,13-14]或負(fù)相關(guān)不顯著[15]，王紅梅等[16]認(rèn)為土壤溫度和土壤水分的相關(guān)性表現(xiàn)為小采樣粒度（0.5 m×0.5 m，1 m ×1 m）的顯著負(fù)相關(guān)性，而在較大采樣粒度（2 m×2 m，5 m ×5 m）表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)關(guān)系，因此，土壤水熱特征的關(guān)系研究應(yīng)確定合理的采樣粒度和尺度。本研究利用自動(dòng)氣象觀測(cè)站所觀測(cè)的土壤溫度和水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，土壤溫度和土壤水分表現(xiàn)為極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。隨著生態(tài)監(jiān)測(cè)科技的發(fā)展，利用自動(dòng)氣象觀測(cè)站的土壤含水量和溫度監(jiān)測(cè)儀對(duì)土壤水分和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，有效地避免了以往研究者所采用不同的采樣粒度或尺度所產(chǎn)生的結(jié)果的差異性。

（4）我國(guó)亞熱帶和熱帶濕潤(rùn)區(qū)年降水量很大，土壤水分的變化影響土壤的導(dǎo)熱率和熱容量，進(jìn)而影響土壤導(dǎo)溫率，使得土壤溫度與氣溫、降水之間的響應(yīng)關(guān)系非常復(fù)雜[17]，土壤水分對(duì)降水和溫度的響應(yīng)亦非常復(fù)雜[18]，楊永輝等[19]、張一平等[20]利用實(shí)驗(yàn)和模型結(jié)合探討溫度與降水變化對(duì)土壤水分或溫度的影響的方法值得借鑒。在全球氣候變暖情境下，森林土壤溫濕度的特征、變化規(guī)律是否發(fā)生改變？在將來的科研工作中，我們要更加關(guān)注土壤水熱在空間上的年際和季節(jié)變化及對(duì)氣象要素的響應(yīng)特征和響應(yīng)程度，為探索全球氣候變暖與土壤水熱在空間上的響應(yīng)關(guān)系，為森林經(jīng)營(yíng)提供參考資料。此外，影響土壤呼吸的主要環(huán)境因子是溫度和土壤水分，全球溫度上升將促進(jìn)土壤呼吸，加速土壤中儲(chǔ)存的碳向大氣中排放，進(jìn)而加劇全球變化。因此伴隨增溫導(dǎo)致的土壤水熱變化對(duì)土壤呼吸的影響也是下一步研究中需要關(guān)注的問題。