楊陽 王根緒 孫向陽 胡兆永 周云波

(中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都，610041) (四川測繪地理信息局測繪技術(shù)服務(wù)中心)

土壤是植物生長的重要場所，其水熱是植物生長發(fā)育、群落演替和生態(tài)系統(tǒng)建立所必不可少的基礎(chǔ)。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)地—?dú)饽芰恐g相互作用的重要物理參量之一，土壤熱通量在陸地生態(tài)系統(tǒng)能量平衡中極其關(guān)鍵[1-3]。陸地生態(tài)系統(tǒng)的驅(qū)動能量來自于凈輻射，干燥裸地的土壤熱通量占凈輻射比值為30%～50%[4-6]。土壤熱通量不僅影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)能量平衡，而且與土壤熱量狀況關(guān)系密切[7-9]。在短時(shí)間尺度上，忽略了土壤熱通量的變化將導(dǎo)致地表能量不平衡，區(qū)域能量閉合程度會受到極大影響[10-14]。另外，土壤熱通量是蒸散發(fā)模擬的重要驅(qū)動因子，極大地影響著地表蒸散發(fā)的模擬精度[15-16]。因此，土壤熱通量在陸地生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)、能量循環(huán)和碳循環(huán)具有十分重要的作用。

對土壤熱通量變化的研究，不僅能更好地認(rèn)識土壤熱量收支狀況及植物養(yǎng)分和水分的吸收，同時(shí)能幫助我們深入地了解整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中的水分輸送和地表能量的平衡情況[17-18]。目前，土壤熱通量的研究多集中于農(nóng)田、草原、裸地植被覆蓋程度不高的區(qū)域[19-23]。在寒溫帶、溫帶和亞熱帶森林均有關(guān)于土壤熱通量的報(bào)道[24-26]。而在山地森林生態(tài)系統(tǒng)中，由于土壤物理化學(xué)性質(zhì)和土壤水分的差異，以及森林林冠層和地形條件的異質(zhì)性，森林土壤熱通量的差異較大[27-28]，從而導(dǎo)致不同森林類型中土壤熱通量對于能量平衡貢獻(xiàn)率存在顯著差異。因此，準(zhǔn)確認(rèn)識山地森林生態(tài)系統(tǒng)土壤熱通量的時(shí)空變異規(guī)律，能為山地森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量循環(huán)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及理論基礎(chǔ)。西南山地地貌特征復(fù)雜，受山體影響，土壤、植被類型等關(guān)鍵要素的空間分布不均，導(dǎo)致土壤熱通量呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的時(shí)間和空間異質(zhì)性，而目前仍然缺乏對該區(qū)域土壤熱通量變化特征進(jìn)行精細(xì)研究。貢嘎山是青藏高原東南緣和中國西南地區(qū)的典型高山生態(tài)系統(tǒng)，是亞洲季風(fēng)氣候帶的冰川—森林發(fā)育區(qū)，具有從闊葉林—針闊混交林—針葉林—高山灌叢—高寒草甸完整的垂直帶譜[29]。因此，為更深入認(rèn)識復(fù)雜山地垂直森林帶的能量平衡特征，本研究以貢嘎山不同海拔的3種森林類型(闊葉林、針葉闊葉混交林、暗針葉林)為研究對象，目的是分析該區(qū)域土壤熱通量的時(shí)空變化特征；探討影響土壤熱通量變化的調(diào)控因素。

1 研究區(qū)域概況

貢嘎山位于青藏高原的東南緣，橫斷山脈中部，主峰海拔7 556 m。研究區(qū)位于亞熱帶溫暖濕潤季風(fēng)區(qū)與青藏高原東部高原溫帶半濕潤區(qū)的過渡帶上，年均空氣相對濕度90%左右，每年5—10月為雨季和生長季。貢嘎山高山生態(tài)系統(tǒng)植被垂直分布明顯，從低海拔到高海拔分布有闊葉林、針葉闊葉混交林、亞高山針葉林、高山灌叢草甸、高山流石灘稀疏植被等植被類型。本研究選擇針葉林、針闊混交林、闊葉林3種典型森林類型作為研究對象，開展山地垂直植被帶的土壤熱通量時(shí)空變異規(guī)律研究。樣地詳細(xì)情況見表1。

表1 研究樣地基本信息

2 材料與方法

2.1 土壤熱通量及相關(guān)環(huán)境因子監(jiān)測

本研究數(shù)據(jù)來源為貢嘎山站垂直植被帶譜土壤熱通量觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時(shí)間序列為2016年全年。3種森林樣地內(nèi)在土壤5、10、20、40 cm深度處設(shè)有土壤溫度探頭(型號：HMP155A，Vaisala，F(xiàn)inland)，觀測土壤溫度；在土壤表層(5 cm)布設(shè)3個(gè)HFP01SC土壤熱通量板，監(jiān)測土壤熱通量數(shù)據(jù)；NR01四分量輻射傳感器設(shè)置在森林冠層上部(距地面40 m)，用于計(jì)算太陽凈輻射。

2.2 葉面積指數(shù)

葉面積指數(shù)LAI通過MODIS計(jì)算(MOD15A2H)，時(shí)間間隔8 d(https://search.earthdata.nasa.gov/)。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

本文選取的土壤熱通量數(shù)據(jù)資料為2016年全年的小時(shí)數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)利用Excel 2010和SPSS 16.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選擇生長季(6月和7月)和非生長季(1月和2月)的相同時(shí)刻做平均處理，得到闊葉林、針闊混交林和針葉林土壤熱通量日動態(tài)變化；3種森林類型土壤熱通量日值采用單因素方差分析(ANOVA)、Duncan法進(jìn)行多重比較分析；利用R軟件采用逐步回歸分析建立土壤熱通量與氣象因子和葉面積指數(shù)的多元線性回歸方程；變量對土壤熱通量的貢獻(xiàn)率利用R軟件進(jìn)行計(jì)算，首先計(jì)算土壤熱通量與變量(Ta、Rn、T5、T10、ILA)之間的相關(guān)關(guān)系，得到變量的回歸系數(shù)，然后系數(shù)的平方比即是每個(gè)變量的相對貢獻(xiàn)率[30]；采用Origin 9.0軟件繪制圖形。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤熱通量日動態(tài)變化

選擇闊葉林、針闊混交林、針葉林典型生長季(6月和7月)和非生長季(1月和2月)的土壤熱通量半小時(shí)數(shù)據(jù)，得到3種森林類型土壤熱通量的日動態(tài)變化圖。整體上，闊葉林的小時(shí)變化幅度大于針闊混交林和針葉林(圖1)。

非生長季，闊葉林、針闊混交林和針葉林土壤熱通量均為負(fù)值，表明熱量從土壤向大氣釋放。闊葉林、針闊混交林和針葉林土壤熱通量平均值分別為-3.47、-5.25和-2.58 W·m-2；負(fù)向最大值分別為-4.44、-5.57 W·m-2和3中-2.67 W·m-2，分別出現(xiàn)在09:00、10:00和12:00。

生長季，闊葉林、針闊混交林和針葉林土壤熱通量平均值為正值，表明熱量從大氣傳入土壤。闊葉林、針闊混交林和針葉林土壤熱通量平均值分別為3.64、4.98和3.17 W·m-2；最大值分別為10.34、10.38和4.22 W·m-2，分別出現(xiàn)在15:00、15:00和19:00。

3.2 土壤熱通量季節(jié)動態(tài)變化

由圖2可以看出，不同森林類型土壤熱通量隨季節(jié)變化趨勢基本一致。闊葉林、針闊混交林和針葉林土壤熱通量正向最大值出現(xiàn)在5月1日、5月3日、5月4日，分別為9.70、12.87、7.97 W·m-2；負(fù)向最大值出現(xiàn)在10月29日、11月28日、11月9日，分別為-8.89、-13.58、-6.73 W·m-2。

圖1A和B中縱坐標(biāo)刻度大，針葉林土壤熱通量變化曲線波動不明顯，因此鑲嵌縱坐標(biāo)刻度范圍小的圖1a和b，針葉林土壤熱通量日動態(tài)變化。

3.3 土壤熱通量月動態(tài)變化

闊葉林、針闊混交林、針葉林土壤熱通量的月累積總量明顯的季節(jié)變化，夏秋季明顯高于春冬季，可能受凈輻射和地溫影響(表2)。結(jié)果表明，3種森林類型的土壤熱通量月累積值變化趨勢相似：整體上先升高后降低，負(fù)向最大值都出現(xiàn)在12月，正向最大值都出現(xiàn)在5月份。闊葉林土壤熱通量月累計(jì)在3—8月均為正值，而針闊混交林、針葉林在4—8月均為正值，即土壤為熱匯；其他月份累計(jì)值均為負(fù)值，即土壤為熱源；9月份開始出現(xiàn)正負(fù)值交替。3種森林類型的年總土壤熱通量均為負(fù)值，即土壤為熱源。其中，闊葉林為-1.88 MJ·m-2，針闊混交林為-13.78 MJ·m-2，針葉林為-9.61 MJ·m-2。

3.4 土壤熱通量對凈輻射響應(yīng)的滯后性

為了分析土壤熱通量對太陽凈輻射的延滯效應(yīng)，對即時(shí)相關(guān)、延遲1～10 h的太陽凈輻射與土壤熱通量的進(jìn)行相關(guān)分析(表3)。整體上，闊葉林、針闊混交林、針葉林的土壤熱通量延遲相關(guān)達(dá)到了極顯著水平(P<0.001)。闊葉林、針闊混交林土壤熱通量與延時(shí)0～3 h的凈輻射進(jìn)行相關(guān)分析，R2逐漸增大，并在3 h的延遲相關(guān)分析中達(dá)到最大值，隨后R2逐漸下降。而針葉林最大的延時(shí)相關(guān)系數(shù)在6 h，比闊葉林、針闊混交林晚3 h。

表3 土壤熱通量(G)和凈輻射(Rn)的關(guān)系

3.5 土壤熱通量與環(huán)境因子的關(guān)系

隨著海拔的變化，土壤溫度、降水、氣溫、太陽輻射等環(huán)境因子的差異，土壤熱通量有著顯著的空間差異性。如圖3所示，闊葉林、針闊混交林和針葉林土壤熱通量沒有表現(xiàn)出明顯的海拔梯度規(guī)律；針闊混交林土壤熱通量為負(fù)向最大值，闊葉林為負(fù)向最小值，且差異顯著。

圖中不同小寫字母表示平均值差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

土壤熱通量日值變化與環(huán)境因子有較為緊密的聯(lián)系(表4)。將闊葉林、針闊混交林和針葉林土壤熱通量與2 m氣溫(Ta)、40 m氣溫(Ta40)、凈輻射(Rn)、5 cm土壤溫度(T5)、10 cm土壤溫度(T10)、20 cm土壤溫度(T20)、40 cm土壤溫度(T40)進(jìn)行相關(guān)分析，得到土壤熱通量日值回歸方程結(jié)果，40 m氣溫、20 cm土壤溫度、40 cm土壤溫度在相關(guān)分析過程中未達(dá)到顯著水平，對土壤熱通量無顯著影響。土壤熱通量與2 m氣溫、凈輻射、5 cm土壤溫度、10 cm土壤溫度方程擬合較好(P<0.001)，且顯著影響土壤熱通量，是土壤熱通量變化的主要影響因子。通過逐步回歸分析，發(fā)現(xiàn)氣溫分別解釋闊葉林、針闊混交林和針葉林土壤熱通量的55.8%、62.4%、59.2%的變化，表明氣溫對土壤熱通量的變化影響作用最為突出。

表4 土壤熱通量日值與環(huán)境因子關(guān)系

3.6 土壤熱通量占凈輻射比值與葉面積指數(shù)關(guān)系

3種森林類型土壤熱通量占太陽凈輻射的比值在1a中大致呈“U”型變化(圖4)，整體上，3種森林土壤熱通量占凈輻射的比例隨時(shí)間先降低再升高；相反，3種森林類型的葉面積指數(shù)隨時(shí)間先升高再降低。土壤熱通量占凈輻射比例隨葉面積指數(shù)增大而減小，然后隨著葉面積減小而增大，說明土壤熱通量占凈輻射的比值受葉面積指數(shù)的影響。闊葉林、針闊混交林和針葉林土壤熱通量分別占凈輻射總量的0.07%、0.47%和0.35%。年尺度上土壤熱通量雖然占凈輻射比例較小，但是小時(shí)尺度、日尺度和季節(jié)尺度土壤熱通量變化均顯著影響能量平衡過程，進(jìn)而影響植物生長和水文循環(huán)，因此，須準(zhǔn)確分析土壤熱通量的變化。

圖4 土壤熱通量占凈輻射的比值與葉面積指數(shù)時(shí)間動態(tài)變化

3.7 土壤熱通量變化的因子貢獻(xiàn)率

3種森林類型土壤熱通量與2m氣溫、凈輻射、5cm土壤溫度、10cm土壤溫度、葉面積指數(shù)因子緊密相關(guān)，分析這些因子對土壤熱通量的貢獻(xiàn)率，結(jié)果顯示：在闊葉林和針闊混交林中，凈輻射相對貢獻(xiàn)率最高(34.54%，30.12%)；在針葉林中，葉面積指數(shù)貢獻(xiàn)率最高(27.47%)。將闊葉林、針闊混交林和針葉林土壤熱通量與Ta、Rn、T5、T10、ILA進(jìn)行多元線性回歸分析，得到土壤熱通量多元線性回歸方程(表6)。闊葉林土壤熱通量通過AIC篩選排除了T5因子，闊葉林土壤熱通量與Ta、Rn、T10、ILA之間多元線性回歸關(guān)系顯著。針闊混交林和針葉林土壤熱通量與Ta、Rn、T5、T10、ILA之間多元線性回歸關(guān)系皆顯著。

表5 主要因子對土壤熱通量相對貢獻(xiàn)率 %

表6 土壤熱通量與主要因子的多元線性回歸方程

4 結(jié)論與討論

4.1 土壤熱通量的變化特征

地表熱量的收支狀況已成為全球氣候變化異常研究的熱點(diǎn)，土壤熱通量作為地表熱量平衡的組成部分，其土壤熱量狀況不僅影響著地表能量閉合程度，而且對研究土壤能量流動、水分輸送和物質(zhì)交換具有重要意義[31-34]。因此，本研究選擇了不同海拔3種森林土壤熱通量進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，3種森林類型土壤熱通量日動態(tài)變化與前人的研究結(jié)果相似[24，35-36]，都呈較明顯的“S”型曲線變化。在日尺度上，3種森林類型土壤熱通量在非生長季表現(xiàn)為負(fù)值，說明非生長季土壤為熱源，能量由土壤向地上部分傳遞；而在生長季土壤熱通量為正，說明生長季土壤為熱匯，能量由地上部分向土壤傳遞。這些研究結(jié)果與胡兆永[36]和王旭的[26]研究結(jié)果相似。

年尺度上，土壤是熱源，其中闊葉林年總土壤熱通量為-1.88MJ·m-2，針闊混交林為-13.78MJ·m-2，針葉林為-9.61MJ·m-2。在月尺度上，3種森林類型土壤熱通量負(fù)向最大值都出現(xiàn)在12月，正向最大值都出現(xiàn)在5月份，9月份開始出現(xiàn)正負(fù)值交替，這與中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)分析17個(gè)野外臺站土壤熱通量結(jié)果一致[17]。對土壤熱通量的大小及正負(fù)轉(zhuǎn)變的研究，可以計(jì)算出土壤熱量的收支，為地表能量平衡方程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而進(jìn)一步為大氣-植被-土壤連續(xù)體的能量交換機(jī)理提供參考。

4.2 土壤熱通量與凈輻射和葉面積指數(shù)的關(guān)系

冠層吸收的太陽凈輻射是土壤熱量的主要來源，其大小直接影響著土壤熱通量的變化特征。研究太陽凈輻射和土壤熱通量的關(guān)系，可以評估土壤的熱量平衡狀態(tài)[37-38]。本研究中，闊葉林全年總土壤熱通量占太陽凈輻射總量的比例為0.07%、針闊混交林比例為0.45%、針葉林比例為0.35%，這3種森林類型土壤熱通量占凈輻射比例有所差異。這可能是由于土壤熱通量與凈輻射的比值(G/Rn)與植被覆蓋度[39]、葉面積指數(shù)[40-41]、植被指數(shù)[42-45]和植被高度[46-48]有關(guān)。本研究中，3種森林類型土壤熱通量占凈輻射的比例隨著葉面積指數(shù)增大而減小，然后隨著葉面積減小而增大。當(dāng)植被葉面積指數(shù)增大，遮擋太陽凈輻射變大，土壤吸收的熱力小，土壤熱通量占凈輻射比例小，反之，植被葉面積指數(shù)減小時(shí)，遮擋太陽凈輻射變小，土壤吸收熱力大，土壤熱通量占凈輻射比例大，說明葉面積指數(shù)影響著土壤熱通量和凈輻射。

土壤熱通量主要來源于太陽凈輻射，從太陽輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥罒嵬啃枰欢ǖ臅r(shí)間，因此土壤熱通量與凈輻射之間存在時(shí)間延遲效應(yīng)。由于不同森林生態(tài)系統(tǒng)林下微氣候環(huán)境和林上林冠層的差異，造成了不同森林土壤熱通量對凈輻射反饋的延遲效應(yīng)的不同[49]。本研究中，闊葉林、針闊混交林的延遲3h，而針葉林的延遲6h。

4.3 土壤熱通量時(shí)空異質(zhì)性

本研究中土壤熱通量與環(huán)境相關(guān)因素之間的相關(guān)分析說明，土壤熱通量與2m氣溫、凈輻射、5cm土壤溫度、10cm土壤溫度方程擬合較好(P<0.001)，且顯著影響著土壤熱通量，即是造成土壤熱通量時(shí)間變化的影響因子。而氣溫對土壤熱通量時(shí)間變異性影響作用最為突出。作為主要影響因子，氣溫可以通過改變土壤溫度影響著土壤熱通量。土壤溫度變化主要決定于土壤表面熱量的收支狀況，而其升降決定了導(dǎo)入土壤熱通量的多少[49-50]。另外太陽輻射會影響著氣溫和土壤溫度。因此，這些因子是相互關(guān)聯(lián)，共同影響著土壤熱通量的變化特征。在闊葉林和針闊混交林中，凈輻射相對貢獻(xiàn)率最高(34.54%，30.12%)；在針葉林中，葉面積指數(shù)貢獻(xiàn)率最高(27.47%)。將闊葉林、針闊混交林和針葉林土壤熱通量與2m氣溫、凈輻射、5cm土壤溫度、10cm土壤溫度、葉面積指數(shù)進(jìn)行多元線性回歸分析，得到土壤熱通量多元線性回歸方程，且多元線性回歸關(guān)系皆顯著。

由于受到地形條件、氣溫、降水、光照輻射、土壤特性等環(huán)境因子的影響，不同區(qū)域的土壤熱通量變化具有明顯差別，即是土壤熱通量在空間異質(zhì)性。本研究中，土壤熱通量隨海拔梯度升高沒有表現(xiàn)出明顯規(guī)律，但闊葉林土壤熱通量與針闊混交林和針葉林差異顯著。另外，闊葉林土壤熱通量月累計(jì)在3月由負(fù)值轉(zhuǎn)向正值，而針闊混交林、針葉林在4月由負(fù)值轉(zhuǎn)向正值，這可能是闊葉林海拔低，氣溫高，提前進(jìn)入了生長季。本研究中，針闊混交林土壤熱通量為負(fù)向高于闊葉林，且差異顯著。這可能由于森林蒸散發(fā)作為一個(gè)重要的氣候變量[51-52]，當(dāng)蒸散發(fā)的升高時(shí)，對大氣起到了降溫的作用[53]，在本研究區(qū)中，針闊混交林植被蒸散發(fā)(794.0mm)高于闊葉林(779.1mm)[29]，因此針闊混交林中的土壤將釋放更多的熱量，從而導(dǎo)致針闊混交林土壤熱通量負(fù)向值高于闊葉林。

綜上所述，在山地森林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤熱通量受到植被和氣候因子共同影響，表現(xiàn)出明顯的時(shí)空異質(zhì)性。因此，準(zhǔn)確觀測森林生態(tài)系統(tǒng)土壤熱通量動態(tài)變化特征，不僅可以幫助我們更好的了解山地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量交換過程的時(shí)空格局，也為模擬不同氣候變化情境下的山地區(qū)域陸—?dú)怦詈涎h(huán)過程提供參數(shù)化方案。

致謝：感謝中國科院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所孫菊英博士在數(shù)據(jù)處理過程中給予的支持和幫助。