塔克拉玛干沙漠不同区域土壤热通量比较

张文斌，买买提艾力·买买提依明，何　清*，杨兴华，霍　文，杨　帆，塔伊尔·艾则孜

（1.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆　乌鲁木齐830054；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆　乌鲁木齐830002；3.塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站，新疆　塔中841000；4.霍城县气象局，新疆　霍城835200）



塔克拉玛干沙漠不同区域土壤热通量比较

张文斌1，2，3，买买提艾力·买买提依明2，3，何清2，3*，杨兴华2，3，霍文2，3，杨帆2，3，塔伊尔·艾则孜4

（1.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆乌鲁木齐830054；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐830002；3.塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站，新疆塔中841000；4.霍城县气象局，新疆霍城835200）

摘要：选取塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区和北缘过渡带肖塘地区2个观测站，2013年土壤热通量观测资料，初步分析了两地区不同下垫面的土壤热通量变化特征。结果表明：（1）在日变化尺度上，2个站都有明显的日变化特征，1月塔中站土壤热通量日平均变化幅度小于肖塘站，4月2个站的土壤热通量变化幅度较为接近；7、10月塔中站土壤热通量变化幅度明显高于肖塘站。（2）不同天气条件下，2个站的土壤热通量变化都有很大差异。晴天，塔中站和肖塘站土壤热通量变化都呈现出单峰型，变化幅度较一致，日较差分别为119.7 W·m-2和119.1 W·m-2；沙尘暴天气，土壤热通量受云层的影响，变化波动较大，塔中站变化幅度小于肖塘站，日较差分别为83.6 W·m-2和133.1 W·m-2；降水天气，塔中站和肖塘站变化幅度都很剧烈，日较差分别为70.6 W·m-2和66.6 W·m-2。（3）年变化尺度上，塔中站和肖塘站土壤热通量都在7月达到最大值，分别为7.7 W·m-2和4.2 W·m-2，在11月出现最小值分别为-5.3 W·m-2和-10.2 W·m-2。塔中站和肖塘站土壤热通量年总量差异很大，塔中站为16.8 W·m-2，能量由大气向土壤传递，土壤为热汇，而肖塘站则为-34.9 W· m-2，能量由土壤向大气传播，土壤表现为热源。

关键词：塔克拉玛干沙漠；土壤热通量；塔中；肖塘

张文斌，买买提艾力·买买提依明，何清，等.塔克拉玛干沙漠不同区域土壤热通量比较[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（2）：57-62.

土壤热通量是单位时间、单位面积上的土壤热交换量，是地表能量平衡的重要组成部分之一，在很大程度上影响着系统能量的闭合程度[1]。地表土壤热通量反映了土壤表层与深层之间的热交换状况[2]，研究土壤热通量变化特征对分析生态系统物质和能量交换过程，以及对全球的气候变化具有重要意义[3]。尽管在数值上土壤热通量较潜热通量、显热通量小很多，但是在较小时间尺度上进行比较分析就必须准确估算出土壤热通量的变化，才能正确的评价能量闭合程度[4]。因此，通过对塔克拉玛干沙漠不同区域土壤热通量变化研究比较，对掌握沙漠地区土壤热交换以及能量平衡和闭合具有重要的作用。

近年来，有许多学者致力于农田、草地和森林土壤热通量的研究，已经取得了很多重要的成果[5-10]。王春风等[5]研究分析了长武塬区地表反照率、土壤温度梯度、土壤热通量的变化特征，发现土壤热通量季节变化趋势与土壤温度梯度变化趋势正好相反。李祎君等[6]基于锦州农田生态系统野外观测站观测数据，分析了玉米农田水热通量的日际、年际变化特征及其能量平衡状况，得出玉米农田水热通量日变化与年变化均呈单峰型二次曲线。阳伏林等[7]利用内蒙古苏尼特左旗温带荒漠草原生态系统观测站观测资料，对生态系统能量平衡特征及其驱动因子分析，发现土壤热通量在能量支出中所占比例较小，全年基本保持平衡，但是其在能量平衡中存在类似“能量缓存”的作用，不能被忽略。王润元等[8]利用野外试验资料，比较分析了夏季祁连山区草原和河西走廊张掖戈壁地表能量特征，得出在夏季典型晴天，山区草原的土壤热通量小于戈壁。尹光彩等[9]利用2003年土壤热状况实测数据，探讨了鼎湖山针阔混交林各层次土壤温度、土壤热通量及与净辐射的关系，发现5 cm深处土壤热通量振幅明显小于表层,且日变化节律也延滞0.5～1.0 h。王美莲等[13]利用内蒙古大兴安岭原始林区2007年的气象观测资料，分析了土壤热通量和土温的日、年变化以及它们的关系，得出土壤热通量和土壤温度的日、年变化均呈现“S”型，均有1个最大值和1个最小值，土壤温度的变化幅度均小于土壤热通量。王延慧等[10]分析了塔克拉玛干沙漠北缘地表能量收支特征，指出肖塘地区地—气能量交换主要以感热和土壤热通量为主，潜热通量的变化不是很大。但是，对于沙漠地区土壤热通量的研究则比较少。基于此，本文利用塔克拉玛干沙漠2013年土壤热通量观测资料，揭示塔克拉玛干沙漠不同区域土壤热通量变化特征。

1　研究区概况

试验站点主要设在塔克拉玛干沙漠北缘肖塘试验站（以下简称肖塘）和塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站（以下简称塔中）（图1）。肖塘（40°48＇N，84°18＇E，海拔912 m）深入于沙漠公路肖塘1号井1000 m的沙漠，地处古河床的南岸，北边距离胡杨林约为2 km，是沙漠与荒漠的交汇处，为典型的沙漠腹地—荒漠—绿洲过渡带，距塔里木河40 km[11]，下垫面主要为平坦沙地。该地区属于内陆暖温带荒漠气候，空气干燥、蒸发量大，年降水量15.2 mm，年均气温12.4℃[12]。塔中（38°58＇N，83°39＇E，海拔1099 m）位于塔克拉玛干沙漠腹地，是我国唯一一处深入沙漠腹地200 km的野外试验站[13]。该地区气候干燥，降水量极少，植被覆盖稀少，沙源丰富，绝大部分地面裸露，被沙子所覆盖，只在垄间地分布有零星的柽柳灌丛和芦苇[14]；年平均气温为12.1℃，年降水量为25.9mm，而蒸发量可达3812.3 mm[15]。

图1　研究区地理位置示意图

2　资料与方法

本文数据选自塔中和肖塘2013年1月1日—12月31日土壤热通量实时观测数据以及气象站地面报表数据。土壤热通量数据采用0.5 h平均数据，数据采集为当地地方时，塔中与北京时相差2 h25 min24 s，肖塘与北京时相差为2 h23 min19 s。对于所采用原始数据进行质量控制，剔除了一些由于仪器发生故障以及其他原因造成的异常数据。土壤热通量数据采集采用土壤热通量板HFP01SC （Hukseflux），选取5 cm处的测量数据。

3　结果与分析

在分析土壤热通量日平均变化中，对两个站1、4、7、10月的土壤热通量资料进行逐日相同时刻平均。典型天气下塔中选取6月10日、12日、16日分别代表晴天、沙尘暴、降水，肖塘选取6月10日、2日、16日分别代表晴天、沙尘暴、降水。

3.1塔中、肖塘土壤热通量日变化

图2是塔中、肖塘土壤热通量日变化特征。可以看出，塔中和肖塘的土壤热通量日变化具有相同的特点：变化趋势都呈现出倒“U”型，在白天，随着太阳的升起，土壤热通量都为正值。但是两地的土壤热通量变化也具有不同的地方。1月，塔中和肖塘5 cm处土壤热通量平均值分别为-3.3 W·m-2、-9.4 W·m-2，塔中日平均土壤热通量于13:30（地方时，下同）达到最大值（39.1 W·m-2），而肖塘则早于塔中，于12:30达到最大值（43.2 W·m-2），且高于塔中；塔中最小值出现在0:30，为-19.8 W·m-2，日较差为58.9 W·m-2，肖塘出现在22:00，为-29.2 W·m-2，日较差为72.4 W·m-2。

4月，塔中和肖塘土壤热通量平均值分别为4.8 W·m-2、-0.1 W·m-2，日平均土壤热通量最大值分别为63.7 W·m-2（13:00）、67.2 W·m-2（12:30），最小值分别为-24.4 W·m-2（0:00）、-32.9 W·m-2（21:30），日较差分别为88.1 W·m-2、100.1 W·m-2。

7月，塔中和肖塘土壤热通量平均值分别为7.7W·m-2、4.2 W·m-2，日平均土壤热通量最大值分别为72.1 W·m-2（12:30）、35.7 W·m-2（14:00），最小值分别为-26.9 W·m-2（3:00）、-18.0 W·m-2（5:30），日较差分别为99.0 W·m-2、53.7 W·m-2。

10月，塔中和肖塘土壤热通量平均值分别为-2.1 W·m-2、-4.7 W·m-2，日平均土壤热通量最大值分别为68.5 W·m-2（12:00）、46.9 W·m-2（13:00），最小值分别为-31.8 W·m-2（21:00）、-26.4 W·m-2（3: 30），日较差分别为100.3 W·m-2、73.3 W·m-2。

可见，在1月肖塘土壤热通量变化幅度高于塔中，4月两个站点变化幅度比较接近，而7、10月塔中则高于肖塘。这与2个站点的下垫面以及周围的环境有关，肖塘是典型的沙漠腹地—荒漠—绿洲过渡带，其距离胡杨林仅有2 km；塔中周围植被覆盖少，下垫面主要为沙子；而且塔中地理位置较肖塘纬度低，太阳辐射量高于肖塘。此外，虽然在1月塔中5 cm土壤温度大于肖塘（表1），但是通过查询两个站点的地面气象报表得知肖塘在1月有2次降雪过程，土壤含水量的变化以及雪对太阳辐射的反射和对土壤的保温作用也是影响土壤热通量值变化的原因，而且肖塘平均相对湿度均大于塔中。而在7、10月，塔中由于处于沙漠腹地，气温高，沙子增温快，且相对于肖塘出现沙尘暴等天气的频率小，导致其土壤热通量日平均变化幅度明显高于肖塘。

表1　塔中、肖塘5 cm土壤温度/℃

3.2典型天气条件下土壤热通量变化

从图3可以看出，在不同天气下塔中和肖塘土壤热通量都有明显的日变化特征，晴天变化比较规则，而沙尘暴和降水天变化较不规则。晴天，塔中和肖塘土壤热通量变化幅度基本一致，两个站点都在12:00出现最大值，分别为85.4 W·m-2、79.5 W·m-2，最小值都出现在0:00，分别为-34.3 W·m-2、-39.6 W·m-2，日较差分别为119.7 W·m-2、119.1 W·m-2。

沙尘暴天气，塔中土壤热通量变化幅度明显小于肖塘，这与沙尘暴的强度以及周围下垫面环境有关。塔中在12:00出现最大值（54.1 W·m-2），0:00出现最小值（-29.5 W·m-2）；肖塘11:30出现最大值（95.2 W·m-2），2:30出现最小值（-37.9 W·m-2），日较差分别为83.6 W·m-2、133.1 W·m-2。

图2　土壤热通量日变化

降水天，塔中和肖塘土壤热通量变化都很不规则，波动较大，呈现出锯齿状。塔中土壤热通量在8:00之后逐渐变为正值并持续剧烈上升，这时候降雨逐渐减小停止，土壤热通量在9:30出现最大值（44.6 W·m-2），之后则逐渐下降，在11:30左右时，降雨又开始增大，土壤热通量出现低值（-13.7 W· m-2），然后波动下降，在0:00出现最小值（-26.0 W· m-2），日较差为70.6 W·m-2。肖塘土壤热通量在10: 30出现最大值（16.3 W·m-2），之后由于受降水的影响，又持续下降出现一个低值（-20.5 W·m-2），降水结束后则又开始上升，并且出现两个高值（13.3 W· m-2、13.5 W·m-2），然后继续下降在19:30出现最小值（-50.3 W·m-2），日较差为66.6 W·m-2。

图3　典型天气下土壤热通量变化

3.3肖塘、塔中土壤热通量年变化

从图4可以看出，肖塘、塔中土壤热通量都有明显的年变化特征。塔中土壤热通量3—9月为正值，其他月份为负值。肖塘则比较滞后，5月开始为正值，在6月又突然转变为负值，然后在7、8月则又为正值，其他月份都为负值。两个站点土壤热通量年变化幅度差异比较大，在进入3月后，天气逐渐暖和，太阳辐射增加，塔中土壤热通量逐渐变为正值，并持续上升，并在7月达到最大值（7.7 W·m-2），之后逐渐下降，在11月出现最小值（-5.3 W·m-2）。而肖塘在3、4月则开始出现频繁的沙尘暴天气，土壤热通量仍为负值，5月逐渐变为正值。在进入6月后又变为负值，这是由于本月沙尘暴天气和降水天气同时出现，本月共有14次降水（表2），14次沙尘暴，月总降水量为34.3 mm，这些因素导致6月土壤热通量值的降低。进入7月后土壤热通量出现最大值（4.2 W·m-2），之后便逐渐下降，并在11月出现最小值（-10.2 W·m-2）。

此外，从全年的变化特征来看，塔中土壤热通量高于肖塘，塔中土壤热通量年总量为16.8 W·m-2，说明能量由大气向土壤传递，土壤为热汇，而肖塘则为-34.9 W·m-2，能量由土壤向大气传播，土壤表现为热源。

图4　土壤热通量年变化

表2　降水及沙尘暴出现次数

4　结论与讨论

（1）塔中和肖塘土壤热通量都有明显的日变化特点。两者都呈现出倒“U”型。1月肖塘土壤热通量日平均变化幅度均高于塔中，4月变化幅度差异较小，而7、10月塔中则高于肖塘。1月塔中和肖塘土壤热通量日较差分别为58.9 W·m-2和72.4 W·m-2，4月分别为88.1 W·m-2、100.1 W·m-2，7月分别为99.0 W·m-2、53.7 W·m-2，10月分别为100.3 W·m-2、73.3W·m-2。

（2）土壤热通量随着天气条件的不同有很大的差异。晴天较为规律，沙尘暴、降水天较不规律，波动范围很大。晴天，塔中和肖塘土壤热通量变化幅度比较一致，都在12:00和0:00出现极值。在沙尘暴天气，塔中变化幅度小于肖塘，出现极值的时间也不一致，两个站点土壤热通量日较差分别为83.6 W·m-2、133.1 W·m-2；这主要是由于在沙尘暴天气受天气情况的影响，能见度降低，大气中的悬浮颗粒对太阳辐射进行折射和散射作用，以及到达地表的净辐射减小，导致土壤热通量值较晴天低。在降水天，2个站点土壤热通量变化都呈现出明显的锯齿状，塔中变化幅度大于肖塘，土壤热通量值明显低于晴天，日较差分别为70.6 W·m-2、66.6 W·m-2，这是由于降水天除了太阳辐射减少外，降水还渗入地表导致土壤湿度增加，地温降低，从而导致土壤热通量变化剧烈。

（3）从全年变化来看，塔中土壤热通量值要高于肖塘，塔中土壤热通量年总量为16.8 W·m-2，肖塘为-34.9 W·m-2，塔中表现为热汇，肖塘为热源。塔中年变化幅度比较规则，而肖塘由于受地理环境以及较多降水和沙尘暴天气的影响变化较不规则。

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Comparison ofthe SoilHeatFlux Variationsin DifferentAreasover the Taklimakan Desert

ZHANG W enbin1，2，3，AliMamtimin2，3，HE Qing2，3，YANG Xinghua2，3，HUO W en2，3，YANG Fan2，3，TayirAziz4
（1.CollegeofGeographicalScienceand Tourism,Xinjiang NormalUniversity，Urumqi830054，China；2.InstituteofDesertMeteorology，China MeteorologicalAdministration，Urumqi830002，China；3.DesertAtmosphereand EnvironmentObservation ExperimentStation ofTaklimakan，Tazhong841000，China；4.Huocheng MeteorologicalBureau，Huocheng835200，China）

AbstractThe observed soilheatflux data of the Tazhong and Xiaotang station in 2013 were analyzed and compared.The Tazhong station islocated atthe hinterland ofTaklimakan desert,and the Xiaotang station atthenorthern margin which isan ecotone ofthe Taklimakan desertand oasis, they standard fortwo differentunderlying surfaces.Theirdifferentcharacteristics ofthe soilheat flux variation areasfollows:（1）On thescaleofday,the soilheatfluxattwostationshasobvious diurnalvariation.The averaged diurnalvariation atthe Tazhong station is below than thatatthe Xiaotang station in January,buttheir variations are similar to each other in April,however,the amplitude ofvariation atthe Tazhong station islargerthan thatatthe Xiaotang station in July and October.（2）The soilheatflux attwo stationshassignificantdifferencesunderdifferentweather conditions.In sunny days,the diurnalvariations have single peak,and the variation ranges are consistencyattwo stations.The differencesofthe maximum and minimum values（DMMV）ofthe averaged soilheatfluxesatthe Tazhong and Xiaotang station are 119.7 W·m-2and 119.1 W·m-2, respectively.In dust-sand storm days,the soilheatfluxesare affected by cloud which shadowsthe solarincidentradiation,thus,itenhances the range.The variation atthe Tazhong station isbelow than thatatthe Xiaotang station,the DMMV are 83.6 W·m-2and 133.1 W·m-2,respectively.In rainy days,the soilheatflux variation isdramatic attwo stations,the DMMV are 70.6 W·m-2and 66.6 W·m-2,respectively.（3）On thescaleofyear,the averaged soilheatfluxesreach the highest in July at the Tazhong and Xiaotang stations, their values are 7.7 W·m-2and 4.2 W·m-2, respectively,and reach the lowestin November,theirvalues are -5.3 W·m-2and -10.2 W·m-2, respectively.Moreover,the average annualsoilheatfluxes are also significantattwo stations,at Tazhongstation,thevalue is16.8 W·m-2,which meanstheenergytransfersfrom the airto the soil, i.e.the soilisaheatsink,on thecontrary,atthe Xiaotangstation,the valueis-34.9 W·m-2,which meanstheenergytransfersfrom thesoiltotheair,i.e.thesoilisaheatsource.

Key wordsTaklimakan desert;soilheatflux;Tazhongstation;Xiaotangstation

中图分类号：P461.4

文献标识码：A

文章编号：1002-0799（2016）02-0057-06

doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.02.009

收稿日期：2016-01-20；修回日期：2016-02-15

基金项目：公益性行业专项（GYHY201306066）；国家自然科学基金（41175140）联合资助。

作者简介：张文斌（1991-），男，硕士研究生，主要从事干旱区环境演变与灾害防治研究。E-mail：zhangwenbin2015@126.com

通讯作者：何清（1965-），男，研究员，主要从事沙漠气象研究。E-mail：qinghe@idm.cn