湘南旱地土壤热通量变化特征分析

戴平　李涵茂　方丽

摘要：基于2014、2015年6～9月的太阳辐射和土壤热通量观测资料，分析了湘南旱地土壤热通量变化特征。研究表明，6～9月，旱地土壤热通量季节和月变化都呈逐渐减少趋势；5和10 cm晴天土壤热通量日变化呈单峰曲线，与太阳净辐射日变化趋势一致；5和10 cm土壤日均热通量与太阳日均净辐射量之间存在极显著的线性关系。

关键词：旱地；土壤热通量；变化特征；分析

中图分类号：S152 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）20-3870-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.20.019

Abstract： Based on the observation data of solar radiation and soil heat flux from June to September in 2014 and 2015 year， variation characteristics of soil heat flux in southern Hunan upland were analyzed. The results showed that seasonal and moths variation characteristics of soil heat flux showed a trend of decline from June to September in upland. Daily variation of soil heat flux showed a single peak curve in 5 and 10 cm depths. And it had the same trend as daily variation of net solar radiation. There was a extremely significant linear relationship between daily average soil heat flux and daily average net solar radiation.

Key words： upland； soil heat flux； variation characteristics； analysis

土壤熱通量是地表热量平衡的组成部分，表征土壤表层与深层间的热交换状况。不同土壤类型[1]、植被覆盖类型[2-4]、地表均匀度[5，6]等土壤热通量的变化特征有所差异。通过观测和分析土壤热通量可以了解地表能量的收支状况，对掌握不同地表的能量和水分输送有重要的意义。

目前，获取地表土壤热通量的方法主要有观测[7，8]和计算[9，10]两种。国内学者在土壤热通量方面开展了一定的研究。王胜等[11]通过观测数据分析了不同天气状况下戈壁土壤热通量的日变化特征及其与辐射通量的关系；王春风等[12]研究了农田生态系统土壤热状况变化特征；冯璐等[13]基于土壤温湿度观测资料估算藏北高原地区土壤热通量；刘笑吟等[14]分析了南方稻田土壤热通量变化特征。

衡阳市位于湖南南部，地处“衡邵干旱走廊”区域，6～9月极易发生干旱灾害，对当地的农业生产带来了不利影响。本研究拟通过分析6～9月旱地土壤热通量变化特征，掌握该区域地表能量收支状况，为进一步分析该区域水分输送情况及变化特征提供技术支撑和资料参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

观测试验在湖南省衡阳市农业气象试验基地（26.96°N，112.57°E）进行，属于亚热带季风性湿润气候，年平均气温17.9 ℃，年平均降雨1 339.3 mm，年均蒸发量1 225.1 mm，年均日照时数1 490.4 h。

1.2 观测方法

在两块稻田之间高于稻田面20 cm的4 m（宽）×8 m（长）旱地上，安装有RR-9310换位式波文比通量自动监测系统（北京雨根科技有限公司）。旱地土壤为水稻土，下垫面为高度低于10 cm的杂草。主要观测的要素有太阳净辐射（AV-71NR）、两个高度的空气温湿度、土壤热通量（HFT-3）等，土壤热通量预埋在5和10 cm深度的土层中。数据采集系统每10 min采集记录数据1次。观测数据使用时段为2014年6月1日至9月30日以及2015年6月1日至9月20日。

1.3 数据处理

应用Visual Basic 6.0和Excel 2013软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 土壤热通量季节变化

2014、2015年6～9月农荒地土壤热通量季节变化特征见图1。2014年6～9月，5 cm土壤热通量平均为4.88 W/m2，10 cm土壤热通量平均为4.81 W/m2；2015年6～9月，5 cm土壤热通量平均为4.56 W/m2， 10 cm土壤热通量平均为4.83 W/m2。从土壤热通量变化趋势来看，2014、2015年6～9月5和10 cm土壤热通量都呈减少趋势，变化趋势一致（图1）。

2.2 土壤热通量月变化

2014、2015年土壤热通量月变化特征见图2。由图2可知，2014年6～9月，5 cm土壤热通量依次分别为7.22、6.56、4.73和0.96 W/m2，10 cm土壤热通量依次分别为6.64、6.16、4.56和1.84 W/m2；2015年6～9月，5 cm土壤热通量依次分别为8.49、3.53、3.54和2.59 W/m2，10 cm土壤热通量依次分别为8.17、4.27、3.83和2.93 W/m2。2014、2015年6～9月5和10 cm土壤热通量都呈减少趋势，两者变化趋势一致，均是6月最大，9月最小。2014年6和9月5和10 cm的土壤热通量都小于2015年，2014年7和8月5和10 cm的土壤热通量均大于2015年。endprint

2.3 土壤热通量日变化

2014、2015年土壤热通量晴天日变化特征见图3。由图3可知，6～9月晴天5和10 cm土壤热通量日变化都呈单峰型。6～9月，5 cm土壤热通量峰值出现在15：00左右，10 cm土壤热通量峰值出现在17：00左右，比5 cm土壤热通量峰值的出现推迟2 h。5 cm土壤热通量值日变化中，6月24 h基本处于正值，7月9：00～2：00（次日）处于正值，8月10：00～21：00处于正值，9月11：00～21：00处于正值。10 cm土壤热通量值日变化中，6和7月24 h都处于正值，8月11：00～04：00（次日）处于正值，9月12：00～ 24：00处于正值。土壤热通量值为正值，表示能量由地表向土壤传递能量；热通量值为负值，表示能量由土壤向地表传递，地下土壤为热源。由此可见，6～9月土壤吸收太阳辐射的热量时间逐渐缩短，释放热量的时间逐渐增加。

2.4 太阳总辐射和净辐射量日变化

2014、2015年晴天太阳总辐射量和净辐射量日变化特征见图4。6月（06-15）、7月（07-13）、8月（08-29）和9月（09-17）晴天太阳总辐射量和净辐射量日变化都呈单峰型。6～9月，太阳总辐射量峰值出现在12：00～13：00，净辐射量峰值出现在12：00～13：00，两者的峰值出现时间一致。

2.5 土壤热通量与太阳净辐射量比值

土壤日均热通量与太阳日均净辐射量比值见图5。由图5可知，6月（06-15）、7月（07-13）、8月（08-29）和9月（09-17）晴天，5 cm土壤日均热通量与太阳日均净辐射量比值分别为18.98%、12.22%、5.51%和2.76%，10 cm土壤日均热通量与太阳日均净辐射量比值分别为15.43%、11.79%、5.34%和2.27%。可见，6～9月晴天5和10 cm土壤热通量所占太阳净辐射量的百分比值逐渐下降。

2.6 土壤热通量与太阳净辐射量的相关性

土壤热通量与太阳净辐射量的相关性分析见图6。5 cm土壤日均热通量与太阳日均净辐射量相关方程为y=0.059 17x+1.231 1（r=0.568 8，P<0.01）；10 cm土壤日均热通量与太阳日均净辐射量相关方程为y=0.046 53x+2.119 6（r=0.554 4，P<0.01）。说明土壤热通量与太阳净辐射量之间存在着极其显著相关性，土壤热通量随太阳净辐射量的增加而增加（图6）。

3 小结与讨论

6～9月5和10 cm土壤日均热通量呈逐渐减少趋势；晴天5和10 cm土壤热通量日变化呈单峰曲线，与太阳净辐射量日变化趋势一致；土壤热通量的季节、月、日变化趋势与张宏等[15]和蒋正德等[16]的研究结果相似。5 cm土壤热通量峰值对太阳净辐射量峰值反馈延时2～3 h，5 cm土壤热通量峰值对太阳净辐射量峰值反馈延时4～5 h，这是由于土壤热通量与净辐射量之间存在一定的滞后性[17]。

6～9月晴天，5和10 cm土壤日均热通量与太阳日均辐射量比值分别为2.76%～18.98%和2.27%～15.43%，并随月份增加呈逐渐减少趋势，这说明土壤吸收太阳净辐射的热量越来越少。同时，6～9月土壤热通量为正值，说明土壤主要以吸收热量为主，起到“热汇”的作用。

土壤热通量尤其土壤表层的热通量与冠层吸收的净辐射密切相关，地表植被冠层顶部净辐射对地表温度和土壤中的热传导起着决定性的作用；同时，由于植株遮挡，地表蒸发较小，土壤吸收的热通量基本等同于向下传导，上方的辐射通量与土壤热通量关系更加紧密[18]。

本研究中，5和10 cm土壤日均热通量与太阳日均辐射量存在着显著的线性关系（P<0.01），这也与地表杂草冠层吸收的太阳净辐射量有关。

本研究基于2014、2015年6～9月干旱季农荒地土壤热通量和太阳辐射观测资料，分析了5和10 cm土壤热通量季节、月和日变化特征，但因2014、2015年夏季（6～8月）日照较历史值少20%以上，降水量多15%左右，土壤热通量月平均值与常年值存在一定的差异。为了更为准确地反映该区域地表类型的土壤热通量的特征值，还需进一步延续观测以获取更多年限的资料加以分析研究。

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