广西大青山土壤水热特征及其对气象要素的响应

刘士玲 ，杨保国 ，卢立华 ，张 培 ，雷丽群 ，何 远 ，郑 路

（1.中国林业科学研究院 热带林业实验中心，广西 凭祥 532600；2.广西友谊关森林生态系统国家定位观测研究站，广西 凭祥 532600）

地表土壤的水热动态过程和变化机制是陆面过程的重要研究内容[1-2]，其动态影响着不同生态系统土壤的生物和非生物的生态学过程，包括植物的生产量、分解、矿化、水热能量平衡[3]，但它们又受气候、地形、地上植被的盖度和数量，土壤自身的物理特性等因素控制[4]。森林土壤是森林生态系统发挥水源涵养功能的主要载体，水热在土壤中的分布特征和动态变化对植被生态系统具有重要意义。

关于土壤水热，国内外开展了诸多研究，如唐振兴等[2]、牛赟等[5-6]研究了祁连山土壤水热的垂直分层变化特征、空间变化特征及其影响因素；Koster等[7]研究了土壤水分与降水在大尺度上的耦合关系；Western等[8]研究了Australia Tarrawarra流域土壤水分的时空变异结构及尺度效应。以上研究虽然对土壤水热变化过程有了一定认识，但对于南亚热带林区的土壤水热变化仍缺乏点尺度的长期观测资料，尤其缺乏土壤水热与气象要素的同步观测，该区域点尺度上土壤水热变化及其与气候变化内在关联的研究也不够。本研究在广西大青山林区利用友谊关森林生态系统国家定位观测研究站建立的自动气象观测站，对土壤水热、气象要素进行定点连续观测。通过对数据的分析，旨在了解南亚热带大青山林区土壤水热的变化特征及影响土壤水热的主要气象要素，以期为全球变化情景下，土壤水热对气候变化的响应提供参考，也为本区域林业可持续发展提供科学依据和基础数据。

1 研究区概况

广西友谊关森林生态系统国家定位观测研究站（22°03′49″N，106°50′37″E）位于广西大青山林区，属南亚热带半湿润-湿润季风气候，有明显的干湿季。年均气温21.5℃，≥10℃积温6 000～7 600℃，年均降水量1 200～1 500 mm，年蒸发量1 261～1 388 mm，相对湿度80%～84%。地貌类型以低山丘陵为主，海拔430～680 m。地带性土壤为由花岗岩发育而成的赤红壤，土层厚度100～150 cm，腐殖质层厚度 5～10 cm。

2 研究方法

2.1 观测设备

根据国家气象局编制的《自动气象站建设技术要求》和《地面气象观测规范》，在林外建立自动气象观测站，主要观测大气温湿度、风速、风向、降水、辐射等常规气象要素和地面下5、15、30和50 cm的土壤要素。该气象站采用的是CR1000数据采集器（Campbell，美国）。传感器类型：温度传感器（109，Campbell，美国）、风速风向传感器（034B，MetOne，美国）、翻斗式雨量筒（TE525MM ，Campbell，美国）、辐射传感器（LI200X，Li-Cor，美国）、土壤水分传感器（CS616，Vaisala & Campbell，美国）、土壤温度传感器（HMP45C，Campbell，美国）等。各要素数据采集步长均为5 min。

2.2 数据处理与分析

本研究所用的是2016年观测的土壤要素和气象要素数据。其中土壤要素为4个深度的土壤体积含水率（即Sdw5，Sdw15，Sdw30，Sdw50）和土壤温度（即ST5，ST15，ST30，ST50）。气象要素为大气温度（Ta）、相对湿度（RH）、大气降水（P）、总辐射（Eg）和饱和水汽压（VPD）。

饱和水汽压的计算公式如下：

式中，T（℃）为空气温度，RH（%）为相对湿度。

对数据进行修订校正后将各要素的5 min步长观测数据加以整合，进行数据的统计分析。本研究所用软件为：SPSS 19.0、 Sigmaplot 13.0。

3 结果与分析

3.1 气温与降水变化

图1为自动气象站记录的步长为5 min的降水和气温数据经整理后的月变化趋势图。降水主要集中于1、6—9月，其中8月份降水量312.6 mm为全年月降水量的最大值，而10月份降水量较少，12月份无降水。从气温曲线可以看出，在5—9月期间气温处于全年的极大值阶段。

图1 气温与降水月变化Fig.1 Temperature and precipitation monthly change

3.2 土壤水热变化特征

图2和图3分别给出了土壤温度和水分的变化趋势，从图中可知浅层土壤水热曲线在5—9月处于极值阶段，这与气温曲线（见图1）的变化特征相似，由于降水主要集中于这些月份，且受气温的影响，所以土壤水热变化在此期间波动较显著。

图2 土壤温度日变化特征Fig.2 Soil temperature daily variation features

土壤温度的年内变化特征与气温一致，呈“单峰型”，土壤温度最低值出现在1月，最高值出现在7月。整体上各层土壤温度变化较为一致，土壤温度年内变化幅度随深度增加而减小，且土壤温度的变化周期与大气温度相比存在一定的滞后期，滞后时间随深度增加而增加，这主要是因为土壤对太阳辐射有显著削弱作用。

土壤温度的垂直变化特征为：3—9月土壤温度随深度增加而降低，1、2、10—12月随深度增加而升高。造成这种差异的原因在于，土壤温度主要受气温的影响，3—9月气温较高，土壤表面吸收太阳辐射而增温，并通过热传导向深处传递热量，愈是处在下层的土壤，获得的热量愈少，故土壤温度随深度增加而降低；1、2、10—12月气温较低，地表接收的太阳辐射小于地表长波辐射，地表温度下降，当温度下降到比深层的温度低时，热量将由深层向地表传输，但由于从下层得到的能量不足以抵消上层的降温，因此土壤温度随深度增加而升高。

从土壤体积含水率变化特征曲线（见图3）可以看出，整体上各层土壤水分变化较为一致，土壤水分年内变化幅度随深度加深而减小。1—4月份土壤水分较大，4月下旬开始土壤水分迅速减小，至7月底虽然降水使土壤水分有一定的波动，但土壤水分整体偏低，5 cm层土壤水分表现更为显著，15、30、50 cm土壤水分维持在相对稳定的水平，但均处于全年较低值，这是因为该时期降水量不高，但大气温度高，蒸发量大，表层土壤水分受蒸发量影响较大，深层土壤受影响程度较小。此外，生长季植物根系的水分吸收也是影响土壤水分的重要因素。8—9月上旬降雨量较大且降水次数较多，降水的补给使得土壤水分迅速提高，但由于气温较高、蒸发量较大，降水过后土壤水分又迅速减小，从而表现出该时期土壤水分较高，但又具迅速升降的变化趋势。9月中旬—10月中旬土壤水分又出现低谷，这是因为该月份无降水，加之气温较高、蒸发量较大，土壤水分持续走低。11—12月除降水对土壤水分阶段性增加外，土壤水分整体上呈逐渐下降的趋势。

从土壤温度和土壤水分的变化关系图中，我们很难清晰地看出土壤温度与水分之间的关系，为了明确各土层土壤温度与土壤水分之间的关系，对各土层的土壤温度和水分数据进行了统计分析（见表1）。

从土壤水热的相互关系来看，各层土壤温度与土壤水分之间存在显著负相关关系，相关性随土壤深度增加表现为先增大后减小再增大的趋势，30 cm土壤温度与土壤水分相关性最低。各土层土壤温度都具有极显著的正相关关系，随土壤深度增加，浅层土壤温度与深层土壤温度的相关系数减小，这是因为土壤温度主要受气温影响，随深度增加土壤温度的分子热传导作用逐渐减弱。各土层土壤水分亦都具有极显著的正相关关系，从影响程度大小来看，由于地表水进入土壤后的下渗作用，随土壤深度增加，浅层土壤水分与深层土壤水分的相关系数亦减小。

图3 土壤含水率日变化特征Fig.3 Soil volume water content daily variation features

表1 土壤水热相关性分析†Table 1 Correlation analysis of soil moisture and soil temperature

3.3 土壤水热对气象要素的响应

通过多元逐步回归对土壤水分、温度和气象要素气温、降水、辐射、饱和水汽压差、风速进行分析，筛选出影响土壤水分和温度的主要气象因子。以气象站日观测数据为基础，给出了不同深度土壤温度、含水率与主要气象控制因子的关系图（见图4、图5）。

由土壤温度对气象要素的响应图4可知，土壤温度的主要气象控制因子为气温，为正相关关系。不同深度土壤温度对气温的响应强度存在一定差异，随土壤深度增加，二者之间相关系数变小，土壤温度变化对气温的响应强度减弱，5 cm土壤温度与气温的相关性最好为0.911 9，50 cm土壤温度与气温的相关性最差为0.847 6。这主要是因为，太阳辐射通过加热浅层土壤并以热传导和热对流的方式传递给深层土壤，随着土层深度的增加，无论热传导，还是热对流所携带的能量逐渐衰减，造成土壤温度随深度增加而逐渐降低，所以浅层土壤受气温变化的影响较大，深层土壤受气温变化的影响较小。

图4 土壤温度对气象要素的响应图像Fig.4 Soil temperature control facts of meteorological

图5 土壤水分对气象要素的响应图像Fig.5 Soil moisture control facts of meteorological

图5给出了对土壤水分有较大影响的降水、饱和水汽压差与土壤水分响应图，从图中可以看出5、15、30 cm土壤水分的主要气象控制因子为降水，二者表现为正相关关系，其中5 cm土壤水分与降水的相关性最好为0.418 9，随土壤深度增加二者关系明显减弱，15、30 cm土壤水分与降水相关性仅为0.308 5、0.311 3；而影响50 cm土壤水分的主要气象因子为饱和水汽压，表现为负相关，相关系数为0.299 8。土壤水分的主要来源是降水，浅层土壤水分主要受降水的影响，深层土壤水分由于被上层土壤的截留以及植物根系与枯落物对土壤结构和理化性质的改善能力降低，其土壤密度增大，容重增大，土壤孔隙度减小，水分在土壤中的流动能力减弱，因此，随土壤深度增加，土壤水分对降水的响应逐渐减弱。土壤水分与降水的相关性比预期偏低，可能是因为本研究统计的是点尺度上的短时间条件下气象要素对土壤水热的影响，在日变化水平上降水只是作为土壤水分来源的输入参量，土壤水分对降水的响应存在滞后性，且受到地表径流、土壤特征、植被及其它气象要素的影响，这可能弱化了降雨对表层土壤水分的作用，随着土壤深度加深，这种弱化作用表现的更加明显。

为进一步分析土壤水热的主要气象控制因子，本研究给出了月尺度上的土壤水热对气象要素的响应统计结果（见表2、表3）。月尺度结果表明土壤温度的气象控制因子为气温，随土壤深度加深判定系数R2逐渐减小，这与日尺度的结果一致，但月尺度上的判定系数R2均优于相应土层的日尺度结果；土壤水分月尺度的气象控制因子除50 cm为饱和水汽压差， 5、15和30 cm的气象控制因子均为降水，这亦与日尺度的结果一致，且月尺度的判定系数R2也优于日尺度结果。由此可见，月尺度上的主要气象要素对土壤水热的影响更加显著。

表2 土壤温度与主要气象因子的统计关系†Table 2 Statistical relationship of soil temperature and mainly meteorological factor

表3 土壤水分与主要气象因子的统计关系†Table 3 Statistical relationship of soil moisture and mainly meteorological factor

4 结论与讨论

4.1 结 论

利用广西友谊关生态定位站建立的自动气象站对该区各气象要素和土壤温度、水分进行了长期连续定位观测，分析土壤温度、水分的变化特征，建立土壤温度、水分相关关系，阐明影响土壤温度、水分的主要气象要素，主要得出以下结论：

（1）土壤温度的年内变化特征与气温一致，呈“单峰型”。整体上各层土壤温度变化较为一致，土壤温度年内变化幅度随深度增加而减小，且土壤温度的变化周期与大气温度相比存在一定的滞后期，滞后时间随深度增加而增加。

（2）土壤水分年内变化复杂，受各月气温、降水的影响而呈现出一定的波动性。整体上各层土壤水分变化较为一致，土壤水分年内变化幅度随深度加深而减小。

（3）土壤水热与气象要素在月尺度上的统计关系好于日尺度。两尺度上控制土壤温度的主要气象因子为气温；5、15、30 cm土壤水分的主要气象控制因子为降水，二者表现为正相关关系，影响50 cm土壤水分的主要气象因子为饱和水汽压。

（4）土壤温度与水分呈显著的线性负相关。

4.2 讨 论

（1）唐振兴等[2]、车宗玺等[9]研究表明土壤温度年内变化与气温一致，但存在滞后期，滞后时间随深度增加而增加，这与本研究结果一致。土壤温度对气象要素的响应关系，本研究结果表明，在不同时间尺度上，影响土壤温度的主要气象要素均为大气温度；这与唐振兴等[3]的研究结果略有差异，其主要原因是本研究的结果主要是基于气象观测站的所观测的土层50 cm以上的土壤数据，而未对深层土壤温度进行观测，深层土壤温度变化在物理机制上考虑主要受上下层土壤热量平衡影响，今后应加强对深层土壤温度对气象要素的响应研究。

（2）已有研究[10-11]表明降水是影响土壤含水量变化的主要因素。本研究土壤水分对气象要素的响应研究表明，不同时间尺度上，5、15、30 cm土壤水分的主要控制气象因素为降水，50 cm土壤水分控制要素为饱和大气压，且土壤水分的变化与降水呈正相关，这与唐振兴等[2]的研究结果存在一定的差异。牛赟等[12]认为影响土壤水分垂直变化的直接因素是降水和土壤植被的土壤水分消耗，引起这些变化的间接因素是土壤空间属性的变化及其植被类型对土壤水分的影响。在今后研究中，要注重土壤水分空间变化机理及各因素的综合影响程度等研究。

（3）在已有的文献中土壤温度和土壤水分具有显著负相关关系[9,13-14]或负相关不显著[15]，王红梅等[16]认为土壤温度和土壤水分的相关性表现为小采样粒度（0.5 m×0.5 m，1 m ×1 m）的显著负相关性，而在较大采样粒度（2 m×2 m，5 m ×5 m）表现为显著的正相关关系，因此，土壤水热特征的关系研究应确定合理的采样粒度和尺度。本研究利用自动气象观测站所观测的土壤温度和水分数据进行统计分析，土壤温度和土壤水分表现为极显著的负相关关系。随着生态监测科技的发展，利用自动气象观测站的土壤含水量和温度监测仪对土壤水分和温度进行实时动态自动监测，有效地避免了以往研究者所采用不同的采样粒度或尺度所产生的结果的差异性。

（4）我国亚热带和热带湿润区年降水量很大，土壤水分的变化影响土壤的导热率和热容量，进而影响土壤导温率，使得土壤温度与气温、降水之间的响应关系非常复杂[17]，土壤水分对降水和温度的响应亦非常复杂[18]，杨永辉等[19]、张一平等[20]利用实验和模型结合探讨温度与降水变化对土壤水分或温度的影响的方法值得借鉴。在全球气候变暖情境下，森林土壤温湿度的特征、变化规律是否发生改变？在将来的科研工作中，我们要更加关注土壤水热在空间上的年际和季节变化及对气象要素的响应特征和响应程度，为探索全球气候变暖与土壤水热在空间上的响应关系，为森林经营提供参考资料。此外，影响土壤呼吸的主要环境因子是温度和土壤水分，全球温度上升将促进土壤呼吸，加速土壤中储存的碳向大气中排放，进而加剧全球变化。因此伴随增温导致的土壤水热变化对土壤呼吸的影响也是下一步研究中需要关注的问题。