2015年塔克拉玛干沙漠腹地达理雅博依天然绿洲浅层地温变化特征∗

王金花，张峰，师庆东

(新疆大学绿洲生态教育部重点实验室，新疆乌鲁木齐830046)

地温为地-气系统研究一重要参数[1]，其深刻影响着土壤的物理、化学及生物过程，连续而准确的地温数据在全球气候变化、环境过程的模拟、元素地球化学循环等方面极具意义[2]，而地温的区域性分异和季节性变化研究又有助于揭示土壤对生态环境的影响[3]．西北内陆，荒漠分布甚广，气候干旱，生态系统尤为脆弱．已有学者对塔克拉玛干沙漠和古尔班通古特沙漠地温做了测定和研究，但相关工作主要以沙漠[4−9]和人工绿洲[10−12]为研究对象，对天然绿洲研究不足．克里雅河尾闾的达理雅博依是地处塔克拉玛干沙漠腹地的一典型天然绿洲[13]，由于受人为干扰小，它保持着绿洲生态系统的自然过程，这可为研究沙漠绿洲的形成、演变及驱动力[14]提供实验场．然而目前的相关研究多为考察性质[13,15,16]，缺少详细、连续的观测数据，这影响到许多重要科学问题的解决，如有关绿洲系统演化模式[17]的验证，绿洲发展趋势的预测[18]等．本文利用2015―2016年达理雅博依乡首台区域气象站5∼20 cm的地温资料，分析了其日变化及月变化特征，以期为研究全球范围内干旱区天然绿洲生态环境的演变及趋势预测提供重要依据和参考．

1 研究区与研究方法

研究区位于塔克拉玛干沙漠腹地克里雅河现代尾闾一带（图1）．受间歇性洪水作用，该河终端干三角洲达理雅博依地区发育了具有定居人口的天然绿洲[19]，现存面积约324 km2[20]，其年平均降水不足10 mm，大气极为干燥[21]，该干三角洲水系呈扇状扩散，沿河两岸为胡杨林、芦苇及红柳灌丛植被带，孤立复合型沙丘遍布[22]．

于2015年1月9日，在达理雅博依建立了该绿洲首架区域自动气象站（38◦22′N，81◦52′E），至2016年4月，对地温进行连续测定．其中地温传感器为浙江省无线电科学研究所生产的自校式铂电阻数字测温仪（RCY-1A），数据采集时间间隔为1分钟，传感器埋设深度分别为5 cm、10 cm、15 cm和20 cm．由于2015年8月21日至10月13日、11月2日至11月23日数据缺失，故通过SPSS（19.0）软件采用回归分析方法[23]对2015年各月平均地温进行拟合（y=-1.1245x2+15.039x−21.999，相关系数R2=0.9638），插值计算2015年9月和11月的月均温，对8月和10月的各土层月平均地温值则基于实测值由各月每日地温数据作算术平均得出．本文所讨论的年平均地温由各月的月平均地温作算数平均得出；月平均地温则由各月日地温数据作算术平均得出；日平均值由同一月份同一时刻不同日期的值进行累加后求平均得出．

图1 研究区域及气象站地理位置Fig 1 Geographical position of the study area and meteorological station

2 结果分析

2.1 达理雅博依绿洲浅层地温的季节变化特征

达理雅博依绿洲5∼20 cm各浅层地温月平均值具有很好的年内变化周期（图2），趋势基本相同，接近正弦曲线变化，温度最高值均在7月，最低值均在1月，各土层之间的地温差亦在7月和1月最为显著．6月地温略有部分下凹（图2），且增幅较5月和7月均偏小，很可能是受当时浮尘天气的影响所致．各层地温均高于0℃的月份达9个月之多，低于0℃的月份仅有3个月．各土层中5 cm处地温变幅最大，10∼20 cm处地温随深度增加变幅略有减小，位相略微滞后．

2.2 典型月份土壤温度的日变化特征

选取4月、7月、10月和12月作为春、夏、秋、冬各季节的典型月份，以分析日变化的季节特征．各季节各土层温度日平均变化明显，大致呈正弦曲线变化；一天中均有一个最高值和一个最低值；春季、夏季及秋季各层土壤温度的日变化趋势较为相似，而冬季各层土壤温度的日变幅则较其他季节更为平缓（图3）．随着土壤深度增加，各季节各层土壤温度日振幅均减小，日最高值和最低值出现的时间逐渐滞后（图3，表1）．

图2 达理雅博依绿洲月平均地温变化曲线Fig 2 Monthly mean ground temperature curves at Daliyaboyi Oasis

图3 达理雅博依绿洲2015年典型月份浅层地温的日平均变化Fig 3 Daily changes of shallow ground temperature in typical months of the Daliyaboyi Oasis in 2015注：（a）为4月；（b）为7月；（c）为10月；（d）为12月

各季节地温的日变化规律虽一致，但日内土壤各层能量之间的传递状况有所不同．以春季为例（2015年4月），由于地表吸收太阳辐射而增温，土壤浅层能量向下传递，12:00―24:00，土壤表层（5 cm）温度明显高于20 cm深处（图3）；而在0:00―12:00，由于表层因放射长波辐射而降温冷却，20 cm深处的能量则向上传递，表层（5 cm）温度低于20 cm深处的温度．其他季节（7月、10月、12月）各层土壤温度日变化虽亦如此，但表层地温高于深层地温的时间段不同，依次为12:00―23:00、14:00―22:00和16:00―20:00．

表1 达理雅博依绿洲典型月份5∼20 cm处地温的日变化Tab 1 Daily changes of ground temperature in typical months at the depth of 5∼20 cm of the Daliyaboyi Oasis

2.3 不同深度土壤日最高温和最低温年变化

各层土壤2015―2016年日最高和最低温的变化趋势基本一致（图4），均在7月达到最高，1月降至最低，且各层土壤日最高温波动要大于最低温．2015年1月至3月，各层土壤日最高温和日最低温的波动幅度明显高于2016年．

图4 达理雅博依绿洲2015―2016年浅层（5∼20 cm）处地温实测值日最高温和最低温变化Fig 4 Changes of measured values of daily maximum and minimum shallow ground temperature at the depth of 5∼20 cm of the Daliyaboyi Oasis from 2015 to 2016

3 讨论与结论

3.1 讨论

本文对沙漠腹地达理雅博依天然绿洲与大致同纬度的塔中地区的地温数据进行了对比分析：达理雅博依绿洲地表5 cm处年平均地温为15.1℃，10 cm处为14.7℃，15 cm处为14.6℃，20 cm处为14.5℃，各层地温年平均值低于塔中[6]地区（16℃左右）．其中达理雅博依5 cm处月均最高地温为31.5℃，低于塔中的35℃，月均最低地温却高于塔中；地温（图2）年变化升降较塔中地区[6]（图5）相对缓和，显示出绿洲与沙漠环境存在一定差异．

图5 塔中[6]的月平均地温变化曲线Fig 5 Monthly mean ground temperature curves at Tazhong

与塔中气象站仅发布的7月地温数据[8]相比较，发现达理雅博依绿洲5 cm处地温日最大值出现在17:00，最低值出现在08:00（表1），均明显晚于塔中地区的15:00―16:00和07:00．达理雅博依绿洲地表已有土壤发育，其热容较塔中地区沙质沉积物更大一些，因而升温、降温过程相对缓慢．将达理雅博依绿洲浅层土壤日最高温和最低温值转换为日温差（日最高和最低地温的差值）（图6），发现各层土壤日温差在夏半年的波动较冬半年更大，土壤深度越深，日温差则越小，不同深度土壤日温差的变化幅度亦不同，这与古尔班通古特沙漠腹地[11]及塔中地区[6−8,10]的浅层地温研究是较为一致的．

图6 达理雅博依绿洲2015―2016年不同深度土壤日温差变化Fig 6 Variation of the daily range of ground temperature at different depths of the Daliyaboyi Oasis from 2015 to 2016

3.2 结论

通过对2015―2016年达理雅博依绿洲浅层地温的变化特征分析，得出如下结论：（1）各层地温月平均值年内基本呈正弦曲线变化．各层地温最高值（7月）和最低值（1月）出现的时间较为一致．各土层中5 cm处的地温变幅最大，10∼20 cm处地温随深度增加，变幅略有减小，位相略微滞后．各层地温年平均值为14.8℃，低于大致同纬度的塔中气象站（16℃左右），且达理雅博依绿洲的地温升降相对缓和，显示出绿洲与沙漠环境存在差异．（2）土壤各层温度日变化亦呈正弦曲线趋势．各层土壤温度在一天中均有一个最高值和一个最低值．随土壤深度的增加，各季节各层土壤温度日振幅均减小，日最高值和最低值出现的时间逐渐滞后．达理雅博依绿洲7月5 cm处地温的日最高值和最低值出现时刻均晚于塔中地区，反映出二者土壤热容的不同．各层土壤日最高温和日最低温变化趋势基本一致，但日最高温波动幅度大于日最低温波动幅度，各层土壤日温差在夏半年的波动较冬半年更大．