气温对浅层地温的影响研究综述

李宏鹏 张婉婷 李颖姣

【摘   要】 浅层地温作为土壤环境的重要指标，在研究生物生长、生物繁衍中有重要的地位，在农业生产中经常用到土壤温度资料。地温对气温的相应是最为直接的，两者存在的密切关系，所以研究气温对浅层地温的影响具有重要意义。

【关键词】 浅层地温;气温;农业气象;相关性

中图分类号：P404             文献识别码：A               文章编号：2096-1073（2020）07-0057-58

The Influence of Temperature on Shallow Ground Temperature

LI Hongpeng， ZHANG Wanting， LI Yingjiao

（Tonghua Meteorological Bureau   Tonghua， Jilin   134000）

[Abstract] Shallow ground temperature， as an important index of soil environment， plays an important role in the study of biological growth and biological reproduction. Soil temperature data are often used in agricultural production. Therefore， it is of great significance to study the effect of temperature on shallow ground temperature.

[Key words] shallow ground temperature; temperature; agrometeorology; correlation

淺层地温作为农业生产中土壤环境重要指标之一，在生物生长、生物繁衍研究中有着重要的地位，在农业生产和病虫害预防中经常会用到土壤温度。浅层地温不仅影响种子发芽和出苗、作物根系生长发育以及土壤微生物的活动，还会对土壤水肥运动有一定的影响。研究表明，土壤温度产生1 ℃的变化作物生长发育就会有显著的影响，如果土壤温度低于作物根系生理活动所需温度的下限，其作物根系生长将会受阻，影响作物生长发育，甚至导致作物死亡;许多昆虫越冬场所在土壤中，而昆虫属于变温动物，体温主要随外界温度的变化而变化，体内的代谢在很大程度上受外界温度支配，越冬过程受土壤温度的变化而影响。春季土壤温度的预测预报对春耕有重要的指导性作用，土壤温度对农作物的影响比气温更直接，所以土壤温度是指导播种期的重要依据，适宜的播种期是作物高产的关键环节。目前土壤温度数据的主要获取途径就是实地观测，在农业试验研究中，相对于气温观测和资料获取地温资料不够具体。近年来，对地温的研究集中在演变，而对预测鲜有研究，所以通过分析气温与耕层土壤温度之间的关系，利用已知的气象要素来估算浅层土壤温度，对农业播种期的安排、虫害防灾减灾做出及时预测预报有着重要意义。

1  积雪覆盖的情况下气温与地温的相关性研究

积雪是一种特殊性质的下垫面，其存在主要依赖于气象环境，具有低热传导率的特点，对太阳辐射的有较高的反射率。参与地气之间的热能平衡、大气环流、水循环等运动来影响气候和环境变化。积雪的厚度直接影响到地气之间能量传导，对浅层地温起到了很好的保护作用，积雪对地气能量转化起到的作用规律有部分学者进行了初步的研究。国外学者Goodrich[1]等通过研究积雪密度与地面之间的能量交换，积雪密度和土壤特性对地面热状况有很大的影响。国内学者王国亚[2]在对新疆阿勒泰地区1961-2011年积雪变化特征及其对冻土的影响研究时发现积雪厚度对土壤冻结深度的节点规律，积雪厚度超过20cm时对土壤有一定的保温作用;当达到40cm以上时，土壤冻结深度对气温变化响应保持稳定状态;但是超过70cm时，由于积雪厚度阻碍增加以及深层地温对上层土壤的热平衡效应使冻结深度发生变化;张小磊等利用统计分析的方法说明了无雪区、49cm厚积雪和80cm厚积雪对0到50cm之间的浅层地温的影响，发现积雪覆盖下土壤温度变幅明显小于无雪区，土壤温度对气温变化的响应随积雪厚度的增加而延迟;付强[3]等学者在前面的基础上进一步加深了积雪对地温变化的研究，将范围增加到140cm的深层土壤中并从雪的密度出发增加了不同的积雪形式。他们采用灰色关联度分析的方法找出那些主要的气象因子能够影响地温的变化幅度，进而统计地温与气象因子的相关性，发现浅层地温和土层冻融过程的差异，随积雪覆盖厚度及密度的增加，各地层的冻融日期会出现延迟现象，并且空气温度和地温的差值增大，积雪覆盖使得地气温度关联度减弱。于小舟[4]等人考察长白山生态系统时对冬季0-100cm深度的土壤温度变化分析研究，发现积雪对浅层地温（20cm以下深度）的保温性较好，随积雪厚度增加保温效果增大，而且雪厚在10-20cm时保温效果增加幅度最大。当达到30cm以上时保温效果增加幅度不显著。积雪对土壤温度是具有双向的调节作用10，积雪厚度越大消融期土壤温度越高，变幅越小，但消融期后土壤温度上升速度照比无雪覆盖的土壤缓慢，因为雪消融时需要吸热临界状态维持时间长，导致土壤解冻时间变长，而且此过程还关系到其他气象因素的相互作用。侯仁杰等人在对冻融土壤水热互作机理及环境响应研究也发现了不同条件的积雪覆盖冻结和消融出现滞后的现象，积雪的覆盖影响着土壤系统的热量吸收和释放状况，使得不同覆盖的下垫面土壤各个土层的冻结起使日期出现差异，随着积雪覆盖厚度增加，土壤冻结日期的延时现象明显，在5-10cm土壤深度下，3种积雪覆盖条件下冻结土壤初始的冻结时间相对于无覆盖地表延时2、4、8d，同时，融化期内各个土层融化时间也分别大于地表无积雪情况。

2  秸秆覆盖对地气热量交换的影响研究

秸秆还田是绿色农业发展的大趋势，所以现在秋收后很多秸秆覆盖在大田中，这对土壤温度也是有着很大的影响。为了助推农业发展，近些年来有不少气象学者和专家对秸秆覆盖产生的效应有很多相关研究，特别在东北秸秆覆盖对土壤环境最大的影响是温度。土壤温度是表征土壤物理特性的重要指标之一，它对土质、水分、土壤中微生物的生存、农作物的产量以及病虫害越冬起着重要的作用，它是农田里的小气候具有环境效应。在冬季秸秆覆盖农田是通过改变自然环境下空气与土壤间热平衡转换，起到了阻碍的作用来调节浅层地温的变化一般深层地温的变化规律基本不发生改变。邢述彦[5]等研究发现冻融期秸秆覆盖改变了土壤温度分布与变化特征，随着秸秆覆盖厚度从5cm增加到30cm各土层土壤温度在冻融期的变幅以及由气温突然变化引起的土壤温度波动幅度减小，土壤剖面最低温度值升高，土壤温度响应气温变化的滞后效应增强。国外学者Nirmal[6]发现;土壤温度随着秸秆覆盖量越大，地温较对照降低得越多，而土壤含水量就越高，这对地气热量交换有显著的影响。张少良通过黑土区田间长期定位试验，研究了秸秆覆盖度对太阳反射和土壤含水量的影响，进而探讨了在秸秆覆盖状态下地温对气温相应程度。

3  气温与浅层地温相关性研究

国外研究者K. L. Bocock 等运用不同的方法来建立地面温度与气温之间的关系，这种关系对应了一种正弦曲线;J.D. Kalma 通过定期的谐波分析正弦函数对地面 0cm 温度和最低、最高日平均气温进行拟合，结果表明地面温度与气温之间可以确立一种数学关系。

国内学者桂沁园[7]利用 2011—2016 年冬季（12月至翌年2月）巢湖市国家基本站逐日气温、地温、日照、降水等气象资料，采用相关分析法筛选得出，浅层最低地温与前一日的平均气温、最低气温、0-20 cm 各层平均地温和最低地温成正相关关系，与前一日日照时数成负相关性;关德新等在推算森林浅层地面温度和气温的关系，分析发现森林的气温和浅层地面温度可以用气象站对应观测数据的线性函数来推算，相关系数在0.96以上;李有利用谐波分析方法模拟了河南各地月平均地-气温差的年变化，拟合度在90%以上;阿帕尔在研究昌吉市地面温度和气温的年变化相似之处，运用回归分析方法建立了以气温为基础的地面温度预算模型;周斌[8]通过研究辽宁省春季表层地温变化特征及其与气温的关系得出，辽宁西部地温>辽宁东部地温>辽宁地区气温;地温与8种气象因素特别是气温的关系更为紧密且有显著的正相关性。南京信息工程大学吴春晓[9]基于BP神经网络建立气温对10-320cm地温的推演模型。

4  总结

土壤温度是大气与地表结合部的温度状况，土壤温度的高低对植物的种子发芽及其生长发育，微生物的繁殖及其活动有很大影响。但不同下垫面和不同季节地气温度交换存在着差异，而且土壤越深地温对气温的相应存在滞后性越严重。而且在日变化规律中不同天气条件地气温度相关性也不同。但是从助推农业生产的角度土壤温度是起到重要作用的，所以未来土壤温度预测的精准度对农、林、牧业的区域规划有着重要的意义。

参考文献：

[1] Goodrich L E. The influence of snow cover on the ground thermalregime[J]. Canadian Geotechnical Journal，1982，19（4）：421-432.

[2] 王国亚，毛炜峄，贺斌，等. 新疆阿勒泰地区积雪变化特征及其对冻土的影响[J]. 冰川冻土，2012，34（06）：1293-1300.

[3] 付强，马梓奡，李天霄，等. 北方高寒区不同覆盖条件下土壤温度差异性分析[J]. 农业机械学报，2014，45（12）：152-159.

（編辑：赫亮）