闽江河口鳝鱼滩湿地土壤热通量的变化特征

朱婉漪，张林海,b*，杨平

(福建师范大学 a.地理科学学院，b.福建省亚热带资源与环境重点实验室，福州350007)

土壤热通量指单位时间、单位面积上的土壤热交换量，是地表热量平衡方程中的一项重要指标，能够影响地表能量闭合程度，可以表征土壤表层与深层间的热交换状况[1]。土壤热通量在微气象学中十分重要，它能有效地将地表能量传递过程与土壤能量传递过程耦合起来[2]。目前对土壤热通量的研究主要包括测定技术改进[3-4]，以及不同生态系统下的变化趋势研究，其类型包括森林[5-6]、高原[7]、湿地[8-9]、沙漠[10]等。基于不同生态系统的研究表明土壤热通量通常春夏为正，秋冬为负[6-7]，日、年变化呈“S”型趋势[11]，且大多证明了土壤热通量与太阳辐射，尤其是净辐射关系密切[5,12]。有研究表明土壤热通量最大值出现时间滞后于净辐射最大值[13]，一些研究也显示出土壤热通量对地表净辐射的反馈存在延时[14]。另有研究认为云层覆盖和降水也会使表层土壤热通量产生波动[15]。土壤热通量研究大多包含在地表能量收支中，针对热通量变化特征的系统研究较少，且多集中在森林和高原等生态系统，亚热带河口滨海湿地土壤热通量研究报道较缺乏。闽江河口鳝鱼滩湿地是福建省典型的河口滨海湿地，处于河、海、陆三者交汇地带，位于福建闽江河口湿地国家级自然保护区的核心区域[16]，其地表能量通量变化在维持湿地生物多样性，探究局部小气候方面起着重要的作用[17]。近年研究主要集中于湿地温室气体通量等方面[18-19]，鲜有对土壤热通量变化特征展开研究。湿地土壤蓄热情况受土壤热通量影响[20]，将进一步对土壤生物与植物生长产生作用，如螃蟹的活动轨迹，芦苇(Phragmitesaustralis)、互花米草(Spartinaalterniflora)等优势植物生长变化等。本研究以鳝鱼滩湿地为研究对象，探讨了表层(10～25 cm)土壤热通量年内变化特征及其影响因素，以期为闽江河口生物多样性的维系以及亚热带滨海湿地地表能量循环过程研究提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

闽江河口鳝鱼滩湿地(26°0′36″N～26°3′42″N，119°34′12″E～119°41′40″E)位于福建省福州市长乐区潭头镇、梅花镇闽江入海口处，是闽江河口地区面积最大的砂泥质洲滩天然湿地，地处闽江河口外缘[21]。地势低平，气候暖热湿润，雨热同期，属亚热带海洋性季风气候区，该区土壤为滨海盐土和风沙土[22]，占地面积约3 120 hm2，是闽江河口最大的一块湿地，发育有良好的湿地生态系统。湿地内主要优势植物有天然物种芦苇、短叶茳芏(Cyperusmalaccensis)和外来入侵种互花米草[18]。多年平均气温为20.67℃，年相对湿度80.42%，年降水日数为150 d，且主要集中在春夏季节，年降水量约1 323 mm，年太阳辐射145.7 W·m-2，年太阳净辐射81.07 W·m-2。

1.2 自动气象站布设与数据获取

在闽江河口鳝鱼滩湿地典型植物群落芦苇样地中设置ZYSW1000自动气象站，主要监测指标包括地表土壤热通量(W·m-2，Soil heat flux)、6 m高处大气温度(℃，Ta6)和大气相对湿度(%，RH6)、太阳总辐射(W·m-2，solar)、净辐射(W·m-2，Rn)、降雨量(mm，Rain)、地下10、30、50、70、100、120 cm的土壤温度(℃，T10、T30、T50、T70、T100、T120)，数据测量频率为15 min，同时自动记录最大值(Max)、最小值(Min)、和平均值(Avg)。其中土壤热通量数据观测仪器采用FP01(SC)热通量传感器，精度为±3%，灵敏度50μV/W·m-2，数据采集器为CR1000(美国)。

1.3 数据处理与分析

数据来源于自动气象站2019年3月1日至2020年2月29日的观测资料，将自动气象站采集的数据进行整理后得到两部分：基于1 h时间间隔的各环境因子小时数据以及基于1 d时间间隔的各环境因子日数据。由于数据分段采集有所间隔，自动气象站2019年7月10日15:00—20:00小时数据及日数据缺失，小时数据缺口较小，且该部分缺失对本研究影响不大，故在数据分析处理中将此部分数据直接剔除，当日日数据则结合7月其余各日数据及小时数据，采用均值补差方法计算并补齐[15]。土壤热通量日变化包括年均日变化及日振幅变化。在日尺度上，以24：00为次日划分点，以1 h为时间间隔，将一年内的相同时刻数值平均处理，得到主要环境因子及土壤热通量年均日变化，土壤热通量日振幅变化由一年内所有小时数据共同构成；在月尺度上，以1 d为时间间隔，将各月数据做平均处理，得到土壤热通量月均变化。四季按春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月—次年2月)划分[11]，将每个季节的相同时刻进行平均处理，即得到土壤热通量季节日变化曲线。采用多元逐步回归对研究区土壤热通量与主要环境因子进行相关性分析[23]，构建逐步回归方程，通过线性回归拟合进一步验证，并由冗余分析计算得出不同季节主要环境因子对土壤热通量的贡献比例。使用Excel、IBM SPSS statistics 26和Canoco 5进行数据处理与分析，Origin 2018绘图。

2 结果与分析

2.1 主要环境因子年均日变化特征

闽江河口鳝鱼滩湿地主要环境因子年均日变化(图1)呈现一定的规律。6 m气温与相对湿度变化趋势相对应，正午气温升高，相对湿度降低。气温曲线有一峰两谷，峰值出现在正午14：00，为22.31℃，谷值出现在5：00与23：00，相对湿度白天有一谷，谷值74.01%，出现在13：00，夜间变化平稳(图1a)。降雨量年均日变化在17：00形成一个突出的峰值(168.4 mm)，下午降雨量大于上午(图1b)。太阳总辐射与净辐射日变化规律一致，夜间为负值且基本无变化，白天呈倒“U”型，正午12：00值最大(图1c)。最表层的10 cm土壤温度日变化幅度最大，土层越深变化幅度越小，50 cm以下几乎无变化。土壤温度日变幅不超过1.5℃，10 cm土壤温度曲线为“S”型，0：00—9：00温度下降直至最低值19.87℃，9：00—18：00上升至最高值21.26℃后下降，30 cm土壤温度变化呈平缓“U”型，14：00为最低值20.46℃(图1d)，说明土壤温度由表层向深层传递存在时间延迟[11]且热量会被较大损耗。

图 1 主要环境因子年均日变化

图 2 土壤热通量年均日变化与日振幅变化

图 3 土壤热通量月均变化

2.2 土壤热通量日变化、月均变化和季节日变化特征

鳝鱼滩湿地土壤热通量年均日变化如图2a所示，变化曲线呈“S”型，最高值出现在13：00为16.32 W·m-2，最低值出现在4：00为-8.07 W·m-2，差值为24.39 W·m-2，夜间曲线较白天平缓。平均一日内正值时长为9 h，负值时长15 h，土壤更多时间为热源，分别在上午9：00—10：00，下午17：00—18：00发生符号转换。湿地表层土壤热通量日振幅变化(图2b)显示出春夏季节振幅较大，秋冬季节振幅较小，冬季最小。全年热通量最大极值为81.4 W·m-2，出现在2019年4月17日13：00，最小极值为-29.68 W·m-2，出现在2019年9月19日6：00，全年最大差值111.08 W·m-2。

图3所示为鳝鱼滩湿地土壤热通量月均变化，就全年而言，土壤热通量在4—8月为正值，表明土壤为热汇；其余月份为负值，表明土壤为热源。土壤热通量正向最大值出现在6月(3.89 W·m-2)，负向最小值出现在11月(-3.75 W·m-2)，月际最大差值为7.64 W·m-2。土壤热通量分别在春季3—4月，秋初8—9月发生符号变化。全年热汇值为12.21 W·m-2，热源值为-16.63 W·m-2。春季(3—5月)净热通量值为2.68 W·m-2，占全年热汇比例的21.9%；夏季(6—8月)净热通量值为8.22 W·m-2，占全年热汇比例的67.3%；秋季(9—11月)净热通量值为-7.72 W·m-2，占全年热源比例的46.4%；冬季(12月—次年2月)净热通量值为-7.60 W·m-2，占全年热源比例的45.7%。土壤热通量月均总和为-4.42 W·m-2，总体来看土壤为热源，向外释放热量，其中11月为全年最大热源月份。

图 4 土壤热通量季节日变化

鳝鱼滩湿地不同季节地表土壤热通量日变化均呈“S”型变化曲线(图4)，具有明显季节变化特征。四季热通量最大值均出现在正午，最小值夏季出现在傍晚，其他季节则出现在黎明，数值上夏季峰值最大(22.37 W·m-2)，冬季峰值最小(8.59 W·m-2)，各峰值大小关系为夏季>春季>秋季>冬季。随太阳升降时间变化，热通量符号上午由负转正时间逐渐推迟，而下午由正转负，时间保持在18：00左右，夏季土壤热通量为正值，时间最长，为12 h，冬季最短，为7 h。四季均表现为热通量白天为正值(热汇)，夜间为负值(热源)。日差值变化幅度由春季至冬季逐渐变小，春季31.28 W·m-2为最大值，冬季16.53 W·m-2为最小值。

图 5 土壤热通量与主要环境因子的相关性

图 6 主要环境因子不同季节贡献率

表 1 土壤热通量与部分主要环境因子逐步回归结果

2.3 影响土壤热通量变化的因素分析

根据鳝鱼滩湿地气象站环境因子观测数据，选取日均太阳总辐射(solar)、净辐射(Rn)、6 m气温(Ta6)、6 m相对湿度(RH6)、降雨量(Rain)、地下10、30、50、70、100、120 cm的土壤温度(T10、T30、T50、T70、T100、T120)对土壤热通量(Soil heat flux)进行逐步回归，利用多元逐步回归分析建立其最优方程：Soilheatflux=-4.793+0.038×XRn+0.11×XRH6+23.62×XT50+1.07×XTa6-27.0×XT30+7.74×XT10-5.70×XT100-0.01×Xsolar。回归模型平方和为10 383.954，残差平方和为587.079，总计为10 971.033，回归平方和占总平方和的绝大部分，模型拟合效果较好(表1)。结果表明,土壤热通量变化主要受到太阳净辐射、太阳总辐射、6 m气温及相对湿度影响，除此之外，10、30、50、100 cm土壤温度也产生一定程度的影响。

进一步选取日均地表土壤热通量与日均太阳总辐射量、太阳净辐射、6 m气温及相对湿度进行线性拟合(图5)。回归方程表明土壤热通量与太阳净辐射相关性明显高于与太阳总辐射、6 m气温及相对湿度，说明全年日均土壤热通量受太阳净辐射影响更为强烈。

为了进一步确定太阳总辐射、净辐射、6 m气温及相对湿度在不同季节的贡献比例，通过冗余分析计算得出其贡献率(图6)。春季4个环境因子贡献率占总贡献率的77.2%，夏季占59%，秋季占51.3%，冬季占76.5%，各季均占到总贡献率的50%以上，说明该4个环境因子能够在一定程度上解释土壤热通量变化。其中春季与夏季净辐射贡献率最高，分别为57.1%和37.1%；秋季6 m气温贡献率最高，为29.9%；冬季6 m相对湿度贡献率最高，为48.8%。

3 讨论

3.1 鳝鱼滩湿地土壤热通量日、月及季节变化规律

闽江河口鳝鱼滩湿地土壤热通量年均日变化曲线表现为“S”型，平均一日内负值时长15 h，土壤更多时间为热源。土壤热通量最高值出现时间为正午，这是由于地表土壤热通量与净辐射显著相关，而太阳辐射在正午出现峰值[12]。多个研究[9,13-14]表明土壤热通量日变化对净辐射的反馈存在延时，本研究呈现相同的结果，净辐射于12：00达到最高值，而热通量最高值出现在13：00。日振幅上，春夏季土壤热通量振幅较秋冬季剧烈，极大值出现在春季，可能是因为春夏季节沿海地区气流活动更频繁，降水集中[24]，滩涂土壤的水淹与裸露变化程度大，导致土壤吸散热加剧。

鳝鱼滩湿地土壤热通量月变化特征明显，其中4—8月土壤热通量为正值，其余月份为负值，热通量于6月达到最大值后下降，这可能是由于夏季西南季风带来更多降水，湿地土壤表面更湿润，限制土壤热通量增大[20]。同时研究样地为芦苇生境，处于生长季的芦苇植株繁茂，植物冠层变大，净辐射用于土壤热通量的部分有所减少，总体上土壤仍从周围环境吸收热量，保持正值，并在9月由正转负，于11月达到最小值后增大，可能与11月降水少有关，湿地表面受水淹程度减小，利于土壤热的散发，这与盘锦湿地[11]变化趋势有一定相似之处。土壤春夏为热汇，秋冬为热源，全年总体表现为热源，与芦芽山针叶林[6]微热汇源的结果不同，可能与其所处地理位置、土壤类型以及植被覆盖差异有关。

热通量季节日变化呈“S”型，各个季节白天土壤热通量为正值，于正午12：00—14：00出现最大值，夜间为负值，这是因为白天受太阳高度角影响正午地面受热量大，土壤吸收更多的热量，而夜间净辐射几乎无变化，土壤向环境散热不受其影响。数值上夏季热通量峰值最大，正值时间最长，冬季峰值最小，负值时间最长，四季热通量变化趋势差别不大，与大兴安岭原始林区[25]研究结果不同，这可能与到达林区的太阳总辐射量不同及地表形态差异有关，闽江河口湿地纬度更低，太阳辐射量季节差异更小，潮汐影响下冬季淹水增加[26]，与林区相比土壤热通量变化平缓，且芦苇生长期与非生长期形态差异比森林小。

3.2 影响鳝鱼滩湿地土壤热通量的主要因素

土壤热通量的变化特征受多种环境因素影响，本研究中，土壤热通量变化主要受到太阳净辐射、太阳总辐射、6 m气温及相对湿度影响，4个因素贡献率在四季均占总贡献率的50%以上，除此之外,10、30、50、100 cm土壤温度也有一定程度的影响，这表明该区土壤热通量对各环境因子的反馈较充分，能够较真实地反映该地区生态环境土壤热传递的过程。热通量与太阳辐射的相关性分析结果证实了多项研究得出的太阳净辐射是影响土壤热通量变化的最关键因素[5,12]。鳝鱼滩湿地全年日均土壤热通量受太阳净辐射影响强烈，这是因为在地表热量收支中，土壤热通量是地表温度预热非常重要的因素，地表温度变化的主要影响因素是太阳辐射尤其是净辐射的强度变化[13]，因而土壤热通量与太阳净辐射密切相关。热通量与6 m气温及相对湿度的相关性分析也显示在日尺度上，除了太阳辐射外，6 m气温和湿度因素也对土壤热通量变化起着较大作用，土壤吸散热变化与周围气温的高低联系紧密，而空气湿度也会影响土壤与大气环境间热的传递与交换。净辐射是下垫面各种动量、热量和水分交换的能量来源，是地-气间进行热量交换的驱动因子[27]，年均日变化中，土壤热通量最高值较太阳辐射推迟1 h，气温最高值较土壤热通量推迟1 h，由此得出太阳辐射热量被土壤吸收再释放到大气中存在时间过程。表层10～70 cm土壤温度明显随着热通量的正负变化而变化，说明土壤温度高低取决于土壤的吸热或放热，土壤深度越深对热通量的反馈越小。不同季节太阳辐射、6 m气温及相对湿度对土壤热通量变化影响的贡献率有所不同，春夏季净辐射贡献率最高，秋季6 m气温贡献率最高，冬季则是6 m相对湿度贡献率最高，这可能是由于受到不同季节太阳直射点变化及天气情况影响所致。

此外，闽江河口作为半日潮开放式感潮河口[18]，潮汐是影响滩涂土壤热量交换的重要因素。滩涂土壤与海水间存在比热容差异，两者在潮汐影响下发生热量交换，一定程度上影响潮间带能量分配，导致能量被更多地分配给显热通量[28]，土壤热通量变化相对其他生态系统更小，与旱地[12]、沙漠[10]和森林[6,14]等相比热通量变化幅度更加平缓，如亚热带森林[6]表层热通量年变化最低值-10 W·m-2以下，最高值10 W·m-2以上，与之相比鳝鱼滩湿地数值更小(最低值-3.75 W·m-2，最高值3.89 W·m-2)。此外潮汐的太阴日周期(24 h 48 min)与太阳日周期(24 h)存在差异，也可能导致土壤热通量变化更加复杂。但河口潮汐影响并非决定性因素，同陆地生态系统相比，热通量变化同时还受到闽江河流入海、凋落物分解、台风带来的狂风、强降水与风暴潮等各类因素共同影响。未来应进一步连续观测该站点不同土壤层热通量及环境数据，并增加土壤理化性质、潮汐变化、特殊天气等因素观测，以期从全方位角度解释土壤热通量的时空变化特征。

4 结论

1)鳝鱼滩湿地地表土壤热通量年均日变化及季节日变化均呈“S”型。受潮汐水淹环境影响，年均土壤热通量日变化曲线较为平缓，夜间更缓和，年均日变化最大差值为24.39 W·m-2。全年土壤热通量日振幅最大极值差111.08 W·m-2，年表层日振幅春夏季比秋冬季更剧烈，可能是受季风及沿海地区气流活动频繁所致。

2)土壤热通量4—8月为热汇，其余月份为热源，6月达到最大值，11月达到最小值，月际最大差值7.64 W·m-2。全年该区土壤主要表现为热源，各个季节热通量均表现为白天正值(热汇)，夜间负值(热源)，最大值出现在正午，与太阳高度角变化有关。季节变化上，夏季热通量峰值最大，正值时间最长，冬季相反，受纬度位置和湿地性质影响，各个季节热通量变化差异较小。

3)净辐射、太阳总辐射、6 m气温及相对湿度是影响土壤热通量的最主要因素，对土壤热通量贡献率达50%以上，其中太阳净辐射对全年日均土壤热通量影响更为强烈，10、30、50、100 cm土壤温度也在一定程度上影响着热通量变化。日均气温变化与太阳辐射、热通量趋势一致，但时间反馈存在延迟。各层土壤温度取决于土壤热通量的正负变化，土壤越深对热通量的反馈越小。