樊云龍，鄒細(xì)霞，羅緒強(qiáng)

(1.貴州師范學(xué)院地理與旅游學(xué)院，貴州 貴陽 550018;2.貴州師范學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)與鄉(xiāng)村發(fā)展研究所，貴州 貴陽 550018;3.畢節(jié)學(xué)院畢節(jié)循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究院，貴州 畢節(jié) 551700)

土壤溫度是重要的土壤物理性質(zhì)，它是表示土壤熱量狀況特征的量度，也是土壤氣候資源的重要指標(biāo)。溫度是影響根系生理功能的重要因素，而且植物對根區(qū)溫度比地上部溫度更敏感［1］。土壤溫度的高低，能影響植物的蒸騰作用、根的呼吸與吸收功能、土壤入滲和土壤溶液中各種無機(jī)鹽的溶解速度等，進(jìn)而影響植物的生長［2］。土壤溫度的變化是太陽輻射平衡、土壤熱量平衡和土壤熱學(xué)性質(zhì)相互作用的結(jié)果，不同時(shí)間、不同地點(diǎn)和土壤的不同組成及性質(zhì)，都不同程度地影響土壤熱量的收支平衡［3］。此外，不同的植被類型、農(nóng)業(yè)耕作方式和地貌特征也決定了土壤溫度的變化規(guī)律［4-6］。土壤溫度作為小氣候的一個(gè)重要指標(biāo)，對生態(tài)系統(tǒng)空間異質(zhì)性，生態(tài)交錯(cuò)帶的結(jié)構(gòu)、過程和功能都起到了關(guān)鍵作用［7，8］。土壤溫度的區(qū)域分異和時(shí)間變化在影響地上植物、地下微生物和土壤動物的生長和發(fā)育、繁殖、分布過程中起著多大的作用，還有待進(jìn)一步研究。

喀斯特山區(qū)獨(dú)特的地貌特征導(dǎo)致其小生境多種多樣，小氣候特征也有較大差異［9，10］。已有學(xué)者對貴州喀斯特地貌區(qū)森林和草地的土壤溫度日較差進(jìn)行了調(diào)查［11］，以及在廣西喀斯特地區(qū)不同植被演替階段的土壤溫度等小氣候指標(biāo)進(jìn)行了全面的比較［12，13］。以上研究均針對喀斯特山區(qū)的自然植被下土壤溫度日變化開展研究。然而，當(dāng)前人類生產(chǎn)活動又極大地改變了土地利用方式，形成不同的地表植被類型和不同農(nóng)業(yè)景觀，對其土壤溫度日變化動態(tài)特征仍不了解。通過對土壤溫度調(diào)查，了解不同地表植被類型和不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式對土壤溫度的日變化的影響，并進(jìn)加深對土壤溫度變化一般規(guī)律的認(rèn)識，可為生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)及樣地概況

研究區(qū)位于貴州省貴陽市烏當(dāng)區(qū)東風(fēng)鎮(zhèn)，是典型的喀斯特盆地地。盆地地勢平坦，南明河穿流而過，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)較好，一直是貴陽市的蔬菜基地。盆地周邊的山地保留了林地、灌叢，退耕草地等植被類型。受到城市化進(jìn)程的影響，人類活動程度不斷加劇，土地利用方式加速轉(zhuǎn)變并日益多樣化。土地利用方式的改變必定影響到土地質(zhì)量、土壤環(huán)境、植被生態(tài)等方面的功能和特性，因此有必要對該區(qū)域多加關(guān)注。而該區(qū)域土地利用方式的改變對于研究土壤溫度對植被類型改變的響應(yīng)有著獨(dú)特的優(yōu)勢。

烏當(dāng)區(qū)處于貴陽市東北部，位于東經(jīng)106°30'～107°03'，北緯 26°33'～26°55'之間。平均海拔為1 100～1 400 m，地勢北高南低，起伏變化較大，主要以山地丘陵為主。屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為15℃左右，年均日照時(shí)數(shù)1 134.32 h，年總輻射為36 483 800 J/m2，年平均降雨量1 188 mm;7月為一年中最熱月，平均氣溫為24℃左右;1月為一年中最冷月，平均氣溫為4℃ ～5℃。由于碳酸鹽類巖石和非碳酸鹽類巖石交錯(cuò)分布，形成了石灰性土壤與地帶性土壤共存的現(xiàn)象。土壤的pH值變化幅度較大，為極弱酸性至微堿性。

根據(jù)研究區(qū)烏當(dāng)區(qū)東風(fēng)鎮(zhèn)主要的植被類型，選擇喀斯特盆地周邊山地的林地、灌叢、草地，以及盆地底部常見的兩種農(nóng)業(yè)景觀:農(nóng)田、溫室大棚，共五種土地利用方式。各樣地海拔高度位于990 m～1 060 m之間。林地樣地位于山坡中部，坡向西南，建群種主要以馬尾松為主(馬尾松林為東風(fēng)鎮(zhèn)周邊的主要植被類型)，包括毛軸蕨、山茶、樟樹等;灌叢樣地選擇在山麓，坡向西南，樣地中主要包括樟樹、山茶、構(gòu)樹、女貞、馬尾松等植物;草地樣地位于山脊處，以白茅、莎草、鬼針草、蒲公英等禾本科和菊科植物為主;農(nóng)田和大棚樣地位于東風(fēng)鎮(zhèn)盆地中央，地勢平坦，農(nóng)作歷史長，樣地中作物均為剛移栽的蔬菜。

1.2 研究方法

2012年10月27日(晴天間多云)，離地面1 m高庇蔭處使用氣溫計(jì)監(jiān)測樣地大氣溫度;在5個(gè)樣地同時(shí)進(jìn)行了不同深度(5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm)的土壤溫度監(jiān)測，使用儀器是直角地溫計(jì)。從早9點(diǎn)～18點(diǎn)每隔一小時(shí)記錄一次。由于野外操作不慎將草地樣地15 cm土壤溫度計(jì)損壞，故缺失此層溫度記錄。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式氣溫日變化特征

各種土地利用方式大氣溫度日變化呈現(xiàn)大致相似的趨勢，即一天當(dāng)中早晚氣溫低，中午氣溫升高，最高溫度出現(xiàn)在14:40左右。需說明的是，最高溫并未出現(xiàn)在傳統(tǒng)認(rèn)識上的14:00時(shí)，是因?yàn)橘F陽所處經(jīng)度較東經(jīng)120°偏西約14°，所以正午時(shí)間比北京時(shí)間晚約53分鐘。

各樣地白天大部分時(shí)間氣溫大致呈:大棚＞草地＞農(nóng)田＞灌叢＞林地。其中，溫室大棚氣溫日變化最為劇烈，上午11:40以后迅速升溫，13:40達(dá)到峰值，隨后又迅速降溫。大棚的增溫作用使得氣溫大大高于室外溫度，遇到云層出現(xiàn)太陽輻射量暫時(shí)性減少的情況會迅速導(dǎo)致大棚內(nèi)溫度劇烈變化。因此，大棚氣溫變化曲線較其他樣地特殊。

草地位于山脊上，地勢高而開闊，周邊較少樹林遮蔽，一天當(dāng)中9:00-15:00能大量接受陽光輻射，溫度升高較快［14］;16:00以后輻射量減少，熱量散失較快，加之地勢高處空氣流動性大，氣溫很快降低。草地在白天升溫迅速，15:40以后開始急速降溫，到16:40時(shí)甚至降到所有樣地的最低溫度，主要原因是草地所處的地貌決定其氣溫變化特征。農(nóng)田、灌叢、林地的氣溫變化曲線基本平行，符合氣溫變化基本規(guī)律。

圖1 不同土地利用方式氣溫日變化Fig.1 Diurnal variation of air temperature of different land use patterns

2.2 不同土地利用方式土壤溫度日變化

不同土地利用方式土壤溫度日變化均呈極不對稱的單峰曲線，且持續(xù)升溫時(shí)間較長，降溫時(shí)間較短。農(nóng)田、草地、灌叢、林地土壤溫度峰值均出現(xiàn)在15:40左右，較氣溫峰值滯后約1小時(shí)，此結(jié)果與李生等人在廣西凌云縣典型喀斯特地區(qū)的研究結(jié)果相似［9］?？傮w而言，各種土地利用方式的5 cm深處土壤溫度日變化規(guī)律與大氣溫度日變化規(guī)律相一致，因此，土壤溫度日變化根本上受到太陽輻射和大氣溫度日變化的控制。

各種土地利用方式土壤溫度日較差呈:大棚＞農(nóng)田＞草地＞灌叢＞林地。可以看出隨著地表植被的減少土壤溫度的日較差增大。農(nóng)田、草叢因群落種數(shù)少，層次簡單，蓋度低，太陽輻射可直接到達(dá)地面，地表溫度升降快而不穩(wěn)定。林地、灌叢的土壤溫度明顯下降，變化幅度減小。尤其林地土壤溫度變動最小，從早上至晚上土壤溫度曲線起伏很小。

圖2 不同土地利用方式土壤溫度(5 cm)日變化Fig.2 Diurnal variation of soil temperature(5 cm)of different land use patterns

2.3 不同土地利用方式土壤溫度垂直變化

圖3 不同土地利用方式各深度溫度日變化Fig.3 Diurnal variation of soil temperature in different depth under different land use patterns

土壤溫度峰值隨深度增加而滯后。農(nóng)田、草地、灌叢、林地土壤溫度在5 cm處峰值均出現(xiàn)在15:40左右，較氣溫峰值滯后1 h，10 cm處峰值與之相似。而15 cm、20 cm、25 cm處土壤溫度峰值時(shí)間都不同程度低較表層土壤滯后，如15 cm深度大棚土溫峰值出現(xiàn)在16:40;20 cm深度草地土溫峰值在16:40左右，而大棚、農(nóng)田、灌叢土溫峰值更是滯后到17:40。由于溫度通過介質(zhì)自表層向下傳遞需要一定的時(shí)間，隨著傳遞深度的增加，熱傳遞所需的時(shí)間也隨之增大，土溫峰值也相應(yīng)延后［11］。

各樣地不同深度溫度日變化圖(圖3)中可以看出，早晨土壤底層溫度大于表層，呈“下高上低”的態(tài)勢，這是因?yàn)榈乇斫?jīng)過一個(gè)夜晚的對外長波輻射，溫度降低很多，而深層土壤熱量散失較少，所以溫度比表層高。日出之后，地表開始接受太陽輻射，氣溫上升，地表不斷吸收熱量并逐漸向下傳遞，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椤跋碌蜕细摺钡臏囟葢B(tài)勢。表層土壤溫度日較差大，隨著深度的增加，土壤溫度的日較差逐漸減小。

溫室大棚和農(nóng)田作為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，人為活動影響大，土壤溫度變化特征與其他自然狀態(tài)的土地利用方式相比，有其自身的特征。本研究中的農(nóng)田樣地恰逢冬季青菜種植期，翻耕作用使得土壤非常疏松，5 cm處土壤溫度幾乎與大氣溫度接近。土壤總孔隙度導(dǎo)致土壤與大氣的通透性加強(qiáng)，從而影響了土壤溫度相應(yīng)氣溫變化的速度和幅度。

大棚內(nèi)溫度和各層土壤溫度均比室外農(nóng)田的溫度要高，隨著太陽輻射的加強(qiáng)，室內(nèi)溫度增高很快，溫度差最大是在12:00-13:00之間，達(dá)到8.2℃，大棚的增溫的效果顯著。但降溫也很迅速，16:00以后氣溫急劇下降，到18:00甚至低于25 cm處土壤溫度。所以溫室大棚白天增溫效果明顯［15］，夜間大棚內(nèi)氣溫到會低到和室外一樣，但土壤層因白天吸收大量熱量保溫效果較持久。

表1 不同土地利用方式土壤溫度日較差比較 (單位/℃)Tab.1 Diurnal temperature range in the soil under different land use patterns

隨著土壤深度增加，各樣地土壤溫度的日較差變幅減少。隨著地表植被的增加，土壤溫度的日較差變幅亦減少。不同土地利用方式土壤溫度日較差也有較大差異，農(nóng)田淺層土壤溫度日較差與最高溫度都是最大的，下層增溫不明顯。大棚對土壤溫度的增溫效應(yīng)主要體現(xiàn)在10-25 cm的下層，土壤溫度升高幅度大，日較差大。草地、灌叢、林地的土壤日較差和最高溫依次降低，林地各層土壤日較差都很小，25 cm處甚至只有0.5℃的日較差，可見變化很小?？傮w而言，5-10 cm的淺層土壤溫度最高溫和日較差呈現(xiàn):農(nóng)田＞大棚＞草地＞灌叢＞林地;10-25 cm的深層土壤溫度最高溫和日較差呈現(xiàn):大棚＞農(nóng)田＞草地＞灌叢＞林地(如表1)。

3 結(jié)論

3.1 喀斯特山區(qū)不同土地利用方式下樣地大氣溫度日變化呈現(xiàn)大致相似的趨勢，即一天當(dāng)中早晚氣溫低，中午氣溫升高，最高溫度出現(xiàn)在14:40左右，白天大部分時(shí)間氣溫變化曲線符合氣溫變化基本規(guī)律。各樣地之間白天溫差變幅總體趨勢大致呈:大棚＞草地＞農(nóng)田＞灌叢＞林地。其中，大棚、草地由于溫室增溫效應(yīng)和開闊山脊的地貌特征決定了較其它樣地有更為劇烈的氣溫變化幅度。

3.2 受到太陽輻射和大氣溫度日變化的影響，各種土地利用方式下5 cm深處土壤溫度日變化規(guī)律與大氣溫度日變化規(guī)律相一致。各樣地土壤溫度日變化均呈極不對稱的單峰曲線，升溫時(shí)間較長，降溫時(shí)間較短。5 cm處土壤溫度峰值均出現(xiàn)在15:40左右，較氣溫峰值滯后約1 h。農(nóng)田、草叢土壤溫度日變化表現(xiàn)為升降快而不穩(wěn)定，林地、灌叢的土壤溫度日變化幅度小，可見，隨著地表植被覆蓋度的降低土壤溫度的日較差也隨之增大。

3.3 土壤溫度峰值隨深度的增加而滯后。早晨土壤底層溫度大于表層，呈“下高上低”的態(tài)勢，日出之后，地表開始接受太陽輻射，氣溫上升，地表不斷吸收熱量并逐漸向下傳遞，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椤跋碌蜕细摺钡臏囟葢B(tài)勢。表層土壤溫度日較差大，隨著深度的增加，土壤溫度的日較差逐漸減小。

(致謝:貴州師范學(xué)院地理與旅游學(xué)院2011級農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境專業(yè)全體同學(xué)。)

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