劉士玲 ，楊保國 ，盧立華 ，張 培 ，雷麗群 ，何 遠 ，鄭 路

（1.中國林業(yè)科學研究院 熱帶林業(yè)實驗中心，廣西 憑祥 532600；2.廣西友誼關森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，廣西 憑祥 532600）

地表土壤的水熱動態(tài)過程和變化機制是陸面過程的重要研究內(nèi)容[1-2]，其動態(tài)影響著不同生態(tài)系統(tǒng)土壤的生物和非生物的生態(tài)學過程，包括植物的生產(chǎn)量、分解、礦化、水熱能量平衡[3]，但它們又受氣候、地形、地上植被的蓋度和數(shù)量，土壤自身的物理特性等因素控制[4]。森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能的主要載體，水熱在土壤中的分布特征和動態(tài)變化對植被生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義。

關于土壤水熱，國內(nèi)外開展了諸多研究，如唐振興等[2]、牛赟等[5-6]研究了祁連山土壤水熱的垂直分層變化特征、空間變化特征及其影響因素；Koster等[7]研究了土壤水分與降水在大尺度上的耦合關系；Western等[8]研究了Australia Tarrawarra流域土壤水分的時空變異結(jié)構(gòu)及尺度效應。以上研究雖然對土壤水熱變化過程有了一定認識，但對于南亞熱帶林區(qū)的土壤水熱變化仍缺乏點尺度的長期觀測資料，尤其缺乏土壤水熱與氣象要素的同步觀測，該區(qū)域點尺度上土壤水熱變化及其與氣候變化內(nèi)在關聯(lián)的研究也不夠。本研究在廣西大青山林區(qū)利用友誼關森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站建立的自動氣象觀測站，對土壤水熱、氣象要素進行定點連續(xù)觀測。通過對數(shù)據(jù)的分析，旨在了解南亞熱帶大青山林區(qū)土壤水熱的變化特征及影響土壤水熱的主要氣象要素，以期為全球變化情景下，土壤水熱對氣候變化的響應提供參考，也為本區(qū)域林業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)和基礎數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

廣西友誼關森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站（22°03′49″N，106°50′37″E）位于廣西大青山林區(qū)，屬南亞熱帶半濕潤-濕潤季風氣候，有明顯的干濕季。年均氣溫21.5℃，≥10℃積溫6 000～7 600℃，年均降水量1 200～1 500 mm，年蒸發(fā)量1 261～1 388 mm，相對濕度80%～84%。地貌類型以低山丘陵為主，海拔430～680 m。地帶性土壤為由花崗巖發(fā)育而成的赤紅壤，土層厚度100～150 cm，腐殖質(zhì)層厚度 5～10 cm。

2 研究方法

2.1 觀測設備

根據(jù)國家氣象局編制的《自動氣象站建設技術(shù)要求》和《地面氣象觀測規(guī)范》，在林外建立自動氣象觀測站，主要觀測大氣溫濕度、風速、風向、降水、輻射等常規(guī)氣象要素和地面下5、15、30和50 cm的土壤要素。該氣象站采用的是CR1000數(shù)據(jù)采集器（Campbell，美國）。傳感器類型：溫度傳感器（109，Campbell，美國）、風速風向傳感器（034B，MetOne，美國）、翻斗式雨量筒（TE525MM ，Campbell，美國）、輻射傳感器（LI200X，Li-Cor，美國）、土壤水分傳感器（CS616，Vaisala & Campbell，美國）、土壤溫度傳感器（HMP45C，Campbell，美國）等。各要素數(shù)據(jù)采集步長均為5 min。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

本研究所用的是2016年觀測的土壤要素和氣象要素數(shù)據(jù)。其中土壤要素為4個深度的土壤體積含水率（即Sdw5，Sdw15，Sdw30，Sdw50）和土壤溫度（即ST5，ST15，ST30，ST50）。氣象要素為大氣溫度（Ta）、相對濕度（RH）、大氣降水（P）、總輻射（Eg）和飽和水汽壓（VPD）。

飽和水汽壓的計算公式如下：

式中，T（℃）為空氣溫度，RH（%）為相對濕度。

對數(shù)據(jù)進行修訂校正后將各要素的5 min步長觀測數(shù)據(jù)加以整合，進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。本研究所用軟件為：SPSS 19.0、 Sigmaplot 13.0。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣溫與降水變化

圖1為自動氣象站記錄的步長為5 min的降水和氣溫數(shù)據(jù)經(jīng)整理后的月變化趨勢圖。降水主要集中于1、6—9月，其中8月份降水量312.6 mm為全年月降水量的最大值，而10月份降水量較少，12月份無降水。從氣溫曲線可以看出，在5—9月期間氣溫處于全年的極大值階段。

圖1 氣溫與降水月變化Fig.1 Temperature and precipitation monthly change

3.2 土壤水熱變化特征

圖2和圖3分別給出了土壤溫度和水分的變化趨勢，從圖中可知淺層土壤水熱曲線在5—9月處于極值階段，這與氣溫曲線（見圖1）的變化特征相似，由于降水主要集中于這些月份，且受氣溫的影響，所以土壤水熱變化在此期間波動較顯著。

圖2 土壤溫度日變化特征Fig.2 Soil temperature daily variation features

土壤溫度的年內(nèi)變化特征與氣溫一致，呈“單峰型”，土壤溫度最低值出現(xiàn)在1月，最高值出現(xiàn)在7月。整體上各層土壤溫度變化較為一致，土壤溫度年內(nèi)變化幅度隨深度增加而減小，且土壤溫度的變化周期與大氣溫度相比存在一定的滯后期，滯后時間隨深度增加而增加，這主要是因為土壤對太陽輻射有顯著削弱作用。

土壤溫度的垂直變化特征為：3—9月土壤溫度隨深度增加而降低，1、2、10—12月隨深度增加而升高。造成這種差異的原因在于，土壤溫度主要受氣溫的影響，3—9月氣溫較高，土壤表面吸收太陽輻射而增溫，并通過熱傳導向深處傳遞熱量，愈是處在下層的土壤，獲得的熱量愈少，故土壤溫度隨深度增加而降低；1、2、10—12月氣溫較低，地表接收的太陽輻射小于地表長波輻射，地表溫度下降，當溫度下降到比深層的溫度低時，熱量將由深層向地表傳輸，但由于從下層得到的能量不足以抵消上層的降溫，因此土壤溫度隨深度增加而升高。

從土壤體積含水率變化特征曲線（見圖3）可以看出，整體上各層土壤水分變化較為一致，土壤水分年內(nèi)變化幅度隨深度加深而減小。1—4月份土壤水分較大，4月下旬開始土壤水分迅速減小，至7月底雖然降水使土壤水分有一定的波動，但土壤水分整體偏低，5 cm層土壤水分表現(xiàn)更為顯著，15、30、50 cm土壤水分維持在相對穩(wěn)定的水平，但均處于全年較低值，這是因為該時期降水量不高，但大氣溫度高，蒸發(fā)量大，表層土壤水分受蒸發(fā)量影響較大，深層土壤受影響程度較小。此外，生長季植物根系的水分吸收也是影響土壤水分的重要因素。8—9月上旬降雨量較大且降水次數(shù)較多，降水的補給使得土壤水分迅速提高，但由于氣溫較高、蒸發(fā)量較大，降水過后土壤水分又迅速減小，從而表現(xiàn)出該時期土壤水分較高，但又具迅速升降的變化趨勢。9月中旬—10月中旬土壤水分又出現(xiàn)低谷，這是因為該月份無降水，加之氣溫較高、蒸發(fā)量較大，土壤水分持續(xù)走低。11—12月除降水對土壤水分階段性增加外，土壤水分整體上呈逐漸下降的趨勢。

從土壤溫度和土壤水分的變化關系圖中，我們很難清晰地看出土壤溫度與水分之間的關系，為了明確各土層土壤溫度與土壤水分之間的關系，對各土層的土壤溫度和水分數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析（見表1）。

從土壤水熱的相互關系來看，各層土壤溫度與土壤水分之間存在顯著負相關關系，相關性隨土壤深度增加表現(xiàn)為先增大后減小再增大的趨勢，30 cm土壤溫度與土壤水分相關性最低。各土層土壤溫度都具有極顯著的正相關關系，隨土壤深度增加，淺層土壤溫度與深層土壤溫度的相關系數(shù)減小，這是因為土壤溫度主要受氣溫影響，隨深度增加土壤溫度的分子熱傳導作用逐漸減弱。各土層土壤水分亦都具有極顯著的正相關關系，從影響程度大小來看，由于地表水進入土壤后的下滲作用，隨土壤深度增加，淺層土壤水分與深層土壤水分的相關系數(shù)亦減小。

圖3 土壤含水率日變化特征Fig.3 Soil volume water content daily variation features

表1 土壤水熱相關性分析?Table 1 Correlation analysis of soil moisture and soil temperature

3.3 土壤水熱對氣象要素的響應

通過多元逐步回歸對土壤水分、溫度和氣象要素氣溫、降水、輻射、飽和水汽壓差、風速進行分析，篩選出影響土壤水分和溫度的主要氣象因子。以氣象站日觀測數(shù)據(jù)為基礎，給出了不同深度土壤溫度、含水率與主要氣象控制因子的關系圖（見圖4、圖5）。

由土壤溫度對氣象要素的響應圖4可知，土壤溫度的主要氣象控制因子為氣溫，為正相關關系。不同深度土壤溫度對氣溫的響應強度存在一定差異，隨土壤深度增加，二者之間相關系數(shù)變小，土壤溫度變化對氣溫的響應強度減弱，5 cm土壤溫度與氣溫的相關性最好為0.911 9，50 cm土壤溫度與氣溫的相關性最差為0.847 6。這主要是因為，太陽輻射通過加熱淺層土壤并以熱傳導和熱對流的方式傳遞給深層土壤，隨著土層深度的增加，無論熱傳導，還是熱對流所攜帶的能量逐漸衰減，造成土壤溫度隨深度增加而逐漸降低，所以淺層土壤受氣溫變化的影響較大，深層土壤受氣溫變化的影響較小。

圖4 土壤溫度對氣象要素的響應圖像Fig.4 Soil temperature control facts of meteorological

圖5 土壤水分對氣象要素的響應圖像Fig.5 Soil moisture control facts of meteorological

圖5給出了對土壤水分有較大影響的降水、飽和水汽壓差與土壤水分響應圖，從圖中可以看出5、15、30 cm土壤水分的主要氣象控制因子為降水，二者表現(xiàn)為正相關關系，其中5 cm土壤水分與降水的相關性最好為0.418 9，隨土壤深度增加二者關系明顯減弱，15、30 cm土壤水分與降水相關性僅為0.308 5、0.311 3；而影響50 cm土壤水分的主要氣象因子為飽和水汽壓，表現(xiàn)為負相關，相關系數(shù)為0.299 8。土壤水分的主要來源是降水，淺層土壤水分主要受降水的影響，深層土壤水分由于被上層土壤的截留以及植物根系與枯落物對土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)的改善能力降低，其土壤密度增大，容重增大，土壤孔隙度減小，水分在土壤中的流動能力減弱，因此，隨土壤深度增加，土壤水分對降水的響應逐漸減弱。土壤水分與降水的相關性比預期偏低，可能是因為本研究統(tǒng)計的是點尺度上的短時間條件下氣象要素對土壤水熱的影響，在日變化水平上降水只是作為土壤水分來源的輸入?yún)⒘?，土壤水分對降水的響應存在滯后性，且受到地表徑流、土壤特征、植被及其它氣象要素的影響，這可能弱化了降雨對表層土壤水分的作用，隨著土壤深度加深，這種弱化作用表現(xiàn)的更加明顯。

為進一步分析土壤水熱的主要氣象控制因子，本研究給出了月尺度上的土壤水熱對氣象要素的響應統(tǒng)計結(jié)果（見表2、表3）。月尺度結(jié)果表明土壤溫度的氣象控制因子為氣溫，隨土壤深度加深判定系數(shù)R2逐漸減小，這與日尺度的結(jié)果一致，但月尺度上的判定系數(shù)R2均優(yōu)于相應土層的日尺度結(jié)果；土壤水分月尺度的氣象控制因子除50 cm為飽和水汽壓差， 5、15和30 cm的氣象控制因子均為降水，這亦與日尺度的結(jié)果一致，且月尺度的判定系數(shù)R2也優(yōu)于日尺度結(jié)果。由此可見，月尺度上的主要氣象要素對土壤水熱的影響更加顯著。

表2 土壤溫度與主要氣象因子的統(tǒng)計關系?Table 2 Statistical relationship of soil temperature and mainly meteorological factor

表3 土壤水分與主要氣象因子的統(tǒng)計關系?Table 3 Statistical relationship of soil moisture and mainly meteorological factor

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

利用廣西友誼關生態(tài)定位站建立的自動氣象站對該區(qū)各氣象要素和土壤溫度、水分進行了長期連續(xù)定位觀測，分析土壤溫度、水分的變化特征，建立土壤溫度、水分相關關系，闡明影響土壤溫度、水分的主要氣象要素，主要得出以下結(jié)論：

（1）土壤溫度的年內(nèi)變化特征與氣溫一致，呈“單峰型”。整體上各層土壤溫度變化較為一致，土壤溫度年內(nèi)變化幅度隨深度增加而減小，且土壤溫度的變化周期與大氣溫度相比存在一定的滯后期，滯后時間隨深度增加而增加。

（2）土壤水分年內(nèi)變化復雜，受各月氣溫、降水的影響而呈現(xiàn)出一定的波動性。整體上各層土壤水分變化較為一致，土壤水分年內(nèi)變化幅度隨深度加深而減小。

（3）土壤水熱與氣象要素在月尺度上的統(tǒng)計關系好于日尺度。兩尺度上控制土壤溫度的主要氣象因子為氣溫；5、15、30 cm土壤水分的主要氣象控制因子為降水，二者表現(xiàn)為正相關關系，影響50 cm土壤水分的主要氣象因子為飽和水汽壓。

（4）土壤溫度與水分呈顯著的線性負相關。

4.2 討 論

（1）唐振興等[2]、車宗璽等[9]研究表明土壤溫度年內(nèi)變化與氣溫一致，但存在滯后期，滯后時間隨深度增加而增加，這與本研究結(jié)果一致。土壤溫度對氣象要素的響應關系，本研究結(jié)果表明，在不同時間尺度上，影響土壤溫度的主要氣象要素均為大氣溫度；這與唐振興等[3]的研究結(jié)果略有差異，其主要原因是本研究的結(jié)果主要是基于氣象觀測站的所觀測的土層50 cm以上的土壤數(shù)據(jù)，而未對深層土壤溫度進行觀測，深層土壤溫度變化在物理機制上考慮主要受上下層土壤熱量平衡影響，今后應加強對深層土壤溫度對氣象要素的響應研究。

（2）已有研究[10-11]表明降水是影響土壤含水量變化的主要因素。本研究土壤水分對氣象要素的響應研究表明，不同時間尺度上，5、15、30 cm土壤水分的主要控制氣象因素為降水，50 cm土壤水分控制要素為飽和大氣壓，且土壤水分的變化與降水呈正相關，這與唐振興等[2]的研究結(jié)果存在一定的差異。牛赟等[12]認為影響土壤水分垂直變化的直接因素是降水和土壤植被的土壤水分消耗，引起這些變化的間接因素是土壤空間屬性的變化及其植被類型對土壤水分的影響。在今后研究中，要注重土壤水分空間變化機理及各因素的綜合影響程度等研究。

（3）在已有的文獻中土壤溫度和土壤水分具有顯著負相關關系[9,13-14]或負相關不顯著[15]，王紅梅等[16]認為土壤溫度和土壤水分的相關性表現(xiàn)為小采樣粒度（0.5 m×0.5 m，1 m ×1 m）的顯著負相關性，而在較大采樣粒度（2 m×2 m，5 m ×5 m）表現(xiàn)為顯著的正相關關系，因此，土壤水熱特征的關系研究應確定合理的采樣粒度和尺度。本研究利用自動氣象觀測站所觀測的土壤溫度和水分數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，土壤溫度和土壤水分表現(xiàn)為極顯著的負相關關系。隨著生態(tài)監(jiān)測科技的發(fā)展，利用自動氣象觀測站的土壤含水量和溫度監(jiān)測儀對土壤水分和溫度進行實時動態(tài)自動監(jiān)測，有效地避免了以往研究者所采用不同的采樣粒度或尺度所產(chǎn)生的結(jié)果的差異性。

（4）我國亞熱帶和熱帶濕潤區(qū)年降水量很大，土壤水分的變化影響土壤的導熱率和熱容量，進而影響土壤導溫率，使得土壤溫度與氣溫、降水之間的響應關系非常復雜[17]，土壤水分對降水和溫度的響應亦非常復雜[18]，楊永輝等[19]、張一平等[20]利用實驗和模型結(jié)合探討溫度與降水變化對土壤水分或溫度的影響的方法值得借鑒。在全球氣候變暖情境下，森林土壤溫濕度的特征、變化規(guī)律是否發(fā)生改變？在將來的科研工作中，我們要更加關注土壤水熱在空間上的年際和季節(jié)變化及對氣象要素的響應特征和響應程度，為探索全球氣候變暖與土壤水熱在空間上的響應關系，為森林經(jīng)營提供參考資料。此外，影響土壤呼吸的主要環(huán)境因子是溫度和土壤水分，全球溫度上升將促進土壤呼吸，加速土壤中儲存的碳向大氣中排放，進而加劇全球變化。因此伴隨增溫導致的土壤水熱變化對土壤呼吸的影響也是下一步研究中需要關注的問題。