覆盖经营雷竹林的土壤热通量季节变化特征

陈云飞， 江 洪，2， 周国模， 杨 爽， 陈 健

（1. 浙江农林大学 浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室， 杭州 浙江311300； 2. 南京大学国际地球系统科学研究所， 南京 江苏210093）

土壤是生态系统中重要的自然环境， 是土壤—植被—大气连续体的基础。 土壤热状态变化直接影响着植物的生长过程， 甚至影响生态系统的能量分配和演替。 土壤热通量是生态系统能量平衡研究中的重要分量， 它表征土壤表层与深层间的热交换状况， 尽管在数值上要较潜热通量、 显热通量小很多， 但在较小时间尺度上进行比较就必须准确估算土壤热通量的变化， 才能正确地评价能量闭合程度。 现有的土壤热通量研究主要集中在农田和草地［1－5］， 作物的生产更容易受土壤热状态的影响。 森林生态系统的土壤热通量时空差异较大， 易受林地土壤性质、 地形、 气象因素的影响。 土壤热通量大多是作为能量闭合的研究中的一个分量来计算［6－8］。 目前， 对于竹林的土壤热通量研究还未见报道。 竹林兼具森林和农田的特点， 人工经营的雷竹Phyllostachys violascens 林， 通过覆盖增温措施， 使竹笋的出土时间提前， 增加了经营农户的经济效益， 也势必影响竹林土壤热状况的变化。 基于此， 在浙江省临安市太湖源镇建立的微气象观测塔和土壤热通量板等， 对土壤—植被—大气连续体进行气体交换过程及能量利用变化的观测研究， 目的在于揭示人为经营活动影响下雷竹林土壤热量交换特征。 本研究对2010 年10 月至2011年9 月的连续观测数据进行分析， 并进一步讨论地温、 净辐射与土壤热通量的变化关系。

1 试验区概况

试验区雷竹林面积为504 m2， 2001 年建园， 位于浙江省临安市太湖源镇横路村（30°18′N， 119°34′E），属于亚热带季风气候， 温暖湿润， 雨热同期， 气候特征春季多雨， 夏湿热有梅雨期， 秋气爽， 冬干冷。全年降水量为1 600 mm， 年平均气温为16.0 ℃， 全年日照时数为1 900.0 h。 试验地土壤以红壤为主，海拔为185 m， 坡向北偏东35°， 坡度2°～3°。 观测塔下雷竹林群落平均高度为4.5 m， 平均胸径4 cm，以2～3 年生竹为主， 胸径总盖度为80%， 有雷竹1 128 株， 林下灌木草本很少， 有竹叶砻糠覆盖， 为人工经营的雷竹林。

雷竹林主要的管理措施是在11 月底先施肥， 再覆盖一层稻草， 稻草之上覆盖稻壳砻糠， 持续到第2 年4 月覆盖的稻草腐烂入土， 砻糠及时移除。 自然状态下， 2 月下旬至3 月上旬土壤温度10.0 ℃以下， 而竹出笋最低温度需9～10 ℃， 最适温度20～24 ℃［9］， 有效积温200 ℃， 11 月底竹林覆盖稻草砻糠可以保持地温10 ℃以上， 使雷竹提前发笋。 笋芽12 月底开始萌动， 1 月中下旬大量出土， 恰赶春节前后上市， 价格较高。

2 仪器及观测

气象观测系统， 安装有3 层风速仪（010C， metone， 美国）， 3 层大气温度和湿度仪（HMP45C， Vaisala，Helsinki， 芬兰）。 安装高度分别为1.0 m， 5.0 m， 17.0 m， 2 个SI-111 红外温度计分别置于1.5 m 和5.0 m， 用于采集地表和冠层温度， 净辐射仪（CNR4， Kipp & Zonen）安装高度17.0 m， 用于采集上行/下行的长波/短波辐射、 净辐射的数据。 此外， 还有土壤热通量板 （HFP01， Hukseflux）， 观测深度3 cm 和5 cm， 2 层各有1 块土壤热通量板； 土壤含水量仪 （CS616， Campbell， 美国）观测深度5 cm， 50 cm， 100 cm； 土壤温度计（109， Campbell， 美国）观测深度5 cm， 50 cm， 100 cm， 土壤温湿度测定在土壤3 层梯度上各有1 个探针。 土壤热通量板和探针选取代表性好的地点， 挖开土壤剖面， 水平地面插入， 土壤回填保持原状。 上述数据采样频率均为0.5 Hz， 通过数据采集器（CR1000， CampbellInc， 美国）30 min 自动记录平均风速、 温度、 气压、 净辐射等常规气象信息。 根据其他站点观测经验本研究土壤热通量数据为5 cm 深度观测数据， 3 cm 深度用于插补校正数据。

3 结果与分析

3.1 不同季节土壤热通量的日变化

将土壤热通量0.5 h 的连续数据， 每个月的相同时刻做平均处理， 得到月平均的日变化进程（图1）。从月平均的日变化进程看， 整体上成“S”形变化。 其中， 在冬季（12－2 月）变化趋势明显小于其他月份，“S”形变化平缓， 正负差值小。 “S”形曲线， 明显呈现出1 个谷值和1 个峰值， 在谷值即负向最大值， 表明土壤热量由土壤深层向土壤表层及大气释放热量达到最大值； 在峰值即正向最大值， 表明土壤热量由大气及土壤表层向土壤深层传递热量到达最大值。

图1 不同季节土壤热通量日变化Figure 1 Diurnal changes of soil heat flux in the different seasons

春季（3－5 月）， 热通量值3 月为负值， 即热源。 平均的日进程变化都是负值， 在9：30 达到最大值（－3.10 W·m－2·s－1）， 最小值在18：30（－0.25 W·m－2·s－1）。 “S”形的谷值和峰值在4 月提前到8：30（－1.00 W·m－2·s－1）和17：30（3.63 W·m－2·s－1）， 在5 月推迟至5：30（－4.90 W·m－2·s－1）和15：00（12.45 W·m－2·s－1）。 随着4－5 月正向热通量数值的增大和时间的推移， 土壤变成热汇。 春季净通量值为3.27 W·m－2·s－1， 占全年热汇比例的13.7%。

夏季（6－8 月）， 热通量变化一致， 典型的“S”形变化。 谷值在5：30－6：00， 在绝对数值上， 8 月＞7月＞6 月； 峰值在14：00－14：30， 在绝对数值上， 7 月＞8 月＞6 月。 夏季3 个月均为热汇， 土壤深层从大气以及土壤表层汇聚大量热量。 夏季净通量值为20.50 W·m－2·s－1， 占全年热汇比例的86.3%。

秋季（9－11 月）， 在峰谷时刻变化上与夏季一致， 在正向最大数值上明显小于夏季， 分别为9 月（9.81 W·m－2·s－1）， 10 月（4.2 W·m－2·s－1）， 11 月（5.72 W·m－2·s－1）， 但在负向的绝对数值上却明显大于夏季， 说明秋季土壤热量向外辐射的已经开始增加， 秋季因此转为热源， 10 月并成为全年的最大热源， 影响土壤全年能量平衡成为热源。 秋季净通量值为－30.32 W·m－2·s－1， 占全年热源比例为69.3%。

冬季 （12－2 月）， 可能由于覆盖经营和冬季净辐射减少的原因， 热通量峰谷差值比较小， 12 月（－2.52～－1.30 W·m－2·s－1）， 1 月（－2.41～－1.98 W·m－2·s－1）， 2 月（－1.59～－0.59 W·m－2·s－1）。 在时刻变化上没有明显规律呈现， 谷值在8：00－12：00， 峰值在17：00－19：30 变化， 较其余月峰谷值都有推迟。 冬季净通量值为－13.45 W·m－2·s－1， 占全年热源比例的31.7%。

从图2 可以看出： 土壤热通量存在明显的季节变化， 夏秋季明显高于春冬季， 可能受净辐射和地温影响。 土壤的月热通量总值在4－8月为正值， 表明为热源； 其余月份为负值， 表明为热汇。 2 次热通量符号发生变化分别发生在3－4 月和8－9 月， 即发生春秋季。 从全年月变化上看， 5 cm 处土壤热能量负向绝对值的最大值出现在10 月（－13.40 MJ·m－2）， 正向最大值出现在7 月 （9.17 MJ·m－2）， 绝对值最小值出现在8月（2.23 MJ·m－2）， 月际最大差值为22.57 MJ·m－2。

图2 土壤热通量月变化Figure 2 Monthly change of soil heat flux

3.2 土壤热通量与土壤温度的关系

5 cm， 50 cm 和100 cm 土壤月平均温度变化（图3）显示， 全年呈单峰变化， 月平均最高温为8月， 最低温为1 月。 土壤3 层深度的温度高低变化，有3 次交替。 1－3 月100 cm 温度高于50 cm， 50 cm 高于5 cm， 土壤温度随土壤深度而升高； 4 月3 层土壤温度相差不大； 之后5－8 月变化刚好相反， 土壤温度随土壤深度增加而降低； 9 月3 层土壤温度又接近； 10－12 月3 层土壤温度变化和1－3 月相同， 土壤温度随土壤深度而升高。 土壤3 层梯度的温度高低变化显示， 表层土壤较深层土壤是先低后高再低的变化趋势。 其中在4， 9 月2 次重合， 同时也是土壤热通量符号转变的月份， 可见土壤热通量状态的变化， 直接影响土壤温度深度上温度的变化。

对土壤热通量月均值（y）和月均土壤温度（x）进行回归分析： 在土壤5 cm， y=0.232x－4.580， R2=0.250， F=3.33， P=0.098， n=12， 不显著； 在土壤50 cm， y=0.170x－3.577， R2=0.091， F=1.022， P=0.340， n=12， 不显著； 在土壤100 cm， y=0.084x－4.580， R2=0.015， F=0.155， P=0.702， n=12， 不显著。

在日尺度上， 对土壤热通量日均值（y）和日均土壤温度（x）进行回归： 在土壤5 cm， y=0.214x－4.142，R2=0.120， F=49.466， P＜0.001， n=365， 极显著； 在土壤50 cm， y=0.123x－2.688， R2=0.025， F=9.468，P=0.002， n=365， 显著； 在土壤100 cm， y=0.03x－1.048， R2=0.010， F=0.155， P=0.528， n=365， 不显著。

月尺度上的一元回归关系不显著。 从图3 中可以看出： 温度变化要滞后热通量达到最大值， 同时因热通量在10－12 月的负向减小而形成全年的“S”形曲线变化也和土壤温度的单峰变化不相符。 土壤热通量反映土壤表层与深层间的热交换状况， 直接的结果就是地温的变化。 可能热通量的方向变化， 在大尺度上变化符号， 与地温变化不显著。

在日尺度上， 比较3 层梯度的日均土壤温度与土壤热通量回归关系， 随深度增加相关性， 由极显著到显著到不显著。 说明热状况对地温变化的影响随土壤深度的增加而减弱。

3.3 土壤热通量与净辐射的关系

土壤热通量是生态系统能量平衡的重要分项。 土壤热通量的精准计算， 关系能量闭合的评价。 生态系统入射的净辐射Rn， 是能量流通、 转化的基础量度。 当能量向下入射进入生态系统时， Rn取正号；反之， 当能量由生态系统放出时， Rn取负号。 一般能量平衡以下式表达［10－11］：

式（1）中： Rn为太阳净辐射（W·m－2）； G 为土壤热（存储）通量（W·m－2）； S 为植物和大气中的热存储能量（W·m－2）， 雷竹冠层不足8 m， 热量储存可忽略不计； Hc为显热能量（W·m－2）即显热耗能； LE为潜热能量（W·m－2）即潜热耗能； Q 为其他来源的能量总和， 由于数量极小常忽略不计。 因而能量平衡表达为：

式（2）的右端项为可利用能量， 左端项为标准湍流通量。 土壤热通量与净辐射、 显热通量、 潜热通量的月均值变化关系见图4。

图3 土壤5 cm， 50 cm， 100 cm 温度与土壤热通量月变化Figure 3 Monthly change of soil temperature at the depths of 5 cm， 50 cm， 100 cm and soil heat flux

图4 土壤热能量、 显热能量、 潜热能量、 净辐射的月变化Figure 4 Monthly changes of soil heat flux， sensible heat flux， latent heat flux， net radiation

对土壤热通量月均值（y）和冠层净辐射（x）进行回归分析： y=0.054x－5.675， R2=0.510， F=10.422， P=0.009， n=12， 达显著水平。 在月平均的0.5 h 尺度上： y=0.018x－2.313， R2=0.293， F=237.727， P＜0.000 1， n=574， 达极显著水平。

回归关系显示： 相关系数一般， 但稍高于鼎湖山［12］月尺度（n=12）相关系数（0.49）， 0.5 h 尺度（n=17 131）相关系数0.13。 在农田土壤和稀疏冠层的研究发现， 在日尺度上相关系数有0.8 以上［13－14］， 可见净辐射能否有效的穿过冠层达到地表， 是影响净辐射与土壤热通量相关程度的重要因素。 同时， 在小的尺度上土壤热通量与冠层净辐射的关系更显著， 也说明能量平衡要在较小的时间尺度内进行才能确保能量闭合的准确计算。

土壤热通量月总值占净辐射的比例全年变化大致呈“S”形， 夏秋为正值， 春冬为负值（图5）。 由于净辐射全年始终为正值， 故比例符号也就是土壤热通量的方向变化符号。 从1 月的－5.58%开始至3 月（－1.99%）， 为负值的变化区间， 所占比例绝对值下降， 4 月（0.88%）到8 月（0.60%）为正值变化， 所占比例的绝对值先升后降， 6 月（3.50%）为全年正向最大值， 9 月（－2.70%）再次进入负方向的变化区间， 绝对值先增后减， 在10 月（－6.25%）达到全年负向的最大值。

回归关系与占净辐射比例变化与南亚热带针阔混交林土壤热通量［12］结果相一致， 其中正负热通量的月变化与大兴安岭原始林区［15］、 鼎湖山针阔混交林［16］完全一致。 在月总值变化上， 大兴安岭与鼎湖山地区的负向最大值都出现在11 月、 12 月和1 月， 而覆盖经营的雷竹林的负向热通量最大出现在10 月， 11－1 月开始减小。 这可能是因为冬季覆盖增温措施， 在地表所覆盖的稻草和稻壳谷糠以及施用的有机肥， 减少了深层土壤向表层及大气中辐射热量， 保持了土壤热状态的稳定。 这样为雷笋的增产和提前出土， 创造了有利的土壤条件。

图5 土壤热通量月总值占净辐射的比例变化Figure 5 Monthly variation of the ration between soil heat flux to net radiation

4 结论

就年尺度而言， 覆盖经营的雷竹土壤为热源， 5 cm 土壤年总热能量为－20.01 MJ·m－2。 在月尺度上，1－3 月土壤热能量为负值， 4－8 月为正值， 9－12 月再次为负值。 全年明显的季节变化， 夏秋季为热汇，春冬季为热源。 土壤月均值热能量占月净辐射的－6.2%～3.5%， 年总值为净辐射的－0.67%。 土壤热通量与相关因素之间的回归研究说明， 土壤热通量在小尺度时间内与土壤温度相关， 与5 cm 土壤最显著；土壤热通量与净辐射在月尺度与0.5 h 尺度上显著相关。 与有关文献报道的森林相比， 冬季覆盖后热通量负向绝对数值变小， 说明覆盖物有效地防止了热量的散失， 有利于提高地温和雷竹笋的早出增产。 限于该站点观测仅对地温、 净辐射数据分析， 没有对土壤理化性质进行实验测定， 对土壤热通量的变化解释也就不完整， 这样需要下一步工作的补充。

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