喀斯特山区不同土地利用方式下土壤温度日变化特征

樊云龙，邹细霞，罗绪强

(1.贵州师范学院地理与旅游学院，贵州 贵阳 550018;2.贵州师范学院农业生态与乡村发展研究所，贵州 贵阳 550018;3.毕节学院毕节循环经济研究院，贵州 毕节 551700)

土壤温度是重要的土壤物理性质，它是表示土壤热量状况特征的量度，也是土壤气候资源的重要指标。温度是影响根系生理功能的重要因素，而且植物对根区温度比地上部温度更敏感［1］。土壤温度的高低，能影响植物的蒸腾作用、根的呼吸与吸收功能、土壤入渗和土壤溶液中各种无机盐的溶解速度等，进而影响植物的生长［2］。土壤温度的变化是太阳辐射平衡、土壤热量平衡和土壤热学性质相互作用的结果，不同时间、不同地点和土壤的不同组成及性质，都不同程度地影响土壤热量的收支平衡［3］。此外，不同的植被类型、农业耕作方式和地貌特征也决定了土壤温度的变化规律［4-6］。土壤温度作为小气候的一个重要指标，对生态系统空间异质性，生态交错带的结构、过程和功能都起到了关键作用［7，8］。土壤温度的区域分异和时间变化在影响地上植物、地下微生物和土壤动物的生长和发育、繁殖、分布过程中起着多大的作用，还有待进一步研究。

喀斯特山区独特的地貌特征导致其小生境多种多样，小气候特征也有较大差异［9，10］。已有学者对贵州喀斯特地貌区森林和草地的土壤温度日较差进行了调查［11］，以及在广西喀斯特地区不同植被演替阶段的土壤温度等小气候指标进行了全面的比较［12，13］。以上研究均针对喀斯特山区的自然植被下土壤温度日变化开展研究。然而，当前人类生产活动又极大地改变了土地利用方式，形成不同的地表植被类型和不同农业景观，对其土壤温度日变化动态特征仍不了解。通过对土壤温度调查，了解不同地表植被类型和不同农业生产方式对土壤温度的日变化的影响，并进加深对土壤温度变化一般规律的认识，可为生态环境保护提供理论依据。

1 研究方法

1.1 研究区及样地概况

研究区位于贵州省贵阳市乌当区东风镇，是典型的喀斯特盆地地。盆地地势平坦，南明河穿流而过，农业基础较好，一直是贵阳市的蔬菜基地。盆地周边的山地保留了林地、灌丛，退耕草地等植被类型。受到城市化进程的影响，人类活动程度不断加剧，土地利用方式加速转变并日益多样化。土地利用方式的改变必定影响到土地质量、土壤环境、植被生态等方面的功能和特性，因此有必要对该区域多加关注。而该区域土地利用方式的改变对于研究土壤温度对植被类型改变的响应有着独特的优势。

乌当区处于贵阳市东北部，位于东经106°30'～107°03'，北纬 26°33'～26°55'之间。平均海拔为1 100～1 400 m，地势北高南低，起伏变化较大，主要以山地丘陵为主。属于亚热带季风气候区，年平均气温为15℃左右，年均日照时数1 134.32 h，年总辐射为36 483 800 J/m2，年平均降雨量1 188 mm;7月为一年中最热月，平均气温为24℃左右;1月为一年中最冷月，平均气温为4℃ ～5℃。由于碳酸盐类岩石和非碳酸盐类岩石交错分布，形成了石灰性土壤与地带性土壤共存的现象。土壤的pH值变化幅度较大，为极弱酸性至微碱性。

根据研究区乌当区东风镇主要的植被类型，选择喀斯特盆地周边山地的林地、灌丛、草地，以及盆地底部常见的两种农业景观:农田、温室大棚，共五种土地利用方式。各样地海拔高度位于990 m～1 060 m之间。林地样地位于山坡中部，坡向西南，建群种主要以马尾松为主(马尾松林为东风镇周边的主要植被类型)，包括毛轴蕨、山茶、樟树等;灌丛样地选择在山麓，坡向西南，样地中主要包括樟树、山茶、构树、女贞、马尾松等植物;草地样地位于山脊处，以白茅、莎草、鬼针草、蒲公英等禾本科和菊科植物为主;农田和大棚样地位于东风镇盆地中央，地势平坦，农作历史长，样地中作物均为刚移栽的蔬菜。

1.2 研究方法

2012年10月27日(晴天间多云)，离地面1 m高庇荫处使用气温计监测样地大气温度;在5个样地同时进行了不同深度(5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm)的土壤温度监测，使用仪器是直角地温计。从早9点～18点每隔一小时记录一次。由于野外操作不慎将草地样地15 cm土壤温度计损坏，故缺失此层温度记录。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式气温日变化特征

各种土地利用方式大气温度日变化呈现大致相似的趋势，即一天当中早晚气温低，中午气温升高，最高温度出现在14:40左右。需说明的是，最高温并未出现在传统认识上的14:00时，是因为贵阳所处经度较东经120°偏西约14°，所以正午时间比北京时间晚约53分钟。

各样地白天大部分时间气温大致呈:大棚＞草地＞农田＞灌丛＞林地。其中，温室大棚气温日变化最为剧烈，上午11:40以后迅速升温，13:40达到峰值，随后又迅速降温。大棚的增温作用使得气温大大高于室外温度，遇到云层出现太阳辐射量暂时性减少的情况会迅速导致大棚内温度剧烈变化。因此，大棚气温变化曲线较其他样地特殊。

草地位于山脊上，地势高而开阔，周边较少树林遮蔽，一天当中9:00-15:00能大量接受阳光辐射，温度升高较快［14］;16:00以后辐射量减少，热量散失较快，加之地势高处空气流动性大，气温很快降低。草地在白天升温迅速，15:40以后开始急速降温，到16:40时甚至降到所有样地的最低温度，主要原因是草地所处的地貌决定其气温变化特征。农田、灌丛、林地的气温变化曲线基本平行，符合气温变化基本规律。

图1 不同土地利用方式气温日变化Fig.1 Diurnal variation of air temperature of different land use patterns

2.2 不同土地利用方式土壤温度日变化

不同土地利用方式土壤温度日变化均呈极不对称的单峰曲线，且持续升温时间较长，降温时间较短。农田、草地、灌丛、林地土壤温度峰值均出现在15:40左右，较气温峰值滞后约1小时，此结果与李生等人在广西凌云县典型喀斯特地区的研究结果相似［9］。总体而言，各种土地利用方式的5 cm深处土壤温度日变化规律与大气温度日变化规律相一致，因此，土壤温度日变化根本上受到太阳辐射和大气温度日变化的控制。

各种土地利用方式土壤温度日较差呈:大棚＞农田＞草地＞灌丛＞林地。可以看出随着地表植被的减少土壤温度的日较差增大。农田、草丛因群落种数少，层次简单，盖度低，太阳辐射可直接到达地面，地表温度升降快而不稳定。林地、灌丛的土壤温度明显下降，变化幅度减小。尤其林地土壤温度变动最小，从早上至晚上土壤温度曲线起伏很小。

图2 不同土地利用方式土壤温度(5 cm)日变化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温度垂直变化

图3 不同土地利用方式各深度温度日变化Fig.3 Diurnal variation of soil temperature in different depth under different land use patterns

土壤温度峰值随深度增加而滞后。农田、草地、灌丛、林地土壤温度在5 cm处峰值均出现在15:40左右，较气温峰值滞后1 h，10 cm处峰值与之相似。而15 cm、20 cm、25 cm处土壤温度峰值时间都不同程度低较表层土壤滞后，如15 cm深度大棚土温峰值出现在16:40;20 cm深度草地土温峰值在16:40左右，而大棚、农田、灌丛土温峰值更是滞后到17:40。由于温度通过介质自表层向下传递需要一定的时间，随着传递深度的增加，热传递所需的时间也随之增大，土温峰值也相应延后［11］。

各样地不同深度温度日变化图(图3)中可以看出，早晨土壤底层温度大于表层，呈“下高上低”的态势，这是因为地表经过一个夜晚的对外长波辐射，温度降低很多，而深层土壤热量散失较少，所以温度比表层高。日出之后，地表开始接受太阳辐射，气温上升，地表不断吸收热量并逐渐向下传递，逐步转变为“下低上高”的温度态势。表层土壤温度日较差大，随着深度的增加，土壤温度的日较差逐渐减小。

温室大棚和农田作为农业生态系统，人为活动影响大，土壤温度变化特征与其他自然状态的土地利用方式相比，有其自身的特征。本研究中的农田样地恰逢冬季青菜种植期，翻耕作用使得土壤非常疏松，5 cm处土壤温度几乎与大气温度接近。土壤总孔隙度导致土壤与大气的通透性加强，从而影响了土壤温度相应气温变化的速度和幅度。

大棚内温度和各层土壤温度均比室外农田的温度要高，随着太阳辐射的加强，室内温度增高很快，温度差最大是在12:00-13:00之间，达到8.2℃，大棚的增温的效果显著。但降温也很迅速，16:00以后气温急剧下降，到18:00甚至低于25 cm处土壤温度。所以温室大棚白天增温效果明显［15］，夜间大棚内气温到会低到和室外一样，但土壤层因白天吸收大量热量保温效果较持久。

表1 不同土地利用方式土壤温度日较差比较 (单位/℃)Tab.1 Diurnal temperature range in the soil under different land use patterns

随着土壤深度增加，各样地土壤温度的日较差变幅减少。随着地表植被的增加，土壤温度的日较差变幅亦减少。不同土地利用方式土壤温度日较差也有较大差异，农田浅层土壤温度日较差与最高温度都是最大的，下层增温不明显。大棚对土壤温度的增温效应主要体现在10-25 cm的下层，土壤温度升高幅度大，日较差大。草地、灌丛、林地的土壤日较差和最高温依次降低，林地各层土壤日较差都很小，25 cm处甚至只有0.5℃的日较差，可见变化很小。总体而言，5-10 cm的浅层土壤温度最高温和日较差呈现:农田＞大棚＞草地＞灌丛＞林地;10-25 cm的深层土壤温度最高温和日较差呈现:大棚＞农田＞草地＞灌丛＞林地(如表1)。

3 结论

3.1 喀斯特山区不同土地利用方式下样地大气温度日变化呈现大致相似的趋势，即一天当中早晚气温低，中午气温升高，最高温度出现在14:40左右，白天大部分时间气温变化曲线符合气温变化基本规律。各样地之间白天温差变幅总体趋势大致呈:大棚＞草地＞农田＞灌丛＞林地。其中，大棚、草地由于温室增温效应和开阔山脊的地貌特征决定了较其它样地有更为剧烈的气温变化幅度。

3.2 受到太阳辐射和大气温度日变化的影响，各种土地利用方式下5 cm深处土壤温度日变化规律与大气温度日变化规律相一致。各样地土壤温度日变化均呈极不对称的单峰曲线，升温时间较长，降温时间较短。5 cm处土壤温度峰值均出现在15:40左右，较气温峰值滞后约1 h。农田、草丛土壤温度日变化表现为升降快而不稳定，林地、灌丛的土壤温度日变化幅度小，可见，随着地表植被覆盖度的降低土壤温度的日较差也随之增大。

3.3 土壤温度峰值随深度的增加而滞后。早晨土壤底层温度大于表层，呈“下高上低”的态势，日出之后，地表开始接受太阳辐射，气温上升，地表不断吸收热量并逐渐向下传递，逐步转变为“下低上高”的温度态势。表层土壤温度日较差大，随着深度的增加，土壤温度的日较差逐渐减小。

(致谢:贵州师范学院地理与旅游学院2011级农业资源与环境专业全体同学。)

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