不同植被覆盖条件下黄土土壤温度的变化规律

李招弟，刘中华，冯慧敏，陈 伟，王淑敏

（1.山西农业大学工学院，山西太谷030801；2.山西农业大学城乡建设学院，山西太谷030801）

浅层土壤温度不仅影响土壤含水率、呼吸速率[1-2]，还会影响土壤理化性质[3]，进而影响地表植被的分布、生长，以及小型土壤动物的繁殖、发育及生存[4]，并最终影响地表生态环境状态，因此，研究浅层土壤温度的变化极其重要。目前，国内外学者对土壤温度的相关研究取得了一定的成果。徐学池等[5]对我国西南地区喀斯特地区的棕色石灰土与红壤分别进行了土壤温度变化规律的研究；杜秋等[6]研究了4 个季节在营林用火后浅层土壤温度的变化情况，分别总结了用火后不同时间点表层土壤温度的具体升温值；张一平等[7]研究了云南省哀牢山常绿林的各季节不同土层土壤温度与局部气候变化的关系。李猛等[8]主要进行了红松混交林夏季林隙土壤温度在5，20 cm 异质性的研究，讨论了5，20 cm处土壤温度斑块可能会对植物幼苗生长存活的影响；孙金伟等[9]研究了长白山红松阔叶林浅层土壤及邻近空地浅层土壤温度的日变化及月变化规律，讨论了该地生长季与非生长季的土壤温度差异值；朱宾宾等[10]研究了大兴安岭季节性浅层冻土土壤温度变化，分析了该地浅层土壤温度在不同厚度雪层影响下的变化规律；常晓丽等[11]研究了大兴安岭的地温变化及冻土土壤温度受不同树种的影响；涂钢等[12]研究了东北半干旱地区的土壤温度，结果表明，该地区退化草地浅层土壤日变化较年变化更为明显。嘎拉泰等[13]研究表明，在夏季和冬季，土壤在每隔30 cm 深时温度增减趋势有显著不同；杨丹等[14]探究了我国长江三角洲地区3 种特殊树种林区的浅层土壤温度变化特性，结果表明，森林能降低土壤年均温；杨霞等[15]对阿克苏地区土壤温度进行了研究，探究了土壤温度延迟时长与深度的关系；佘檀[16]研究了陕北枣林地土层在50 cm 内温度的变化情况。以上多是针对短时期内、特定地区的特殊环境进行研究，对浅层土壤温度研究虽然多，但是对我国中部地区黄土高原浅层土长达1 a 的温度研究不多，且存在一些差异，因此，在黄土高原东部开展不同植被覆盖条件下浅层土壤温度的研究很有必要。

本研究区位于山西省中部，该地浅层土壤是典型的沉积原生黄色粉土代表，与其他地区土壤相比，黄土土壤质地更松软，土粒极其细密，但其本身的特性导致黄土极易发生水土流失。而土壤温度梯度的改变直接影响土壤水分运移规律，也就是说土壤温度变化是土壤水分散失速率的重要影响因素，土壤温度越高，水分子运动速率越快，水分散失速率也越快。因此，研究不同种植方式影响下的黄土浅层土壤温度变化具有重要意义。

本研究通过对比不同种植方式下的黄土高原东部浅层黄土土壤温度变化情况，总结了黄土区不同利用方式下浅层土壤温度的变化规律，旨在为黄土地区树种选育、土壤微生物的培养等提供参考，也可作为土壤温度对水分运移规律研究的基础数据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

本研究在山西农业大学植被生态研究基地（东经112°28′～113°01′，北纬37°12′～37°32′）选择了3 块样地，样地有效土层厚度超过120 cm[17]，土壤温度等级为温性[18]。研究区海拔900～767 m，属于温带季风气候，年平均气温基本在7～10 ℃。

1.2 试验方法

使用望云山W 系列记录仪，每7 d 进行一次浅层土壤温湿度条件实地测量，以获取各个样地不同土层的温度，总的测量时间为1 a。每天测量的时间为7：00，14：00，21：30。

测区表面植被覆盖情况为：A 样地，裸露地面无草皮覆盖且地下基本无树根；B 样地，槐树林但无草皮覆盖，其地下树根纵横；C 样地，存在较多动物孔洞、种植有多年生乔木（榆树）及草皮（沿阶草）覆盖且地下有大量榆树树根纵横。测量土壤的深度分别为距地表5，15，30 cm 处。

1.3 数据分析

采用控制变量法对不同测区黄土的土壤温度变化数据进行比对，利用Excel 软件整理温度数据并生成相关数据表，Origin 软件生成土壤温度随时间变化的趋势图。

2 结果与分析

2.1 不同植被覆盖下土壤温度的季节变化规律

对测试区土壤温度按季节计算日均温，如表1所示。

由表1 可知，春季5 cm 处土壤温度略低，15，30 cm 处土壤温度相近；夏季，各样地土壤层间日平均温度差异很小，皆稳定在22 ℃左右，温差波动不超过1.0 ℃；秋季土壤日平均温度随着5，15，30 cm的深度递增依次递增，且温度增量超过1 ℃；冬季土壤不同土层温度随土层深度增加呈现明显增加趋势，每深入15 cm 的温度增量超过2 ℃。春夏两季，各样地每层温度从高到低排序皆为A＞B＞C，秋冬两季则与春夏季相反。

将浅层黄土全年的土壤温度进行日平均计算，结果表明，3 个样地不同土层的年平均土壤温度均为5 cm＜15 cm＜30 cm，土壤本身具有一定的保温性，表现为深度越深温度越高；而在同一土层不同样地的温度为B 样地＞A 样地＞C 样地，B 样地（植树区）与A 样地（裸地）相比多了树冠层，一定程度上减小了地表热量散失，相当于在地表之上施加了一个保温隔热层；C 样地地表不仅有草皮覆盖，同时还有树冠层遮挡，可认为具有2 层保温隔热层，对太阳辐射进行了二次阻挡，因此，C 样地土壤温度最低。

2.2 不同植被覆盖下土壤温度的月变化规律

对A、B、C 样地不同土壤深度的温度按月取平均值，结果如图1～3 所示。

从图1～3 可以看出，A 样地不同深度土壤在6，7 月份的温度值相近，B 样地不同深度土壤则在5—8 月的温度值较为接近，而C 样地土壤不同深度温度值相近的月份为4—9 月。可以看出，在土壤层间温度差值小的时段，植被对不同土壤层间温度差值有一定的减小作用，而土壤层间温度差值微小时段显然为植物生长季，A 样地由于近乎无植被存在，其土层温度值相近时段仅2 个月（6—7 月），B样地为植树区，生长期居中，为4 个月（5—8 月），C样地为乔草混合区，生长期则长达6 个月（4—9 月）。也就是说，土壤表层植被存在与否及其植被数量的多少对区域土壤植被的生长期长短有正向促进作用。而在非生长期土壤层间的温度值差异较大。

由图1～3 还可知，A 样地浅层黄土最高月均温在7 月，高达23.62 ℃；B 样地最高月均土壤温度在8 月，高达23.83 ℃；C 样地最高月均土壤温度在7 月，高达22.92 ℃，3 个样地土壤最高月均温度差异并不大，其中，C 样地因其不仅有树冠层遮阴降温，同时还有地表草皮隔热，因此，月均温度值最低；3 个样地的最低温度皆出现在5 cm 处，A 样地最低温度较B 样地、C 样地更低，达到- 4.98 ℃，在9 月至次年1 月土层温度从高到低排序为5 cm＜15 cm＜30 cm。

2017 年11 月末至2018 年11 月中旬，植树区（B）、乔草混合区（C）与裸地（A）在5，15，30 cm 土壤月温度差值如表2 所示。

由表2 可知，各样地月土壤温度差值在5cm处最小，在30cm处最大，即在地表层各样地土壤温度相近，而随着深度增加各个样地的温度变化差异明显，根据温度变幅排序为：A＜B＜C；B 样地与A样地在5，15，30 cm 深度的土壤温度最高差值分别为：1.21，0.92，0.86 ℃，最值均出现在冬季；最低差值分别为：- 0.47，- 0.56，- 1.01 ℃，最值均出现在夏季。在4—9 月期间，各样区土壤温度从高到低排序为：A＞B＞C，即夏季裸地土壤温度高于植树区和乔草混合区；而在10 月至次年3 月，各样区土壤温度排序表现为A＜B＜C，即冬季裸地土壤浅层温度最低，植树区居中，乔草混合区最高。

表2 不同深度土壤温度月差值 ℃

2.3 不同植被覆盖下土壤温度的日变化规律

3 个样地30 cm 深的全年日变化温度如图4 所示。从图4 可以看出，这3 个样地土壤温度在中午时的温度变化波动较为明显，早晨土壤温度波动较小，夜晚土壤温度波动居中；各样地3 个时间点的图像密集程度为A＞B＞C，即A 样地3 个时间点土壤温度差异较大，C 样地3 个时间点的土壤温度差异较小。形成这种现象的原因可能是，从早晨日出开始，地表接收到的太阳辐射在不断增加，直到中午14：00 左右达到高峰，至太阳落山地表不再接收太阳辐射，可近似认为其不变，期间地表还在不断向大气释放热能。而裸地（A）没有草木植株的遮挡，白天的热量增加与夜晚的热量散失都很迅速，植树区（B）黄土与A 样地不同的是有树冠层的遮挡，在一定程度上减缓了土壤温度的波动，而乔草混合区（C）的土壤不仅有树冠层遮阳，还有地表草皮覆盖，对土壤与大气间的热量传递进行了2 次阻隔，有效避免了极端温度的出现。

2.4 不同植被覆盖下土壤温度随深度变化的规律

显然土壤表层与其内部的温度是不同的，为研究黄土不同深度的温度情况，现以2018 年10 月12 日7：00 的土壤温度测量数据为例（表3），说明土壤温度随深度变化的规律。由表3 可知，在秋天随着土壤深度增加温度会迅速增加，超过30 cm 之后，温度增加速度有所降低，在35 cm 与40 cm 处的土壤温度近乎相同。由表1 可知，在秋季随着深度增加，土壤温度先迅速增加后增加速率缓慢降低，最后趋于稳定。对每月黄土土壤温度数据进行拟合可知，土壤温度随深度的变化规律可近似为对数函数变化规律，且方差都大于0.9，说明拟合程度较高。此变化趋势可用底数为e 的对数函数T＝alnx＋b表示，其中，T 为土壤温度，x 为土壤深度，a、b 为系数，a 为负；而在温度较高时（4 月初至10 月底）则相反，其函数系数a 为正。表明夏季土壤温度与深度呈负相关，即温度随深度增加而降低，冬季土壤 温度与深度呈正相关，即温度随深度增加而增加。

表3 土壤温度随深度的变化 ℃

3 结论与讨论

本研究结果表明，四季浅层黄土层间温度变化规律为：春季，5 cm＜15 cm≈30 cm；夏季，层间温度都维持在22 ℃左右；秋季，随深度增加的层间温度增量在1～2 ℃；冬季，层间温度增量超过2 ℃；黄土年平均温度从高到低为5 cm＜15 cm＜30 cm；同土层温度为B＞A＞C。黄土地表有植被比裸地的生长期长，地表植树种草比地表仅植树时的生长期更长。A、C 样地的最高月均土壤温度均在7 月，而B样地则在8 月；4—9 月3 个样地土壤温度为A＞B＞C，10 月至次年3 月则与之相反。王来等[19]对陕西省核桃—小麦间作区的浅层土温进行了研究，结果表明，间作与单作相比可以更有效地降低高温季的地温，这与本研究所得B 样地温度高于C 样地温度的结论一致。与14：00，21：30 相比，7：00 土壤温度更为稳定，土壤温度波动程度从小到大顺序为7：00＜21：30＜14：00，C＜B＜A；裸地出现极端土壤温度时，乔草混合区温度总低于（或高于）裸地。这与王丽君[20]对甘肃省榆中县的不同耕作方式下浅层土壤的温度变化情况规律一致。浅层黄土随深度的增加土壤温度变幅有所降低，其趋势图像可用对数函数表示（T＝alnx＋b），4 月初至10 月底温度较高时，拟合对数函数系数a＜1，而11 月初到次年3 月底，其函数系数a＞1。

研究太谷县浅层土壤温度的变化规律对在本地区浅层土壤维护、作物育种、育苗以及小型动物孵化、生存有非常重要的指导作用，本研究结果也可为土壤浅层动物的特种养殖、土壤呼吸速率与植被情况等研究提供数据支撑。