贡嘎山不同海拔森林土壤热通量垂直梯带时空变异特征1)

杨阳 王根绪 孙向阳 胡兆永 周云波

(中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都，610041) (四川测绘地理信息局测绘技术服务中心)

土壤是植物生长的重要场所，其水热是植物生长发育、群落演替和生态系统建立所必不可少的基础。作为陆地生态系统地—气能量之间相互作用的重要物理参量之一，土壤热通量在陆地生态系统能量平衡中极其关键[1-3]。陆地生态系统的驱动能量来自于净辐射，干燥裸地的土壤热通量占净辐射比值为30%～50%[4-6]。土壤热通量不仅影响着陆地生态系统能量平衡，而且与土壤热量状况关系密切[7-9]。在短时间尺度上，忽略了土壤热通量的变化将导致地表能量不平衡，区域能量闭合程度会受到极大影响[10-14]。另外，土壤热通量是蒸散发模拟的重要驱动因子，极大地影响着地表蒸散发的模拟精度[15-16]。因此，土壤热通量在陆地生态系统水循环、能量循环和碳循环具有十分重要的作用。

对土壤热通量变化的研究，不仅能更好地认识土壤热量收支状况及植物养分和水分的吸收，同时能帮助我们深入地了解整个生态系统中的水分输送和地表能量的平衡情况[17-18]。目前，土壤热通量的研究多集中于农田、草原、裸地植被覆盖程度不高的区域[19-23]。在寒温带、温带和亚热带森林均有关于土壤热通量的报道[24-26]。而在山地森林生态系统中，由于土壤物理化学性质和土壤水分的差异，以及森林林冠层和地形条件的异质性，森林土壤热通量的差异较大[27-28]，从而导致不同森林类型中土壤热通量对于能量平衡贡献率存在显著差异。因此，准确认识山地森林生态系统土壤热通量的时空变异规律，能为山地森林生态系统物质循环和能量循环研究提供基础数据及理论基础。西南山地地貌特征复杂，受山体影响，土壤、植被类型等关键要素的空间分布不均，导致土壤热通量呈现出强烈的时间和空间异质性，而目前仍然缺乏对该区域土壤热通量变化特征进行精细研究。贡嘎山是青藏高原东南缘和中国西南地区的典型高山生态系统，是亚洲季风气候带的冰川—森林发育区，具有从阔叶林—针阔混交林—针叶林—高山灌丛—高寒草甸完整的垂直带谱[29]。因此，为更深入认识复杂山地垂直森林带的能量平衡特征，本研究以贡嘎山不同海拔的3种森林类型(阔叶林、针叶阔叶混交林、暗针叶林)为研究对象，目的是分析该区域土壤热通量的时空变化特征；探讨影响土壤热通量变化的调控因素。

1 研究区域概况

贡嘎山位于青藏高原的东南缘，横断山脉中部，主峰海拔7 556 m。研究区位于亚热带温暖湿润季风区与青藏高原东部高原温带半湿润区的过渡带上，年均空气相对湿度90%左右，每年5—10月为雨季和生长季。贡嘎山高山生态系统植被垂直分布明显，从低海拔到高海拔分布有阔叶林、针叶阔叶混交林、亚高山针叶林、高山灌丛草甸、高山流石滩稀疏植被等植被类型。本研究选择针叶林、针阔混交林、阔叶林3种典型森林类型作为研究对象，开展山地垂直植被带的土壤热通量时空变异规律研究。样地详细情况见表1。

表1 研究样地基本信息

2 材料与方法

2.1 土壤热通量及相关环境因子监测

本研究数据来源为贡嘎山站垂直植被带谱土壤热通量观测数据，数据时间序列为2016年全年。3种森林样地内在土壤5、10、20、40 cm深度处设有土壤温度探头(型号：HMP155A，Vaisala，Finland)，观测土壤温度；在土壤表层(5 cm)布设3个HFP01SC土壤热通量板，监测土壤热通量数据；NR01四分量辐射传感器设置在森林冠层上部(距地面40 m)，用于计算太阳净辐射。

2.2 叶面积指数

叶面积指数LAI通过MODIS计算(MOD15A2H)，时间间隔8 d(https://search.earthdata.nasa.gov/)。

2.3 数据处理方法

本文选取的土壤热通量数据资料为2016年全年的小时数据。所有数据利用Excel 2010和SPSS 16.0进行统计分析，选择生长季(6月和7月)和非生长季(1月和2月)的相同时刻做平均处理，得到阔叶林、针阔混交林和针叶林土壤热通量日动态变化；3种森林类型土壤热通量日值采用单因素方差分析(ANOVA)、Duncan法进行多重比较分析；利用R软件采用逐步回归分析建立土壤热通量与气象因子和叶面积指数的多元线性回归方程；变量对土壤热通量的贡献率利用R软件进行计算，首先计算土壤热通量与变量(Ta、Rn、T5、T10、ILA)之间的相关关系，得到变量的回归系数，然后系数的平方比即是每个变量的相对贡献率[30]；采用Origin 9.0软件绘制图形。

3 结果与分析

3.1 土壤热通量日动态变化

选择阔叶林、针阔混交林、针叶林典型生长季(6月和7月)和非生长季(1月和2月)的土壤热通量半小时数据，得到3种森林类型土壤热通量的日动态变化图。整体上，阔叶林的小时变化幅度大于针阔混交林和针叶林(图1)。

非生长季，阔叶林、针阔混交林和针叶林土壤热通量均为负值，表明热量从土壤向大气释放。阔叶林、针阔混交林和针叶林土壤热通量平均值分别为-3.47、-5.25和-2.58 W·m-2；负向最大值分别为-4.44、-5.57 W·m-2和3中-2.67 W·m-2，分别出现在09:00、10:00和12:00。

生长季，阔叶林、针阔混交林和针叶林土壤热通量平均值为正值，表明热量从大气传入土壤。阔叶林、针阔混交林和针叶林土壤热通量平均值分别为3.64、4.98和3.17 W·m-2；最大值分别为10.34、10.38和4.22 W·m-2，分别出现在15:00、15:00和19:00。

3.2 土壤热通量季节动态变化

由图2可以看出，不同森林类型土壤热通量随季节变化趋势基本一致。阔叶林、针阔混交林和针叶林土壤热通量正向最大值出现在5月1日、5月3日、5月4日，分别为9.70、12.87、7.97 W·m-2；负向最大值出现在10月29日、11月28日、11月9日，分别为-8.89、-13.58、-6.73 W·m-2。

图1A和B中纵坐标刻度大，针叶林土壤热通量变化曲线波动不明显，因此镶嵌纵坐标刻度范围小的图1a和b，针叶林土壤热通量日动态变化。

3.3 土壤热通量月动态变化

阔叶林、针阔混交林、针叶林土壤热通量的月累积总量明显的季节变化，夏秋季明显高于春冬季，可能受净辐射和地温影响(表2)。结果表明，3种森林类型的土壤热通量月累积值变化趋势相似：整体上先升高后降低，负向最大值都出现在12月，正向最大值都出现在5月份。阔叶林土壤热通量月累计在3—8月均为正值，而针阔混交林、针叶林在4—8月均为正值，即土壤为热汇；其他月份累计值均为负值，即土壤为热源；9月份开始出现正负值交替。3种森林类型的年总土壤热通量均为负值，即土壤为热源。其中，阔叶林为-1.88 MJ·m-2，针阔混交林为-13.78 MJ·m-2，针叶林为-9.61 MJ·m-2。

3.4 土壤热通量对净辐射响应的滞后性

为了分析土壤热通量对太阳净辐射的延滞效应，对即时相关、延迟1～10 h的太阳净辐射与土壤热通量的进行相关分析(表3)。整体上，阔叶林、针阔混交林、针叶林的土壤热通量延迟相关达到了极显著水平(P<0.001)。阔叶林、针阔混交林土壤热通量与延时0～3 h的净辐射进行相关分析，R2逐渐增大，并在3 h的延迟相关分析中达到最大值，随后R2逐渐下降。而针叶林最大的延时相关系数在6 h，比阔叶林、针阔混交林晚3 h。

表3 土壤热通量(G)和净辐射(Rn)的关系

3.5 土壤热通量与环境因子的关系

随着海拔的变化，土壤温度、降水、气温、太阳辐射等环境因子的差异，土壤热通量有着显著的空间差异性。如图3所示，阔叶林、针阔混交林和针叶林土壤热通量没有表现出明显的海拔梯度规律；针阔混交林土壤热通量为负向最大值，阔叶林为负向最小值，且差异显著。

图中不同小写字母表示平均值差异达到显著水平(P<0.05)。

土壤热通量日值变化与环境因子有较为紧密的联系(表4)。将阔叶林、针阔混交林和针叶林土壤热通量与2 m气温(Ta)、40 m气温(Ta40)、净辐射(Rn)、5 cm土壤温度(T5)、10 cm土壤温度(T10)、20 cm土壤温度(T20)、40 cm土壤温度(T40)进行相关分析，得到土壤热通量日值回归方程结果，40 m气温、20 cm土壤温度、40 cm土壤温度在相关分析过程中未达到显著水平，对土壤热通量无显著影响。土壤热通量与2 m气温、净辐射、5 cm土壤温度、10 cm土壤温度方程拟合较好(P<0.001)，且显著影响土壤热通量，是土壤热通量变化的主要影响因子。通过逐步回归分析，发现气温分别解释阔叶林、针阔混交林和针叶林土壤热通量的55.8%、62.4%、59.2%的变化，表明气温对土壤热通量的变化影响作用最为突出。

表4 土壤热通量日值与环境因子关系

3.6 土壤热通量占净辐射比值与叶面积指数关系

3种森林类型土壤热通量占太阳净辐射的比值在1a中大致呈“U”型变化(图4)，整体上，3种森林土壤热通量占净辐射的比例随时间先降低再升高；相反，3种森林类型的叶面积指数随时间先升高再降低。土壤热通量占净辐射比例随叶面积指数增大而减小，然后随着叶面积减小而增大，说明土壤热通量占净辐射的比值受叶面积指数的影响。阔叶林、针阔混交林和针叶林土壤热通量分别占净辐射总量的0.07%、0.47%和0.35%。年尺度上土壤热通量虽然占净辐射比例较小，但是小时尺度、日尺度和季节尺度土壤热通量变化均显著影响能量平衡过程，进而影响植物生长和水文循环，因此，须准确分析土壤热通量的变化。

图4 土壤热通量占净辐射的比值与叶面积指数时间动态变化

3.7 土壤热通量变化的因子贡献率

3种森林类型土壤热通量与2m气温、净辐射、5cm土壤温度、10cm土壤温度、叶面积指数因子紧密相关，分析这些因子对土壤热通量的贡献率，结果显示：在阔叶林和针阔混交林中，净辐射相对贡献率最高(34.54%，30.12%)；在针叶林中，叶面积指数贡献率最高(27.47%)。将阔叶林、针阔混交林和针叶林土壤热通量与Ta、Rn、T5、T10、ILA进行多元线性回归分析，得到土壤热通量多元线性回归方程(表6)。阔叶林土壤热通量通过AIC筛选排除了T5因子，阔叶林土壤热通量与Ta、Rn、T10、ILA之间多元线性回归关系显著。针阔混交林和针叶林土壤热通量与Ta、Rn、T5、T10、ILA之间多元线性回归关系皆显著。

表5 主要因子对土壤热通量相对贡献率 %

表6 土壤热通量与主要因子的多元线性回归方程

4 结论与讨论

4.1 土壤热通量的变化特征

地表热量的收支状况已成为全球气候变化异常研究的热点，土壤热通量作为地表热量平衡的组成部分，其土壤热量状况不仅影响着地表能量闭合程度，而且对研究土壤能量流动、水分输送和物质交换具有重要意义[31-34]。因此，本研究选择了不同海拔3种森林土壤热通量进行了研究，结果显示，3种森林类型土壤热通量日动态变化与前人的研究结果相似[24，35-36]，都呈较明显的“S”型曲线变化。在日尺度上，3种森林类型土壤热通量在非生长季表现为负值，说明非生长季土壤为热源，能量由土壤向地上部分传递；而在生长季土壤热通量为正，说明生长季土壤为热汇，能量由地上部分向土壤传递。这些研究结果与胡兆永[36]和王旭的[26]研究结果相似。

年尺度上，土壤是热源，其中阔叶林年总土壤热通量为-1.88MJ·m-2，针阔混交林为-13.78MJ·m-2，针叶林为-9.61MJ·m-2。在月尺度上，3种森林类型土壤热通量负向最大值都出现在12月，正向最大值都出现在5月份，9月份开始出现正负值交替，这与中国生态系统研究网络分析17个野外台站土壤热通量结果一致[17]。对土壤热通量的大小及正负转变的研究，可以计算出土壤热量的收支，为地表能量平衡方程提供基础数据，从而进一步为大气-植被-土壤连续体的能量交换机理提供参考。

4.2 土壤热通量与净辐射和叶面积指数的关系

冠层吸收的太阳净辐射是土壤热量的主要来源，其大小直接影响着土壤热通量的变化特征。研究太阳净辐射和土壤热通量的关系，可以评估土壤的热量平衡状态[37-38]。本研究中，阔叶林全年总土壤热通量占太阳净辐射总量的比例为0.07%、针阔混交林比例为0.45%、针叶林比例为0.35%，这3种森林类型土壤热通量占净辐射比例有所差异。这可能是由于土壤热通量与净辐射的比值(G/Rn)与植被覆盖度[39]、叶面积指数[40-41]、植被指数[42-45]和植被高度[46-48]有关。本研究中，3种森林类型土壤热通量占净辐射的比例随着叶面积指数增大而减小，然后随着叶面积减小而增大。当植被叶面积指数增大，遮挡太阳净辐射变大，土壤吸收的热力小，土壤热通量占净辐射比例小，反之，植被叶面积指数减小时，遮挡太阳净辐射变小，土壤吸收热力大，土壤热通量占净辐射比例大，说明叶面积指数影响着土壤热通量和净辐射。

土壤热通量主要来源于太阳净辐射，从太阳辐射能转变为土壤热通量需要一定的时间，因此土壤热通量与净辐射之间存在时间延迟效应。由于不同森林生态系统林下微气候环境和林上林冠层的差异，造成了不同森林土壤热通量对净辐射反馈的延迟效应的不同[49]。本研究中，阔叶林、针阔混交林的延迟3h，而针叶林的延迟6h。

4.3 土壤热通量时空异质性

本研究中土壤热通量与环境相关因素之间的相关分析说明，土壤热通量与2m气温、净辐射、5cm土壤温度、10cm土壤温度方程拟合较好(P<0.001)，且显著影响着土壤热通量，即是造成土壤热通量时间变化的影响因子。而气温对土壤热通量时间变异性影响作用最为突出。作为主要影响因子，气温可以通过改变土壤温度影响着土壤热通量。土壤温度变化主要决定于土壤表面热量的收支状况，而其升降决定了导入土壤热通量的多少[49-50]。另外太阳辐射会影响着气温和土壤温度。因此，这些因子是相互关联，共同影响着土壤热通量的变化特征。在阔叶林和针阔混交林中，净辐射相对贡献率最高(34.54%，30.12%)；在针叶林中，叶面积指数贡献率最高(27.47%)。将阔叶林、针阔混交林和针叶林土壤热通量与2m气温、净辐射、5cm土壤温度、10cm土壤温度、叶面积指数进行多元线性回归分析，得到土壤热通量多元线性回归方程，且多元线性回归关系皆显著。

由于受到地形条件、气温、降水、光照辐射、土壤特性等环境因子的影响，不同区域的土壤热通量变化具有明显差别，即是土壤热通量在空间异质性。本研究中，土壤热通量随海拔梯度升高没有表现出明显规律，但阔叶林土壤热通量与针阔混交林和针叶林差异显著。另外，阔叶林土壤热通量月累计在3月由负值转向正值，而针阔混交林、针叶林在4月由负值转向正值，这可能是阔叶林海拔低，气温高，提前进入了生长季。本研究中，针阔混交林土壤热通量为负向高于阔叶林，且差异显著。这可能由于森林蒸散发作为一个重要的气候变量[51-52]，当蒸散发的升高时，对大气起到了降温的作用[53]，在本研究区中，针阔混交林植被蒸散发(794.0mm)高于阔叶林(779.1mm)[29]，因此针阔混交林中的土壤将释放更多的热量，从而导致针阔混交林土壤热通量负向值高于阔叶林。

综上所述，在山地森林生态系统中，土壤热通量受到植被和气候因子共同影响，表现出明显的时空异质性。因此，准确观测森林生态系统土壤热通量动态变化特征，不仅可以帮助我们更好的了解山地生态系统物质和能量交换过程的时空格局，也为模拟不同气候变化情境下的山地区域陆—气耦合循环过程提供参数化方案。

致谢：感谢中国科院、水利部成都山地灾害与环境研究所孙菊英博士在数据处理过程中给予的支持和帮助。