武夷山不同海拔土壤和大气温度的时空变化特征

吴晓鸣，覃宜慧，李锦隆

(1.兰州资源环境职业技术大学，甘肃 兰州 730000；2.福建师范大学， 福建 福州 350007)

温度是生物多样性和生态系统边界分布的主要驱动力[1,2]，对植物生长发育和分布，矿物风化和形成，土壤动物和微生物的活性等产生重要影响[3-7]。大约25%的地表被山脉所覆盖，山脉承载着至少1/3的陆地植物物种多样性[8]。随海拔高度的改变，太阳辐射、大气压力、风和水分产生变化，对动植物的生存产生影响[9]。研究表明，随着海拔的升高，温度的降低一直被认为是影响植物群落生物多样性、代谢过程和生态系统动态的主要因素[10-12]。此外，通过辐射，土壤温度也会影响大气温度，特别是近地面的气温，对温度的日变化、气流扰动和植物生长至关重要[13,14]。因此，不同海拔大气和土壤温度的变化规律的研究尤为重要。

平均而言，每公里海拔的气温下降5.5 K[15]。然而，这并非是所有山地所经历的温度变化特征[16]。研究表明，受不同海拔群落结构、大气环流和坡向的影响，太阳辐射受植被遮挡不能有效到达近地面，近地面大气和土壤温度可能和太阳辐射对上层大气温度的变化存在解耦现象[17]。因此，对近地面大气和土壤温度的规律研究对了解群落内部环境变化和调控因素具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及样地设置

本研究区位于江西武夷山国家级自然保护区(27°48′11″—28°00′35″ N，117°39′30″—117°55′47″ E)。平均海拔1 200 m，主峰黄岗山海拔2 160.8 m。保护区内属于中亚热带季风气候，年均气温13.2～14.8 ℃，降水量1 813～3 544 mm。保护区内的土壤类型依海拔梯度400～2 100 m大致可分为黄红壤、黄壤、黄棕壤、草甸土等4种类型[18]。

本研究选取保护区内具有代表性的5个海拔(1 200、1 400、1 600、1 800和2 000 m)黄山松(Pinustaiwanensis)群落作为研究对象，样地内黄山松为优势种。

1.2 数据采集及分析

于2019年9月—2021年1月通过TMS温湿度记录仪器(TMS-5，捷克)对0～6 cm土层土壤温度和近地面0～12 cm大气温度进行全天监测，仪器每15 min记录1次温度数据。用SPSS 22.0软件分析不同海拔和季节之间的温度差异，用Origin 9.0软件制图。

2 结果与分析

2.1 土壤和大气温度月动态变化

由图1可知，土壤和大气温度均存在月动态变化，2021年1月为土壤和大气温度的最低值，分别为2.29±1.16 ℃和-0.52±5.25 ℃。2020年8月和2020年7月分别出现土壤和大气温度的最高值，分别为18.75±0.59和19.46±1.71 ℃。土壤和大气温度的平均值存在显著差异(P<0.05)，分别为11.61±5.22和11.11±6.93 ℃。

图1 2019年9月-2021年1月土壤和大气温度月动态变化注：小写字母不同表示土壤和大气温度之间存在显著差异(P<0.05)。

2.2 土壤和大气温度季节变化

由图2可知，土壤和大气温度存在季节变化特征，季节之间存在显著差异(P<0.05)。夏季(6—8月)土壤和大气温度最高，分别为18.22±1.51和19.02±2.43 ℃。冬季(12—2月)土壤和大气温度最低，分别为5.61±2.52和3.82±5.07 ℃。

图2 土壤和大气温度季节变化特征注：小写字母不同表示土壤和大气温度之间存在显著差异(P<0.05)。

2.3 不同海拔土壤和大气温度变化

由图3可知，土壤和大气温度存在海拔变化，5个海拔之间存在显著差异(P<0.05)。1 200 m海拔土壤和大气温度最高，分别为12.85±5.15和12.45±7.25 ℃。2 000 m海拔土壤和大气温度最低，分别为10.26±4.99和9.58±6.56 ℃。整体上，土壤和大气温度每升高1 000 m，分别上升3.24和3.59 ℃(表1)。

图3 土壤和大气温度的海拔差异注：小写字母不同表示土壤和大气温度之间存在显著差异(P<0.05)。

2.4 不同季节昼夜温度梯度变化特征

由表1可知，整体上，不同季节中存在温度梯度变化特征，土壤和大气温度变化中，分别为春季(2.93 ℃)和冬季(2.25 ℃)变化最小，夏季变化最大(分别为3.63和4.92 ℃)。土壤和大气温度的昼夜变化中，夜晚的温度梯度变化高于白天的温度梯度变化。土壤和大气在白天的温度梯度变化最大在夏季，分别为3.60和4.70 ℃。土壤和大气在黑夜的温度梯度变化最大分别在秋季(3.69 ℃)和夏季(5.19 ℃)。土壤在白天和黑夜的温度梯度变化最小出现在春季，分别为2.76和3.13 ℃。大气在白天和黑夜的温度梯度变化最小出现在冬季，分别为2.58和2.98 ℃(表1)。

表1 不同季节每1 000 m海拔梯度昼夜温度变化特征 单位：℃

3 讨论

本研究中，土壤和大气温度均存在月和季节动态变化，土壤和大气温度变化趋势相一致，这一结果表明土壤和大气温度相互影响，两者具有相同的变化规律[19]。此外，土壤温度显著高于大气温度(P<0.05)，这一结果原因可能是由于太阳辐射的热量一部分被土壤直接吸收，使土壤增温[20]，另一部分地面通过逆辐射将温度经过传导和对流，将热量和太阳辐射传至空气，使空气增温，并且大气温度变化快，导致平均土壤温度高于大气温度[21,22]。在土壤温度和大气温度季节变化中，春季和夏季的大气温度高于土壤温度，秋季和冬季的土壤温度高于大气温度，这可能是由于大气温度比热容低，具有增温快、降温快的特点，而土壤温度具有一定的稳定性，土壤温度相对于大气温度的变化具有一定的滞后性[23]。

本研究中，大气和土壤温度随着海拔的升高而降低(P<0.05)，并且存在温度梯度变化，这与前人的研究一致[24,25]。导致高海拔温度低的原因首先是由于高海拔空气稀薄，储热和保温能力差；其次，大气升温主要依靠大气逆辐射，海拔越低接收到地面的热量辐射越多，所以温度越高，而海拔越高，接收到地面的热量辐射少，从而导致高海拔温度低的现象[26]。本研究中武夷山土壤和大气全年平均的温度梯度变化分别为3.24和3.59 ℃。林之光等[27]研究结果表明，武夷山温度梯度变化为5.11 ℃，与本研究结果不一致。原因可能是由于本论文的研究对象为近地面温度梯度变化，受森林植被的遮挡，白天太阳不能直射到近地面致使升温慢，晚上森林内部具有一定的保温作用，可能导致温度梯度变化较小[28]。此外，本研究中夏季温度梯度变化最大，而冬春季节温度梯度变化最小，可能是由于相对于冬季，夏季温度高，变化幅度大，温差较大，导致夏季温度梯度变化高于冬季。

4 结论

武夷山土壤和大气温度存在月和季节变化规律，6—8月出现温度的最高值，12—2月出现温度的最低值。土壤温度显著高于大气温度，并且土壤和大气温度存在相同的变化规律。不同海拔之间土壤和大气温度存在显著差异，1 200 m海拔土壤和大气均出现最高值，2 000 m海拔土壤和大气出现最低值。武夷山近地面大气和土壤温度存在梯度变化特征，全年平均的温度梯度变化分别为3.24和3.59 ℃，夏季变化幅度最大，冬春季节变化幅度最小。本研究通过对土壤和大气温度时空变化和不同季节温度梯度变化特征的研究，揭示土壤和大气在不同海拔的时空变化规律和温度梯度变化，强调温度变化对山地群落环境变化的重要性。