2015年塔克拉瑪干沙漠腹地達(dá)理雅博依天然綠洲淺層地溫變化特征?

王金花，張峰，師慶東

(新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，新疆烏魯木齊830046)

地溫為地-氣系統(tǒng)研究一重要參數(shù)[1]，其深刻影響著土壤的物理、化學(xué)及生物過程，連續(xù)而準(zhǔn)確的地溫數(shù)據(jù)在全球氣候變化、環(huán)境過程的模擬、元素地球化學(xué)循環(huán)等方面極具意義[2]，而地溫的區(qū)域性分異和季節(jié)性變化研究又有助于揭示土壤對生態(tài)環(huán)境的影響[3]．西北內(nèi)陸，荒漠分布甚廣，氣候干旱，生態(tài)系統(tǒng)尤為脆弱．已有學(xué)者對塔克拉瑪干沙漠和古爾班通古特沙漠地溫做了測定和研究，但相關(guān)工作主要以沙漠[4?9]和人工綠洲[10?12]為研究對象，對天然綠洲研究不足．克里雅河尾閭的達(dá)理雅博依是地處塔克拉瑪干沙漠腹地的一典型天然綠洲[13]，由于受人為干擾小，它保持著綠洲生態(tài)系統(tǒng)的自然過程，這可為研究沙漠綠洲的形成、演變及驅(qū)動力[14]提供實驗場．然而目前的相關(guān)研究多為考察性質(zhì)[13,15,16]，缺少詳細(xì)、連續(xù)的觀測數(shù)據(jù)，這影響到許多重要科學(xué)問題的解決，如有關(guān)綠洲系統(tǒng)演化模式[17]的驗證，綠洲發(fā)展趨勢的預(yù)測[18]等．本文利用2015―2016年達(dá)理雅博依鄉(xiāng)首臺區(qū)域氣象站5～20 cm的地溫資料，分析了其日變化及月變化特征，以期為研究全球范圍內(nèi)干旱區(qū)天然綠洲生態(tài)環(huán)境的演變及趨勢預(yù)測提供重要依據(jù)和參考．

1 研究區(qū)與研究方法

研究區(qū)位于塔克拉瑪干沙漠腹地克里雅河現(xiàn)代尾閭一帶（圖1）．受間歇性洪水作用，該河終端干三角洲達(dá)理雅博依地區(qū)發(fā)育了具有定居人口的天然綠洲[19]，現(xiàn)存面積約324 km2[20]，其年平均降水不足10 mm，大氣極為干燥[21]，該干三角洲水系呈扇狀擴散，沿河兩岸為胡楊林、蘆葦及紅柳灌叢植被帶，孤立復(fù)合型沙丘遍布[22]．

于2015年1月9日，在達(dá)理雅博依建立了該綠洲首架區(qū)域自動氣象站（38?22′N，81?52′E），至2016年4月，對地溫進行連續(xù)測定．其中地溫傳感器為浙江省無線電科學(xué)研究所生產(chǎn)的自校式鉑電阻數(shù)字測溫儀（RCY-1A），數(shù)據(jù)采集時間間隔為1分鐘，傳感器埋設(shè)深度分別為5 cm、10 cm、15 cm和20 cm．由于2015年8月21日至10月13日、11月2日至11月23日數(shù)據(jù)缺失，故通過SPSS（19.0）軟件采用回歸分析方法[23]對2015年各月平均地溫進行擬合（y=-1.1245x2+15.039x?21.999，相關(guān)系數(shù)R2=0.9638），插值計算2015年9月和11月的月均溫，對8月和10月的各土層月平均地溫值則基于實測值由各月每日地溫數(shù)據(jù)作算術(shù)平均得出．本文所討論的年平均地溫由各月的月平均地溫作算數(shù)平均得出；月平均地溫則由各月日地溫數(shù)據(jù)作算術(shù)平均得出；日平均值由同一月份同一時刻不同日期的值進行累加后求平均得出．

圖1 研究區(qū)域及氣象站地理位置Fig 1 Geographical position of the study area and meteorological station

2 結(jié)果分析

2.1 達(dá)理雅博依綠洲淺層地溫的季節(jié)變化特征

達(dá)理雅博依綠洲5～20 cm各淺層地溫月平均值具有很好的年內(nèi)變化周期（圖2），趨勢基本相同，接近正弦曲線變化，溫度最高值均在7月，最低值均在1月，各土層之間的地溫差亦在7月和1月最為顯著．6月地溫略有部分下凹（圖2），且增幅較5月和7月均偏小，很可能是受當(dāng)時浮塵天氣的影響所致．各層地溫均高于0℃的月份達(dá)9個月之多，低于0℃的月份僅有3個月．各土層中5 cm處地溫變幅最大，10～20 cm處地溫隨深度增加變幅略有減小，位相略微滯后．

2.2 典型月份土壤溫度的日變化特征

選取4月、7月、10月和12月作為春、夏、秋、冬各季節(jié)的典型月份，以分析日變化的季節(jié)特征．各季節(jié)各土層溫度日平均變化明顯，大致呈正弦曲線變化；一天中均有一個最高值和一個最低值；春季、夏季及秋季各層土壤溫度的日變化趨勢較為相似，而冬季各層土壤溫度的日變幅則較其他季節(jié)更為平緩（圖3）．隨著土壤深度增加，各季節(jié)各層土壤溫度日振幅均減小，日最高值和最低值出現(xiàn)的時間逐漸滯后（圖3，表1）．

圖2 達(dá)理雅博依綠洲月平均地溫變化曲線Fig 2 Monthly mean ground temperature curves at Daliyaboyi Oasis

圖3 達(dá)理雅博依綠洲2015年典型月份淺層地溫的日平均變化Fig 3 Daily changes of shallow ground temperature in typical months of the Daliyaboyi Oasis in 2015注：（a）為4月；（b）為7月；（c）為10月；（d）為12月

各季節(jié)地溫的日變化規(guī)律雖一致，但日內(nèi)土壤各層能量之間的傳遞狀況有所不同．以春季為例（2015年4月），由于地表吸收太陽輻射而增溫，土壤淺層能量向下傳遞，12:00―24:00，土壤表層（5 cm）溫度明顯高于20 cm深處（圖3）；而在0:00―12:00，由于表層因放射長波輻射而降溫冷卻，20 cm深處的能量則向上傳遞，表層（5 cm）溫度低于20 cm深處的溫度．其他季節(jié)（7月、10月、12月）各層土壤溫度日變化雖亦如此，但表層地溫高于深層地溫的時間段不同，依次為12:00―23:00、14:00―22:00和16:00―20:00．

表1 達(dá)理雅博依綠洲典型月份5～20 cm處地溫的日變化Tab 1 Daily changes of ground temperature in typical months at the depth of 5～20 cm of the Daliyaboyi Oasis

2.3 不同深度土壤日最高溫和最低溫年變化

各層土壤2015―2016年日最高和最低溫的變化趨勢基本一致（圖4），均在7月達(dá)到最高，1月降至最低，且各層土壤日最高溫波動要大于最低溫．2015年1月至3月，各層土壤日最高溫和日最低溫的波動幅度明顯高于2016年．

圖4 達(dá)理雅博依綠洲2015―2016年淺層（5～20 cm）處地溫實測值日最高溫和最低溫變化Fig 4 Changes of measured values of daily maximum and minimum shallow ground temperature at the depth of 5～20 cm of the Daliyaboyi Oasis from 2015 to 2016

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

本文對沙漠腹地達(dá)理雅博依天然綠洲與大致同緯度的塔中地區(qū)的地溫數(shù)據(jù)進行了對比分析：達(dá)理雅博依綠洲地表5 cm處年平均地溫為15.1℃，10 cm處為14.7℃，15 cm處為14.6℃，20 cm處為14.5℃，各層地溫年平均值低于塔中[6]地區(qū)（16℃左右）．其中達(dá)理雅博依5 cm處月均最高地溫為31.5℃，低于塔中的35℃，月均最低地溫卻高于塔中；地溫（圖2）年變化升降較塔中地區(qū)[6]（圖5）相對緩和，顯示出綠洲與沙漠環(huán)境存在一定差異．

圖5 塔中[6]的月平均地溫變化曲線Fig 5 Monthly mean ground temperature curves at Tazhong

與塔中氣象站僅發(fā)布的7月地溫數(shù)據(jù)[8]相比較，發(fā)現(xiàn)達(dá)理雅博依綠洲5 cm處地溫日最大值出現(xiàn)在17:00，最低值出現(xiàn)在08:00（表1），均明顯晚于塔中地區(qū)的15:00―16:00和07:00．達(dá)理雅博依綠洲地表已有土壤發(fā)育，其熱容較塔中地區(qū)沙質(zhì)沉積物更大一些，因而升溫、降溫過程相對緩慢．將達(dá)理雅博依綠洲淺層土壤日最高溫和最低溫值轉(zhuǎn)換為日溫差（日最高和最低地溫的差值）（圖6），發(fā)現(xiàn)各層土壤日溫差在夏半年的波動較冬半年更大，土壤深度越深，日溫差則越小，不同深度土壤日溫差的變化幅度亦不同，這與古爾班通古特沙漠腹地[11]及塔中地區(qū)[6?8,10]的淺層地溫研究是較為一致的．

圖6 達(dá)理雅博依綠洲2015―2016年不同深度土壤日溫差變化Fig 6 Variation of the daily range of ground temperature at different depths of the Daliyaboyi Oasis from 2015 to 2016

3.2 結(jié)論

通過對2015―2016年達(dá)理雅博依綠洲淺層地溫的變化特征分析，得出如下結(jié)論：（1）各層地溫月平均值年內(nèi)基本呈正弦曲線變化．各層地溫最高值（7月）和最低值（1月）出現(xiàn)的時間較為一致．各土層中5 cm處的地溫變幅最大，10～20 cm處地溫隨深度增加，變幅略有減小，位相略微滯后．各層地溫年平均值為14.8℃，低于大致同緯度的塔中氣象站（16℃左右），且達(dá)理雅博依綠洲的地溫升降相對緩和，顯示出綠洲與沙漠環(huán)境存在差異．（2）土壤各層溫度日變化亦呈正弦曲線趨勢．各層土壤溫度在一天中均有一個最高值和一個最低值．隨土壤深度的增加，各季節(jié)各層土壤溫度日振幅均減小，日最高值和最低值出現(xiàn)的時間逐漸滯后．達(dá)理雅博依綠洲7月5 cm處地溫的日最高值和最低值出現(xiàn)時刻均晚于塔中地區(qū)，反映出二者土壤熱容的不同．各層土壤日最高溫和日最低溫變化趨勢基本一致，但日最高溫波動幅度大于日最低溫波動幅度，各層土壤日溫差在夏半年的波動較冬半年更大．