黃河三角洲刺槐人工林土壤熱通量的變化特征

王霞 劉德璽 李永濤 王振猛 馬丙堯

摘要：為進(jìn)一步研究黃河三角洲鹽堿地區(qū)土壤-植被-大氣連續(xù)體的作用機(jī)理并為熱量平衡研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，本試驗(yàn)以黃河三角洲鹽堿地區(qū)長期生長的刺槐人工林為對象，利用黃河三角洲森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站2016年度觀測數(shù)據(jù)，研究了該地區(qū)刺槐人工林土壤熱通量的變化特征及其與地表凈輻射的關(guān)系。結(jié)果表明：10、20 cm土層土壤熱通量日變化基本呈現(xiàn)“S”型變化，且隨土壤深度增加振幅減小;兩層土壤熱通量的月累積總量在3—8月為正值，其它月份為負(fù)值;兩層的年總土壤熱通量分別為-23.85、-12.97 MJ/m2，占地表凈輻射（720.07 MJ/m2）的比例分別為-3.31%、-1.80%，土壤均表現(xiàn)為熱源;在日尺度、月尺度水平上，土壤熱通量與地表凈輻射分別呈極顯著和顯著正相關(guān);土壤熱通量對地表凈輻射的反饋存在延時(shí)效應(yīng)，延時(shí)5 h的10 cm土層土壤熱通量和延時(shí)9 h的20 cm土層土壤熱通量與地表凈輻射相關(guān)性最高。本研究得出土壤熱通量與地表凈輻射關(guān)系密切，這對研究土壤-植被-大氣連續(xù)體中地氣能量交換和熱量平衡具有重要意義。

關(guān)鍵詞：黃河三角洲;刺槐;土壤熱通量;凈輻射

中圖分類號：S152.8 ?文獻(xiàn)標(biāo)識號：A ?文章編號：1001-4942（2020）01-0088-06

Abstract In order to further study the action mechanism of soil-plant-atmosphere continuum and provide basic data for studying the heat balance in the Yellow River Delta of saline-alkali area， based on the 2016 annual data of forest ecosystem positioning research station of the Yellow River Delta， the long-term plantation of Robinia pseudoacacia was taken as research objects to study the variation characteristics of soil heat flux and its relationship with surface net radiation. The results suggested that the diurnal variations of soil heat flux at 10- and 20-cm depth mostly showed S shapes， and the amplitude decreased with the depth of soil layers. The monthly accumulation of soil heat fluxes of both layers was positive from March to August and negative in the other months. The annual total soil heat fluxes at 10-cm and 20-cm depth were -23.85 and -12.97 MJ/m2 respectively with the proportion of total soil heat fluxes to the surface net radiation（720.07 MJ/m2） as -3.31% and -1.80% respectively， indicating that the soil of both layers was heat source at the annual temporal scale. There were extremely significant correlations between soil heat fluxes and the surface net radiation at daily temporal scale， while significant correlations at monthly temporal scale. There was time-lag effect in the feedback of soil heat flux to surface net radiation， the soil heat fluxes lagged 5 h at 10-cm depth and 9 h at 20-cm depth had the most correlation with the surface net radiation. In this study， we concluded that the soil heat flux was in close relationship with the surface net radiation， which had great significance to studying the energy exchange between ground and atmosphere among soil-plant-atmosphere continuum and heat balance.

Keywords Yellow River Delta;Robinia pseudoacacia;Soil heat flux;Net radiation

土壤作為植物賴以生存的重要環(huán)境要素，是土壤-植被-大氣連續(xù)體（soil-plant-atmosphere continuum，簡稱SPAC）的基礎(chǔ)。土壤熱通量是表征地-氣能量交換的主要物理參量，是森林生態(tài)系統(tǒng)能量平衡方程中的重要組成部分，與系統(tǒng)的能量閉合程度息息相關(guān)[1]。研究土壤熱通量的變化特征，對于分析森林生態(tài)系統(tǒng)的能量平衡以及區(qū)域小氣候、土壤氣候和土壤生態(tài)環(huán)境的形成有重要意義。目前，國內(nèi)有關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤熱通量的研究，主要集中于寒帶[2]、寒溫帶[3，4]和亞熱帶[1，5-10]等地區(qū)，研究對象有原始林、人工純林和混交林等，而針對黃河三角洲鹽堿地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤熱通量的研究還較少。

刺槐（Robinia pseudoacacia Linn.），因其較強(qiáng)的耐鹽堿能力和適應(yīng)性，成為黃河三角洲鹽堿地區(qū)的主要代表樹種。近年來對該地區(qū)刺槐人工林土壤的研究多集中于土壤基本理化性質(zhì)、土壤酶活性和土壤微生物特征[11-14]，還有土壤水分生態(tài)特征[15]、土壤水鹽動(dòng)態(tài)變化[16，17]等方面，而關(guān)于熱通量的研究還未見報(bào)道。本試驗(yàn)以黃河三角洲鹽堿地區(qū)長期生長的人工刺槐林為研究對象，探討不同土層土壤熱通量的變化特征，分析土壤熱通量與地表凈輻射的關(guān)系，旨在為進(jìn)一步研究該區(qū)域人工刺槐林SPAC的作用機(jī)理和熱量平衡提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)域位于山東省東營市河口區(qū)，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。年均氣溫12.9 ℃，年均無霜期234 d、凍土期44 d。全年降水分布不均，年均降水量500～600 mm，其中夏季降水約占全年降水量的70%，蒸降比為3.5∶ 1。地下水埋深2～3 m。土壤類型以鹽化潮土和濱海鹽土為主。土壤鹽分組成以氯化物為主。該區(qū)主要造林樹種有刺槐（Robinia pseudoacacia Linn.）、絨毛白蠟（Fraxinus velutina Torr.）、白榆（Ulmus pumila Linn.）、臭椿[Ailanthus altissima （Mill.）Swingle]、國槐（Sophora japonica Linn.）等，林下植被主要有翅堿蓬[Suaeda salsa （Linn.）Pall.]、白茅[Imperata cylindrica （Linn.）Beauv.]、小飛蓬[Conyza canadensis （Linn.）Cronq.]、狗牙根[Cynodon dactylon （Linn.）Pers.]、藜（Chenopodium album Linn.）、羅布麻（Apocynum venetum Linn.）等。

研究地點(diǎn)為黃河三角洲森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站孤島輔站，位于濟(jì)南軍區(qū)黃河三角洲綜合訓(xùn)練基地十二分場刺槐林內(nèi)。刺槐林為1985年春人工栽植，株行距為2 m×3 m，平均胸徑18.74 cm，平均樹高8.95 m。

1.2 研究方法

人工刺槐林內(nèi)設(shè)有25 m綜合梯度觀測塔（包含森林小氣候觀測系統(tǒng)）。其中，地下10 cm、20 cm處設(shè)有HFP01（SC）土壤熱通量傳感器（Hukseflux，Netherlands），用于測定土壤熱通量;凈輻射傳感器CNR4（Kipp&Zonen，Netherlands）設(shè)置在距地面1.5 m處，用于測定地表凈輻射能量。所有儀器測得數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集器CR1000（Campbell，USA）自動(dòng)記錄，數(shù)據(jù)采集頻率為10 min，24 h不間斷采集。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

本研究選取2016年1月1日—2016年12月31日的觀測數(shù)據(jù)，以0∶ 00為次日劃分點(diǎn)。利用Microsoft Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、制圖和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤熱通量的日變化特征

熱量由表層或淺層土壤向深層土壤傳輸時(shí)，土壤熱通量為正值，即土壤表現(xiàn)為熱匯;熱量由深層土壤向淺層或表層土壤傳輸時(shí)，土壤熱通量為負(fù)值，即土壤表現(xiàn)為熱源。選擇1、4、7、10月作為代表月份，選取代表月份逐日每半小時(shí)的瞬時(shí)數(shù)據(jù)，每月相同時(shí)刻數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，研究土壤熱通量的日變化特征（圖1）。

整體來說，10、20 cm土層土壤熱通量日變化規(guī)律基本一致。其中，10 cm土層土壤熱通量呈典型的“S”型變化趨勢，波動(dòng)較大，振幅大于20 cm土層，最小值出現(xiàn)在7∶ 00—9∶ 30，最大值出現(xiàn)在15∶ 30—17∶ 30。20 cm土層土壤熱通量（1月除外）也呈“S”型變化，但波動(dòng)程度低于10 cm土層，振幅較小，說明日尺度上深層土壤的地-氣能量交換強(qiáng)度較淺層土壤小;而1月份20 cm土層土壤熱通量變化較平緩，波動(dòng)較小，說明該時(shí)段大氣與該層次土壤熱量交換強(qiáng)度很小;20 cm土層最小值出現(xiàn)在9∶ 30—12∶ 30，最大值出現(xiàn)在20∶ 00—21∶ 00，與10 cm土層相比較，極值出現(xiàn)時(shí)間有一定延遲，這是因?yàn)闊崃吭谕寥纼?nèi)傳遞需要一定的時(shí)間（圖1）。

由圖1可以看出，10、20 cm土層土壤熱通量1月均為負(fù)值，平均值分別為-7.29、-6.07 W/m2，兩層土壤表現(xiàn)為熱源，說明兩層土壤分別向其上層土壤釋放熱量;4月，10、20 cm土層土壤熱通量平均值分別為5.07、4.99 W/m2，總體來說該時(shí)段兩層土壤表現(xiàn)為熱匯，說明兩層土壤分別向其下層土壤傳遞熱量;7月，10、20 cm土層土壤熱通量均為正值，平均值分別為4.77、5.09 W/m2，兩層土壤表現(xiàn)為熱匯，說明兩層土壤分別向其下層土壤傳遞熱量;10月，10、20 cm土層土壤熱通量平均值分別為-4.64、-3.92 W/m2，總體來說該時(shí)段兩層土壤表現(xiàn)為熱源，說明兩層土壤分別向其上層土壤釋放熱量。

2.2 土壤熱通量的月變化特征

一年中，10、20 cm土層土壤熱通量月累計(jì)總量呈現(xiàn)一致的月變化特征。1、2月和9—12月10、20 cm土層土壤熱通量累積量均為負(fù)值，兩層土壤都表現(xiàn)為熱源，說明兩層土壤分別向其上層土壤釋放熱量;3—8月為正值，兩層土壤都表現(xiàn)為熱匯，說明兩層土壤分別向其下層土壤傳遞熱量;10 cm土層土壤熱通量累積量負(fù)向絕對值的最大值出現(xiàn)在11月（-23.18 MJ/m2），正向最大值出現(xiàn)在4月（13.57 MJ/m2），絕對值最小值出現(xiàn)在8月（2.80 MJ/m2），該層年總熱通量累積量為-23.85 MJ/m2，在年尺度上土壤表現(xiàn)為熱源;20 cm土層土壤熱通量累積量負(fù)向絕對值的最大值出現(xiàn)在11月（-20.48 MJ/m2），正向最大值出現(xiàn)在7月（14.07 MJ/m2），絕對值最小值出現(xiàn)在9月（-1.56 MJ/m2），該層年總熱通量累積量為-12.97 MJ/m2，其絕對值小于10 cm土層，在年尺度上土壤表現(xiàn)為熱源（圖2）。

參 考 文 獻(xiàn)：

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