氣溫對淺層地溫的影響研究綜述

李宏鵬 張婉婷 李穎姣

【摘? ?要】 淺層地溫作為土壤環(huán)境的重要指標，在研究生物生長、生物繁衍中有重要的地位，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常用到土壤溫度資料。地溫對氣溫的相應(yīng)是最為直接的，兩者存在的密切關(guān)系，所以研究氣溫對淺層地溫的影響具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】 淺層地溫;氣溫;農(nóng)業(yè)氣象;相關(guān)性

中圖分類號：P404? ? ? ? ? ? ?文獻識別碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-1073（2020）07-0057-58

The Influence of Temperature on Shallow Ground Temperature

LI Hongpeng， ZHANG Wanting， LI Yingjiao

（Tonghua Meteorological Bureau? ?Tonghua， Jilin? ?134000）

[Abstract] Shallow ground temperature， as an important index of soil environment， plays an important role in the study of biological growth and biological reproduction. Soil temperature data are often used in agricultural production. Therefore， it is of great significance to study the effect of temperature on shallow ground temperature.

[Key words] shallow ground temperature; temperature; agrometeorology; correlation

淺層地溫作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤環(huán)境重要指標之一，在生物生長、生物繁衍研究中有著重要的地位，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和病蟲害預防中經(jīng)常會用到土壤溫度。淺層地溫不僅影響種子發(fā)芽和出苗、作物根系生長發(fā)育以及土壤微生物的活動，還會對土壤水肥運動有一定的影響。研究表明，土壤溫度產(chǎn)生1 ℃的變化作物生長發(fā)育就會有顯著的影響，如果土壤溫度低于作物根系生理活動所需溫度的下限，其作物根系生長將會受阻，影響作物生長發(fā)育，甚至導致作物死亡;許多昆蟲越冬場所在土壤中，而昆蟲屬于變溫動物，體溫主要隨外界溫度的變化而變化，體內(nèi)的代謝在很大程度上受外界溫度支配，越冬過程受土壤溫度的變化而影響。春季土壤溫度的預測預報對春耕有重要的指導性作用，土壤溫度對農(nóng)作物的影響比氣溫更直接，所以土壤溫度是指導播種期的重要依據(jù)，適宜的播種期是作物高產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前土壤溫度數(shù)據(jù)的主要獲取途徑就是實地觀測，在農(nóng)業(yè)試驗研究中，相對于氣溫觀測和資料獲取地溫資料不夠具體。近年來，對地溫的研究集中在演變，而對預測鮮有研究，所以通過分析氣溫與耕層土壤溫度之間的關(guān)系，利用已知的氣象要素來估算淺層土壤溫度，對農(nóng)業(yè)播種期的安排、蟲害防災(zāi)減災(zāi)做出及時預測預報有著重要意義。

1? 積雪覆蓋的情況下氣溫與地溫的相關(guān)性研究

積雪是一種特殊性質(zhì)的下墊面，其存在主要依賴于氣象環(huán)境，具有低熱傳導率的特點，對太陽輻射的有較高的反射率。參與地氣之間的熱能平衡、大氣環(huán)流、水循環(huán)等運動來影響氣候和環(huán)境變化。積雪的厚度直接影響到地氣之間能量傳導，對淺層地溫起到了很好的保護作用，積雪對地氣能量轉(zhuǎn)化起到的作用規(guī)律有部分學者進行了初步的研究。國外學者Goodrich[1]等通過研究積雪密度與地面之間的能量交換，積雪密度和土壤特性對地面熱狀況有很大的影響。國內(nèi)學者王國亞[2]在對新疆阿勒泰地區(qū)1961-2011年積雪變化特征及其對凍土的影響研究時發(fā)現(xiàn)積雪厚度對土壤凍結(jié)深度的節(jié)點規(guī)律，積雪厚度超過20cm時對土壤有一定的保溫作用;當達到40cm以上時，土壤凍結(jié)深度對氣溫變化響應(yīng)保持穩(wěn)定狀態(tài);但是超過70cm時，由于積雪厚度阻礙增加以及深層地溫對上層土壤的熱平衡效應(yīng)使凍結(jié)深度發(fā)生變化;張小磊等利用統(tǒng)計分析的方法說明了無雪區(qū)、49cm厚積雪和80cm厚積雪對0到50cm之間的淺層地溫的影響，發(fā)現(xiàn)積雪覆蓋下土壤溫度變幅明顯小于無雪區(qū)，土壤溫度對氣溫變化的響應(yīng)隨積雪厚度的增加而延遲;付強[3]等學者在前面的基礎(chǔ)上進一步加深了積雪對地溫變化的研究，將范圍增加到140cm的深層土壤中并從雪的密度出發(fā)增加了不同的積雪形式。他們采用灰色關(guān)聯(lián)度分析的方法找出那些主要的氣象因子能夠影響地溫的變化幅度，進而統(tǒng)計地溫與氣象因子的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)淺層地溫和土層凍融過程的差異，隨積雪覆蓋厚度及密度的增加，各地層的凍融日期會出現(xiàn)延遲現(xiàn)象，并且空氣溫度和地溫的差值增大，積雪覆蓋使得地氣溫度關(guān)聯(lián)度減弱。于小舟[4]等人考察長白山生態(tài)系統(tǒng)時對冬季0-100cm深度的土壤溫度變化分析研究，發(fā)現(xiàn)積雪對淺層地溫（20cm以下深度）的保溫性較好，隨積雪厚度增加保溫效果增大，而且雪厚在10-20cm時保溫效果增加幅度最大。當達到30cm以上時保溫效果增加幅度不顯著。積雪對土壤溫度是具有雙向的調(diào)節(jié)作用10，積雪厚度越大消融期土壤溫度越高，變幅越小，但消融期后土壤溫度上升速度照比無雪覆蓋的土壤緩慢，因為雪消融時需要吸熱臨界狀態(tài)維持時間長，導致土壤解凍時間變長，而且此過程還關(guān)系到其他氣象因素的相互作用。侯仁杰等人在對凍融土壤水熱互作機理及環(huán)境響應(yīng)研究也發(fā)現(xiàn)了不同條件的積雪覆蓋凍結(jié)和消融出現(xiàn)滯后的現(xiàn)象，積雪的覆蓋影響著土壤系統(tǒng)的熱量吸收和釋放狀況，使得不同覆蓋的下墊面土壤各個土層的凍結(jié)起使日期出現(xiàn)差異，隨著積雪覆蓋厚度增加，土壤凍結(jié)日期的延時現(xiàn)象明顯，在5-10cm土壤深度下，3種積雪覆蓋條件下凍結(jié)土壤初始的凍結(jié)時間相對于無覆蓋地表延時2、4、8d，同時，融化期內(nèi)各個土層融化時間也分別大于地表無積雪情況。

2? 秸稈覆蓋對地氣熱量交換的影響研究

秸稈還田是綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展的大趨勢，所以現(xiàn)在秋收后很多秸稈覆蓋在大田中，這對土壤溫度也是有著很大的影響。為了助推農(nóng)業(yè)發(fā)展，近些年來有不少氣象學者和專家對秸稈覆蓋產(chǎn)生的效應(yīng)有很多相關(guān)研究，特別在東北秸稈覆蓋對土壤環(huán)境最大的影響是溫度。土壤溫度是表征土壤物理特性的重要指標之一，它對土質(zhì)、水分、土壤中微生物的生存、農(nóng)作物的產(chǎn)量以及病蟲害越冬起著重要的作用，它是農(nóng)田里的小氣候具有環(huán)境效應(yīng)。在冬季秸稈覆蓋農(nóng)田是通過改變自然環(huán)境下空氣與土壤間熱平衡轉(zhuǎn)換，起到了阻礙的作用來調(diào)節(jié)淺層地溫的變化一般深層地溫的變化規(guī)律基本不發(fā)生改變。邢述彥[5]等研究發(fā)現(xiàn)凍融期秸稈覆蓋改變了土壤溫度分布與變化特征，隨著秸稈覆蓋厚度從5cm增加到30cm各土層土壤溫度在凍融期的變幅以及由氣溫突然變化引起的土壤溫度波動幅度減小，土壤剖面最低溫度值升高，土壤溫度響應(yīng)氣溫變化的滯后效應(yīng)增強。國外學者Nirmal[6]發(fā)現(xiàn);土壤溫度隨著秸稈覆蓋量越大，地溫較對照降低得越多，而土壤含水量就越高，這對地氣熱量交換有顯著的影響。張少良通過黑土區(qū)田間長期定位試驗，研究了秸稈覆蓋度對太陽反射和土壤含水量的影響，進而探討了在秸稈覆蓋狀態(tài)下地溫對氣溫相應(yīng)程度。

3? 氣溫與淺層地溫相關(guān)性研究

國外研究者K. L. Bocock 等運用不同的方法來建立地面溫度與氣溫之間的關(guān)系，這種關(guān)系對應(yīng)了一種正弦曲線;J.D. Kalma 通過定期的諧波分析正弦函數(shù)對地面 0cm 溫度和最低、最高日平均氣溫進行擬合，結(jié)果表明地面溫度與氣溫之間可以確立一種數(shù)學關(guān)系。

國內(nèi)學者桂沁園[7]利用 2011—2016 年冬季（12月至翌年2月）巢湖市國家基本站逐日氣溫、地溫、日照、降水等氣象資料，采用相關(guān)分析法篩選得出，淺層最低地溫與前一日的平均氣溫、最低氣溫、0-20 cm 各層平均地溫和最低地溫成正相關(guān)關(guān)系，與前一日日照時數(shù)成負相關(guān)性;關(guān)德新等在推算森林淺層地面溫度和氣溫的關(guān)系，分析發(fā)現(xiàn)森林的氣溫和淺層地面溫度可以用氣象站對應(yīng)觀測數(shù)據(jù)的線性函數(shù)來推算，相關(guān)系數(shù)在0.96以上;李有利用諧波分析方法模擬了河南各地月平均地-氣溫差的年變化，擬合度在90%以上;阿帕爾在研究昌吉市地面溫度和氣溫的年變化相似之處，運用回歸分析方法建立了以氣溫為基礎(chǔ)的地面溫度預算模型;周斌[8]通過研究遼寧省春季表層地溫變化特征及其與氣溫的關(guān)系得出，遼寧西部地溫>遼寧東部地溫>遼寧地區(qū)氣溫;地溫與8種氣象因素特別是氣溫的關(guān)系更為緊密且有顯著的正相關(guān)性。南京信息工程大學吳春曉[9]基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立氣溫對10-320cm地溫的推演模型。

4? 總結(jié)

土壤溫度是大氣與地表結(jié)合部的溫度狀況，土壤溫度的高低對植物的種子發(fā)芽及其生長發(fā)育，微生物的繁殖及其活動有很大影響。但不同下墊面和不同季節(jié)地氣溫度交換存在著差異，而且土壤越深地溫對氣溫的相應(yīng)存在滯后性越嚴重。而且在日變化規(guī)律中不同天氣條件地氣溫度相關(guān)性也不同。但是從助推農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的角度土壤溫度是起到重要作用的，所以未來土壤溫度預測的精準度對農(nóng)、林、牧業(yè)的區(qū)域規(guī)劃有著重要的意義。

參考文獻：

[1] Goodrich L E. The influence of snow cover on the ground thermalregime[J]. Canadian Geotechnical Journal，1982，19（4）：421-432.

[2] 王國亞，毛煒嶧，賀斌，等. 新疆阿勒泰地區(qū)積雪變化特征及其對凍土的影響[J]. 冰川凍土，2012，34（06）：1293-1300.

[3] 付強，馬梓奡，李天霄，等. 北方高寒區(qū)不同覆蓋條件下土壤溫度差異性分析[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2014，45（12）：152-159.

（編輯：赫亮）