長江中下游地區(qū)稻田不同時間尺度土壤熱通量特征分析

陳東旭, 黃蕭霖, 陳留根, 張岳芳, 郭 智, 郝 璐

(1.南京信息工程大學 江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室, 南京 210044;2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所, 南京 210014)

土壤熱通量作為表征地表和深層土壤能量傳輸狀況的特征量，是地表熱量平衡的重要組成部分[1]。目前對于地表能量平衡的研究發(fā)現(xiàn)，所有的生態(tài)系統(tǒng)均存在能量無法閉合的現(xiàn)象，并且不同的生態(tài)系統(tǒng)由于地面條件相異，能量閉合程度也不同[2]。Masseroni等[3]通過對土壤熱通量進行修正，將水稻田的能量不平衡率減小到10%以下，說明土壤熱通量顯著影響著地表能量的閉合程度[4-5]。因此，深入研究土壤熱通量的變化特征及其影響因素，不僅能更好地掌握地表能量的收支狀況，同時也可為基于地表能量平衡開發(fā)的模型提供驗證參數(shù)[6]。

不同生態(tài)系統(tǒng)由于下墊面條件不同，地表能量的收支狀況也不一樣，因此此前的研究基本依據(jù)不同生態(tài)系統(tǒng)進行土壤熱通量的特征分析，主要集中在森林[7-8]、濕地[9-10]、沙漠[11-12]、草原[13]、農(nóng)田[14-15]等生態(tài)系統(tǒng)。張利平等[7]研究分析了會同杉木人工林不同土層深度的土壤熱通量特征，發(fā)現(xiàn)表層(10 cm，20 cm)土壤熱通量日變化呈“S”型，深層(45 cm)土壤熱通量日變化沒有明顯規(guī)律；呂國紅等[9]通過對盤錦蘆葦濕地土壤熱通量按季節(jié)進行分析得出，該地區(qū)不同深度的土壤熱通量日均值呈春季>夏季>秋季>冬季；郝雅婕等[16]分析了元江干熱河谷稀樹灌叢土壤熱通量與氣象因子的關系，得出土壤熱通量與總輻射和日照時數(shù)呈正相關，和土壤含水量呈負相關，且太陽總輻射成為該地區(qū)土壤熱通量的主要影響因子。國內對于水稻田土壤熱通量的研究并不少見，但大多是針對水稻田的能量閉合程度進行研究和模擬。劉笑吟等[17]發(fā)現(xiàn)南方節(jié)水灌溉稻田生態(tài)系統(tǒng)能量閉合程度較高，通量特征及規(guī)律具有較好的代表性，各能量分量在典型晴天和水稻季月均日變化均呈明顯的倒“U”型單峰趨勢，典型陰天各能量分量的月均日變化和晴天相似，但日均值和峰值均小于晴天。盡管研究涉及到水稻田土壤熱通量的日變化特征，但僅僅是作為能量平衡分量加以介紹，仍缺乏對其系統(tǒng)深入的研究分析。

我國作為世界上最大的水稻生產(chǎn)國，稻田既是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分[18]，同時也是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要部分。因此，深入研究長江中下游地區(qū)稻田的土壤熱通量變化特征及其影響因子，對掌握地表熱量收支狀況，為通量修正提供科學依據(jù)，提高能量閉合程度具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省農(nóng)業(yè)科學院溧水試驗基地，地處江蘇省南京市溧水區(qū)白馬鎮(zhèn)(東經(jīng)119.2°，北緯31.6°，海拔39 m)，占地面積0.8 km2，基地試驗用地大多為水稻田，灌溉水源源于白馬湖水庫[19]?；匚挥陂L江中下游平原秦淮河流域，屬東南沿海季風區(qū)，氣候類型為亞熱帶季風氣候，雨熱同期，四季分明，降水豐沛，年降水量1 048 mm，年均溫15.4℃，地貌多為丘陵，土壤為白漿土。研究區(qū)種植的水稻品種為“南粳9108”，2018年水稻的插秧時間為6月13日，6月23日進入分蘗期，7月11日進入拔節(jié)期，8月8日進入抽穗期，8月11日進入灌漿期，9月28日進入成熟期，并于10月12日收獲。2018年其他時間及2019年1月、2月該研究區(qū)均種植甘藍，稱甘藍期。

2 數(shù)據(jù)與方法

本研究利用CS616土壤水分傳感器測得的45，35，15，5 cm深度處土壤含水量(VWC)半小時數(shù)據(jù)，HFP01土壤熱通量傳感器測得的5，10 cm深度土壤熱通量(G)半小時數(shù)據(jù)，TCAV土壤溫度傳感器測得的5，10 cm深度土壤溫度(T)半小時數(shù)據(jù)，CNR4測得的半小時凈輻射數(shù)據(jù)進行處理分析。因為試驗期間儀器斷電的原因，2018年3月1日、2018年3月2日、2018年6月12日、2019年2月20日這4天的數(shù)據(jù)缺失，因此剔除之后進行數(shù)據(jù)處理與分析。包括求取土壤熱通量不同水稻種植季節(jié)的半小時均值并以此探究土壤熱通量的日變化規(guī)律，以及分析不同時段(全年、稻季前、稻季、稻季后)、不同時間尺度(半小時、日、月)下土壤熱通量與凈輻射、土壤含水量、土壤溫度之間的相互關系。求取半小時尺度下各因子相關性時樣本量為48×361，總計17 328個。在求取日尺度下各因子相關性之前，首先計算各因子的日總量，利用各因子日總量求出日尺度下各因子相關性，樣本量為361個。接著在日總量的基礎上計算各因子每個月的月總量，進而求出月尺度下各因子相關性，樣本量為12個。

研究時間內按不同季節(jié)劃分為稻季(2018年6月13日—2018年10月12日)下墊面種植水稻、稻季前(2018年3月1日—2018年6月12日)下墊面種植甘藍菜、稻季后(2018年10年13日—2019年2月28日)下墊面為裸地。選取2018年7月13日為典型晴天，2018年7月22日為典型陰天，2018年8月27日為典型雨天，對這3天的土壤熱通量進行分析。并且依據(jù)降水數(shù)據(jù)，篩選出研究時段的全部雨天，取其半小時均值研究不同天氣條件下土壤熱通量的日變化特征。

3 結果與分析

3.1 不同季節(jié)稻田土壤熱通量日變化

在不同季節(jié)，同一深度的土壤熱通量(G)日半小時平均值大不相同(表1)，5 cm和10 cm土壤熱通量在稻季前和稻季為正，在稻季后為負，呈“稻季前>稻季>稻季后”。這主要因為稻季前處于春夏季節(jié)，熱量條件較好，且下墊面種植甘藍菜，植株矮小對輻射的影響較小，土壤能較好地接受地表傳輸?shù)哪芰?，故稻季前土壤熱通量最大。盡管稻季也處于夏秋季節(jié)，熱量條件較稻季前相差不大，但是稻季水稻生長過程中對太陽輻射的吸收和反射能力較強，尤其水稻生長旺季，植株茂密很大程度上減小輻射到達地面的熱量，由此稻季土壤熱通量受到較大影響明顯小于稻季前土壤熱通量。稻季后則處于秋冬季節(jié)，熱量條件較差，主要由土壤向地表傳輸能量，所以土壤熱通量為負值。從全年來看，能量主要由土壤向地表傳輸，土壤表現(xiàn)為“熱源”。

表1 不同季節(jié)稻田土壤熱通量半小時均值 W/m2

不同季節(jié)，不同深度(5 cm，10 cm)的土壤熱通量日變化基本趨于一致，均呈“S”型分布，而凈輻射(RN)的日變化基本呈倒“U”型分布(圖1)。白天，土壤熱通量為正，說明大氣向土壤傳輸能量，并且隨著凈輻射的增加，土壤熱通量也隨之增加，并在到達峰值后逐漸下降。白天凈輻射與不同深度土壤熱通量變化特征基本一致，二者呈極顯著正相關(表2—4)。但是，凈輻射和兩個深度(5 cm，10 cm)的土壤熱通量到達峰值的時間并不相同，土壤熱通量明顯滯后于凈輻射，10 cm土壤熱通量滯后于5 cm土壤熱通量。并且因為水稻種植季節(jié)不同，土壤熱通量滯后于凈輻射的時間也不盡相同，稻季前和稻季后5 cm土壤熱通量滯后于凈輻射時間為2 h，稻季滯后時間為1 h。而5 cm和10 cm土壤熱通量二者的滯后時間差異不大，不同季節(jié)均小于1 h(圖1)。這也證實了凈輻射對土壤熱通量的影響具有滯后性[20]，并且不同季節(jié)，地表與土壤下層之間的能量傳輸受到較大影響，但不同土層深度之間能量傳輸?shù)牟町惒⒉淮?。在夜間，凈輻射變?yōu)樨撝?，大氣溫度降低，土壤通量也因此變?yōu)樨撝担芰總鬏敺较蚺c白天相反，由土壤下層向地表傳輸。

圖1 不同季節(jié)不同深度稻田(5 cm，10 cm)土壤熱通量與凈輻射日變化

表2 不同季節(jié)稻田半小時尺度上土壤熱通量與各因子相關性

表3 不同季節(jié)稻田日尺度上土壤熱通量與各因子相關性

表4 月尺度上土壤熱通量與各因子的相關性

觀察不同深度土壤熱通量日變化發(fā)現(xiàn)(圖1)，白天5 cm土壤熱通量均大于10 cm土壤熱通量，說明在白天氣溫較高，太陽輻射強，淺層土壤更容易接受大氣輸送的能量[21]，而能量在向深層土壤傳輸時逐漸遞減。在傍晚和夜間，能量傳輸方向相反，5 cm土壤熱通量開始小于10 cm土壤熱通量。稻季前和稻季后，5 cm土壤熱通量均在17：00開始小于10 cm土壤熱通量，而在稻季這一時間被提前到16：00。這主要因為稻季土壤含水量高于稻季前和稻季后，土壤水分的儲熱作用加強，使得10 cm土壤熱通量提前大于5 cm土壤熱通量。

3.2 不同天氣條件下的土壤熱通量日變化

晴天和陰天條件下，土壤熱通量日變化(圖2A—B)基本一致，符合上文所說的“S”型分布，但雨天時土壤熱通量變化較不規(guī)則(圖2C)，這與王勝等[12]在戈壁地區(qū)研究結果類似。但從雨天土壤熱通量半小時均值的日變化來看(圖2D)，雨天的土壤熱通量變化又較規(guī)則，符合上文所說的“S”型分布，這與呂國紅等[9]在盤錦濕地的研究結果一致。王勝等[12]在戈壁地區(qū)的研究是選取典型日進行研究，而呂國紅等[9]在盤錦濕地的研究則是利用7月份晴天、陰天、雨天土壤熱通量的1小時均值進行分析。由此可見，在選取典型日進行分析時，土壤熱通量容易受短時間天氣的影響而不規(guī)則變化，但利用更多的數(shù)據(jù)資料進行均值分析時這種天氣影響就會被弱化，由此使得土壤熱通量在雨天條件下仍然符合“S”型日變化規(guī)律。

圖2 不同天氣條件晴天、陰天、雨天與全年雨天半小時均值的土壤熱通量日變化

典型日分析結果表明，不同天氣條件下土壤熱通量的變化程度有明顯差異(圖2)。對于5 cm處的土壤熱通量，晴天條件下，土壤熱通量于凌晨5∶30時到達最低值-15.64 W/m2，并于14：00到達峰值82.5 W/m2。陰天條件下，土壤熱通量于6：00到達最低值-4.745 W/m2，并于13：00到達峰值34.32 W/m2。雨天條件下，土壤熱通量于夜間2：00到達最低值-14.57 W/m2，并于14∶30到達峰值12.71 W/m2。比較3種天氣條件下土壤熱通量的最大最小值可以看出，晴天的土壤熱通量變化程度最大，而雨天的變化程度最小，這主要因為降水導致土壤含水量增多，改變了土壤熱容量[22]，由此導致陰雨天的土壤熱通量變化程度明顯小于晴天土壤熱通量的變化程度。

3種天氣條件下的土壤熱通量日總量在數(shù)值上也有明顯差異。晴天條件下，5 cm和10 cm土壤熱通量日總量分別為532.7，631.4 W/m2；陰天條件下，5 cm和10 cm土壤熱通量日總量為445.5，435.2 W/m2；雨天時，5 cm和10 cm土壤熱通量日總量為-242.7，-199.3 W/m2，即“晴天>陰天>雨天”，這說明晴天的太陽凈輻射更高，熱量條件更好，陰雨條件下云量較多，太陽輻射容易被遮蔽和散射，因此到達地表的凈輻射較少，由此導致不同天氣條件下土壤熱通量差距較大。

2.3 土壤熱通量年內變化

土壤熱通量的年內變化表明，5 cm和10 cm的土壤熱通量年內變化無明顯差異。5 cm和10 cm處土壤熱通量年內變化均表現(xiàn)為3—8月土壤熱通量基本為正，9月—翌年2月土壤熱通量基本為負，這與該研究區(qū)全年的熱量分布基本符合，3—8月溫度逐漸升高，能量由大氣向土壤傳輸，9月開始氣溫逐漸下降，至翌年2月能量均由土壤向大氣傳輸(圖3)。但實際上，該研究區(qū)9月氣溫雖有所下降，但溫度條件仍然較好，單單從氣溫的角度分析，9月份的土壤熱通量應仍以正值為主。張文斌等[11]在塔克拉瑪干沙漠的研究表明8月、9月氣溫較高，土壤熱通量為正值。本文中9月份的土壤熱通量以負值為主，可能與9月為水稻灌漿期，水稻生長旺盛，植株茂密，減少了輻射到達土壤表面的熱量，并且水稻生長也要吸收大量的熱量，加之氣溫下降等三方面的原因導致9月土壤熱通量基本為負值。從總量上看，本研究區(qū)5 cm和10 cm土壤熱通量的年總量均為負值(表1)，且10 cm土壤熱通量略微大于5 cm土壤熱通量。說明從全年的角度出發(fā)，該研究區(qū)地表能量傳輸方向主要是由土壤向地表傳輸。

注：Ⅰ為甘藍期；Ⅱ為插秧至分蘗期；Ⅲ為分蘗期；Ⅳ為拔節(jié)期；Ⅴ為抽穗、灌漿期；Ⅵ為成熟期。

3.4 不同時間尺度下土壤熱通量和土壤含水量(VWC)的相關性分析

半小時尺度上，稻季前和稻季后，不同深度(5，10 cm)土壤熱通量與不同深度(5，10，35，45 cm)土壤含水量均滿足極顯著負相關(除稻季后5 cm土壤含水量與10 cm土壤熱通量未達到顯著相關水平)，最小相關系數(shù)(絕對值)為0.027，最大相關系數(shù)達到0.141；而在稻季，各個深度土壤含水量與土壤熱通量均滿足極顯著正相關，最小相關系數(shù)為0.202，最大相關系數(shù)達到0.283(表2)。

日尺度上，稻季前，各個深度土壤含水量與土壤熱通量未達到顯著相關水平；稻季，各個深度土壤含水量與土壤熱通量均呈極顯著正相關，最小相關系數(shù)為0.491，最大相關系數(shù)達到0.55；與此相反，稻季后，各個深度土壤含水量與土壤熱通量均呈顯著或極顯著負相關，最小相關系數(shù)(絕對值)為0.176，最大相關系數(shù)達到0.34(表3)。

月尺度上，不同深度土壤含水量與土壤熱通量均未達到顯著相關水平，即月尺度下土壤含水量對土壤熱通量的影響并不顯著(表4)。

由上述相關性分析可知，無論是日尺度和半小時尺度，在水稻生長季(稻季)，土壤含水量與土壤熱通量均呈正相關，而在稻季前和稻季后二者呈負相關，這主要是因為在稻季稻田存在灌溉水層，水層具有儲熱功能，使得土壤可以在氣溫下降時額外獲得來自水層的熱量，由此土壤熱通量會有所上升，所以在稻季，土壤熱通量與土壤含水量呈正相關。而在稻季前以及稻季后田間并不存在灌溉水層，土壤水分的儲熱作用則減弱了土壤與大氣的熱交換，所以土壤含水量與土壤熱通量呈負相關。

3.5 不同時間尺度下土壤熱通量和土壤溫度(T)的相關性分析

在全年時段內，半小時尺度和日尺度上土壤熱通量和土壤溫度均滿足極顯著相關，但是在月尺度上，相關性明顯下降，5 cm土壤熱通量與土壤溫度無相關性，10 cm土壤熱通量與土壤溫度達到顯著相關?？梢?，土壤熱通量在半小時和日尺度上影響土壤溫度，而在月尺度上土壤溫度主要受凈輻射的影響。在半小時尺度和日尺度上，無論是稻季前、稻季，還是稻季后，10 cm土壤熱通量與不同深度土壤溫度(5 cm和10 cm)的相關系數(shù)要大于5 cm的相關系數(shù)。而5 cm土壤溫度與不同深度土壤熱通量(5 cm和10 cm)的相關系數(shù)也要大于10 cm的相關系數(shù)。這說明土壤溫度受到10 cm土壤熱通量的影響更大，且5 cm的土壤溫度與土壤熱通量的關系最為密切，這與孫成等[23]在安吉毛竹種植區(qū)的研究結果一致(表2—3)。

一天內土壤溫度和土壤熱通量的變化特征基本一致(圖4)，這也說明在半小時尺度上土壤熱通量顯著影響土壤溫度，并且從兩者到達峰值的時刻上發(fā)現(xiàn)土壤溫度總是滯后于土壤熱通量。

圖4 半小時尺度上土壤熱通量(G)與土壤溫度(T)日變化

4 討 論

本研究通過分析長江中下游稻田土壤熱通量在不同時間尺度下變化特征，我們發(fā)現(xiàn)土壤熱通量的日變化符合“S”型分布，這與前人的研究一致。從年尺度上看，本研究區(qū)全年的土壤熱通量為負值，土壤表現(xiàn)為“熱源”，這與在鼎湖山[24]和安吉[22]毛竹種植區(qū)的研究結果一致，但與大興安嶺原始林區(qū)[8]的研究結果相反，這主要是因為大興安嶺原始林區(qū)的環(huán)境為極端低溫。

通過選取典型日和計算全年雨天土壤熱通量半小時均值兩種方法進行不同天氣條件下土壤熱通量的研究，并與前人的研究結果對比發(fā)現(xiàn)，晴天土壤熱通量的日變化符合“S”型分布，但是在雨天條件下結果不一致，雨天條件下土壤熱通量短時間內容易受到不良天氣條件的影響而呈不規(guī)則變化，但當將全年雨天土壤熱通量進行半小時平均后分析發(fā)現(xiàn)這種天氣影響被大幅弱化，土壤熱通量再次符合“S”型分布。所以，研究方法的選擇對不同天氣條件下土壤熱通量的變化特征有顯著影響。

對于土壤含水量對土壤熱通量影響的研究，此前并不多見，前人的研究結果基本都是土壤含水量與土壤熱通量呈負相關。本研究考慮到稻季灌溉對土壤含水量的影響，分3個時段進行不同時間尺度土壤含水量與土壤熱通量的相關性分析。結果表明，月尺度上土壤含水量與土壤熱通量不相關，但在日尺度和半小時尺度上，由于稻季灌溉水層的儲熱功能，使得土壤熱通量在傍晚氣溫下降時仍能接受來自灌溉水層的熱量，因此稻季土壤含水量與土壤熱通量呈正相關，但在稻季前后兩個時段土壤含水量與土壤熱通量呈負相關，原因在于土壤水分的儲熱作用減弱了土壤與大氣的熱交換。但是考慮到長江中下游稻田和水分的特殊關系加之土壤含水量對土壤熱通量的影響較為復雜，未來需進一步開展土壤含水量影響稻田土壤熱通量的內在機理系統(tǒng)深入地研究。

較之土壤含水量，前人對土壤溫度與土壤熱通量的關系研究相對較多，結果與本文也基本一致，即土壤溫度受土壤熱通量影響顯著，且日變化存在滯后現(xiàn)象。日尺度和半小時尺度上土壤溫度與土壤熱通量的相關性優(yōu)于月尺度上土壤溫度與土壤熱通量的相關性，并且淺層土壤受土壤熱通量的影響最為顯著。

對于土壤熱通量的分析，國內主要依據(jù)不同生態(tài)系統(tǒng)和不同下墊面條件進行區(qū)分研究，盡管發(fā)現(xiàn)不同的生態(tài)系統(tǒng)土壤熱通量都有各自特殊的變化特征，并且不同時間尺度下各個因子對土壤熱通量的影響程度也不盡相同，但對于不同生態(tài)系統(tǒng)不同下墊面條件如何影響土壤熱通量變化的原因并沒有具體的解釋，所以后續(xù)的研究工作將著重關注不同生態(tài)系統(tǒng)間土壤熱通量的變化規(guī)律，以探尋不同下墊面條件對土壤熱通量影響的內在機理。

5 結 論

(1) 長江中下游稻田土壤熱通量的日變化成“S”型，白天土壤熱通量基本為正，表示能量由地表向土壤傳輸，且白天淺層土壤更易接收到更多熱量，因此土壤熱通量也大于較深層土壤熱通量，夜間則與之相反。同時，由于凈輻射對土壤熱通量的影響具有滯后性，所以一天中凈輻射首先達到峰值，其次是5 cm土壤熱通量，最后10 cm土壤熱通量到達峰值，并且5 cm土壤熱通量滯后于凈輻射的時間在不同水稻種植季節(jié)存在差異，稻季前和稻季后滯后時間為2 h，稻季滯后時間為1 h。在不同季節(jié)，稻季前和稻季土壤熱通量為正，稻季后為負，呈“稻季前>稻季>稻季后”。該研究站點5 cm和10 cm土壤熱通量年總量均為負值，說明該研究區(qū)總體上由土壤向地表傳輸能量。盡管不同深度處土壤熱通量日變化規(guī)律一致，但在數(shù)值上有明顯不同，白天5 cm土壤熱通量大于10 cm處，而在傍晚和夜間，5 cm土壤熱通量小于10 cm處。稻季前和稻季后，5 cm土壤熱通量在17：00小于10 cm處，而在稻季，這一時間提前至16：00。并且，5 cm土壤熱通量日變化程度大于10 cm處日變化程度。

(2) 在不同天氣條件下，土壤熱通量總量呈晴天>陰天>雨天，同時選取典型日進行不同天氣條件下土壤熱通量日變化分析得出，晴天和陰天土壤熱通量日變化符合“S”型，而雨天土壤熱通量日變化較不規(guī)則，但基于全年雨天半小時均值進行的研究則發(fā)現(xiàn)雨天的土壤熱通量變化也符合“S”型。這一結果與前人的研究有同有異，這主要是數(shù)據(jù)處理方法不同帶來的差異。

(3) 土壤含水量在半小時和日尺度上與土壤熱通量達到顯著相關，但在不同季節(jié)土壤含水量對土壤熱通量的影響并非一致，稻季土壤含水量與土壤熱通量呈正相關，而在其他時間則呈負相關。

(4) 土壤熱通量在半小時和日尺度上顯著影響土壤溫度，但在月尺度上土壤溫度主要還是受到凈輻射的影響，與土壤熱通量的關系并不十分密切。在半小時和日尺度上，10 cm土壤熱通量對土壤溫度的影響更大，并且5 cm土壤溫度與土壤熱通量的關系更為密切。

(5) 半小時和月尺度上，土壤熱通量均主要受凈輻射影響。日尺度上，稻季前，土壤熱通量主要受凈輻射影響，而在稻季和稻季后，土壤含水量對土壤熱通量的影響顯著提升甚至超過凈輻射對土壤熱通量的影響。