貢嘎山不同海拔森林土壤熱通量垂直梯帶時空變異特征1)

楊陽 王根緒 孫向陽 胡兆永 周云波

(中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，成都，610041) (四川測繪地理信息局測繪技術服務中心)

土壤是植物生長的重要場所，其水熱是植物生長發(fā)育、群落演替和生態(tài)系統(tǒng)建立所必不可少的基礎。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)地—氣能量之間相互作用的重要物理參量之一，土壤熱通量在陸地生態(tài)系統(tǒng)能量平衡中極其關鍵[1-3]。陸地生態(tài)系統(tǒng)的驅(qū)動能量來自于凈輻射，干燥裸地的土壤熱通量占凈輻射比值為30%～50%[4-6]。土壤熱通量不僅影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)能量平衡，而且與土壤熱量狀況關系密切[7-9]。在短時間尺度上，忽略了土壤熱通量的變化將導致地表能量不平衡，區(qū)域能量閉合程度會受到極大影響[10-14]。另外，土壤熱通量是蒸散發(fā)模擬的重要驅(qū)動因子，極大地影響著地表蒸散發(fā)的模擬精度[15-16]。因此，土壤熱通量在陸地生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)、能量循環(huán)和碳循環(huán)具有十分重要的作用。

對土壤熱通量變化的研究，不僅能更好地認識土壤熱量收支狀況及植物養(yǎng)分和水分的吸收，同時能幫助我們深入地了解整個生態(tài)系統(tǒng)中的水分輸送和地表能量的平衡情況[17-18]。目前，土壤熱通量的研究多集中于農(nóng)田、草原、裸地植被覆蓋程度不高的區(qū)域[19-23]。在寒溫帶、溫帶和亞熱帶森林均有關于土壤熱通量的報道[24-26]。而在山地森林生態(tài)系統(tǒng)中，由于土壤物理化學性質(zhì)和土壤水分的差異，以及森林林冠層和地形條件的異質(zhì)性，森林土壤熱通量的差異較大[27-28]，從而導致不同森林類型中土壤熱通量對于能量平衡貢獻率存在顯著差異。因此，準確認識山地森林生態(tài)系統(tǒng)土壤熱通量的時空變異規(guī)律，能為山地森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量循環(huán)研究提供基礎數(shù)據(jù)及理論基礎。西南山地地貌特征復雜，受山體影響，土壤、植被類型等關鍵要素的空間分布不均，導致土壤熱通量呈現(xiàn)出強烈的時間和空間異質(zhì)性，而目前仍然缺乏對該區(qū)域土壤熱通量變化特征進行精細研究。貢嘎山是青藏高原東南緣和中國西南地區(qū)的典型高山生態(tài)系統(tǒng)，是亞洲季風氣候帶的冰川—森林發(fā)育區(qū)，具有從闊葉林—針闊混交林—針葉林—高山灌叢—高寒草甸完整的垂直帶譜[29]。因此，為更深入認識復雜山地垂直森林帶的能量平衡特征，本研究以貢嘎山不同海拔的3種森林類型(闊葉林、針葉闊葉混交林、暗針葉林)為研究對象，目的是分析該區(qū)域土壤熱通量的時空變化特征；探討影響土壤熱通量變化的調(diào)控因素。

1 研究區(qū)域概況

貢嘎山位于青藏高原的東南緣，橫斷山脈中部，主峰海拔7 556 m。研究區(qū)位于亞熱帶溫暖濕潤季風區(qū)與青藏高原東部高原溫帶半濕潤區(qū)的過渡帶上，年均空氣相對濕度90%左右，每年5—10月為雨季和生長季。貢嘎山高山生態(tài)系統(tǒng)植被垂直分布明顯，從低海拔到高海拔分布有闊葉林、針葉闊葉混交林、亞高山針葉林、高山灌叢草甸、高山流石灘稀疏植被等植被類型。本研究選擇針葉林、針闊混交林、闊葉林3種典型森林類型作為研究對象，開展山地垂直植被帶的土壤熱通量時空變異規(guī)律研究。樣地詳細情況見表1。

表1 研究樣地基本信息

2 材料與方法

2.1 土壤熱通量及相關環(huán)境因子監(jiān)測

本研究數(shù)據(jù)來源為貢嘎山站垂直植被帶譜土壤熱通量觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時間序列為2016年全年。3種森林樣地內(nèi)在土壤5、10、20、40 cm深度處設有土壤溫度探頭(型號：HMP155A，Vaisala，F(xiàn)inland)，觀測土壤溫度；在土壤表層(5 cm)布設3個HFP01SC土壤熱通量板，監(jiān)測土壤熱通量數(shù)據(jù)；NR01四分量輻射傳感器設置在森林冠層上部(距地面40 m)，用于計算太陽凈輻射。

2.2 葉面積指數(shù)

葉面積指數(shù)LAI通過MODIS計算(MOD15A2H)，時間間隔8 d(https://search.earthdata.nasa.gov/)。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

本文選取的土壤熱通量數(shù)據(jù)資料為2016年全年的小時數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)利用Excel 2010和SPSS 16.0進行統(tǒng)計分析，選擇生長季(6月和7月)和非生長季(1月和2月)的相同時刻做平均處理，得到闊葉林、針闊混交林和針葉林土壤熱通量日動態(tài)變化；3種森林類型土壤熱通量日值采用單因素方差分析(ANOVA)、Duncan法進行多重比較分析；利用R軟件采用逐步回歸分析建立土壤熱通量與氣象因子和葉面積指數(shù)的多元線性回歸方程；變量對土壤熱通量的貢獻率利用R軟件進行計算，首先計算土壤熱通量與變量(Ta、Rn、T5、T10、ILA)之間的相關關系，得到變量的回歸系數(shù)，然后系數(shù)的平方比即是每個變量的相對貢獻率[30]；采用Origin 9.0軟件繪制圖形。

3 結果與分析

3.1 土壤熱通量日動態(tài)變化

選擇闊葉林、針闊混交林、針葉林典型生長季(6月和7月)和非生長季(1月和2月)的土壤熱通量半小時數(shù)據(jù)，得到3種森林類型土壤熱通量的日動態(tài)變化圖。整體上，闊葉林的小時變化幅度大于針闊混交林和針葉林(圖1)。

非生長季，闊葉林、針闊混交林和針葉林土壤熱通量均為負值，表明熱量從土壤向大氣釋放。闊葉林、針闊混交林和針葉林土壤熱通量平均值分別為-3.47、-5.25和-2.58 W·m-2；負向最大值分別為-4.44、-5.57 W·m-2和3中-2.67 W·m-2，分別出現(xiàn)在09:00、10:00和12:00。

生長季，闊葉林、針闊混交林和針葉林土壤熱通量平均值為正值，表明熱量從大氣傳入土壤。闊葉林、針闊混交林和針葉林土壤熱通量平均值分別為3.64、4.98和3.17 W·m-2；最大值分別為10.34、10.38和4.22 W·m-2，分別出現(xiàn)在15:00、15:00和19:00。

3.2 土壤熱通量季節(jié)動態(tài)變化

由圖2可以看出，不同森林類型土壤熱通量隨季節(jié)變化趨勢基本一致。闊葉林、針闊混交林和針葉林土壤熱通量正向最大值出現(xiàn)在5月1日、5月3日、5月4日，分別為9.70、12.87、7.97 W·m-2；負向最大值出現(xiàn)在10月29日、11月28日、11月9日，分別為-8.89、-13.58、-6.73 W·m-2。

圖1A和B中縱坐標刻度大，針葉林土壤熱通量變化曲線波動不明顯，因此鑲嵌縱坐標刻度范圍小的圖1a和b，針葉林土壤熱通量日動態(tài)變化。

3.3 土壤熱通量月動態(tài)變化

闊葉林、針闊混交林、針葉林土壤熱通量的月累積總量明顯的季節(jié)變化，夏秋季明顯高于春冬季，可能受凈輻射和地溫影響(表2)。結果表明，3種森林類型的土壤熱通量月累積值變化趨勢相似：整體上先升高后降低，負向最大值都出現(xiàn)在12月，正向最大值都出現(xiàn)在5月份。闊葉林土壤熱通量月累計在3—8月均為正值，而針闊混交林、針葉林在4—8月均為正值，即土壤為熱匯；其他月份累計值均為負值，即土壤為熱源；9月份開始出現(xiàn)正負值交替。3種森林類型的年總土壤熱通量均為負值，即土壤為熱源。其中，闊葉林為-1.88 MJ·m-2，針闊混交林為-13.78 MJ·m-2，針葉林為-9.61 MJ·m-2。

3.4 土壤熱通量對凈輻射響應的滯后性

為了分析土壤熱通量對太陽凈輻射的延滯效應，對即時相關、延遲1～10 h的太陽凈輻射與土壤熱通量的進行相關分析(表3)。整體上，闊葉林、針闊混交林、針葉林的土壤熱通量延遲相關達到了極顯著水平(P<0.001)。闊葉林、針闊混交林土壤熱通量與延時0～3 h的凈輻射進行相關分析，R2逐漸增大，并在3 h的延遲相關分析中達到最大值，隨后R2逐漸下降。而針葉林最大的延時相關系數(shù)在6 h，比闊葉林、針闊混交林晚3 h。

表3 土壤熱通量(G)和凈輻射(Rn)的關系

3.5 土壤熱通量與環(huán)境因子的關系

隨著海拔的變化，土壤溫度、降水、氣溫、太陽輻射等環(huán)境因子的差異，土壤熱通量有著顯著的空間差異性。如圖3所示，闊葉林、針闊混交林和針葉林土壤熱通量沒有表現(xiàn)出明顯的海拔梯度規(guī)律；針闊混交林土壤熱通量為負向最大值，闊葉林為負向最小值，且差異顯著。

圖中不同小寫字母表示平均值差異達到顯著水平(P<0.05)。

土壤熱通量日值變化與環(huán)境因子有較為緊密的聯(lián)系(表4)。將闊葉林、針闊混交林和針葉林土壤熱通量與2 m氣溫(Ta)、40 m氣溫(Ta40)、凈輻射(Rn)、5 cm土壤溫度(T5)、10 cm土壤溫度(T10)、20 cm土壤溫度(T20)、40 cm土壤溫度(T40)進行相關分析，得到土壤熱通量日值回歸方程結果，40 m氣溫、20 cm土壤溫度、40 cm土壤溫度在相關分析過程中未達到顯著水平，對土壤熱通量無顯著影響。土壤熱通量與2 m氣溫、凈輻射、5 cm土壤溫度、10 cm土壤溫度方程擬合較好(P<0.001)，且顯著影響土壤熱通量，是土壤熱通量變化的主要影響因子。通過逐步回歸分析，發(fā)現(xiàn)氣溫分別解釋闊葉林、針闊混交林和針葉林土壤熱通量的55.8%、62.4%、59.2%的變化，表明氣溫對土壤熱通量的變化影響作用最為突出。

表4 土壤熱通量日值與環(huán)境因子關系

3.6 土壤熱通量占凈輻射比值與葉面積指數(shù)關系

3種森林類型土壤熱通量占太陽凈輻射的比值在1a中大致呈“U”型變化(圖4)，整體上，3種森林土壤熱通量占凈輻射的比例隨時間先降低再升高；相反，3種森林類型的葉面積指數(shù)隨時間先升高再降低。土壤熱通量占凈輻射比例隨葉面積指數(shù)增大而減小，然后隨著葉面積減小而增大，說明土壤熱通量占凈輻射的比值受葉面積指數(shù)的影響。闊葉林、針闊混交林和針葉林土壤熱通量分別占凈輻射總量的0.07%、0.47%和0.35%。年尺度上土壤熱通量雖然占凈輻射比例較小，但是小時尺度、日尺度和季節(jié)尺度土壤熱通量變化均顯著影響能量平衡過程，進而影響植物生長和水文循環(huán)，因此，須準確分析土壤熱通量的變化。

圖4 土壤熱通量占凈輻射的比值與葉面積指數(shù)時間動態(tài)變化

3.7 土壤熱通量變化的因子貢獻率

3種森林類型土壤熱通量與2m氣溫、凈輻射、5cm土壤溫度、10cm土壤溫度、葉面積指數(shù)因子緊密相關，分析這些因子對土壤熱通量的貢獻率，結果顯示：在闊葉林和針闊混交林中，凈輻射相對貢獻率最高(34.54%，30.12%)；在針葉林中，葉面積指數(shù)貢獻率最高(27.47%)。將闊葉林、針闊混交林和針葉林土壤熱通量與Ta、Rn、T5、T10、ILA進行多元線性回歸分析，得到土壤熱通量多元線性回歸方程(表6)。闊葉林土壤熱通量通過AIC篩選排除了T5因子，闊葉林土壤熱通量與Ta、Rn、T10、ILA之間多元線性回歸關系顯著。針闊混交林和針葉林土壤熱通量與Ta、Rn、T5、T10、ILA之間多元線性回歸關系皆顯著。

表5 主要因子對土壤熱通量相對貢獻率 %

表6 土壤熱通量與主要因子的多元線性回歸方程

4 結論與討論

4.1 土壤熱通量的變化特征

地表熱量的收支狀況已成為全球氣候變化異常研究的熱點，土壤熱通量作為地表熱量平衡的組成部分，其土壤熱量狀況不僅影響著地表能量閉合程度，而且對研究土壤能量流動、水分輸送和物質(zhì)交換具有重要意義[31-34]。因此，本研究選擇了不同海拔3種森林土壤熱通量進行了研究，結果顯示，3種森林類型土壤熱通量日動態(tài)變化與前人的研究結果相似[24，35-36]，都呈較明顯的“S”型曲線變化。在日尺度上，3種森林類型土壤熱通量在非生長季表現(xiàn)為負值，說明非生長季土壤為熱源，能量由土壤向地上部分傳遞；而在生長季土壤熱通量為正，說明生長季土壤為熱匯，能量由地上部分向土壤傳遞。這些研究結果與胡兆永[36]和王旭的[26]研究結果相似。

年尺度上，土壤是熱源，其中闊葉林年總土壤熱通量為-1.88MJ·m-2，針闊混交林為-13.78MJ·m-2，針葉林為-9.61MJ·m-2。在月尺度上，3種森林類型土壤熱通量負向最大值都出現(xiàn)在12月，正向最大值都出現(xiàn)在5月份，9月份開始出現(xiàn)正負值交替，這與中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡分析17個野外臺站土壤熱通量結果一致[17]。對土壤熱通量的大小及正負轉(zhuǎn)變的研究，可以計算出土壤熱量的收支，為地表能量平衡方程提供基礎數(shù)據(jù)，從而進一步為大氣-植被-土壤連續(xù)體的能量交換機理提供參考。

4.2 土壤熱通量與凈輻射和葉面積指數(shù)的關系

冠層吸收的太陽凈輻射是土壤熱量的主要來源，其大小直接影響著土壤熱通量的變化特征。研究太陽凈輻射和土壤熱通量的關系，可以評估土壤的熱量平衡狀態(tài)[37-38]。本研究中，闊葉林全年總土壤熱通量占太陽凈輻射總量的比例為0.07%、針闊混交林比例為0.45%、針葉林比例為0.35%，這3種森林類型土壤熱通量占凈輻射比例有所差異。這可能是由于土壤熱通量與凈輻射的比值(G/Rn)與植被覆蓋度[39]、葉面積指數(shù)[40-41]、植被指數(shù)[42-45]和植被高度[46-48]有關。本研究中，3種森林類型土壤熱通量占凈輻射的比例隨著葉面積指數(shù)增大而減小，然后隨著葉面積減小而增大。當植被葉面積指數(shù)增大，遮擋太陽凈輻射變大，土壤吸收的熱力小，土壤熱通量占凈輻射比例小，反之，植被葉面積指數(shù)減小時，遮擋太陽凈輻射變小，土壤吸收熱力大，土壤熱通量占凈輻射比例大，說明葉面積指數(shù)影響著土壤熱通量和凈輻射。

土壤熱通量主要來源于太陽凈輻射，從太陽輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥罒嵬啃枰欢ǖ臅r間，因此土壤熱通量與凈輻射之間存在時間延遲效應。由于不同森林生態(tài)系統(tǒng)林下微氣候環(huán)境和林上林冠層的差異，造成了不同森林土壤熱通量對凈輻射反饋的延遲效應的不同[49]。本研究中，闊葉林、針闊混交林的延遲3h，而針葉林的延遲6h。

4.3 土壤熱通量時空異質(zhì)性

本研究中土壤熱通量與環(huán)境相關因素之間的相關分析說明，土壤熱通量與2m氣溫、凈輻射、5cm土壤溫度、10cm土壤溫度方程擬合較好(P<0.001)，且顯著影響著土壤熱通量，即是造成土壤熱通量時間變化的影響因子。而氣溫對土壤熱通量時間變異性影響作用最為突出。作為主要影響因子，氣溫可以通過改變土壤溫度影響著土壤熱通量。土壤溫度變化主要決定于土壤表面熱量的收支狀況，而其升降決定了導入土壤熱通量的多少[49-50]。另外太陽輻射會影響著氣溫和土壤溫度。因此，這些因子是相互關聯(lián)，共同影響著土壤熱通量的變化特征。在闊葉林和針闊混交林中，凈輻射相對貢獻率最高(34.54%，30.12%)；在針葉林中，葉面積指數(shù)貢獻率最高(27.47%)。將闊葉林、針闊混交林和針葉林土壤熱通量與2m氣溫、凈輻射、5cm土壤溫度、10cm土壤溫度、葉面積指數(shù)進行多元線性回歸分析，得到土壤熱通量多元線性回歸方程，且多元線性回歸關系皆顯著。

由于受到地形條件、氣溫、降水、光照輻射、土壤特性等環(huán)境因子的影響，不同區(qū)域的土壤熱通量變化具有明顯差別，即是土壤熱通量在空間異質(zhì)性。本研究中，土壤熱通量隨海拔梯度升高沒有表現(xiàn)出明顯規(guī)律，但闊葉林土壤熱通量與針闊混交林和針葉林差異顯著。另外，闊葉林土壤熱通量月累計在3月由負值轉(zhuǎn)向正值，而針闊混交林、針葉林在4月由負值轉(zhuǎn)向正值，這可能是闊葉林海拔低，氣溫高，提前進入了生長季。本研究中，針闊混交林土壤熱通量為負向高于闊葉林，且差異顯著。這可能由于森林蒸散發(fā)作為一個重要的氣候變量[51-52]，當蒸散發(fā)的升高時，對大氣起到了降溫的作用[53]，在本研究區(qū)中，針闊混交林植被蒸散發(fā)(794.0mm)高于闊葉林(779.1mm)[29]，因此針闊混交林中的土壤將釋放更多的熱量，從而導致針闊混交林土壤熱通量負向值高于闊葉林。

綜上所述，在山地森林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤熱通量受到植被和氣候因子共同影響，表現(xiàn)出明顯的時空異質(zhì)性。因此，準確觀測森林生態(tài)系統(tǒng)土壤熱通量動態(tài)變化特征，不僅可以幫助我們更好的了解山地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量交換過程的時空格局，也為模擬不同氣候變化情境下的山地區(qū)域陸—氣耦合循環(huán)過程提供參數(shù)化方案。

致謝：感謝中國科院、水利部成都山地災害與環(huán)境研究所孫菊英博士在數(shù)據(jù)處理過程中給予的支持和幫助。