胡兆永 陈书军 庞军柱 张硕新

(西北农林科技大学，杨凌，712100)

秦岭火地塘林区油松林土壤热通量1)

胡兆永 陈书军 庞军柱 张硕新

(西北农林科技大学，杨凌，712100)

以2012年1月1日—12月31日土壤热状况的实测数据为基础，研究了秦岭火地塘林区油松林土壤热通量的变化特征及其与净辐射的关系。结果表明：10和20 cm层土壤非生长季和生长季热通量的日变化均呈“S”型，且前者振幅较大；两层土壤3—8月的热通量月累计均为正值，其它月份累计均为负值，月总值占净辐射的比例变动范围分别为-17.50%～3.11%和-18.61%～3.72%；10和20 cm层土壤年总热通量分别为-2.33、-2.16 MJ·m-2，说明就全年尺度而言，土壤是热源；在日尺度和月尺度水平上，土壤热通量和净辐射均为极显著正相关；土壤热通量对净辐射的反馈存在延时效应，10 cm层在非生长季反馈要延滞3 h，生长季为4 h；而20 cm层的反馈延滞在非生长季为5 h，生长季为7 h。

秦岭；油松；土壤热通量；净辐射

由于温室气体排放引起全球气候变化不断加剧，森林生态系统CO2通量研究成为近年来的研究热点之一，而其重要的基础是生态系统能量平衡的研究[1-2]。土壤热通量是表征地—气能量交换的主要物理参量，是森林生态系统能量平衡方程中的重要组成部分，对系统的能量闭合程度有较大影响[3-5]。土壤热通量的不同，反映了不同生态系统获得能量能力的强弱，也反映了不同生态系统地温的变化特征和气候特征[6]。因此，通过对土壤热通量的观测和分析，可以了解地表能量的收支状况以及植物根系生长的微气候环境，对掌握不同生态区域的能量平衡、水分输送和植物根系的呼吸作用有十分重要的意义[7]。目前，对土壤热状况的研究集中于农田[8]、草原[9]、裸地[10]等植被覆盖程度不高的区域。而对于森林，由于林地土壤性质和含水量等的变化，冠层和地形的不均一，土壤热通量时空差异，以及测试手段有限等原因，研究难度较大[11]。目前，虽然已有学者对寒温带[12]、南亚热带[13]、藏东南[14]等地区的森林土壤热通量进行了研究，但是对秦岭这一独特的中国南北气候区天然分界线的森林土壤热通量研究的相关报道较少。油松是秦岭林区主要的森林类型，主要分布于松栎林亚带，并在该区域形成较稳定的群落[15]。所以，油松林土壤热传导季节性变化的研究对该森林生态系统能量流动及CO2通量的测定具有重要意义。

本文以油松林为研究对象，使用土壤热通量板及常规的气象观测数据分析秦岭火地塘林区油松林土壤热通量日变化及季节变化特征，探讨其与太阳净辐射的相关关系，为研究该林区土壤热交换和传递规律乃至整个生态系统的能量平衡奠定基础。

1 研究区概况

研究区位于秦岭南坡中段，海拔800～2 500 m，年均温度9 ℃，年降水量900～1 200 mm，年蒸发量800～950 mm，年总日照时间1 100～1 300 h，生长期5—10月，非生长季1—4月及11—12月，无霜期170 d。区内地形复杂，为花岗岩和片麻岩石质山地，平均坡度35°左右。土壤为火成岩、变质岩以及石灰岩母质上发育的中到弱酸性山地棕壤。

本研究以秦岭火地塘林区陕西秦岭森林生态系统国家野外科学观测研究站(33°18′～33°28′N，108°21′～108°39′E)环境因子梯度观测系统长期的观测数据为基础。环境因子梯度观测系统位于研究站的油松林综合观测场中。观测场内优势树种为天然次生油松(Pinustabulaeformis)，平均树龄60 a，平均胸径25 cm，平均树高15 m，密度1 600株/hm2。主要伴生树种有锐齿栎(Quercusalienavar.acuteserrata)、华山松(Pinusarmandi)、红桦(Betulaalbo-sinensis)、漆树(Toxicodendronvernicifluum)和青榨槭(Acerdavidii)等。林下灌木个体高110～460 cm，平均盖度52%；林下草本平均高40 cm，平均盖度35%，镶嵌分布于各个林隙中。

2 研究方法

2.1 土壤热通量及相关环境指标监测

环境因子梯度观测系统在地下设有3层(10 cm，20 cm，30 cm)CSI-109温度探头(Campbell，USA)，对不同深度土壤进行连续测定；在10 cm和20 cm深处设有HFP01土壤热通量板(Hukseflux，Netherlands)，测量土壤热通量；CNR1净辐射传感器(Campbell，USA)设置在油松林冠层上(距地27 m)，测量研究区的太阳辐射收支及净辐射能量(包括短波和长波)收支。所有仪器探头测得的数据由CR1000数据采集器(Campbell，USA)自动记录，每2 s读取数据一次，经处理后输出0.5 h平均值，采用Campbell公司开发的Loggernet数据采集软件采集所有仪器探头所测得的数据。

2.2 数据处理方法

本研究选取的观测资料为2012年1月1日至2012年12月31日间1 a的数据。所有数据利用Microsoft Excel和IBM SPSS Statistics 20.0进行统计分析，图形则采用Origin 8.0绘图软件完成。

3 结果与分析

3.1 油松林环境因子的季节变化

油松林不同土层温度年内变化较为一致,各土层最高温度和最低温度出现的时间基本相同(图1a)。10、20和30 cm土层温度的变化范围分别为0.60～20.24、1.36～19.65、1.76～19.79 ℃。三层土壤温度的年日均值分别为10.16、9.75、9.80 ℃，最高值均出现在8月中旬，而最低值均出现在1月上旬。

太阳净辐射的年变化为单峰曲线(图1b)。全年净辐射变幅为-53.38～276.40 J·m-2·s-1，6月达到最大值(276.40 J·m-2·s-1)。非生长季日均净辐射量(57.73 J·m-2·s-1)低于生长季(108.91 J·m-2·s-1)。全年净辐射总量为2 635.90 MJ·m-2·s-1，日均值为83.32 J·m-2·s-1。

图1 不同深度土壤的年日均温及太阳净辐射的年变化

3.2 土壤热通量的日变化

选取典型非生长季(1月和2月)和生长季(6月和7月)0.5 h实时数据，分别对不同时期每天不同时刻的土壤热通量求平均值，得到油松林不同时期不同土层热通量的平均日变化曲线(图2)。

整体上看，非生长季(图2a)和生长季(图2b)不同层次土壤热通量的日变化均呈“S”型，且10 cm层的振幅大于20 cm层。不同季节的土壤热通量在数值和日变化趋势上都有明显差异。

在非生长季中，10 cm热通量平均值为-2.00 J·m-2·s-1，15:00达到正向最大值(0.57 J·m-2·s-1)，09:00达到负向最大值(-3.31 J·m-2·s-1)。而在生长季，10 cm层土壤热通量平均值为3.71 J·m-2·s-1，在17:00达到最大值(6.61 J·m-2·s-1)，最小值(1.28 J·m-2·s-1)出现在07:00。

图2 不同季节土壤热通量日变化

20 cm层土壤热通量在非生长季均为负值，平均值为-2.39 J·m-2·s-1，在11:00达到负向绝对值的最大值(-3.12 J·m-2·s-1)。而在生长季中，该层土壤热通量平均值为4.27 J·m-2·s-1，20:00达到最大值(5.69 J·m-2·s-1)，09:00出现最小值(2.90 J·m-2·s-1)。

3.3 土壤热通量的季节变化

1 a中，不同土层土壤热通量随时间变化的趋势基本一致(图3a)。10 cm层和20 cm层土壤热通量正向最大值出现在6月20日，分别为9.21和10.74 J·m-2·s-1，负向最大值出现在12月23日分别为-6.87和-6.83 J·m-2·s-1。

10 cm层土壤3—8月的热通量月累计均为正值，其他月份累计值均为负值(图3b)。负向最大值出现在12月(-11.51 MJ·m-2)，正向最大值出现在7月(9.93 MJ·m-2)。就绝对值而言，最小值出现在9月(-2.20 MJ·m-2)。该层年总土壤热通量为-2.33 MJ·m-2。

20 cm层呈现出与10 cm层相同的规律，但在数值上有所差异(图3b)。除了3月份外，相同月份月累计值的绝对值均比10 cm层大。负向绝对值的最大值出现在12月(-12.24 MJ·m-2)，正向最大值出现在7月(11.88 MJ·m-2)，绝对值最小值出现在3月(2.11 MJ·m-2)。该层年总土壤热通量为-2.16 MJ·m-2，绝对值小于10 cm层。

图3 土壤热通量季节变化及月累计值

3.4 土壤热通量与净辐射关系

3.4.1 土壤热通量占净辐射的比例

两层土壤热通量月总值占净辐射的比例在3—8月为正值，其他月份为负值(图4)。由于净辐射始终为正，故其符号受土壤热通量方向变化的影响。两层的比例分别从1月的-8.75%、-10.51%开始，绝对值下降到2月的-3.07%和-3.65%。在3月达到正值后逐渐上升，在7月达到一年中正向最大比例，分别为3.11%和3.72%。之后稳步下降，在9月变为负值，一直下降到12月负向最大比例分别为-17.50%和-18.61%，也是一年中绝对值最大值。

3.4.2 土壤热通量与净辐射的回归关系及延时效应

净辐射日均值与土壤热通量日均值的回归方程分别为：

G10(y)=0.028x-2.409 5(R2=0.353 8，P<0.01，n=366)；

G20(y)=0.027 8x-2.383 5(R2=0.296 9，P<0.01，n=366)。

净辐射日均值与土壤热通量月均值的回归方程分别为：

G10(y)=0.057 8x-12.9(R2=0.874 9，P<0.01，n=12)；

G20(y)=0.064 9x-14.426(R2=0.868 1，P<0.01，n=12)。

在日尺度和月尺度水平上，净辐射和土壤热通量均呈极显著正相关。月尺度上回归分析的相关系数比日尺度大。

图4 土壤热通量月总值占净辐射的比例

为了检验净辐射与土壤热通量是否存在延时效应，在典型非生长季(1月和2月)和生长季(6月和7月)内进行0(没有延时)至8 h延时的土壤热通量与净辐射的相关分析，结果见表1。

在非生长季，10 cm层延时相关均达到极显著水平(P<0.01)。在延时0～3 h时，相关系数稳步提高，并在3 h的延时分析中，相关性达到最大值(R2=0.318 8)。继续加长延迟时间，相关系数下降。20 cm层的延时相关均达到极显著水平(P<0.01)，相关系数在延时5 h时达到最大值，比10 cm层晚2 h。

在生长季中，延时相关分析与非生长季有相同的变化规律，即相关系数随着延时的增加先增大后减小。但是，在这一时期，10 cm层的最大相关系数出现在延时4 h，而20 cm层则出现在延时7 h，均比非生长季同一土层要晚。

4 讨论

4.1 土壤热通量的变化特征

本研究的土壤热通量日变化规律与千烟洲红壤丘陵区人工林[16]以及会同杉木人工林[17]的研究结果相似。在日变化中，两层土壤热通量的平均值非生长季为负而生长季为正，且在绝对值上前者的正向最大值小于后者，而负向最大值大于后者，均说明非生长季土壤为热源而生长季为热汇。不同土层土壤热通量变化规律相似，但20 cm层相位相对于10 cm层后移，达到各极值的时间比对应的10 cm层土壤推迟，可能是由于能量传递需要一定的时间，所以较深处的土壤热通量变化也相应延滞[13]。

表1 土壤热通量(G)与净辐射(Rn)的关系

非生长季中，逐日土壤热通量值多为负值，而生长季土壤热通量多为正值，能量传递的方向与日变化相一致，即在非生长季能量由土壤向地上部分传播，生长季则相反，这与王旭等[13]对针阔混交林的研究结果相同。但是，就不同季节不同土层土壤热通量年日均值的绝对值而言，研究结果与前人不完全相同。王旭等[13]研究表明，旱季5 cm处土壤热通量绝对值大于表层，而雨季则小于表层。本研究中，非生长季和生长季深层土壤热通量绝对值均大于浅层土壤。在非生长季，由于土壤是热源，能量由土壤深层传向浅层，在传递过程中，20 cm土层会贮存一部分热量，所以浅层热通量比深层小[13]。而生长季多雨，油松林中20 cm层土壤质量含水量高于10 cm层，土壤热容量增大，在温差不大的情况下，可以容纳更多的能量，造成土壤热通量数值较大[18]。

4.2 土壤热通量与净辐射的关系

土壤热通量与冠层吸收的净辐射密切相关，其变化直接影响着土壤热通量的特性，了解土壤热通量与净辐射的关系，可以评估土壤的热平衡状况[19-20]。

10、20 cm层全年总土壤热通量分别为-2.33、-2.16 MJ·m-2·s-1，仅占太阳净辐射总量(2 635.90 MJ·m-2·s-1)的-0.088%和-0.082%。而张利平等[17]对会同杉木人工林的研究中，10 cm层和20 cm层的年总土壤热通量分别占全年净辐射的-0.37%和-0.67%，说明这两种不同的森林类型对净辐射的利用率有所差异。这可能是由森林土壤结构、性质和含水量的变化，以及冠层的不一致导致土壤表面辐射状况差异所引起的[21]。此外，林分所在立地的坡度、坡向也对对土壤热状况和传输产生影响[22]。总的来说，土壤热通量仅占净辐射的很小一部分。但是，由于能量平衡大多在较小的时间尺度上进行比较，故必须准确分析土壤热通量的变化，否则会极大地影响能量平衡程度[13]。

油松林净辐射日均值与两层土壤热通量日均值均为极显著正相关(P<0.01)，说明净辐射的规律性变化是影响该森林类型土壤热传导的主要因素，与前人研究结果一致[23-24]。相对于日尺度水平，月尺度上土壤热通量与净辐射之间的相关性有显著提高，说明在该林分中，土壤热状况对净辐射的反馈在较大的时间尺度上表现得更为充分[11]。虽然本研究中净辐射与土壤热通量的相关性均达到了极显著水平，但是二者的相关系数较小。有研究发现在稀疏冠层覆盖的生态系统中二者的回归关系更为紧密，相关系数可达0.83～0.95[25-26]，可能是由于植被覆盖程度不高，使得更多比例的净辐射到达地表，土壤热状况受外界的影响更大[27]。

本研究中，太阳净辐射与土壤热通量间存在延时效应，且生长季土壤热通量在反馈的延滞时间上都比同层非生长季的延滞时间晚。王旭等[13]和伊光彩等[11]对南亚热带地区常绿森林的研究也发现了类似的延时效应(2.5 h)，但是没有发现夏季和冬季的差异性；而王文杰等[12]对落叶松人工林进行相同分析，发现夏季(2～3 h)的延迟时间比冬季(4～5 h)稍短。产生延时效应的主要原因是土壤热通量通常以净辐射的变化为基础，而由太阳辐射转变为土壤热能，并由热能差异产生热通量需要一定的时间[12]。同时，由于林分林冠层的遮挡以及林内微环境的影响，土壤热通量对净辐射的反馈就存在延时[14]。受地理位置、温度、光照、降水和土壤特性等条件的综合影响，不同地区土壤热通量的年变化幅度具有明显差别[6]：在东北和西北地区，春夏季土壤热通量较大，冬季土壤热通量小，年变幅比较大；而在长江流域地区，受雨季的变化影响明显，夏季增加幅度不是很大，所以年变化幅度比较小，这就造成了不同地区延时效应季节变化的差异性。

5 结论

日尺度水平上，10和20 cm层土壤热通量平均值在非生长季分别为-2.00、-2.39 J·m-2·s-1，在生长季分别为3.71、4.27 J·m-2·s-1；月尺度水平上，两层土壤3～8月的热通量累计均为正值，其他月份累计值均为负值；各层年总土壤热通量分别为-2.33和-2.16 MJ·m-2·s-1，全年土壤表现为热源。土壤热通量对净辐射的反馈存在延时效应，10 cm层在非生长季反馈要延滞3 h，生长季为4 h；而20 cm层的反馈延滞在非生长季为5 h，生长季为7 h。

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Soil Heat Fluxes inPinustabulaeformisForest at Huoditang Forest Region in the Qinling Mountains/

Hu Zhaoyong, Chen Shujun, Pang Junzhu, Zhang Shuoxin(Northwest A&F University, Yangling 712100, P. R. China)//

Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(6).-53～57

With the soil thermal measurements from January 1 to December 31, 2012, we studied the characteristics of soil heat fluxes and the relationship between soil heat fluxes and solar net radiation inPinustabulaeformisforest at Huoditang forest region in the Qinling Mountains. The diurnal changes of soil heat fluxes at 10 cm depth and 20 cm depth have an “S” shape both in the growing season and non-growing season. The fluctuation of soil heat at 10 cm depth is stronger than that at 20 cm. The value of monthly accumulation of soil heat fluxes from March to August at 10 cm and 20 cm depth are positive, while there is negative value in other months. The proportion of monthly soil heat fluxes to the net radiation at the two depth ranges from -17.50% to 3.11% and -18.61% to 3.72%, respectively. The total soil heat fluxes in a year at 10 cm and 20 cm depth are -2.33 and -2.16 MJ·m-2, respectively, indicating that the soil is a heat source at the annual temporal scale. Significant correlations between the soil heat fluxes and net radiation were observed at both 10 cm and 20 cm depth at daily and monthly annual temporal scales. There is time-lag effect in soil heat fluxes to net radiation, with three hours’ time-lag in growing season and four hours’ time-lag in non-growing season at 10 cm depth and five hours’ time-lag in growing season and seven hours’ time-lag in non-growing season at 20 cm depth.

The Qinling Mountains;Pinustabulaeformis; Soil heat flux; Net radiation

胡兆永，男，1987年4月生，西北农林科技大学林学院，硕士研究生。

张硕新，西北农林科技大学林学院，教授。E-mail：sxzhang@nwsuaf.edu.cn。

2013年9月3日。

S152.8； S718.5

1) 国家林业局林业公益性行业科研专项(201004036)。

责任编辑：潘 华。