黄河三角洲刺槐人工林土壤热通量的变化特征

2020-07-04王霞刘德玺李永涛王振猛马丙尧

山东农业科学 2020年1期

王霞刘德玺李永涛王振猛马丙尧

摘要：为进一步研究黄河三角洲盐碱地区土壤-植被-大气连续体的作用机理并为热量平衡研究提供基础数据，本试验以黄河三角洲盐碱地区长期生长的刺槐人工林为对象，利用黄河三角洲森林生态系统定位研究站2016年度观测数据，研究了该地区刺槐人工林土壤热通量的变化特征及其与地表净辐射的关系。结果表明：10、20 cm土层土壤热通量日变化基本呈现“S”型变化，且随土壤深度增加振幅减小;两层土壤热通量的月累积总量在3—8月为正值，其它月份为负值;两层的年总土壤热通量分别为-23.85、-12.97 MJ/m2，占地表净辐射（720.07 MJ/m2）的比例分别为-3.31%、-1.80%，土壤均表现为热源;在日尺度、月尺度水平上，土壤热通量与地表净辐射分别呈极显著和显著正相关;土壤热通量对地表净辐射的反馈存在延时效应，延时5 h的10 cm土层土壤热通量和延时9 h的20 cm土层土壤热通量与地表净辐射相关性最高。本研究得出土壤热通量与地表净辐射关系密切，这对研究土壤-植被-大气连续体中地气能量交换和热量平衡具有重要意义。

关键词：黄河三角洲;刺槐;土壤热通量;净辐射

中图分类號：S152.8 文献标识号：A 文章编号：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

土壤作为植物赖以生存的重要环境要素，是土壤-植被-大气连续体（soil-plant-atmosphere continuum，简称SPAC）的基础。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，与系统的能量闭合程度息息相关[1]。研究土壤热通量的变化特征，对于分析森林生态系统的能量平衡以及区域小气候、土壤气候和土壤生态环境的形成有重要意义。目前，国内有关森林生态系统土壤热通量的研究，主要集中于寒带[2]、寒温带[3，4]和亚热带[1，5-10]等地区，研究对象有原始林、人工纯林和混交林等，而针对黄河三角洲盐碱地区森林生态系统土壤热通量的研究还较少。

刺槐（Robinia pseudoacacia Linn.），因其较强的耐盐碱能力和适应性，成为黄河三角洲盐碱地区的主要代表树种。近年来对该地区刺槐人工林土壤的研究多集中于土壤基本理化性质、土壤酶活性和土壤微生物特征[11-14]，还有土壤水分生态特征[15]、土壤水盐动态变化[16，17]等方面，而关于热通量的研究还未见报道。本试验以黄河三角洲盐碱地区长期生长的人工刺槐林为研究对象，探讨不同土层土壤热通量的变化特征，分析土壤热通量与地表净辐射的关系，旨在为进一步研究该区域人工刺槐林SPAC的作用机理和热量平衡提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区域位于山东省东营市河口区，属暖温带半湿润大陆性季风气候。年均气温12.9 ℃，年均无霜期234 d、冻土期44 d。全年降水分布不均，年均降水量500～600 mm，其中夏季降水约占全年降水量的70%，蒸降比为3.5∶ 1。地下水埋深2～3 m。土壤类型以盐化潮土和滨海盐土为主。土壤盐分组成以氯化物为主。该区主要造林树种有刺槐（Robinia pseudoacacia Linn.）、绒毛白蜡（Fraxinus velutina Torr.）、白榆（Ulmus pumila Linn.）、臭椿[Ailanthus altissima （Mill.）Swingle]、国槐（Sophora japonica Linn.）等，林下植被主要有翅碱蓬[Suaeda salsa （Linn.）Pall.]、白茅[Imperata cylindrica （Linn.）Beauv.]、小飞蓬[Conyza canadensis （Linn.）Cronq.]、狗牙根[Cynodon dactylon （Linn.）Pers.]、藜（Chenopodium album Linn.）、罗布麻（Apocynum venetum Linn.）等。

研究地点为黄河三角洲森林生态系统定位研究站孤岛辅站，位于济南军区黄河三角洲综合训练基地十二分场刺槐林内。刺槐林为1985年春人工栽植，株行距为2 m×3 m，平均胸径18.74 cm，平均树高8.95 m。

1.2 研究方法

人工刺槐林内设有25 m综合梯度观测塔（包含森林小气候观测系统）。其中，地下10 cm、20 cm处设有HFP01（SC）土壤热通量传感器（Hukseflux，Netherlands），用于测定土壤热通量;净辐射传感器CNR4（Kipp&Zonen，Netherlands）设置在距地面1.5 m处，用于测定地表净辐射能量。所有仪器测得数据由数据采集器CR1000（Campbell，USA）自动记录，数据采集频率为10 min，24 h不间断采集。

1.3 数据处理与分析

本研究选取2016年1月1日—2016年12月31日的观测数据，以0∶ 00为次日划分点。利用Microsoft Excel 2013软件进行数据统计、制图和分析。

2 结果与分析

2.1 土壤热通量的日变化特征

热量由表层或浅层土壤向深层土壤传输时，土壤热通量为正值，即土壤表现为热汇;热量由深层土壤向浅层或表层土壤传输时，土壤热通量为负值，即土壤表现为熱源。选择1、4、7、10月作为代表月份，选取代表月份逐日每半小时的瞬时数据，每月相同时刻数据进行平均处理，研究土壤热通量的日变化特征（图1）。

整体来说，10、20 cm土层土壤热通量日变化规律基本一致。其中，10 cm土层土壤热通量呈典型的“S”型变化趋势，波动较大，振幅大于20 cm土层，最小值出现在7∶ 00—9∶ 30，最大值出现在15∶ 30—17∶ 30。20 cm土层土壤热通量（1月除外）也呈“S”型变化，但波动程度低于10 cm土层，振幅较小，说明日尺度上深层土壤的地-气能量交换强度较浅层土壤小;而1月份20 cm土层土壤热通量变化较平缓，波动较小，说明该时段大气与该层次土壤热量交换强度很小;20 cm土层最小值出现在9∶ 30—12∶ 30，最大值出现在20∶ 00—21∶ 00，与10 cm土层相比较，极值出现时间有一定延迟，这是因为热量在土壤内传递需要一定的时间（图1）。

由图1可以看出，10、20 cm土层土壤热通量1月均为负值，平均值分别为-7.29、-6.07 W/m2，两层土壤表现为热源，说明两层土壤分别向其上层土壤释放热量;4月，10、20 cm土层土壤热通量平均值分别为5.07、4.99 W/m2，总体来说该时段两层土壤表现为热汇，说明两层土壤分别向其下层土壤传递热量;7月，10、20 cm土层土壤热通量均为正值，平均值分别为4.77、5.09 W/m2，两层土壤表现为热汇，说明两层土壤分别向其下层土壤传递热量;10月，10、20 cm土层土壤热通量平均值分别为-4.64、-3.92 W/m2，总体来说该时段两层土壤表现为热源，说明两层土壤分别向其上层土壤释放热量。

2.2 土壤热通量的月变化特征

一年中，10、20 cm土层土壤热通量月累计总量呈现一致的月变化特征。1、2月和9—12月10、20 cm土层土壤热通量累积量均为负值，两层土壤都表现为热源，说明两层土壤分别向其上层土壤释放热量;3—8月为正值，两层土壤都表现为热汇，说明两层土壤分别向其下层土壤传递热量;10 cm土层土壤热通量累积量负向绝对值的最大值出现在11月（-23.18 MJ/m2），正向最大值出现在4月（13.57 MJ/m2），绝对值最小值出现在8月（2.80 MJ/m2），该层年总热通量累积量为-23.85 MJ/m2，在年尺度上土壤表现为热源;20 cm土层土壤热通量累积量负向绝对值的最大值出现在11月（-20.48 MJ/m2），正向最大值出现在7月（14.07 MJ/m2），绝对值最小值出现在9月（-1.56 MJ/m2），该层年总热通量累积量为-12.97 MJ/m2，其绝对值小于10 cm土层，在年尺度上土壤表现为热源（图2）。

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