母娅霆,刘子琦,*,李 渊,朱大运

1 贵州师范大学喀斯特研究院, 贵阳 550001

2 国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心, 贵阳 550001

喀斯特地貌在世界上分布广泛,其演变发展与全球变化和碳循环关系密切[1-3]。中国南方喀斯特在全球三大喀斯特集中连片区域中分布面积最大、发育类型最全[4]。西南喀斯特地区生境脆弱,对气候变化敏感。土壤温度的动态变化特征对研究喀斯特山区生态交错带的土壤活性及生态小气候的监测具有重要意义,也有助于揭示土壤温度对喀斯特山区生态环境和生产力的影响[5]。作为影响土壤呼吸速率的重要因子,土壤温度对土壤无机碳释放具有重要影响[6]。有研究发现,西南地区年降雨量和降雨次数逐渐下降,而且极端降水事件增多,导致该区碳酸盐集聚层变浅、土壤无机碳库流失巨大[7-8]。因此,在全球气候变化和极端降水事件增加的背景下,研究喀斯特地区土壤温度变化特征及其影响因子能够为喀斯特土壤肥力评价提供科学参考,对于揭示喀斯特地区土壤碳循环和固存机理具有重要意义。

近年来,地温变化已经引起国内外学者的广泛关注。国内外也开展了诸多关于土壤温度的研究,主要集中在不同覆盖方式对土壤水热的影响[9-10]、耕作方式及土壤水分对土壤温度的影响[11-13]。唐振兴等[14]、牛赟等[15-16]研究了祁连山土壤温度的垂直分层变化特征、空间变化特征及其影响因素。Hu和Feng[17]利用美国1967—2002年气象站观测的土壤温度数据,分析了0—100 cm不同深度年均土壤温度的空间分异以及10 cm深度土壤温度的季节变化。以上研究虽然对土壤温度变化过程有了一定认识,但目前有关喀斯特地区的土壤温度的研究成果较少,尤其缺乏土壤温度与气温的同步观测资料。吴克华等[18]的研究发现随着石漠化综合治理时间延长,植被结构得到改善,小气候效应逐渐凸现：不同等级石漠化样地林下平均气温及土壤温度在湿热季节得到有效降低,而在干冷季节略显升高。张邦琨等[19]的研究发现喀斯特地貌上发育的常绿阉叶林的土壤温度与土壤热通量的变化幅度均为常绿阔叶林<马尾松林<草地。本研究选择喀斯特高原峡谷区—贞丰北盘江示范区作为研究区,通过对研究区内典型土地类型(花椒地、金银花地、火龙果地、荒地)的土壤温度、土壤含水量与当地气温、太阳辐射等环境因子进行定点连续观测,分析土壤温度的变化特征,揭示土壤温度在时间和空间格局上的演变规律,建立土壤温度与环境因子间的相关关系,以期在全球变化背景下,为土壤温度对气候变化的响应机制研究提供参考,进而为喀斯特地区生态系统的恢复与重建提供科学依据。

1 研究区域与方法

1.1 研究区概况

研究区位于贵州省安顺市与黔西南州交界处的花江峡谷两岸,喀斯特高原峡谷贞丰北盘江石漠化综合治理示范区内(25°39′01″—25°40′06″N,105°39′36″—105°38′23″E),面积约51.62 km2,属于典型的喀斯特高原峡谷地貌,碳酸盐岩广布,喀斯特地貌极为发育。地形破碎,地势起伏大,海拔450—1450 m,相对高差为1000 m。水土流失严重,基岩裸露率高,石漠化面积达726.63 hm2,中强度石漠化面积占石漠化总面积的80.68%[20]。气候类型属亚热带干热河谷气候,光热资源充沛,冬春温暖干旱,夏秋较为湿热,年均气温18.4℃,年极端最高气温为32.4℃,≥10℃积温6542℃。年均降雨量1100 mm,降水集中在5—8 月,约占全年降雨量的83%。区内岩石多属三叠系的白云岩、泥质白云岩及页岩。土壤多以黑色、棕黄色石灰土为主,土壤质地大多为粘壤土、粘土。植被为亚热带常绿落叶针阔混交林,原生植被基本上已被破坏,现以次生植被为主。花椒(ZanthoxylumbungeanumMaxim)、金银花(LonicerajaponicaThunb)、火龙果(Hylocereusundatus′Foo-Lon′)为该区主要石漠化生态恢复植被,种植面积广,取得了良好的生态经济效益。

1.2 实验设计

在研究区内设立小型气象站(ATMOS,Meter公司,美国),间隔10 min实时记录大气温度、降雨量、太阳辐射等数据。选择该区海拔、坡度相近,且距离接近气候一致,具有代表性的4种典型土地类型(花椒地、金银花地、火龙果地和荒地)的土地作为研究对象。分别在4种土地类型距离植株30 cm处,自地表向下于10、25、40、55 cm土层安装土壤水分温度电导率传感器(5TE,Meter公司,美国),数据采集器(EM50,Meter公司,美国)每间隔10 min采集土壤温度、土壤含水量数据。完整的监测时间为2018年5月1日至2019年3月31日。安装传感器同时采集土壤样品,在监测点距植株30—50 cm处另开挖2个土壤剖面,共3个土壤剖面,分别在传感器埋设深度上下5 cm范围内采环刀和扰动土。扰动土自封袋密封带回实验室阴凉风干,再去除根系等杂物,并将土样分成两份,一份用玛瑙钵研磨过100目筛后用于测定有机碳,另一份用于测定土壤颗粒组成。土壤有机碳的测定采用重铬酸钾加热法,土壤容重、孔隙度采用环刀法测定,土壤颗粒组成采用比重计法测定。样地基本概况见表1。

表1 样地基本概况

1.3 数据处理分析

使用Excel 2013软件对数据进行统计分析,采用SPSS 18.0软件进行土壤温度与气温、太阳辐射、土壤含水量及土壤理化性质等环境因子的Pearson相关分析,采用Origin 9.0软件绘图。

2 结果分析

2.1 土壤温度的时间变化特征

土壤温度日变化是一天内土壤热状况的直接反映。由图1可以看出,一天内土壤温度的波动幅度表现为10 cm处最大,土层越深,波动越小。各地类10 cm处土壤温度均呈近似单峰变化。一天内土壤温度最小值的出现时刻分别为花椒地8:00、金银花地8:00、火龙果地9:00、荒地9:00,最低温分别为19.9、18.2、21.6、20.4℃；土壤温度最大值的出现时刻分别为花椒地17:30、金银花地16:30、火龙果地18:30、荒地18:00,最高温分别为21.4、20.3、24.0、21.9℃,土壤温度最值的出现随着土层加深出现滞后效应。一天内土壤温度最值均为火龙果地>荒地>花椒地>金银花地。10 cm处土壤温度日变幅分别为花椒地1.5℃、金银花地2.1℃、火龙果地2.4℃、荒地1.5℃,火龙果地、金银花地土壤温度日变幅明显大于花椒地、荒地,表明火龙果地、金银花地土壤温度的昼夜变化较大,而花椒地与荒地一天内土壤温度较为稳定。

图1 土壤温度的日变化特征曲线

由于浅层土壤温度一天内波动较大,较深层土壤温度波动较小,因此,用0:00—24:00温度值拟合处理1月和7月10 cm、25 cm处土壤温度日变化特征曲线,不同深度土壤温度日变化均呈三次函数(y为土壤温度,x为时间),回归决定系数均在0.8以上,表明土壤温度与时间(0:00—24:00)有较强显著性(P<0.05)。荒地10 cm与25 cm日最高温在7月同时出现,1月则表现为25 cm滞后于10 cm。其他地类日最高温的出现均为25 cm滞后于10 cm,且火龙果地与金银花地的滞后时间大于花椒地与荒地。花椒地、火龙果地、金银花地土壤温度最大值在7月表现为10 cm明显大于25 cm,荒地表现为10 cm和25 cm差异不大；各地类10 cm与25 cm处土壤温度最大值在1月无明显差异(表2)。

表2 不同深度土壤温度日变幅特征

由于土壤温度日变化表现为10 cm处日变幅最大,较深层土壤日变幅较小。因此,进一步分析不同季节10 cm处土壤温度的日变化特征。不同季节土壤温度呈相似的变化趋势,均呈单峰变化(图2)。夏季一天中土壤温度最大值分别为花椒地27.4℃、金银花地27.6℃、火龙果地31.2℃、荒地28.1℃；秋季分别为花椒地21.9℃、金银花地20.4℃、火龙果地24.3℃、荒地22.6℃；冬季分别为花椒地15.0℃、金银花地12.8℃、火龙果地16.4℃、荒地15.1℃；夏、秋、冬季10 cm处土壤温度均为火龙果地>荒地>花椒地>金银花地。10 cm处土壤温度日变幅在夏季和秋季均为火龙果地>金银花地>荒地>花椒地,冬季为火龙果地>花椒地>金银花地>荒地,不同季节均为火龙果地的日变幅最大,且4种地类土壤温度日变幅均在夏季出现最大值(表3)。

表3 不同季节10 cm土壤温度日变化特征

图2 不同季节10 cm土壤温度的日变化特征曲线

2.2 土壤温度剖面的变化特征

土壤温度不仅受太阳辐射、下垫面、土壤性质等因素的影响表现出季节差异。而且在垂直方向上也具有一定的变化规律。夏季土壤温度随土层加深而减小；秋、冬季随土层加深而增大(图3)。由表4可以看出,不同季节土壤垂直温度变异系数存在差异,夏季分别为花椒地1.1%、荒地1.0%、火龙果地1.4%、金银花地2.0%,不同土地类型土壤垂直温度变异系数差异很小；秋季分别为花椒地2.6%、荒地0.8%、火龙果地2.3%、金银花地2.3%,冬季分别为花椒地4.6%、荒地1.8%、火龙果地4.0%、金银花地5.2%,秋、冬季土壤垂直温度变异系数表现为花椒地、火龙果地、金银花地明显大于荒地,说明荒地土壤导热性能较好。四种地类土壤垂直温度变异系数均为冬季较大,夏季较小。

图3 不同季节土壤温度的垂直变化特征

表4 不同季节土壤垂直温度变异系数

2.3 环境因子对土壤温度的影响

2.3.1土壤理化性质对土壤温度变化的影响

由图4可以看出,各样地表现为随着土层加深,土壤容重、粘粒含量整体上呈逐渐增大的趋势,土壤总孔隙度、有机碳含量及砂粒含量则呈逐渐减小的趋势,土壤毛管孔隙度随着土层加深先减小后增大,而土壤非毛管孔隙度和粉粒含量表现为先增大后减小。不同土层土壤容重、粘粒含量均为火龙果地>金银花地>荒地>花椒地；土壤总孔隙度、砂粒含量及有机碳含量均为花椒地>荒地>金银花地>火龙果地；浅层土壤粉粒含量为火龙果地>花椒地>荒地>金银花地,较深层土壤粉粒含量为金银花地>荒地>花椒地>火龙果地。

图4 各样地土壤基本理化性质

土壤温度变化与土壤理化性质密切相关。相关分析表明,土壤温度日变幅与土壤有机碳、砂粒含量和非毛管孔隙度均呈极显著正相关(P<0.01),与粉粒含量、容重呈显著负相关(P<0.05),与粘粒含量、总孔隙度、毛管孔隙度相关性不显著(表5)。由此可见,土壤温度日变幅受土壤通气条件和质地等因素影响。有机碳、砂粒含量越高,土壤导热率越高；非毛管孔隙度越大,越有利于土壤与大气之间的能量交换,土壤温度的日变化幅度也就越大。

表5 土壤温度与土壤理化性质之间的Pearson相关系数

2.3.2气温、太阳辐射、土壤含水量对土壤温度的影响

土壤温度变化是土壤随着太阳辐射和大气温度的变化而吸收或释放能量的过程[21]。由图5可以看出,土壤温度与太阳辐射和气温的变化趋势大致相同。2018年5月至2019年3月,最高气温出现在7月,为31.0℃,最大太阳辐射也出现在7月,为428.12 μmol m-2s-1。花椒地和金银花地10、25 cm处土壤温度最大值出现在7月,40 cm、55 cm处土壤温度最大值出现在8月,较气温和太阳辐射滞后一个月；荒地各深度土壤温度最大值均发生在7月,与气温和太阳辐射同步；火龙果地各深度土壤温度最大值均发生在8月,较气温与太阳辐射滞后一个月。土壤温度最大值分别为花椒地27.3℃、金银花地27.3℃、火龙果地30℃、荒地28.2℃。气温最小值出现在1月,为12.2℃,太阳辐射最小值也发生在1月,为101.96 μmol m-2s-1,四种地类土壤温度最小值均发生在1月,土壤温度最小值分别为花椒地12.2℃、金银花地11.2℃、火龙果地13.8℃、荒地13.0℃。气温与太阳辐射的变化具有同步性,土壤温度最值的出现较气温与太阳辐射存在滞后性,随着土层加深,滞后越明显。观测期内不同深度土壤温度变幅较大,10 cm处土壤温度变异系数分别为花椒地26.39%、荒地26.51%、火龙果地26.38%、金银花地31.70%,土壤温度变异系数随着土层加深而减小。土壤温度与气温和太阳辐射均呈显著性正相关(P<0.01),且气温与土壤温度的相关性更显著,相关系数为0.959—0.994(表6),说明气温在土壤温度变化中起重要作用。

图5 土壤温度、气温、太阳辐射及土壤含水量的月变化特征曲线

表6 土壤温度与气温、太阳辐射、土壤含水量之间的Pearson相关系数

观测期内花椒地各土层土壤含水量的波动很小,其他3种地类土壤含水量的波动较大(图5)。不同深度土壤含水量的变化趋势大致相同,花椒地、荒地、火龙果地土壤含水量均在6月出现最大值,金银花地土壤含水量在8月达到最大值,不同地类土壤含水量均在12月出现最小值。对土壤温度和土壤含水量进行相关分析(表6),土壤含水量与土壤温度呈显著正相关(P<0.05),相关系数为0.642—0.860。花椒地10 cm处土壤温度与土壤含水量呈极显著正相关(P<0.01),25、40 cm和55 cm 处呈显著正相关(P<0.05)；荒地10、40 cm处土壤温度与土壤含水量呈极显著正相关(P<0.01),25 cm和55 cm土层呈显著正相关(P<0.05)；火龙果地除55 cm处土壤温度与土壤含水量呈显著正相关外(P<0.05),其他土层均呈极显著正相关(P<0.01)；金银花地除40 cm处土壤温度与土壤含水量呈显著正相关外(P<0.05),其他土层均呈极显著正相关(P<0.01)。

3 讨论

3.1 土壤温度的变化特征

观测期内土壤温度日变幅为10 cm处明显大于较深层土壤,土层越深,土壤温度的波动越小。四种地类土壤温度的日变化随土层加深均出现滞后现象,与孙贯芳等[22]的研究结果一致。这主要是因为太阳辐射是控制地表温度的能量来源,土壤具有巨大的热容性以及传导阻力,导致地表温度向下传导速度缓慢,随土层加深,土壤温度到达一天中的最大值就滞后。10 cm处土壤温度日变幅最大,这主要是因为土壤温度主要受气温的影响,气温对表层土壤的影响最大,且土壤对太阳辐射有显著削弱作用[23],因此土层越深,土壤接收的太阳辐射量就越少,土壤温度受气温的影响也越小,因而,土壤温度的变幅就越小。在8:00以前,气温很低,受气温影响10 cm土壤温度低于深层土壤,8：00以后气温开始迅速上升,10 cm土壤温度受气温影响也开始迅速上升,最后高于较深层土壤温度。不同季节土壤温度日变化特征为：土壤温度日变幅均为夏季最大,冬季最小,日最高温出现在夏季,日最低温出现在冬季,与缑倩倩等[24]的研究结果一致。不同季节土壤温度均为火龙果地>荒地>花椒地>金银花地,这主要是因为火龙果地植被覆盖率低,加之人工除草,导致土壤接收的直接太阳辐射量较大,土壤温度较高；荒地人为干扰少,杂草丛生,地表有一定的覆盖度,土壤透气性较好,有利于地表接收太阳辐射；花椒地的伴生植物多,增加了地表覆盖度,且土质较疏松；而金银花茎叶茂盛,遮阴效果好,高密度的地表覆盖及凋落物的存在使土壤受阳光直射的影响小。因此,金银花地土壤温度明显低于其他3种土地类型。校亮等[9]发现随着覆被量增加,土壤温度的波动幅度明显减小。在植被覆盖度高的环境下,植被对土壤温度的调节作用,降低了土壤温度,日变幅也随之减小,所以植被覆盖度和太阳辐射是土壤温度变化的重要因素。10 cm土壤温度日变幅表现为火龙果地、金银花地大于花椒地、荒地,火龙果土壤温度日变幅最大。说明火龙果地与金银花地对土壤温度的调节作用较差,而花椒地与荒地较优。这主要是因为花椒地和荒地土壤容重小、总孔隙度高,有利于土壤呼吸,加之土壤砂粒和有机碳含量高于火龙果地和金银花地,砂粒导热率高,土壤有机碳有利于改善土壤微团聚体结构,改善土壤理化性质,从而增强了土壤导热性能。

土壤温度剖面的变化具有明显的季节差异。夏季10 cm土壤温度最高,土层越深,温度越低；秋、冬季10 cm土壤温度最低,土层越深,温度越高,与刘引鸽等[25]的研究结果具有一致性。夏季气温较高,气温对浅层土壤温度的影响较大,土壤表面吸收太阳辐射而增温,并通过热传导向深处传递热量,土层越深,获得的热量愈少,故土壤温度随深度增加而降低；而秋、冬季气温较低,地表接收的太阳辐射小于地表长波辐射,地表温度下降,深层土壤受气温影响较小,当温度下降到比深层的温度低时,热量将由深层向地表传输,但由于从下层得到的热量不足以抵消地表辐射带来的降温,因此,土壤温度随土层加深而逐渐升高。土壤温度垂直变异系数为冬季最大,夏季最小,说明夏季土壤的保温效果较好,冬季较差。这主要是因为夏季各样地植被覆盖度较高,植被对土壤温度的调节作用明显,而冬季植被覆盖度低,植被调节作用较小,土壤温度的垂直变异明显。

3.2 环境因子对土壤温度变化的影响

相关分析表明,土壤温度与环境因子关系密切。土壤温度日变幅与土壤有机碳、砂粒含量、非毛管孔隙度均呈极显著正相关,与粉粒含量、容重呈显著负相关。这主要是因为不同土壤质地的通气、肥力和热量条件差异较大[26]。砂粒、粉粒和粘粒对于土壤热扩散性质的贡献不同,砂粒的导热率高于粉粒和粘粒。有机碳是土壤呼吸的底物,随着土壤有机碳的累积,土壤容重、含水量、孔隙度、电导率等土壤理化性质也会发生相应改善,从而影响土壤的热容量和导热性能。研究区的峡谷地貌因高原晚期强烈抬升,河流下切,周围的洼地形成岩石裸露的深洼,植被覆盖较少,加上洼地沿构造走向发育演化成喀斯特干谷,形成干热的气候条件,表现为冬春温干,夏秋湿热,热量资源丰富[27-28]。土壤温度与气温和太阳辐射呈显著正相关,土层越深,相关性越弱。与宋长春、王毅勇等[29]的研究结果一致。这主要是因为气温和太阳辐射主要通过热传导和热对流的方式将热量由浅层土壤传递给深层土壤,随着土层深度的增加,无论热传导,还是热对流所携带的能量都逐渐减少,所以土层越深,气温和太阳辐射对土壤温度的影响越小。荒地土壤温度对气温的响应最快,火龙果地滞后效应最明显,这主要是因为荒地受人为干扰较少,微生物种类丰富,微生物活动范围达到深层土壤,土壤有机碳含量较高,改善了土壤容重、孔隙度等理化性质,土壤砂粒含量高,增强了土壤导热性；而火龙果地无凋落物的同时长期施用化肥,加之强烈的人为干扰,导致土壤板结,因而具有较大的容重,土壤紧实,不利于植物根系伸展及微生物活动,导致土壤孔隙度减小,影响土壤与大气的通透性。加之土壤有机碳含量低,土壤保水保肥能力差,土壤砂粒含量低,土壤导热性差,从而影响了火龙果地对土壤温度的调节及土壤温度响应气温变化的速度和幅度。

与水分相比,土壤热容量小且热传导率大,因此干土总是比湿土变冷或变热的要快[30]。与其他3种土地类型相比,火龙果地土壤表层水分含量大,容重大,土壤温度的变化比较缓慢。已有研究发现土壤温度与土壤含水量呈显著负相关[31-32],而在其他的一些实验中,表现为负相关不显著[33]。王红梅等[34]认为土壤温度和土壤水分的相关性表现为小采样粒度(0.5 m×0.5 m,1 m×1 m)的显著负相关性,而在较大采样粒度(2 m×2 m,5 m×5 m)表现为显著的正相关关系,表明土壤水热的相关性研究应考虑采样粒度和尺度对实验结果的影响。本研究通过在不同土层安装土壤水分温度电导率传感器来获取土壤温度和水分数据,结果表明土壤温度与土壤含水量呈显著正相关。本研究结果与以往研究存在差异,可能是因为研究区雨热同期的气候特征,当大气降水进入土壤后,土壤水作为运输载体将土壤温度由表层土壤输送到深层土壤,由于水具有较大的比热容,从而增大了土壤的比热容,对土壤具有一定的增温作用,因此土壤温度与土壤含水量呈显著正相关。

4 结论

(1)喀斯特地区土壤温度日变化特征为：土壤温度日变幅为夏季较大,秋、冬季较小。10 cm处土壤温度日变幅明显大于较深层土壤,土层越深,日变幅越小。土壤温度的日变化随着土层加深出现滞后效应。土壤温度日变幅表现为火龙果地与金银花地明显大于花椒地与荒地。不同季节10 cm土壤日平均温度均为火龙果地>荒地>花椒地>金银花地。

(2)夏季土层越深,土壤温度越低；秋、冬季土层越深,土壤温度越高。花椒地、荒地、金银花地及火龙果地土壤垂直温度变异系数均为冬季较大,夏季较小。

(3)土壤温度与容重、孔隙度、土壤质地、有机碳等土壤理化性质相关性显著。与气温、太阳辐射、土壤含水量均呈显著正相关。花椒地对土壤温度的调节效果较好,且土壤含水量较高,土壤持水性较好,土壤容重小、孔隙度高。因此,在喀斯特地区生态恢复的过程中,种植花椒能在一定程度上改善土壤性质,提升土壤肥力。

致谢：感谢课题组蔡路路等对实验的帮助。