不同植被覆蓋條件下黃土土壤溫度的變化規(guī)律

李招弟，劉中華，馮慧敏，陳 偉，王淑敏

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，山西太谷030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，山西太谷030801）

淺層土壤溫度不僅影響土壤含水率、呼吸速率[1-2]，還會(huì)影響土壤理化性質(zhì)[3]，進(jìn)而影響地表植被的分布、生長(zhǎng)，以及小型土壤動(dòng)物的繁殖、發(fā)育及生存[4]，并最終影響地表生態(tài)環(huán)境狀態(tài)，因此，研究淺層土壤溫度的變化極其重要。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤溫度的相關(guān)研究取得了一定的成果。徐學(xué)池等[5]對(duì)我國(guó)西南地區(qū)喀斯特地區(qū)的棕色石灰土與紅壤分別進(jìn)行了土壤溫度變化規(guī)律的研究；杜秋等[6]研究了4 個(gè)季節(jié)在營(yíng)林用火后淺層土壤溫度的變化情況，分別總結(jié)了用火后不同時(shí)間點(diǎn)表層土壤溫度的具體升溫值；張一平等[7]研究了云南省哀牢山常綠林的各季節(jié)不同土層土壤溫度與局部氣候變化的關(guān)系。李猛等[8]主要進(jìn)行了紅松混交林夏季林隙土壤溫度在5，20 cm 異質(zhì)性的研究，討論了5，20 cm處土壤溫度斑塊可能會(huì)對(duì)植物幼苗生長(zhǎng)存活的影響；孫金偉等[9]研究了長(zhǎng)白山紅松闊葉林淺層土壤及鄰近空地淺層土壤溫度的日變化及月變化規(guī)律，討論了該地生長(zhǎng)季與非生長(zhǎng)季的土壤溫度差異值；朱賓賓等[10]研究了大興安嶺季節(jié)性淺層凍土土壤溫度變化，分析了該地淺層土壤溫度在不同厚度雪層影響下的變化規(guī)律；常曉麗等[11]研究了大興安嶺的地溫變化及凍土土壤溫度受不同樹種的影響；涂鋼等[12]研究了東北半干旱地區(qū)的土壤溫度，結(jié)果表明，該地區(qū)退化草地淺層土壤日變化較年變化更為明顯。嘎拉泰等[13]研究表明，在夏季和冬季，土壤在每隔30 cm 深時(shí)溫度增減趨勢(shì)有顯著不同；楊丹等[14]探究了我國(guó)長(zhǎng)江三角洲地區(qū)3 種特殊樹種林區(qū)的淺層土壤溫度變化特性，結(jié)果表明，森林能降低土壤年均溫；楊霞等[15]對(duì)阿克蘇地區(qū)土壤溫度進(jìn)行了研究，探究了土壤溫度延遲時(shí)長(zhǎng)與深度的關(guān)系；佘檀[16]研究了陜北棗林地土層在50 cm 內(nèi)溫度的變化情況。以上多是針對(duì)短時(shí)期內(nèi)、特定地區(qū)的特殊環(huán)境進(jìn)行研究，對(duì)淺層土壤溫度研究雖然多，但是對(duì)我國(guó)中部地區(qū)黃土高原淺層土長(zhǎng)達(dá)1 a 的溫度研究不多，且存在一些差異，因此，在黃土高原東部開展不同植被覆蓋條件下淺層土壤溫度的研究很有必要。

本研究區(qū)位于山西省中部，該地淺層土壤是典型的沉積原生黃色粉土代表，與其他地區(qū)土壤相比，黃土土壤質(zhì)地更松軟，土粒極其細(xì)密，但其本身的特性導(dǎo)致黃土極易發(fā)生水土流失。而土壤溫度梯度的改變直接影響土壤水分運(yùn)移規(guī)律，也就是說土壤溫度變化是土壤水分散失速率的重要影響因素，土壤溫度越高，水分子運(yùn)動(dòng)速率越快，水分散失速率也越快。因此，研究不同種植方式影響下的黃土淺層土壤溫度變化具有重要意義。

本研究通過對(duì)比不同種植方式下的黃土高原東部淺層黃土土壤溫度變化情況，總結(jié)了黃土區(qū)不同利用方式下淺層土壤溫度的變化規(guī)律，旨在為黃土地區(qū)樹種選育、土壤微生物的培養(yǎng)等提供參考，也可作為土壤溫度對(duì)水分運(yùn)移規(guī)律研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本研究在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)植被生態(tài)研究基地（東經(jīng)112°28′～113°01′，北緯37°12′～37°32′）選擇了3 塊樣地，樣地有效土層厚度超過120 cm[17]，土壤溫度等級(jí)為溫性[18]。研究區(qū)海拔900～767 m，屬于溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫基本在7～10 ℃。

1.2 試驗(yàn)方法

使用望云山W 系列記錄儀，每7 d 進(jìn)行一次淺層土壤溫濕度條件實(shí)地測(cè)量，以獲取各個(gè)樣地不同土層的溫度，總的測(cè)量時(shí)間為1 a。每天測(cè)量的時(shí)間為7：00，14：00，21：30。

測(cè)區(qū)表面植被覆蓋情況為：A 樣地，裸露地面無草皮覆蓋且地下基本無樹根；B 樣地，槐樹林但無草皮覆蓋，其地下樹根縱橫；C 樣地，存在較多動(dòng)物孔洞、種植有多年生喬木（榆樹）及草皮（沿階草）覆蓋且地下有大量榆樹樹根縱橫。測(cè)量土壤的深度分別為距地表5，15，30 cm 處。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用控制變量法對(duì)不同測(cè)區(qū)黃土的土壤溫度變化數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，利用Excel 軟件整理溫度數(shù)據(jù)并生成相關(guān)數(shù)據(jù)表，Origin 軟件生成土壤溫度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被覆蓋下土壤溫度的季節(jié)變化規(guī)律

對(duì)測(cè)試區(qū)土壤溫度按季節(jié)計(jì)算日均溫，如表1所示。

由表1 可知，春季5 cm 處土壤溫度略低，15，30 cm 處土壤溫度相近；夏季，各樣地土壤層間日平均溫度差異很小，皆穩(wěn)定在22 ℃左右，溫差波動(dòng)不超過1.0 ℃；秋季土壤日平均溫度隨著5，15，30 cm的深度遞增依次遞增，且溫度增量超過1 ℃；冬季土壤不同土層溫度隨土層深度增加呈現(xiàn)明顯增加趨勢(shì)，每深入15 cm 的溫度增量超過2 ℃。春夏兩季，各樣地每層溫度從高到低排序皆為A＞B＞C，秋冬兩季則與春夏季相反。

將淺層黃土全年的土壤溫度進(jìn)行日平均計(jì)算，結(jié)果表明，3 個(gè)樣地不同土層的年平均土壤溫度均為5 cm＜15 cm＜30 cm，土壤本身具有一定的保溫性，表現(xiàn)為深度越深溫度越高；而在同一土層不同樣地的溫度為B 樣地＞A 樣地＞C 樣地，B 樣地（植樹區(qū)）與A 樣地（裸地）相比多了樹冠層，一定程度上減小了地表熱量散失，相當(dāng)于在地表之上施加了一個(gè)保溫隔熱層；C 樣地地表不僅有草皮覆蓋，同時(shí)還有樹冠層遮擋，可認(rèn)為具有2 層保溫隔熱層，對(duì)太陽(yáng)輻射進(jìn)行了二次阻擋，因此，C 樣地土壤溫度最低。

2.2 不同植被覆蓋下土壤溫度的月變化規(guī)律

對(duì)A、B、C 樣地不同土壤深度的溫度按月取平均值，結(jié)果如圖1～3 所示。

從圖1～3 可以看出，A 樣地不同深度土壤在6，7 月份的溫度值相近，B 樣地不同深度土壤則在5—8 月的溫度值較為接近，而C 樣地土壤不同深度溫度值相近的月份為4—9 月?？梢钥闯?，在土壤層間溫度差值小的時(shí)段，植被對(duì)不同土壤層間溫度差值有一定的減小作用，而土壤層間溫度差值微小時(shí)段顯然為植物生長(zhǎng)季，A 樣地由于近乎無植被存在，其土層溫度值相近時(shí)段僅2 個(gè)月（6—7 月），B樣地為植樹區(qū)，生長(zhǎng)期居中，為4 個(gè)月（5—8 月），C樣地為喬草混合區(qū)，生長(zhǎng)期則長(zhǎng)達(dá)6 個(gè)月（4—9 月）。也就是說，土壤表層植被存在與否及其植被數(shù)量的多少對(duì)區(qū)域土壤植被的生長(zhǎng)期長(zhǎng)短有正向促進(jìn)作用。而在非生長(zhǎng)期土壤層間的溫度值差異較大。

由圖1～3 還可知，A 樣地淺層黃土最高月均溫在7 月，高達(dá)23.62 ℃；B 樣地最高月均土壤溫度在8 月，高達(dá)23.83 ℃；C 樣地最高月均土壤溫度在7 月，高達(dá)22.92 ℃，3 個(gè)樣地土壤最高月均溫度差異并不大，其中，C 樣地因其不僅有樹冠層遮陰降溫，同時(shí)還有地表草皮隔熱，因此，月均溫度值最低；3 個(gè)樣地的最低溫度皆出現(xiàn)在5 cm 處，A 樣地最低溫度較B 樣地、C 樣地更低，達(dá)到- 4.98 ℃，在9 月至次年1 月土層溫度從高到低排序?yàn)? cm＜15 cm＜30 cm。

2017 年11 月末至2018 年11 月中旬，植樹區(qū)（B）、喬草混合區(qū)（C）與裸地（A）在5，15，30 cm 土壤月溫度差值如表2 所示。

由表2 可知，各樣地月土壤溫度差值在5cm處最小，在30cm處最大，即在地表層各樣地土壤溫度相近，而隨著深度增加各個(gè)樣地的溫度變化差異明顯，根據(jù)溫度變幅排序?yàn)椋篈＜B＜C；B 樣地與A樣地在5，15，30 cm 深度的土壤溫度最高差值分別為：1.21，0.92，0.86 ℃，最值均出現(xiàn)在冬季；最低差值分別為：- 0.47，- 0.56，- 1.01 ℃，最值均出現(xiàn)在夏季。在4—9 月期間，各樣區(qū)土壤溫度從高到低排序?yàn)椋篈＞B＞C，即夏季裸地土壤溫度高于植樹區(qū)和喬草混合區(qū)；而在10 月至次年3 月，各樣區(qū)土壤溫度排序表現(xiàn)為A＜B＜C，即冬季裸地土壤淺層溫度最低，植樹區(qū)居中，喬草混合區(qū)最高。

表2 不同深度土壤溫度月差值 ℃

2.3 不同植被覆蓋下土壤溫度的日變化規(guī)律

3 個(gè)樣地30 cm 深的全年日變化溫度如圖4 所示。從圖4 可以看出，這3 個(gè)樣地土壤溫度在中午時(shí)的溫度變化波動(dòng)較為明顯，早晨土壤溫度波動(dòng)較小，夜晚土壤溫度波動(dòng)居中；各樣地3 個(gè)時(shí)間點(diǎn)的圖像密集程度為A＞B＞C，即A 樣地3 個(gè)時(shí)間點(diǎn)土壤溫度差異較大，C 樣地3 個(gè)時(shí)間點(diǎn)的土壤溫度差異較小。形成這種現(xiàn)象的原因可能是，從早晨日出開始，地表接收到的太陽(yáng)輻射在不斷增加，直到中午14：00 左右達(dá)到高峰，至太陽(yáng)落山地表不再接收太陽(yáng)輻射，可近似認(rèn)為其不變，期間地表還在不斷向大氣釋放熱能。而裸地（A）沒有草木植株的遮擋，白天的熱量增加與夜晚的熱量散失都很迅速，植樹區(qū)（B）黃土與A 樣地不同的是有樹冠層的遮擋，在一定程度上減緩了土壤溫度的波動(dòng)，而喬草混合區(qū)（C）的土壤不僅有樹冠層遮陽(yáng)，還有地表草皮覆蓋，對(duì)土壤與大氣間的熱量傳遞進(jìn)行了2 次阻隔，有效避免了極端溫度的出現(xiàn)。

2.4 不同植被覆蓋下土壤溫度隨深度變化的規(guī)律

顯然土壤表層與其內(nèi)部的溫度是不同的，為研究黃土不同深度的溫度情況，現(xiàn)以2018 年10 月12 日7：00 的土壤溫度測(cè)量數(shù)據(jù)為例（表3），說明土壤溫度隨深度變化的規(guī)律。由表3 可知，在秋天隨著土壤深度增加溫度會(huì)迅速增加，超過30 cm 之后，溫度增加速度有所降低，在35 cm 與40 cm 處的土壤溫度近乎相同。由表1 可知，在秋季隨著深度增加，土壤溫度先迅速增加后增加速率緩慢降低，最后趨于穩(wěn)定。對(duì)每月黃土土壤溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可知，土壤溫度隨深度的變化規(guī)律可近似為對(duì)數(shù)函數(shù)變化規(guī)律，且方差都大于0.9，說明擬合程度較高。此變化趨勢(shì)可用底數(shù)為e 的對(duì)數(shù)函數(shù)T＝alnx＋b表示，其中，T 為土壤溫度，x 為土壤深度，a、b 為系數(shù)，a 為負(fù)；而在溫度較高時(shí)（4 月初至10 月底）則相反，其函數(shù)系數(shù)a 為正。表明夏季土壤溫度與深度呈負(fù)相關(guān)，即溫度隨深度增加而降低，冬季土壤 溫度與深度呈正相關(guān)，即溫度隨深度增加而增加。

表3 土壤溫度隨深度的變化 ℃

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，四季淺層黃土層間溫度變化規(guī)律為：春季，5 cm＜15 cm≈30 cm；夏季，層間溫度都維持在22 ℃左右；秋季，隨深度增加的層間溫度增量在1～2 ℃；冬季，層間溫度增量超過2 ℃；黃土年平均溫度從高到低為5 cm＜15 cm＜30 cm；同土層溫度為B＞A＞C。黃土地表有植被比裸地的生長(zhǎng)期長(zhǎng)，地表植樹種草比地表僅植樹時(shí)的生長(zhǎng)期更長(zhǎng)。A、C 樣地的最高月均土壤溫度均在7 月，而B樣地則在8 月；4—9 月3 個(gè)樣地土壤溫度為A＞B＞C，10 月至次年3 月則與之相反。王來等[19]對(duì)陜西省核桃—小麥間作區(qū)的淺層土溫進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，間作與單作相比可以更有效地降低高溫季的地溫，這與本研究所得B 樣地溫度高于C 樣地溫度的結(jié)論一致。與14：00，21：30 相比，7：00 土壤溫度更為穩(wěn)定，土壤溫度波動(dòng)程度從小到大順序?yàn)?：00＜21：30＜14：00，C＜B＜A；裸地出現(xiàn)極端土壤溫度時(shí)，喬草混合區(qū)溫度總低于（或高于）裸地。這與王麗君[20]對(duì)甘肅省榆中縣的不同耕作方式下淺層土壤的溫度變化情況規(guī)律一致。淺層黃土隨深度的增加土壤溫度變幅有所降低，其趨勢(shì)圖像可用對(duì)數(shù)函數(shù)表示（T＝alnx＋b），4 月初至10 月底溫度較高時(shí)，擬合對(duì)數(shù)函數(shù)系數(shù)a＜1，而11 月初到次年3 月底，其函數(shù)系數(shù)a＞1。

研究太谷縣淺層土壤溫度的變化規(guī)律對(duì)在本地區(qū)淺層土壤維護(hù)、作物育種、育苗以及小型動(dòng)物孵化、生存有非常重要的指導(dǎo)作用，本研究結(jié)果也可為土壤淺層動(dòng)物的特種養(yǎng)殖、土壤呼吸速率與植被情況等研究提供數(shù)據(jù)支撐。