典型巖溶石漠化區(qū)土壤剖面水分和溫度動(dòng)態(tài)規(guī)律及傳輸特征

熊小鋒,李建鴻,蒲俊兵,張 陶,王賽男,霍偉杰

(中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所/自然資源部 廣西巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004)

土壤水分和溫度是土壤—植被—大氣連續(xù)體(SPAC)物質(zhì)傳輸?shù)尿?qū)動(dòng)因子，顯著影響陸地表面與大氣界面的水和能量交換，也是流域生態(tài)水文、氣候變化模型的關(guān)鍵變量[1-2]。石漠化地區(qū)土壤水分和溫度條件與坡面徑流及土壤侵蝕過程密切相關(guān)，一定程度上影響石漠化地區(qū)的生態(tài)景觀格局[3]。系統(tǒng)研究石漠化地區(qū)土壤水分和溫度有助于深入理解其水熱循環(huán)規(guī)律，對于巖溶石漠化地區(qū)植被恢復(fù)、水土保持以及農(nóng)產(chǎn)業(yè)布局具有指導(dǎo)意義。自然環(huán)境中的土壤水分和溫度受氣象因素、植被覆蓋、土壤質(zhì)地等綜合影響，具有很強(qiáng)的時(shí)空變異特點(diǎn)[4-5]。

針對巖溶石漠化地區(qū)土壤水分，已有研究采用環(huán)刀取樣及烘干法測定土壤含水量，并分析了不同氣象要素、石漠化程度對土壤水分時(shí)空分布的影響[6-8]。也有學(xué)者采用5 TE土壤水分監(jiān)測探頭研究巖溶石漠化區(qū)裸巖周圍土壤水分的變化規(guī)律[9]，但是并沒有結(jié)合氣象因素分析。巖溶石漠化地區(qū)裸巖廣泛分布，巖—土界面是天然的水分入滲優(yōu)勢通道，有學(xué)者在野外設(shè)計(jì)示蹤試驗(yàn)研究了這一現(xiàn)象[10-11]。針對巖溶石漠化地區(qū)土壤溫度研究較為缺乏，有研究探討了石漠化恢復(fù)過程中的土壤水分和土壤溫度變化[12]。已有研究多采用手持儀器如TDR、便攜式土壤多參數(shù)儀等人工監(jiān)測法，對土壤水分和溫度進(jìn)行原位、瞬時(shí)監(jiān)測。人工監(jiān)測頻次較低，難以滿足高分辨率數(shù)據(jù)需求，本文采用的自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)則具有連續(xù)監(jiān)測、無線傳輸、同步記錄氣象數(shù)據(jù)等優(yōu)勢[13]，獲取的高分辨率監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠?qū)ν寥浪趾蜏囟冗M(jìn)行更為準(zhǔn)確細(xì)致的研究。在理論方面，已有研究多數(shù)孤立討論石漠化地區(qū)土壤水分和土壤溫度，從物質(zhì)運(yùn)移和能量傳輸角度討論兩者耦合特征的研究還較為欠缺。實(shí)際上，土壤含水量是土壤熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱容的主控因素[14-17]，反過來土溫梯度也影響土壤蒸汽水傳輸，進(jìn)而影響土壤內(nèi)部水分遷移[18-19]，巖溶石漠化地區(qū)這一耦合過程還需進(jìn)一步探討。

云南是西南地區(qū)石漠化最嚴(yán)重的省份之一，其中滇東地區(qū)是石漠化程度最高的地區(qū)。截至2016年云南石漠化土地面積為235.2萬hm2，占石漠化總面積的23.4%，石漠化綜合治理任務(wù)十分艱巨[20]。云南高原石漠化地區(qū)以小降雨為主，表層土壤水分干濕交替迅速[21]，該地區(qū)土壤屬于碳酸鹽紅黏土[22]，滲透性較差，坡面、裸巖面匯集的雨水多數(shù)通過石溝、石縫和巖土界面滲漏，使得該地區(qū)干旱缺水。本文基于深入理解高原石漠化地區(qū)土壤水熱變化規(guī)律、為巖溶石漠化生態(tài)環(huán)境治理和重建提供數(shù)據(jù)支撐及理論參考目的，在上述地區(qū)建立自動(dòng)監(jiān)測站采集超過一年數(shù)據(jù)，結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)方法以及水熱傳輸理論，系統(tǒng)闡述高原巖溶石漠化區(qū)土壤水分和溫度時(shí)間序列規(guī)律，分析不同氣象因素對土壤水分和溫度的影響程度，并進(jìn)一步計(jì)算土壤剖面上熱通量和蒸汽水運(yùn)移通量，探討土壤水分和熱量傳輸?shù)鸟詈咸卣鳌?/p>

1 研究區(qū)及野外監(jiān)測情況

1.1 研究區(qū)概況

蒙自市位于云南省東南部，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，干濕季節(jié)明顯，多年平均降雨量達(dá)到815.8 mm，降雨集中在7—10月份。該地區(qū)石漠化分布廣泛，全市石漠化面積達(dá)88%，其中重度石漠化面積占44.65%，石漠化集中連片分布于海拔1 300～2 200 m的丘叢洼(谷)地和廣大巖溶丘峰、臺地、盆地邊緣[23-24]。蒙自市從地質(zhì)構(gòu)造上屬于巖溶斷陷盆地，該盆地呈南北走向，盆地內(nèi)多為第三系、第四系沉積物，沉積厚度大，盆地東北部有地下河及泉水出露。盆地周邊中山山區(qū)殘存古高原面，巖性以三疊系個(gè)舊組碳酸鹽巖為主。盆地、斜坡與高原面形成“盆山耦合地形”，氣候條件相差大[25]。高原面上石漠化發(fā)育程度較高，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，水土流失嚴(yán)重。

圖1為蒙自市的高程圖以及研究區(qū)示意圖。研究區(qū)在水平空間上森林覆蓋率較低，土地利用類型主要為耕地和草地，土壤分布不連續(xù)。研究區(qū)主要為裸露型和埋藏型巖溶區(qū)，地下空間呈現(xiàn)立體多維結(jié)構(gòu)，土壤充填在溶溝、溶隙和石牙之中，容易通過巖溶裂隙、管道和地下河漏失。

圖1 蒙自市巖溶斷陷盆地及研究區(qū)位置示意圖

1.2 野外數(shù)據(jù)監(jiān)測

監(jiān)測點(diǎn)位于蒙自市東北向高原面西北勒鄉(xiāng)牛耳坡(103°27′13.29″，23°26′58.37″)，海拔約2 086 m。監(jiān)測點(diǎn)周邊碳酸鹽巖出露地表，經(jīng)測量統(tǒng)計(jì)顯示裸巖率在45%～65%，裸巖出露地表的高度為30～60 cm。監(jiān)測點(diǎn)選擇坡地上部相對平坦部位，監(jiān)測點(diǎn)周圍植被主要為雜草和蘋果樹。監(jiān)測點(diǎn)土壤具有明顯分層現(xiàn)象，表層0—15 cm深度為有機(jī)質(zhì)含量較高的松散壤土，15 cm以下為黏粒含量較高的粉質(zhì)黏壤土。監(jiān)測儀器采用Campbell公司CR800自動(dòng)監(jiān)測站，該設(shè)備利用太陽能電池供電，且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸。

數(shù)據(jù)采集器搭接5TM型號土壤水分、溫度傳感器，其中5TM傳感器監(jiān)測的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)為土壤體積含水量(Volumetric soil water content，cm3/cm3)本文所指土壤含水量均為土壤體積含水量(簡稱為SWC)。根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)周圍土壤垂向分布情況，設(shè)計(jì)5 TM傳感器埋深分別為10 cm，40 cm和80 cm。氣象站記錄土壤體積含水量(SWC)和土壤溫度(ST)，同步記錄降雨量、大氣壓、蒸汽壓、氣溫、空氣濕度、太陽總輻射、風(fēng)速、風(fēng)向等常規(guī)氣象因素。野外監(jiān)測以2 017.1.1作為第1天，2 017.12.31作為第365天，30 min記錄一次數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)量龐大，本文降雨量按照逐日累計(jì)統(tǒng)計(jì)，氣溫、SWC及ST按照逐日平均處理。研究區(qū)的降雨量采用翻斗式雨量筒記錄，翻轉(zhuǎn)一次記錄0.2 mm雨量，降雨量傳感器設(shè)定為半小時(shí)記錄一次數(shù)據(jù)。高原石漠化地區(qū)的高頻率、小降雨特征形成了土壤表層干濕交替迅速而深層土壤含水量長期處于虧缺的特征。

2 研究方法及理論

2.1 多元統(tǒng)計(jì)分析方法

本文首先針對野外監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析。SWC和ST受諸多氣象因素影響，各氣象因素之間也有相互關(guān)系。本文參考生態(tài)學(xué)中常用的多元統(tǒng)計(jì)方法，將氣象因素作為環(huán)境變量(解釋變量)，不同深度的SWC和ST作為響應(yīng)變量，以每日記錄的數(shù)據(jù)作為樣方，采用梯度排序來研究環(huán)境變量與響應(yīng)變量之間的關(guān)系。梯度排序法分為兩種類型，一種是非約束排序法(Unconstrained Ordination Model)，主要為主成分(PCA)和去趨勢分析法(DCA)；另一種是約束排序法(Constrained Ordination Model)，主要包括冗余分析(RDA)和典范對應(yīng)分析(CCA)方法，其中RDA基于線性模型，CCA基于單峰模型。RDA和CCA的選取原則為首先采用DCA分析，觀察軸的梯度值，梯度最大值超過4采用CCA，最大值小于3則可采用RDA，最大值介于3～4之間兩種方法均適用[26]。非約束排序法適用于多個(gè)響應(yīng)變量而缺少解釋變量的情況，約束排序法適用于多個(gè)響應(yīng)變量和多個(gè)解釋變量。相關(guān)理論和算法較為繁雜，此處不再贅述。綜合考量，本文采用約束排序法的冗余分析(RDA)探討SWC和ST的影響因素。

2.2 土壤熱量傳輸理論

根據(jù)Fourier熱傳導(dǎo)理論和熱通量定律，一維垂向土壤熱傳導(dǎo)方程及熱通量可表示為：

(1)

式中：Ts為土壤溫度(℃)；z向上為正方向(cm)；k為熱擴(kuò)散率(cm2/s；G為熱通量[J/(cm2·℃)]；λ為熱傳導(dǎo)系數(shù)[J/(cm2·s·℃)]。土壤熱通量的計(jì)算有多種方法[27-29]，考慮到本文有三層土壤溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，可采用梯度法直接計(jì)算熱通量。梯度法是方程(1) 的差分形式，其表達(dá)式為：

(2)

(3)

式中：Gz為z1～z2之間的熱通量[J/(cm2·℃)],Gz>0熱量向地表運(yùn)移，Gz<0熱量向土壤深處運(yùn)移；ΔS為深度0～z的熱儲量積分形式；cv為土壤的體積熱容[J/(cm3·℃)]。由于λ難以直接測定，本文對于λ采用Chung &Horton提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

λ(θ)=b1+b2θ+b3θ0.5

(4)

式中：b1,b2,b3為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，參照相關(guān)文獻(xiàn)[14]按照壤土(loam)取值b1=0.243,b2=0.393,b3=1.534；粘性土(clay)取值b1=-0.197,b2=-0.962,b3=2.521。對于cv則忽略土壤中氣相和有機(jī)質(zhì)的影響，簡化為：

cv=cvsVs+cvwVw+cvaVa+cvvVo=0.85ρ+4.18θ

(5)

式中：V表示體積分?jǐn)?shù)；cv和V的下標(biāo)s,w,a,o分別表示固相、液相、氣相和有機(jī)質(zhì)，其中Vw等于本文監(jiān)測的土壤體積含水率θ；ρ為土壤的干容重(g/cm3)。表層15 cm壤土烘干法實(shí)測干容重為0.9 g/cm3，下層粉質(zhì)黏土干容重為1.2 g/cm3。

2.3 土壤蒸汽水傳輸理論

19世紀(jì)50年代Philip和Devries將熱力學(xué)理論的局部平衡假設(shè)應(yīng)用到土壤孔隙水汽運(yùn)移過程，認(rèn)為蒸汽水在土壤孔隙的一端蒸發(fā)，另一端凝結(jié)，最終凝結(jié)和蒸發(fā)速率等于水汽運(yùn)移速率[30]，建立了土壤水熱耦合運(yùn)移模型(PDV)。以當(dāng)前的監(jiān)測技術(shù)，對土壤孔隙中水汽通量直接觀測難度仍然較大，因而可利用土壤孔隙水汽密度來間接計(jì)算水汽通量。土壤孔隙中的水汽壓ev(mbar，1 mbar=100 Pa)可表示為土壤溫度Ts(℃)和土壤水勢h(cm)的函數(shù)[18,30]:

(6)

式中：ev0是溫度Ts下的標(biāo)準(zhǔn)飽和水汽壓(kPa)；R是氣體常數(shù)，R=8.315×107J/(mol·℃)；M是水分子的摩爾質(zhì)量，M=18 g/mol。本文利用van Genuchten(VG)模型[31]將土壤含水量θ(%)轉(zhuǎn)化為土壤水勢h(cm)：

(7)

式中：θ(h)為土壤體積含水量(cm3/cm3)；θs，θr，α，n為模型的4個(gè)重要參數(shù)；θs，θr是土壤的飽和含水量與殘留含水量；α，n，m為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，其中m=1～1/n，其中n>1。使用RETC程序根據(jù)土壤環(huán)刀樣品所測顆粒級配和容重預(yù)測其VG模型參數(shù)。表層15 cm以內(nèi)松散壤土的參數(shù)為θs=0.51，θr=0.090，α=0.010 5，n=1.46；下層粉質(zhì)黏土參數(shù)為θs=0.44，θr=0.078，α=0.006 3，n=1.56。假定土壤中固液相溫度一致，則土壤蒸發(fā)過程中飽和水汽壓[18]計(jì)算公式如下：

ev0=E0×107.45Ts/(Ts+235)

(8)

式中：其中E0表示在0 ℃時(shí)的飽和水汽壓；E0=0.610 78 kPa；Ts是土壤溫度(℃)。一定體積空氣所含的水汽質(zhì)量除以該空氣體積可得到空氣的絕對濕度，絕對濕度即為空氣的水汽密度。水汽密度ρv(g/cm3)可表示為水汽壓與土壤溫度Ts(℃)的函數(shù)[18]：

ρv=216.8ev/(Ts+273)

(9)

基于Fick分子擴(kuò)散定律描述水汽在土壤中擴(kuò)散[18]：

(10)

式中：qv為界面上的蒸汽傳輸通量速率[g/(cm2·s)]；D0(cm2/s)是水汽在空氣中的擴(kuò)散率D0=0.299(Ts/273-1)1.75；n-θ是孔隙含氣率(cm3/cm3)，n是土壤孔隙度(cm3/cm3)，θ是土壤體積含水量(cm3/cm3)；L是水汽通過的有效距離(cm)。

3 結(jié)果與分析

3.1 SWC和ST動(dòng)態(tài)規(guī)律及影響因素

圖2為剖面上SWC和ST一整年不同深度Kriging插值結(jié)果。多數(shù)時(shí)間土層深度越深則SWC越低，夏秋季(110～260 d)集中降雨期則有足夠長的時(shí)間允許土壤水分入滲補(bǔ)給深層土壤，使得深層SWC超過表層，降雨停止后SWC迅速衰減至初始狀態(tài)(圖2A)。表層10 cm土壤由于受大氣溫度和太陽輻射直接影響而ST變化較為劇烈，40 cm和80 cm處ST較為穩(wěn)定。此外，春冬季ST均為深層更高，而夏秋季則表層更高，ST存在季節(jié)性差異(圖2B)。圖中等值線向右傾斜的趨勢可反映出土壤水分和熱量傳輸過程引起的SWC和ST延遲響應(yīng)特點(diǎn)。

圖2 土壤水分和溫度垂直剖面云

SWC及ST受諸多氣象因素的直接或間接影響，各影響因子并非獨(dú)立變量。在數(shù)據(jù)中心化和標(biāo)準(zhǔn)化處理基礎(chǔ)上采用RDA進(jìn)行分析。其中潛在蒸散發(fā)量(Potential Evapotranspiration，ET)利用太陽輻射、風(fēng)速、氣溫等數(shù)據(jù)基于Penman-Monteith公式計(jì)算。氣象因素與SWC和ST的RDA排序結(jié)果見圖3，圖中矢量箭頭之間的夾角余弦值為相關(guān)系數(shù)，夾角小于90°表明正相關(guān)，夾角越小相關(guān)性越大；夾角等于90°表明兩變量完全不相關(guān)；夾角大于90°表明為負(fù)相關(guān)。排序軸(約束軸)是一種虛擬軸，表示環(huán)境變量的線性組合，反映一定的環(huán)境因子梯度。根據(jù)排序軸可計(jì)算各環(huán)境變量對于相應(yīng)變量方差的解釋率和貢獻(xiàn)率。

氣象因素與SWC的排序結(jié)果表明：(1) 降雨量與表層10 cm的SWC相關(guān)性小于40 cm，80 cm，降雨對于深層SWC影響更大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于深層土壤初始SWC較低，在降雨集中期則迅速增加(圖3A)，從而表現(xiàn)出與降雨的強(qiáng)相關(guān)；(2) 氣溫、蒸汽壓和空氣濕度與SWC正相關(guān)，尤其與10 cm的SWC相關(guān)性較大，上述變量實(shí)際上受控于氣候季節(jié)性變化，不一定直接引起SWC變化，屬于間接相關(guān)。氣象因素與ST之間的相關(guān)分析(圖3B)表明：(1) 多數(shù)氣象因素與ST均為正相關(guān)，僅大氣壓與ST負(fù)相關(guān)，實(shí)際上蒸汽壓、氣壓與氣溫之間有直接關(guān)系，大氣壓與ST的負(fù)相關(guān)以及蒸汽壓與ST的正相關(guān)均為氣溫與ST之間關(guān)系的間接表現(xiàn)；(2) 氣溫與10 cm的ST相關(guān)性大于40 cm和80 cm，表明深層ST對于氣溫變化的響應(yīng)慢于淺層。

圖3 氣象因素與土壤水分和溫度之間的RDA排序分析

圖3中有一些氣象因素環(huán)境變量并不直接引起SWC和ST變化，故采用主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)得到主環(huán)境變量為雨量、潛在蒸散發(fā)(ET)、日累計(jì)輻射(太陽輻射)和氣溫，然后基于約束排序法RDA分析主環(huán)境變量對于所有SWC和ST變化的解釋率。過程中對于主環(huán)境變量按照重要性排位，依次加入分析后獲得的校正R2減去上一次的校正R2，此時(shí)分配的R2所占比例即為當(dāng)前環(huán)境變量的解釋率。根據(jù)排序結(jié)果，前兩軸對于SWC累計(jì)擬合方差解釋率為99.85%，對于ST為99.93%。4個(gè)主環(huán)境變量的解釋率以及與前兩個(gè)排序軸的相關(guān)系數(shù)見表1，降雨量對于SWC的解釋率為39.5%，氣溫對于ST的解釋率高達(dá)77.4%，降雨量和氣溫分別為SWC，ST的主控因素。

表1 主要?dú)庀笠蛩貙τ赟WC和ST解釋率及排序軸相關(guān)系數(shù)

3.2 土壤熱量傳輸及其與SWC的關(guān)系

土壤熱通量是地球表面能量平衡的重要分量之一，土壤中的熱量為近地表的微生物活動(dòng)、植物根系代謝提供能量支持[28,32]。根據(jù)公式(2—3)計(jì)算了土壤剖面上的熱儲量和熱通量，計(jì)算結(jié)果與已有文獻(xiàn)接近[33]，土壤溫度與持續(xù)累積熱儲量計(jì)算結(jié)果見圖4，其中熱儲量ΔS>0時(shí)土壤儲存熱量，ΔS<0時(shí)土壤釋放熱量。

地球公轉(zhuǎn)引起四季氣候變化，土壤溫度梯度受氣溫影響出現(xiàn)季節(jié)性反轉(zhuǎn)(圖4A)，溫度梯度方向必然決定土壤熱傳輸方向。此外，受復(fù)雜氣象因素的影響，累計(jì)熱儲量呈現(xiàn)頻繁波動(dòng)，一年內(nèi)持續(xù)累計(jì)熱儲量則呈現(xiàn)春夏季增加、秋冬季減小的趨勢，且10 cm熱儲量低于更深層土壤(圖4B)，說明越靠近地表土壤在熱傳導(dǎo)方面的作用越明顯、熱儲存作用越弱。熱通量計(jì)算結(jié)果見圖5，熱通量Gz>0表明熱量向地表運(yùn)移，Gz<0表明熱量向土壤深處運(yùn)移，熱通量計(jì)算結(jié)果相比熱儲量大了3個(gè)數(shù)量級(縱坐標(biāo)單位kJ/cm2)。日累計(jì)熱通量計(jì)算結(jié)果表明大多時(shí)間熱量均向下傳輸，僅春季和冬季時(shí)由于深層土壤溫度高于淺層，熱量向上傳輸。一年持續(xù)累計(jì)熱通量計(jì)算結(jié)果表明10—40 cm深度的土壤為向下傳熱層，而40—80 cm土壤主要儲存熱量或向上傳熱，在40 cm深度左右存在一個(gè)熱通量為零但是位置隨時(shí)間變化的界線。

圖4 剖面上土壤溫度和熱儲量隨時(shí)間變化

圖5 剖面上日累計(jì)和總累計(jì)土壤熱通量隨時(shí)間變化

除了土壤溫度梯度季節(jié)性改變而引起的熱量傳輸，SWC對于土壤熱傳導(dǎo)也有重要影響[15,17]，主要體現(xiàn)于土壤熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱容。本文對于土壤熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱容采用了經(jīng)驗(yàn)公式(4) 和簡化公式(5)，經(jīng)驗(yàn)式中的土壤熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱容均主要受控于SWC。選擇2018/4/25—2018/5/25降雨數(shù)據(jù)和ST，SWC進(jìn)行討論(圖6)。選擇的時(shí)段為溫度回升期，圖中顯示存在降雨時(shí)，ST在幾天之內(nèi)均處于下降趨勢(ST實(shí)測-40 cm曲線變化趨勢較為明顯)，降幅并不如季節(jié)性變化那樣明顯，40 cm的ST會低于80 cm；SWC則迅速上升之后又快速恢復(fù)到初始狀態(tài)。降雨一方面降低了氣溫從而影響土壤溫度梯度，一方面增加SWC從而加快土壤熱傳導(dǎo)，從而使得土壤不同深度的ST快速趨于均一(圖6中1，2虛線框內(nèi))。

圖6 降雨量與ST和SWC隨時(shí)間變化

3.3 土壤蒸汽水傳輸及其與ST的關(guān)系

ST是土壤水分運(yùn)動(dòng)的重要驅(qū)動(dòng)因素，土溫梯度引起土壤內(nèi)部蒸汽水運(yùn)移，從而影響SWC[18,34]，蒸汽水運(yùn)移是土壤水—汽—熱耦合運(yùn)移的一部分。土壤中蒸汽運(yùn)移通量較小，但是蒸汽水的作用不可忽略，尤其在干旱季節(jié)是土壤水分運(yùn)動(dòng)的主要形式，并保證植物的用水需求[35]。圖7為土壤剖面上由土溫梯度而產(chǎn)生的蒸汽水傳輸通量計(jì)算結(jié)果，qv<0表明蒸汽水向上運(yùn)移，qv<0表明蒸汽水向下運(yùn)移。圖7表明：(1) 10—40 cm的土壤蒸汽水傳輸變動(dòng)較大，而40—80 cm較小，這由淺層SWC和ST的頻繁變動(dòng)而深層較為穩(wěn)定有關(guān)；(2) 總體而言，春冬季qv>0，蒸汽水向上運(yùn)移，而夏秋季qv<0，蒸汽水向下運(yùn)移(圖7A)，春冬干旱季節(jié)深層土壤的蒸汽水將補(bǔ)充淺層土壤水分，從而保證表層含水量滿足植物用水需求；(3) 一整年的土壤蒸汽水運(yùn)移通量計(jì)算結(jié)果如圖7B，深層40—80 cm土壤蒸汽水累計(jì)通量始終為正值，即80 cm的土壤蒸汽水累積量始終是向淺層補(bǔ)給，而10—40 cm的土壤蒸汽水累計(jì)通量基本為負(fù)值，表層蒸汽水向深層土壤補(bǔ)給。從一年持續(xù)累計(jì)通量來看，10—40 cm深度的土壤蒸汽水一年累計(jì)通量達(dá)到-84.7 kg/cm2，40—80 cm之間達(dá)到26.9 kg/cm2。本文研究表明溫度梯度作用下產(chǎn)生的蒸汽水最終在深度40 cm左右的土壤中積累，這部分土壤水被儲存起來，在秋冬干旱季對于滿足石漠化地區(qū)植被需水量是較為重要的。

圖7 土壤剖面不同深度累蒸汽水通量隨時(shí)間變化

土壤蒸汽水傳輸理論公式(6—10)表明蒸汽水運(yùn)移主要受控于ST和SWC。圖7曲線變化趨勢與圖5幾乎相同，熱通量與蒸汽水通量具有同步變化規(guī)律，說明ST為土壤蒸汽水傳輸主控因素。相對于SWC對熱量傳輸?shù)挠绊懀寥浪疅醾鬏旕詈详P(guān)系更體現(xiàn)于蒸汽水運(yùn)移。此處將熱通量計(jì)算結(jié)果與蒸汽水通量計(jì)算結(jié)果進(jìn)行線性相關(guān)Pearson分析，其散點(diǎn)分布如圖8所示，圖中變量與圖5，圖7相應(yīng)變量單位一致(Gz為熱通量，qv為蒸汽通量)。從相關(guān)系數(shù)來看熱通量與蒸汽水通量具有較高的相關(guān)性，一定程度反映蒸汽水伴隨著熱量傳輸在土壤中運(yùn)移的機(jī)理。

圖8 熱通量與蒸汽水通量之間Pearson線性分析的散點(diǎn)分布

4 結(jié) 論

高原石漠化地區(qū)小降雨事件頻繁，使得淺層土壤水分干濕交替迅速，深層土壤水分僅在夏秋降雨集中期才能得到補(bǔ)給。RDA方法可用于分析多個(gè)氣象因素對于SWC和ST的影響程度。SWC的主要影響因素為降雨、日累計(jì)輻射、氣溫和蒸散發(fā)，其中降雨對于SWC方差的總體解釋率為39.5%；ST的主控因素為氣溫，氣溫對于ST方差總體解釋率為77.4%。在土壤水熱傳輸方面，越靠近地表的土壤在熱傳導(dǎo)方面作用越明顯、熱儲存作用越弱。0—40 cm深度的土壤基本為向下傳熱層，40—80 cm土壤主要儲存熱量或向上傳熱，40 cm深度左右存在變化的零通量邊界。

蒸汽水在不同季節(jié)運(yùn)移方向不同，春冬季蒸汽水主要向上運(yùn)移，夏秋季主要向下運(yùn)移，體現(xiàn)了土壤蒸汽水夏秋季儲存、春冬季排放的特點(diǎn)。從水熱耦合傳輸角度討論，SWC主控土壤的熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱容，從而影響土壤的熱量運(yùn)移；而ST梯度則是蒸汽水傳輸?shù)闹骺匾蛩兀羝孔兓€與熱通量變化曲線趨勢近乎相同，基于Peason分析表明兩者為高度的線性相關(guān)，蒸汽水伴隨著熱量傳輸在土壤中運(yùn)移。

本文也存在一些不足，比如未同步監(jiān)測土壤熱通量來評估本文計(jì)算誤差，未進(jìn)一步探討石漠化地區(qū)廣泛出露地表的裸巖對于SWC和ST的影響，尚待設(shè)計(jì)更為合理的監(jiān)測方案深入研究。