黃土丘陵區(qū)生物結(jié)皮土壤溫度年內(nèi)動態(tài)特征及其對土壤水分的響應

王閃閃, 趙允格, 楊 光, 任 偉, 楊 凱, 張子輝

(1.中國科學院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊陵 712100;2.中國科學院大學, 北京 100049； 3.吳起縣氣象局, 陜西 吳起 717600; 4.西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院, 陜西 楊凌 712100)

生物土壤結(jié)皮(生物結(jié)皮)，是由藍綠藻、地衣和苔蘚植物等自養(yǎng)生物和異養(yǎng)細菌、古菌及真菌等與土壤礦物質(zhì)顆粒復合而形成的復雜復合體[1]，是干旱半干旱地區(qū)土壤—大氣間廣泛存在的界面層，具有重要的生態(tài)功能，顯著影響土壤—大氣間的物質(zhì)與能量的交換，以至于有研究者將其比喻為土壤的活性“皮膚”[2]，是土壤溫度重要的影響因子。在生物結(jié)皮及其生態(tài)功能研究的早期階段，人們已經(jīng)認識到生物結(jié)皮可影響土壤溫度。如20世紀90年代，Belnap[3]在美國科羅拉多高原最早發(fā)現(xiàn)，以鞘藻屬為主的藻結(jié)皮在夏季的溫度可高于大氣溫度23 ℃，冬季高于大氣溫度14 ℃。此后，Kidron[4]在以色列內(nèi)蓋夫沙漠，以除去生物結(jié)皮的裸土為對照，采用便攜式溫度計觀測證實，不同類型生物結(jié)皮可增加土壤溫度3.9～6.9 ℃，增加程度與土層深度和含水量有關。同期，楊永勝等[5]在我國毛烏素沙地用曲管地溫計測定了生物結(jié)皮土壤溫度，結(jié)果表明生物結(jié)皮在氣溫和降水量較高時降低了地表土壤溫度，而氣溫和降水量較低時增加了土壤溫度，以此推測出生物結(jié)皮對土壤溫度的影響受到氣溫和含水量的影響。肖波等[6]在黃土高原水蝕風蝕交錯區(qū)的砂質(zhì)土壤上通過定位監(jiān)測，研究了蘚結(jié)皮對土壤溫度的影響，結(jié)果證實，夏季濕熱條件下生物結(jié)皮對土壤溫度的影響主要受大氣溫度和土壤水分調(diào)控，生物結(jié)皮降低了土壤溫度；冬季干冷條件下主要受氣溫的影響，生物結(jié)皮可增加土壤溫度。縱觀已有研究可見，生物結(jié)皮對土壤溫度的影響非常復雜，是多因素綜合作用的結(jié)果，但目前有關生物結(jié)皮對土壤溫度影響的研究仍非常有限，且主要在砂質(zhì)土壤上展開，生物結(jié)皮對不同質(zhì)地土壤溫度的影響尚未可知，其對土壤溫度的影響及其與土壤質(zhì)地、土壤含水量及生物結(jié)皮類型等的相關性仍有研究的必要性，以進一步深化生物結(jié)皮生態(tài)功能的研究。土壤溫度是土壤系統(tǒng)中諸多過程的重要影響因素，是土壤物理重要的研究內(nèi)容。已有研究[7]表明，土壤溫度不僅與土壤含水量有關，同時還與土壤質(zhì)地密切相關，不同質(zhì)地的土壤熱特性不同。通常，在相同含水率條件下，砂粒含量越高，土壤的導熱率越大，土壤導熱能力越強[8-9]。生物結(jié)皮作為干旱半干旱地區(qū)土壤溫度重要的影響因素，目前仍鮮有研究關注不同土壤質(zhì)地土壤上生物結(jié)皮對土壤溫度的影響，是生物結(jié)皮生態(tài)功能研究中的薄弱點。

黃土丘陵區(qū)退耕還林草生態(tài)工程實施后，生物結(jié)皮在該區(qū)退耕地大面積發(fā)育，平均蓋度可達60%～70%[10]，是該區(qū)土壤溫度的重要影響因素，進而影響退耕地土壤系統(tǒng)中微生物的活動、養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、根系的生長發(fā)育等諸多過程，但目前黃土丘陵區(qū)生物結(jié)皮影響下土壤溫度的研究多集中在砂土地區(qū)，其他土質(zhì)地區(qū)的研究鮮見報道，妨礙了人們對退耕地生態(tài)過程的準確認識。為此，本文以黃土丘陵區(qū)粉砂質(zhì)壤土上發(fā)育至穩(wěn)定階段的生物結(jié)皮為研究對象，通過野外定位監(jiān)測，觀測生物結(jié)皮層和結(jié)皮層下5 cm土壤溫度，及結(jié)皮層下5 cm土壤體積含水量動態(tài)。以2016年1月1日至2018年12月31日共3 a的數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析生物結(jié)皮層和結(jié)皮層下5 cm土壤溫度的年內(nèi)動態(tài)特征以及對土壤含水量變化的響應，為進一步理解生物結(jié)皮在黃土丘陵區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中的功能提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃土高原腹地，陜西省吳起縣合溝小流域(北緯36°53′32″，東經(jīng)108°13′26″)，該小流域?qū)儆诘湫偷狞S土丘陵溝壑區(qū)，屬暖溫帶半干旱季風氣候[11]，海拔1 450 m。年均氣溫為7.8 ℃。其中最高溫7月，平均溫度為22.7 ℃，最低溫1月，平均溫度-7.0 ℃。年均日照時數(shù)為2 400 h，多年年均降雨量為480 mm，主要集中在7—9月。研究區(qū)土壤類型為黃土母質(zhì)上發(fā)育而成的黃綿土，植被覆蓋度為40%～65%，常見植被有鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、達烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、匍匐委陵菜(Potentillareptans)、菊葉委陵菜(Potentillatanacetifolia)、狹裂白蒿(Artemisiakanashiroi)、硬質(zhì)早熟禾(Poasphondylodes)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)和長芒草(Stipabungeana)等。該流域自1999年退耕初期便實施嚴格封山禁牧制度，地表生物結(jié)皮廣泛發(fā)育，平均蓋度75.0%，主要類型包括藻結(jié)皮、蘚結(jié)皮和藻、蘚及地衣混生結(jié)皮[12]，其中蘚結(jié)皮優(yōu)勢種為土生對齒蘚(Didymodonvinealis)和短葉對齒蘚(Didymodontectorus)，常見的地衣種類有Collemaspp.，Endocarponpusillum，F(xiàn)ulgensiabracteatad，Psoraspp.。樣地土壤理化性質(zhì)詳見表1。

表1 樣地土壤理化性質(zhì)

1.2 研究方法

1.2.1 儀器安裝及數(shù)據(jù)采集 于2015年9月10日，在合溝小流域的梁峁坡上選擇發(fā)育穩(wěn)定期的藻蘚混合的生物結(jié)皮，垂直挖取10 cm深土壤剖面，將溫度熱電偶探頭TT-T-24(Omega Engineering, Inc., Miami, FL, USA)垂直土壤剖面插入生物結(jié)皮層下1 cm(結(jié)皮厚度為6—8 mm，距離地表約2 cm深度處)和結(jié)皮層下5 cm土壤內(nèi)。溫度探頭是T型探頭，量程為-200～350 ℃，精度為±0.2 ℃。同時，在生物結(jié)皮層下5 cm土壤采用CS616-LC(Campbell Scientific, Inc., Logan, UT, USA)探頭測定土壤體積含水量。含水量傳感器分辨率為0.1%，精度為0.05%，量程為0%～50%。土壤溫度和水分的測量頻率是每10 s進行一次，水溫監(jiān)測傳感器連接數(shù)據(jù)采集器CR1 000(Campbell Scientific, Inc., Logan, UT, USA)，將數(shù)據(jù)保存到設定好的表格中，每10 min計算土壤溫度(℃)和含水量(V/V%)的平均值，并將數(shù)據(jù)進行采集和存儲。其后，每兩個月下載數(shù)據(jù)。氣象參數(shù)及大氣溫度由吳起氣象局提供，該局測定點距離研究樣地監(jiān)測點3.9 km，氣象局提供的年降雨數(shù)據(jù)與試驗地雨量計監(jiān)測數(shù)據(jù)一致。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理 所用數(shù)據(jù)的記錄時段為2016年1月1日至2018年12月31日。

(1) 為明確生物結(jié)皮層和結(jié)皮層下5 cm土壤溫度年內(nèi)變化，將相同月份內(nèi)監(jiān)測的溫度數(shù)據(jù)進行平均，分析生物結(jié)皮層和結(jié)皮層下5 cm土壤溫度的年內(nèi)動態(tài)；將相同月份同一時間所監(jiān)測的溫度數(shù)據(jù)進行平均，以此分析不同月份生物結(jié)皮層及結(jié)皮層下5 cm土壤溫度日動態(tài)。

(2) 為明確最冷月和最熱月土壤含水量對生物結(jié)皮層及結(jié)皮層下5 cm土壤溫度的影響，根據(jù)土壤導熱方式的差異(土壤體積含水量小于4%以固體、氣體及輻射參與導熱。隨著含水量的增加，水分逐漸填充土壤顆粒的間隙，土壤體積含水量大于12%時以固體、液體導熱為主[13])。選取7月(最熱月，雨熱同期)晴朗天氣、大氣平均溫度為20～25 ℃的自然天內(nèi)日均土壤含水量≥12%和土壤含水量≤4%的生物結(jié)皮層和結(jié)皮層下5 cm土壤溫度數(shù)據(jù)，分析了7月這兩個土壤含水量對生物結(jié)皮及結(jié)皮層下5 cm土壤溫度的影響；選擇1月(最冷月)天氣晴朗的自然天內(nèi)日均土壤含水量≥12%和土壤含水量≤4%的生物結(jié)皮層和結(jié)皮層下5 cm土壤溫度數(shù)據(jù)，分析1月土壤含水量對生物結(jié)皮層及結(jié)皮層下5 cm土壤溫度的影響。需要指出的是，冬季土壤凍結(jié)后，水分探頭測量結(jié)果顯示在0%～5%之間變化，可能不是實際土壤含水量，但是日間升溫后，土壤解凍，水分含量增加，因此我們根據(jù)一天的平均土壤含水量來選擇土壤含水量≥12%和土壤含水量≤4%的生物結(jié)皮土壤溫度數(shù)據(jù)。選擇的天數(shù)及日期詳見表2。

1.3 統(tǒng)計分析

采用Excel 2010(Microsoft Corp., Redmond, WA, USA)和SPSS 19.0(SPSS Inc., Chicago, IL, USA)軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。其中，大氣和生物結(jié)皮層及結(jié)皮層下5 cm土壤溫度年內(nèi)變化的差異顯著性進行One-way ANOVA方差分析，并用LSD法進行多重比較(α=0.05)。采用Pearson相關分析研究不同月份生物結(jié)皮土壤日均溫與大氣日均溫、日均土壤含水量之間的相關性。利用Origin Pro 9.1(Origin Lab Corp., Northampton, MA, USA)進行作圖分析，數(shù)據(jù)表示為平均值±標準誤。

表2 1月和7月所選擇的土壤含水量≥12%和土壤含水量≤4%的日期

2 結(jié)果與分析

2.1 生物結(jié)皮層及下層土壤溫度年內(nèi)動態(tài)

統(tǒng)計分析3 a的數(shù)據(jù)表明，3 a中有1 096 d中大氣日均溫高于生物結(jié)皮層日均溫的天數(shù)約50 d，其余1 046 d大氣溫度均低于生物結(jié)皮層溫度。根據(jù)3 a年均溫可知(圖1)，3 a研究區(qū)大氣年均溫為8.7 ℃，生物結(jié)皮層及結(jié)皮層下5 cm土壤年均溫分別為13.6 ℃和12.9 ℃。與氣溫相比，生物結(jié)皮層和結(jié)皮層下5 cm土壤年均溫分別高于大氣4.9 ℃和4.3 ℃。圖2為2016—2018年生物結(jié)皮層及結(jié)皮層下5 cm深度的月均土壤溫度、氣溫以及降水量隨月份的變化特征，生物結(jié)皮層和結(jié)皮層下5 cm土壤溫度的變化與氣溫、降水量的變化均呈正弦波型，生物結(jié)皮層月均溫最高在6月，溫度為27.1 ℃，結(jié)皮層下5 cm土壤和大氣月均溫最高在7月，溫度分別為22.7和25.1 ℃。大氣、生物結(jié)皮層和結(jié)皮層下5 cm土壤月均溫最低均在1月，分別為-6.9 ℃，-1.7 ℃和-1.4 ℃。

注：不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)

圖2 月均降水量以及生物結(jié)皮層、結(jié)皮層下5 cm土壤和大氣月均溫年內(nèi)動態(tài)

2.2 不同月份生物結(jié)皮層及下層土壤溫度日動態(tài)

圖3為不同月份生物結(jié)皮層和結(jié)皮層下5 cm土壤與大氣溫度日動態(tài)。由圖3可知，生物結(jié)皮層和結(jié)皮層下5 cm土壤溫度的日變化特征明顯，呈正弦曲線變化，與氣溫的日變化基本一致，有一個谷值和一個峰值。生物結(jié)皮層和結(jié)皮層下5 cm土壤溫度日較差在雨季前(4—6月)變化最大，最大日較差出現(xiàn)在6月，生物結(jié)皮層和結(jié)皮層下5 cm土壤分別為32.0 ℃和17.2 ℃。7月之后，生物結(jié)皮層和結(jié)皮層下5 cm土壤溫度日較差逐漸變小，10月生物結(jié)皮層溫度日較差最小，為17.3 ℃，1月結(jié)皮層下5 cm土壤溫度日較差最低為8.5 ℃。同時，生物結(jié)皮與大氣的溫差在雨季前最大，7月之后(雨季中后期)逐漸縮小。

表3為生物結(jié)皮土壤溫度與氣溫和土壤含水量的相關性分析結(jié)果。一年12個月中，生物結(jié)皮土壤溫度與大氣溫度均呈極顯著正相關；3—10月生物結(jié)皮土壤溫度與土壤含水量呈極顯著負相關，3月的相關系數(shù)最小，7月的相關系數(shù)最大；11和12月生物結(jié)皮土壤溫度與土壤含水量呈極顯著正相關。由此可見，不同月份生物結(jié)皮土壤溫度受水分影響的程度和結(jié)果不同。

圖3 大氣和生物結(jié)皮層及結(jié)皮層下5cm土壤溫度不同月份日動態(tài)

2.3 1月和7月土壤含水量對生物結(jié)皮層及下層土壤溫度的影響

圖4為1月土壤含水量≥12%和土壤含水量≤4%時大氣和生物結(jié)皮層以及結(jié)皮層下5 cm土壤溫度日動態(tài)。當含水量≥12%時，生物結(jié)皮層、結(jié)皮層下5 cm土壤和大氣溫度日較差分別是15.9 ℃，5.6 ℃和18.8 ℃。當含水量≤4%時，生物結(jié)皮層、5 cm土壤和大氣溫度日較差分別是26.8 ℃，12.3 ℃和11.4 ℃。

圖4 1月土壤含水量≥12%和土壤含水量≤4%時大氣和生物結(jié)皮層及結(jié)皮層下5 cm土壤溫度日動態(tài)

表3 不同月份生物結(jié)皮土壤溫度與土壤含水量和氣溫之間的Pearson相關性分析

圖5為7月土壤含水量≥12%和土壤含水量≤4%時大氣和生物結(jié)皮層以及結(jié)皮層下5 cm土壤溫度日動態(tài)。當含水量≥12%時，生物結(jié)皮層、結(jié)皮層下5 cm土壤和大氣溫度日較差分別是19.4 ℃，13.5 ℃和11.8 ℃。當含水量≤4%時，生物結(jié)皮層、結(jié)皮層下5 cm土壤和大氣溫度日較差分別是35.2 ℃，20.8 ℃和17.8 ℃。

3 討 論

生物結(jié)皮是土壤—大氣之間物質(zhì)、能量交換的界面層，顯著影響土壤溫度。本研究以黃土丘陵區(qū)發(fā)育至穩(wěn)定階段的生物結(jié)皮為研究對象，研究生物結(jié)皮土壤溫度的年內(nèi)動態(tài)以及對土壤水分的響應。結(jié)果表明，受太陽輻射的影響，氣溫、生物結(jié)皮層與結(jié)皮層下5 cm土壤溫度年內(nèi)動態(tài)均呈正弦曲線，與該區(qū)表層土壤溫度變化趨勢一致[14]。結(jié)皮層下5 cm土壤和大氣溫度月均溫最高在7月，而生物結(jié)皮層在6月。一方面，可能是因為該區(qū)降雨主要在7—9月，6月降水較少，土壤含水量也較低，生物結(jié)皮土壤熱容量和導熱率較小，吸收相同的熱量后，6月生物結(jié)皮層溫度升高較快[7]，進而導致生物結(jié)皮土壤溫度在該月最高。另一方面，6月生物結(jié)皮層多數(shù)時間并未濕潤顏色多為黑灰色，有利于吸收太陽輻射[3]，使得生物結(jié)皮土壤升溫較快。肖波等在黃土高原水蝕風蝕交錯區(qū)的砂土上的研究表明夏季生物結(jié)皮對土壤溫度的影響主要與氣溫和降水有關，而冬季主要受氣溫調(diào)控[6]。但是本文結(jié)果表明，黃土丘陵區(qū)冬季的部分月份土壤水分與生物結(jié)皮土壤溫度呈顯著正相關，可見該區(qū)冬季土壤含水量也是影響生物結(jié)皮溫度的重要因素。

圖5 7月土壤含水量≥12%和土壤含水量≤4%時大氣和生物結(jié)皮層及結(jié)皮層下5 cm土壤溫度日動態(tài)

通過分析冬季1月黃土丘陵區(qū)粉砂質(zhì)壤土上的生物結(jié)皮土壤溫度日動態(tài)與土壤水分的關系，與砂土區(qū)同為1月的結(jié)果略有不同。主要體現(xiàn)在黃土丘陵區(qū)土壤含水量較低時生物結(jié)皮層及結(jié)皮層下5 cm土壤溫度日較差是土壤含水量較高時的1.7倍以上。兩個土壤含水量條件下的生物結(jié)皮土壤最高溫相差不大，而差異主要在最低溫處。土壤含水量較高時，夜間土壤中的水會結(jié)冰放熱[15]，使得生物結(jié)皮土壤最低溫為-3 ℃，而同時段土壤含水量較低時生物結(jié)皮土壤最低溫為-17 ℃，進而使得在土壤含水量較高時生物結(jié)皮土壤溫度日振幅較小。可見1月土壤含水量也是影響生物結(jié)皮土壤溫度的重要因子。而肖波等在黃土高原砂土上的結(jié)果顯示土壤含水量在冬季整體較低，對生物結(jié)皮土壤溫度的影響有限，而黃土丘陵區(qū)粉砂質(zhì)壤土的土壤水分狀況要優(yōu)于砂土區(qū)，因此兩個區(qū)域在冬季1月土壤水分對生物結(jié)皮溫度的影響存在差異。這可能是因為兩個地區(qū)土壤質(zhì)地不同，砂土的土壤孔隙較大，水分入滲和蒸發(fā)量都高于粉砂質(zhì)壤土[4]，而粉砂質(zhì)壤土的土壤顆粒較細，土壤孔隙較小，對水的吸持能力較大，土壤水分狀況相對較好。另外，在比較兩個區(qū)域同為低含水量條件且氣溫日較差一致的情況下，砂土區(qū)生物結(jié)皮土壤的日較差低于黃土丘陵區(qū)5 ℃，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，砂土上生物結(jié)皮土壤最高溫低于黃土丘陵區(qū)粉砂質(zhì)壤土最高溫約5 ℃，這可能是由于以下兩個原因?qū)е碌模阂环矫媸且驗辄S土丘陵區(qū)緯度低于砂土區(qū)，冬季接受的太陽輻射多于砂土區(qū)[16]。另一方面，砂土的導熱率高于黃土丘陵區(qū)的粉砂質(zhì)壤土，吸收的熱量易傳導到下層[7]，使表層生物結(jié)皮土壤溫度不易升高，因此砂土上生物結(jié)皮土壤溫度低于粉砂質(zhì)壤土上生物結(jié)皮土壤溫度。以上結(jié)果表明，黃土丘陵區(qū)粉砂質(zhì)壤土上生物結(jié)皮土壤溫度動態(tài)對土壤水分的響應程度不同于黃土高原水蝕風蝕交錯區(qū)的砂土，進而對土壤溫度的影響亦不同，因此有關黃土丘陵區(qū)生物結(jié)皮對土壤溫度的影響有待進一步研究。

生物結(jié)皮作為黃土丘陵區(qū)土壤微生物和小型節(jié)肢動物的棲息地，其溫度變化對微生物活性以及小型節(jié)肢動物的生存至關重要[1]。同時，雨季前(4—6月)生物結(jié)皮土壤日較差高于雨季中后期，這一現(xiàn)象對儲存于生物結(jié)皮的植物種子的萌發(fā)有促進作用[17]。明確生物結(jié)皮土壤溫度動態(tài)特征及與土壤水分的關系，對下伏土壤中的微生物活性、土壤動物生存及植被生長具有重要意義。

4 結(jié) 論

(1) 通過3 a野外定位監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，受降水和氣溫的影響，生物結(jié)皮土壤年內(nèi)動態(tài)和日動態(tài)均按正弦曲線變化。生物結(jié)皮層月均溫最高出現(xiàn)在6月，為27.1 ℃；結(jié)皮層下5 cm土壤月均溫最高在7月，為22.7 ℃；生物結(jié)皮層和結(jié)皮層下5 cm土壤月均溫均在1月最低，分別為-1.7 ℃和-1.4 ℃。6月生物結(jié)皮層和結(jié)皮層下5 cm土壤溫度日較差最大，分別為32.0 ℃和17.2 ℃；10月生物結(jié)皮層溫度日較差最小為17.3 ℃，1月結(jié)皮層下5 cm土壤溫度日較差最低為8.5 ℃。

(2) 土壤水分在最冷月(1月)和最熱月(7月)均會影響黃土丘陵區(qū)粉砂質(zhì)壤土上生物結(jié)皮土壤溫度。土壤含水量的增加導致生物結(jié)皮層和結(jié)皮層下5 cm土壤溫度日較差下降。1月土壤含水量≥12%時生物結(jié)皮層和結(jié)皮層下5 cm土壤溫度日較差分別是15.9 ℃和5.6 ℃；當含水量≤4%時生物結(jié)皮層和結(jié)皮層下5 cm土壤溫度日較差分別是26.8 ℃和12.3 ℃。7月受氣溫和降雨的影響，當土壤含水量≥12%時，生物結(jié)皮層和結(jié)皮層下5 cm土壤溫度日較差分別是19.4 ℃和13.5 ℃；當含水量≤4%時，生物結(jié)皮層和結(jié)皮層下5 cm土壤溫度日較差分別是35.2 ℃和20.8 ℃。