湘南旱地土壤熱通量變化特征分析

戴平　李涵茂　方麗

摘要：基于2014、2015年6～9月的太陽輻射和土壤熱通量觀測(cè)資料，分析了湘南旱地土壤熱通量變化特征。研究表明，6～9月，旱地土壤熱通量季節(jié)和月變化都呈逐漸減少趨勢(shì)；5和10 cm晴天土壤熱通量日變化呈單峰曲線，與太陽凈輻射日變化趨勢(shì)一致；5和10 cm土壤日均熱通量與太陽日均凈輻射量之間存在極顯著的線性關(guān)系。

關(guān)鍵詞：旱地；土壤熱通量；變化特征；分析

中圖分類號(hào)：S152 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）20-3870-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.20.019

Abstract： Based on the observation data of solar radiation and soil heat flux from June to September in 2014 and 2015 year， variation characteristics of soil heat flux in southern Hunan upland were analyzed. The results showed that seasonal and moths variation characteristics of soil heat flux showed a trend of decline from June to September in upland. Daily variation of soil heat flux showed a single peak curve in 5 and 10 cm depths. And it had the same trend as daily variation of net solar radiation. There was a extremely significant linear relationship between daily average soil heat flux and daily average net solar radiation.

Key words： upland； soil heat flux； variation characteristics； analysis

土壤熱通量是地表熱量平衡的組成部分，表征土壤表層與深層間的熱交換狀況。不同土壤類型[1]、植被覆蓋類型[2-4]、地表均勻度[5，6]等土壤熱通量的變化特征有所差異。通過觀測(cè)和分析土壤熱通量可以了解地表能量的收支狀況，對(duì)掌握不同地表的能量和水分輸送有重要的意義。

目前，獲取地表土壤熱通量的方法主要有觀測(cè)[7，8]和計(jì)算[9，10]兩種。國內(nèi)學(xué)者在土壤熱通量方面開展了一定的研究。王勝等[11]通過觀測(cè)數(shù)據(jù)分析了不同天氣狀況下戈壁土壤熱通量的日變化特征及其與輻射通量的關(guān)系；王春風(fēng)等[12]研究了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤熱狀況變化特征；馮璐等[13]基于土壤溫濕度觀測(cè)資料估算藏北高原地區(qū)土壤熱通量；劉笑吟等[14]分析了南方稻田土壤熱通量變化特征。

衡陽市位于湖南南部，地處“衡邵干旱走廊”區(qū)域，6～9月極易發(fā)生干旱災(zāi)害，對(duì)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了不利影響。本研究擬通過分析6～9月旱地土壤熱通量變化特征，掌握該區(qū)域地表能量收支狀況，為進(jìn)一步分析該區(qū)域水分輸送情況及變化特征提供技術(shù)支撐和資料參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

觀測(cè)試驗(yàn)在湖南省衡陽市農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)基地（26.96°N，112.57°E）進(jìn)行，屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年平均氣溫17.9 ℃，年平均降雨1 339.3 mm，年均蒸發(fā)量1 225.1 mm，年均日照時(shí)數(shù)1 490.4 h。

1.2 觀測(cè)方法

在兩塊稻田之間高于稻田面20 cm的4 m（寬）×8 m（長）旱地上，安裝有RR-9310換位式波文比通量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（北京雨根科技有限公司）。旱地土壤為水稻土，下墊面為高度低于10 cm的雜草。主要觀測(cè)的要素有太陽凈輻射（AV-71NR）、兩個(gè)高度的空氣溫濕度、土壤熱通量（HFT-3）等，土壤熱通量預(yù)埋在5和10 cm深度的土層中。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每10 min采集記錄數(shù)據(jù)1次。觀測(cè)數(shù)據(jù)使用時(shí)段為2014年6月1日至9月30日以及2015年6月1日至9月20日。

1.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Visual Basic 6.0和Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤熱通量季節(jié)變化

2014、2015年6～9月農(nóng)荒地土壤熱通量季節(jié)變化特征見圖1。2014年6～9月，5 cm土壤熱通量平均為4.88 W/m2，10 cm土壤熱通量平均為4.81 W/m2；2015年6～9月，5 cm土壤熱通量平均為4.56 W/m2， 10 cm土壤熱通量平均為4.83 W/m2。從土壤熱通量變化趨勢(shì)來看，2014、2015年6～9月5和10 cm土壤熱通量都呈減少趨勢(shì)，變化趨勢(shì)一致（圖1）。

2.2 土壤熱通量月變化

2014、2015年土壤熱通量月變化特征見圖2。由圖2可知，2014年6～9月，5 cm土壤熱通量依次分別為7.22、6.56、4.73和0.96 W/m2，10 cm土壤熱通量依次分別為6.64、6.16、4.56和1.84 W/m2；2015年6～9月，5 cm土壤熱通量依次分別為8.49、3.53、3.54和2.59 W/m2，10 cm土壤熱通量依次分別為8.17、4.27、3.83和2.93 W/m2。2014、2015年6～9月5和10 cm土壤熱通量都呈減少趨勢(shì)，兩者變化趨勢(shì)一致，均是6月最大，9月最小。2014年6和9月5和10 cm的土壤熱通量都小于2015年，2014年7和8月5和10 cm的土壤熱通量均大于2015年。endprint

2.3 土壤熱通量日變化

2014、2015年土壤熱通量晴天日變化特征見圖3。由圖3可知，6～9月晴天5和10 cm土壤熱通量日變化都呈單峰型。6～9月，5 cm土壤熱通量峰值出現(xiàn)在15：00左右，10 cm土壤熱通量峰值出現(xiàn)在17：00左右，比5 cm土壤熱通量峰值的出現(xiàn)推遲2 h。5 cm土壤熱通量值日變化中，6月24 h基本處于正值，7月9：00～2：00（次日）處于正值，8月10：00～21：00處于正值，9月11：00～21：00處于正值。10 cm土壤熱通量值日變化中，6和7月24 h都處于正值，8月11：00～04：00（次日）處于正值，9月12：00～ 24：00處于正值。土壤熱通量值為正值，表示能量由地表向土壤傳遞能量；熱通量值為負(fù)值，表示能量由土壤向地表傳遞，地下土壤為熱源。由此可見，6～9月土壤吸收太陽輻射的熱量時(shí)間逐漸縮短，釋放熱量的時(shí)間逐漸增加。

2.4 太陽總輻射和凈輻射量日變化

2014、2015年晴天太陽總輻射量和凈輻射量日變化特征見圖4。6月（06-15）、7月（07-13）、8月（08-29）和9月（09-17）晴天太陽總輻射量和凈輻射量日變化都呈單峰型。6～9月，太陽總輻射量峰值出現(xiàn)在12：00～13：00，凈輻射量峰值出現(xiàn)在12：00～13：00，兩者的峰值出現(xiàn)時(shí)間一致。

2.5 土壤熱通量與太陽凈輻射量比值

土壤日均熱通量與太陽日均凈輻射量比值見圖5。由圖5可知，6月（06-15）、7月（07-13）、8月（08-29）和9月（09-17）晴天，5 cm土壤日均熱通量與太陽日均凈輻射量比值分別為18.98%、12.22%、5.51%和2.76%，10 cm土壤日均熱通量與太陽日均凈輻射量比值分別為15.43%、11.79%、5.34%和2.27%。可見，6～9月晴天5和10 cm土壤熱通量所占太陽凈輻射量的百分比值逐漸下降。

2.6 土壤熱通量與太陽凈輻射量的相關(guān)性

土壤熱通量與太陽凈輻射量的相關(guān)性分析見圖6。5 cm土壤日均熱通量與太陽日均凈輻射量相關(guān)方程為y=0.059 17x+1.231 1（r=0.568 8，P<0.01）；10 cm土壤日均熱通量與太陽日均凈輻射量相關(guān)方程為y=0.046 53x+2.119 6（r=0.554 4，P<0.01）。說明土壤熱通量與太陽凈輻射量之間存在著極其顯著相關(guān)性，土壤熱通量隨太陽凈輻射量的增加而增加（圖6）。

3 小結(jié)與討論

6～9月5和10 cm土壤日均熱通量呈逐漸減少趨勢(shì)；晴天5和10 cm土壤熱通量日變化呈單峰曲線，與太陽凈輻射量日變化趨勢(shì)一致；土壤熱通量的季節(jié)、月、日變化趨勢(shì)與張宏等[15]和蔣正德等[16]的研究結(jié)果相似。5 cm土壤熱通量峰值對(duì)太陽凈輻射量峰值反饋延時(shí)2～3 h，5 cm土壤熱通量峰值對(duì)太陽凈輻射量峰值反饋延時(shí)4～5 h，這是由于土壤熱通量與凈輻射量之間存在一定的滯后性[17]。

6～9月晴天，5和10 cm土壤日均熱通量與太陽日均輻射量比值分別為2.76%～18.98%和2.27%～15.43%，并隨月份增加呈逐漸減少趨勢(shì)，這說明土壤吸收太陽凈輻射的熱量越來越少。同時(shí)，6～9月土壤熱通量為正值，說明土壤主要以吸收熱量為主，起到“熱匯”的作用。

土壤熱通量尤其土壤表層的熱通量與冠層吸收的凈輻射密切相關(guān)，地表植被冠層頂部?jī)糨椛鋵?duì)地表溫度和土壤中的熱傳導(dǎo)起著決定性的作用；同時(shí)，由于植株遮擋，地表蒸發(fā)較小，土壤吸收的熱通量基本等同于向下傳導(dǎo)，上方的輻射通量與土壤熱通量關(guān)系更加緊密[18]。

本研究中，5和10 cm土壤日均熱通量與太陽日均輻射量存在著顯著的線性關(guān)系（P<0.01），這也與地表雜草冠層吸收的太陽凈輻射量有關(guān)。

本研究基于2014、2015年6～9月干旱季農(nóng)荒地土壤熱通量和太陽輻射觀測(cè)資料，分析了5和10 cm土壤熱通量季節(jié)、月和日變化特征，但因2014、2015年夏季（6～8月）日照較歷史值少20%以上，降水量多15%左右，土壤熱通量月平均值與常年值存在一定的差異。為了更為準(zhǔn)確地反映該區(qū)域地表類型的土壤熱通量的特征值，還需進(jìn)一步延續(xù)觀測(cè)以獲取更多年限的資料加以分析研究。

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