喀斯特地區土壤溫度變化特征及其與環境因子的關系

母婭霆,劉子琦,*,李 淵,朱大運

1 貴州師范大學喀斯特研究院, 貴陽 550001

2 國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心, 貴陽 550001

喀斯特地貌在世界上分布廣泛,其演變發展與全球變化和碳循環關系密切[1-3]。中國南方喀斯特在全球三大喀斯特集中連片區域中分布面積最大、發育類型最全[4]。西南喀斯特地區生境脆弱,對氣候變化敏感。土壤溫度的動態變化特征對研究喀斯特山區生態交錯帶的土壤活性及生態小氣候的監測具有重要意義,也有助于揭示土壤溫度對喀斯特山區生態環境和生產力的影響[5]。作為影響土壤呼吸速率的重要因子,土壤溫度對土壤無機碳釋放具有重要影響[6]。有研究發現,西南地區年降雨量和降雨次數逐漸下降,而且極端降水事件增多,導致該區碳酸鹽集聚層變淺、土壤無機碳庫流失巨大[7-8]。因此,在全球氣候變化和極端降水事件增加的背景下,研究喀斯特地區土壤溫度變化特征及其影響因子能夠為喀斯特土壤肥力評價提供科學參考,對于揭示喀斯特地區土壤碳循環和固存機理具有重要意義。

近年來,地溫變化已經引起國內外學者的廣泛關注。國內外也開展了諸多關于土壤溫度的研究,主要集中在不同覆蓋方式對土壤水熱的影響[9-10]、耕作方式及土壤水分對土壤溫度的影響[11-13]。唐振興等[14]、牛赟等[15-16]研究了祁連山土壤溫度的垂直分層變化特征、空間變化特征及其影響因素。Hu和Feng[17]利用美國1967—2002年氣象站觀測的土壤溫度數據,分析了0—100 cm不同深度年均土壤溫度的空間分異以及10 cm深度土壤溫度的季節變化。以上研究雖然對土壤溫度變化過程有了一定認識,但目前有關喀斯特地區的土壤溫度的研究成果較少,尤其缺乏土壤溫度與氣溫的同步觀測資料。吳克華等[18]的研究發現隨著石漠化綜合治理時間延長,植被結構得到改善,小氣候效應逐漸凸現：不同等級石漠化樣地林下平均氣溫及土壤溫度在濕熱季節得到有效降低,而在干冷季節略顯升高。張邦琨等[19]的研究發現喀斯特地貌上發育的常綠閹葉林的土壤溫度與土壤熱通量的變化幅度均為常綠闊葉林<馬尾松林<草地。本研究選擇喀斯特高原峽谷區—貞豐北盤江示范區作為研究區,通過對研究區內典型土地類型(花椒地、金銀花地、火龍果地、荒地)的土壤溫度、土壤含水量與當地氣溫、太陽輻射等環境因子進行定點連續觀測,分析土壤溫度的變化特征,揭示土壤溫度在時間和空間格局上的演變規律,建立土壤溫度與環境因子間的相關關系,以期在全球變化背景下,為土壤溫度對氣候變化的響應機制研究提供參考,進而為喀斯特地區生態系統的恢復與重建提供科學依據。

1 研究區域與方法

1.1 研究區概況

研究區位于貴州省安順市與黔西南州交界處的花江峽谷兩岸,喀斯特高原峽谷貞豐北盤江石漠化綜合治理示范區內(25°39′01″—25°40′06″N,105°39′36″—105°38′23″E),面積約51.62 km2,屬于典型的喀斯特高原峽谷地貌,碳酸鹽巖廣布,喀斯特地貌極為發育。地形破碎,地勢起伏大,海拔450—1450 m,相對高差為1000 m。水土流失嚴重,基巖裸露率高,石漠化面積達726.63 hm2,中強度石漠化面積占石漠化總面積的80.68%[20]。氣候類型屬亞熱帶干熱河谷氣候,光熱資源充沛,冬春溫暖干旱,夏秋較為濕熱,年均氣溫18.4℃,年極端最高氣溫為32.4℃,≥10℃積溫6542℃。年均降雨量1100 mm,降水集中在5—8 月,約占全年降雨量的83%。區內巖石多屬三疊系的白云巖、泥質白云巖及頁巖。土壤多以黑色、棕黃色石灰土為主,土壤質地大多為粘壤土、粘土。植被為亞熱帶常綠落葉針闊混交林,原生植被基本上已被破壞,現以次生植被為主。花椒(ZanthoxylumbungeanumMaxim)、金銀花(LonicerajaponicaThunb)、火龍果(Hylocereusundatus′Foo-Lon′)為該區主要石漠化生態恢復植被,種植面積廣,取得了良好的生態經濟效益。

1.2 實驗設計

在研究區內設立小型氣象站(ATMOS,Meter公司,美國),間隔10 min實時記錄大氣溫度、降雨量、太陽輻射等數據。選擇該區海拔、坡度相近,且距離接近氣候一致,具有代表性的4種典型土地類型(花椒地、金銀花地、火龍果地和荒地)的土地作為研究對象。分別在4種土地類型距離植株30 cm處,自地表向下于10、25、40、55 cm土層安裝土壤水分溫度電導率傳感器(5TE,Meter公司,美國),數據采集器(EM50,Meter公司,美國)每間隔10 min采集土壤溫度、土壤含水量數據。完整的監測時間為2018年5月1日至2019年3月31日。安裝傳感器同時采集土壤樣品,在監測點距植株30—50 cm處另開挖2個土壤剖面,共3個土壤剖面,分別在傳感器埋設深度上下5 cm范圍內采環刀和擾動土。擾動土自封袋密封帶回實驗室陰涼風干,再去除根系等雜物,并將土樣分成兩份,一份用瑪瑙缽研磨過100目篩后用于測定有機碳,另一份用于測定土壤顆粒組成。土壤有機碳的測定采用重鉻酸鉀加熱法,土壤容重、孔隙度采用環刀法測定,土壤顆粒組成采用比重計法測定。樣地基本概況見表1。

表1 樣地基本概況

1.3 數據處理分析

使用Excel 2013軟件對數據進行統計分析,采用SPSS 18.0軟件進行土壤溫度與氣溫、太陽輻射、土壤含水量及土壤理化性質等環境因子的Pearson相關分析,采用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結果分析

2.1 土壤溫度的時間變化特征

土壤溫度日變化是一天內土壤熱狀況的直接反映。由圖1可以看出,一天內土壤溫度的波動幅度表現為10 cm處最大,土層越深,波動越小。各地類10 cm處土壤溫度均呈近似單峰變化。一天內土壤溫度最小值的出現時刻分別為花椒地8:00、金銀花地8:00、火龍果地9:00、荒地9:00,最低溫分別為19.9、18.2、21.6、20.4℃；土壤溫度最大值的出現時刻分別為花椒地17:30、金銀花地16:30、火龍果地18:30、荒地18:00,最高溫分別為21.4、20.3、24.0、21.9℃,土壤溫度最值的出現隨著土層加深出現滯后效應。一天內土壤溫度最值均為火龍果地>荒地>花椒地>金銀花地。10 cm處土壤溫度日變幅分別為花椒地1.5℃、金銀花地2.1℃、火龍果地2.4℃、荒地1.5℃,火龍果地、金銀花地土壤溫度日變幅明顯大于花椒地、荒地,表明火龍果地、金銀花地土壤溫度的晝夜變化較大,而花椒地與荒地一天內土壤溫度較為穩定。

圖1 土壤溫度的日變化特征曲線

由于淺層土壤溫度一天內波動較大,較深層土壤溫度波動較小,因此,用0:00—24:00溫度值擬合處理1月和7月10 cm、25 cm處土壤溫度日變化特征曲線,不同深度土壤溫度日變化均呈三次函數(y為土壤溫度,x為時間),回歸決定系數均在0.8以上,表明土壤溫度與時間(0:00—24:00)有較強顯著性(P<0.05)。荒地10 cm與25 cm日最高溫在7月同時出現,1月則表現為25 cm滯后于10 cm。其他地類日最高溫的出現均為25 cm滯后于10 cm,且火龍果地與金銀花地的滯后時間大于花椒地與荒地。花椒地、火龍果地、金銀花地土壤溫度最大值在7月表現為10 cm明顯大于25 cm,荒地表現為10 cm和25 cm差異不大；各地類10 cm與25 cm處土壤溫度最大值在1月無明顯差異(表2)。

表2 不同深度土壤溫度日變幅特征

由于土壤溫度日變化表現為10 cm處日變幅最大,較深層土壤日變幅較小。因此,進一步分析不同季節10 cm處土壤溫度的日變化特征。不同季節土壤溫度呈相似的變化趨勢,均呈單峰變化(圖2)。夏季一天中土壤溫度最大值分別為花椒地27.4℃、金銀花地27.6℃、火龍果地31.2℃、荒地28.1℃；秋季分別為花椒地21.9℃、金銀花地20.4℃、火龍果地24.3℃、荒地22.6℃；冬季分別為花椒地15.0℃、金銀花地12.8℃、火龍果地16.4℃、荒地15.1℃；夏、秋、冬季10 cm處土壤溫度均為火龍果地>荒地>花椒地>金銀花地。10 cm處土壤溫度日變幅在夏季和秋季均為火龍果地>金銀花地>荒地>花椒地,冬季為火龍果地>花椒地>金銀花地>荒地,不同季節均為火龍果地的日變幅最大,且4種地類土壤溫度日變幅均在夏季出現最大值(表3)。

表3 不同季節10 cm土壤溫度日變化特征

圖2 不同季節10 cm土壤溫度的日變化特征曲線

2.2 土壤溫度剖面的變化特征

土壤溫度不僅受太陽輻射、下墊面、土壤性質等因素的影響表現出季節差異。而且在垂直方向上也具有一定的變化規律。夏季土壤溫度隨土層加深而減小；秋、冬季隨土層加深而增大(圖3)。由表4可以看出,不同季節土壤垂直溫度變異系數存在差異,夏季分別為花椒地1.1%、荒地1.0%、火龍果地1.4%、金銀花地2.0%,不同土地類型土壤垂直溫度變異系數差異很小；秋季分別為花椒地2.6%、荒地0.8%、火龍果地2.3%、金銀花地2.3%,冬季分別為花椒地4.6%、荒地1.8%、火龍果地4.0%、金銀花地5.2%,秋、冬季土壤垂直溫度變異系數表現為花椒地、火龍果地、金銀花地明顯大于荒地,說明荒地土壤導熱性能較好。四種地類土壤垂直溫度變異系數均為冬季較大,夏季較小。

圖3 不同季節土壤溫度的垂直變化特征

表4 不同季節土壤垂直溫度變異系數

2.3 環境因子對土壤溫度的影響

2.3.1土壤理化性質對土壤溫度變化的影響

由圖4可以看出,各樣地表現為隨著土層加深,土壤容重、粘粒含量整體上呈逐漸增大的趨勢,土壤總孔隙度、有機碳含量及砂粒含量則呈逐漸減小的趨勢,土壤毛管孔隙度隨著土層加深先減小后增大,而土壤非毛管孔隙度和粉粒含量表現為先增大后減小。不同土層土壤容重、粘粒含量均為火龍果地>金銀花地>荒地>花椒地；土壤總孔隙度、砂粒含量及有機碳含量均為花椒地>荒地>金銀花地>火龍果地；淺層土壤粉粒含量為火龍果地>花椒地>荒地>金銀花地,較深層土壤粉粒含量為金銀花地>荒地>花椒地>火龍果地。

圖4 各樣地土壤基本理化性質

土壤溫度變化與土壤理化性質密切相關。相關分析表明,土壤溫度日變幅與土壤有機碳、砂粒含量和非毛管孔隙度均呈極顯著正相關(P<0.01),與粉粒含量、容重呈顯著負相關(P<0.05),與粘粒含量、總孔隙度、毛管孔隙度相關性不顯著(表5)。由此可見,土壤溫度日變幅受土壤通氣條件和質地等因素影響。有機碳、砂粒含量越高,土壤導熱率越高；非毛管孔隙度越大,越有利于土壤與大氣之間的能量交換,土壤溫度的日變化幅度也就越大。

表5 土壤溫度與土壤理化性質之間的Pearson相關系數

2.3.2氣溫、太陽輻射、土壤含水量對土壤溫度的影響

土壤溫度變化是土壤隨著太陽輻射和大氣溫度的變化而吸收或釋放能量的過程[21]。由圖5可以看出,土壤溫度與太陽輻射和氣溫的變化趨勢大致相同。2018年5月至2019年3月,最高氣溫出現在7月,為31.0℃,最大太陽輻射也出現在7月,為428.12 μmol m-2s-1。花椒地和金銀花地10、25 cm處土壤溫度最大值出現在7月,40 cm、55 cm處土壤溫度最大值出現在8月,較氣溫和太陽輻射滯后一個月；荒地各深度土壤溫度最大值均發生在7月,與氣溫和太陽輻射同步；火龍果地各深度土壤溫度最大值均發生在8月,較氣溫與太陽輻射滯后一個月。土壤溫度最大值分別為花椒地27.3℃、金銀花地27.3℃、火龍果地30℃、荒地28.2℃。氣溫最小值出現在1月,為12.2℃,太陽輻射最小值也發生在1月,為101.96 μmol m-2s-1,四種地類土壤溫度最小值均發生在1月,土壤溫度最小值分別為花椒地12.2℃、金銀花地11.2℃、火龍果地13.8℃、荒地13.0℃。氣溫與太陽輻射的變化具有同步性,土壤溫度最值的出現較氣溫與太陽輻射存在滯后性,隨著土層加深,滯后越明顯。觀測期內不同深度土壤溫度變幅較大,10 cm處土壤溫度變異系數分別為花椒地26.39%、荒地26.51%、火龍果地26.38%、金銀花地31.70%,土壤溫度變異系數隨著土層加深而減小。土壤溫度與氣溫和太陽輻射均呈顯著性正相關(P<0.01),且氣溫與土壤溫度的相關性更顯著,相關系數為0.959—0.994(表6),說明氣溫在土壤溫度變化中起重要作用。

圖5 土壤溫度、氣溫、太陽輻射及土壤含水量的月變化特征曲線

表6 土壤溫度與氣溫、太陽輻射、土壤含水量之間的Pearson相關系數

觀測期內花椒地各土層土壤含水量的波動很小,其他3種地類土壤含水量的波動較大(圖5)。不同深度土壤含水量的變化趨勢大致相同,花椒地、荒地、火龍果地土壤含水量均在6月出現最大值,金銀花地土壤含水量在8月達到最大值,不同地類土壤含水量均在12月出現最小值。對土壤溫度和土壤含水量進行相關分析(表6),土壤含水量與土壤溫度呈顯著正相關(P<0.05),相關系數為0.642—0.860。花椒地10 cm處土壤溫度與土壤含水量呈極顯著正相關(P<0.01),25、40 cm和55 cm 處呈顯著正相關(P<0.05)；荒地10、40 cm處土壤溫度與土壤含水量呈極顯著正相關(P<0.01),25 cm和55 cm土層呈顯著正相關(P<0.05)；火龍果地除55 cm處土壤溫度與土壤含水量呈顯著正相關外(P<0.05),其他土層均呈極顯著正相關(P<0.01)；金銀花地除40 cm處土壤溫度與土壤含水量呈顯著正相關外(P<0.05),其他土層均呈極顯著正相關(P<0.01)。

3 討論

3.1 土壤溫度的變化特征

觀測期內土壤溫度日變幅為10 cm處明顯大于較深層土壤,土層越深,土壤溫度的波動越小。四種地類土壤溫度的日變化隨土層加深均出現滯后現象,與孫貫芳等[22]的研究結果一致。這主要是因為太陽輻射是控制地表溫度的能量來源,土壤具有巨大的熱容性以及傳導阻力,導致地表溫度向下傳導速度緩慢,隨土層加深,土壤溫度到達一天中的最大值就滯后。10 cm處土壤溫度日變幅最大,這主要是因為土壤溫度主要受氣溫的影響,氣溫對表層土壤的影響最大,且土壤對太陽輻射有顯著削弱作用[23],因此土層越深,土壤接收的太陽輻射量就越少,土壤溫度受氣溫的影響也越小,因而,土壤溫度的變幅就越小。在8:00以前,氣溫很低,受氣溫影響10 cm土壤溫度低于深層土壤,8：00以后氣溫開始迅速上升,10 cm土壤溫度受氣溫影響也開始迅速上升,最后高于較深層土壤溫度。不同季節土壤溫度日變化特征為：土壤溫度日變幅均為夏季最大,冬季最小,日最高溫出現在夏季,日最低溫出現在冬季,與緱倩倩等[24]的研究結果一致。不同季節土壤溫度均為火龍果地>荒地>花椒地>金銀花地,這主要是因為火龍果地植被覆蓋率低,加之人工除草,導致土壤接收的直接太陽輻射量較大,土壤溫度較高；荒地人為干擾少,雜草叢生,地表有一定的覆蓋度,土壤透氣性較好,有利于地表接收太陽輻射；花椒地的伴生植物多,增加了地表覆蓋度,且土質較疏松；而金銀花莖葉茂盛,遮陰效果好,高密度的地表覆蓋及凋落物的存在使土壤受陽光直射的影響小。因此,金銀花地土壤溫度明顯低于其他3種土地類型。校亮等[9]發現隨著覆被量增加,土壤溫度的波動幅度明顯減小。在植被覆蓋度高的環境下,植被對土壤溫度的調節作用,降低了土壤溫度,日變幅也隨之減小,所以植被覆蓋度和太陽輻射是土壤溫度變化的重要因素。10 cm土壤溫度日變幅表現為火龍果地、金銀花地大于花椒地、荒地,火龍果土壤溫度日變幅最大。說明火龍果地與金銀花地對土壤溫度的調節作用較差,而花椒地與荒地較優。這主要是因為花椒地和荒地土壤容重小、總孔隙度高,有利于土壤呼吸,加之土壤砂粒和有機碳含量高于火龍果地和金銀花地,砂粒導熱率高,土壤有機碳有利于改善土壤微團聚體結構,改善土壤理化性質,從而增強了土壤導熱性能。

土壤溫度剖面的變化具有明顯的季節差異。夏季10 cm土壤溫度最高,土層越深,溫度越低；秋、冬季10 cm土壤溫度最低,土層越深,溫度越高,與劉引鴿等[25]的研究結果具有一致性。夏季氣溫較高,氣溫對淺層土壤溫度的影響較大,土壤表面吸收太陽輻射而增溫,并通過熱傳導向深處傳遞熱量,土層越深,獲得的熱量愈少,故土壤溫度隨深度增加而降低；而秋、冬季氣溫較低,地表接收的太陽輻射小于地表長波輻射,地表溫度下降,深層土壤受氣溫影響較小,當溫度下降到比深層的溫度低時,熱量將由深層向地表傳輸,但由于從下層得到的熱量不足以抵消地表輻射帶來的降溫,因此,土壤溫度隨土層加深而逐漸升高。土壤溫度垂直變異系數為冬季最大,夏季最小,說明夏季土壤的保溫效果較好,冬季較差。這主要是因為夏季各樣地植被覆蓋度較高,植被對土壤溫度的調節作用明顯,而冬季植被覆蓋度低,植被調節作用較小,土壤溫度的垂直變異明顯。

3.2 環境因子對土壤溫度變化的影響

相關分析表明,土壤溫度與環境因子關系密切。土壤溫度日變幅與土壤有機碳、砂粒含量、非毛管孔隙度均呈極顯著正相關,與粉粒含量、容重呈顯著負相關。這主要是因為不同土壤質地的通氣、肥力和熱量條件差異較大[26]。砂粒、粉粒和粘粒對于土壤熱擴散性質的貢獻不同,砂粒的導熱率高于粉粒和粘粒。有機碳是土壤呼吸的底物,隨著土壤有機碳的累積,土壤容重、含水量、孔隙度、電導率等土壤理化性質也會發生相應改善,從而影響土壤的熱容量和導熱性能。研究區的峽谷地貌因高原晚期強烈抬升,河流下切,周圍的洼地形成巖石裸露的深洼,植被覆蓋較少,加上洼地沿構造走向發育演化成喀斯特干谷,形成干熱的氣候條件,表現為冬春溫干,夏秋濕熱,熱量資源豐富[27-28]。土壤溫度與氣溫和太陽輻射呈顯著正相關,土層越深,相關性越弱。與宋長春、王毅勇等[29]的研究結果一致。這主要是因為氣溫和太陽輻射主要通過熱傳導和熱對流的方式將熱量由淺層土壤傳遞給深層土壤,隨著土層深度的增加,無論熱傳導,還是熱對流所攜帶的能量都逐漸減少,所以土層越深,氣溫和太陽輻射對土壤溫度的影響越小。荒地土壤溫度對氣溫的響應最快,火龍果地滯后效應最明顯,這主要是因為荒地受人為干擾較少,微生物種類豐富,微生物活動范圍達到深層土壤,土壤有機碳含量較高,改善了土壤容重、孔隙度等理化性質,土壤砂粒含量高,增強了土壤導熱性；而火龍果地無凋落物的同時長期施用化肥,加之強烈的人為干擾,導致土壤板結,因而具有較大的容重,土壤緊實,不利于植物根系伸展及微生物活動,導致土壤孔隙度減小,影響土壤與大氣的通透性。加之土壤有機碳含量低,土壤保水保肥能力差,土壤砂粒含量低,土壤導熱性差,從而影響了火龍果地對土壤溫度的調節及土壤溫度響應氣溫變化的速度和幅度。

與水分相比,土壤熱容量小且熱傳導率大,因此干土總是比濕土變冷或變熱的要快[30]。與其他3種土地類型相比,火龍果地土壤表層水分含量大,容重大,土壤溫度的變化比較緩慢。已有研究發現土壤溫度與土壤含水量呈顯著負相關[31-32],而在其他的一些實驗中,表現為負相關不顯著[33]。王紅梅等[34]認為土壤溫度和土壤水分的相關性表現為小采樣粒度(0.5 m×0.5 m,1 m×1 m)的顯著負相關性,而在較大采樣粒度(2 m×2 m,5 m×5 m)表現為顯著的正相關關系,表明土壤水熱的相關性研究應考慮采樣粒度和尺度對實驗結果的影響。本研究通過在不同土層安裝土壤水分溫度電導率傳感器來獲取土壤溫度和水分數據,結果表明土壤溫度與土壤含水量呈顯著正相關。本研究結果與以往研究存在差異,可能是因為研究區雨熱同期的氣候特征,當大氣降水進入土壤后,土壤水作為運輸載體將土壤溫度由表層土壤輸送到深層土壤,由于水具有較大的比熱容,從而增大了土壤的比熱容,對土壤具有一定的增溫作用,因此土壤溫度與土壤含水量呈顯著正相關。

4 結論

(1)喀斯特地區土壤溫度日變化特征為：土壤溫度日變幅為夏季較大,秋、冬季較小。10 cm處土壤溫度日變幅明顯大于較深層土壤,土層越深,日變幅越小。土壤溫度的日變化隨著土層加深出現滯后效應。土壤溫度日變幅表現為火龍果地與金銀花地明顯大于花椒地與荒地。不同季節10 cm土壤日平均溫度均為火龍果地>荒地>花椒地>金銀花地。

(2)夏季土層越深,土壤溫度越低；秋、冬季土層越深,土壤溫度越高。花椒地、荒地、金銀花地及火龍果地土壤垂直溫度變異系數均為冬季較大,夏季較小。

(3)土壤溫度與容重、孔隙度、土壤質地、有機碳等土壤理化性質相關性顯著。與氣溫、太陽輻射、土壤含水量均呈顯著正相關。花椒地對土壤溫度的調節效果較好,且土壤含水量較高,土壤持水性較好,土壤容重小、孔隙度高。因此,在喀斯特地區生態恢復的過程中,種植花椒能在一定程度上改善土壤性質,提升土壤肥力。

致謝：感謝課題組蔡路路等對實驗的幫助。