武夷山不同海拔土壤和大氣溫度的時空變化特征

吳曉鳴，覃宜慧，李錦隆

(1.蘭州資源環境職業技術大學，甘肅 蘭州 730000；2.福建師范大學， 福建 福州 350007)

溫度是生物多樣性和生態系統邊界分布的主要驅動力[1,2]，對植物生長發育和分布，礦物風化和形成，土壤動物和微生物的活性等產生重要影響[3-7]。大約25%的地表被山脈所覆蓋，山脈承載著至少1/3的陸地植物物種多樣性[8]。隨海拔高度的改變，太陽輻射、大氣壓力、風和水分產生變化，對動植物的生存產生影響[9]。研究表明，隨著海拔的升高，溫度的降低一直被認為是影響植物群落生物多樣性、代謝過程和生態系統動態的主要因素[10-12]。此外，通過輻射，土壤溫度也會影響大氣溫度，特別是近地面的氣溫，對溫度的日變化、氣流擾動和植物生長至關重要[13,14]。因此，不同海拔大氣和土壤溫度的變化規律的研究尤為重要。

平均而言，每公里海拔的氣溫下降5.5 K[15]。然而，這并非是所有山地所經歷的溫度變化特征[16]。研究表明，受不同海拔群落結構、大氣環流和坡向的影響，太陽輻射受植被遮擋不能有效到達近地面，近地面大氣和土壤溫度可能和太陽輻射對上層大氣溫度的變化存在解耦現象[17]。因此，對近地面大氣和土壤溫度的規律研究對了解群落內部環境變化和調控因素具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況及樣地設置

本研究區位于江西武夷山國家級自然保護區(27°48′11″—28°00′35″ N，117°39′30″—117°55′47″ E)。平均海拔1 200 m，主峰黃崗山海拔2 160.8 m。保護區內屬于中亞熱帶季風氣候，年均氣溫13.2～14.8 ℃，降水量1 813～3 544 mm。保護區內的土壤類型依海拔梯度400～2 100 m大致可分為黃紅壤、黃壤、黃棕壤、草甸土等4種類型[18]。

本研究選取保護區內具有代表性的5個海拔(1 200、1 400、1 600、1 800和2 000 m)黃山松(Pinustaiwanensis)群落作為研究對象，樣地內黃山松為優勢種。

1.2 數據采集及分析

于2019年9月—2021年1月通過TMS溫濕度記錄儀器(TMS-5，捷克)對0～6 cm土層土壤溫度和近地面0～12 cm大氣溫度進行全天監測，儀器每15 min記錄1次溫度數據。用SPSS 22.0軟件分析不同海拔和季節之間的溫度差異，用Origin 9.0軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 土壤和大氣溫度月動態變化

由圖1可知，土壤和大氣溫度均存在月動態變化，2021年1月為土壤和大氣溫度的最低值，分別為2.29±1.16 ℃和-0.52±5.25 ℃。2020年8月和2020年7月分別出現土壤和大氣溫度的最高值，分別為18.75±0.59和19.46±1.71 ℃。土壤和大氣溫度的平均值存在顯著差異(P<0.05)，分別為11.61±5.22和11.11±6.93 ℃。

圖1 2019年9月-2021年1月土壤和大氣溫度月動態變化注：小寫字母不同表示土壤和大氣溫度之間存在顯著差異(P<0.05)。

2.2 土壤和大氣溫度季節變化

由圖2可知，土壤和大氣溫度存在季節變化特征，季節之間存在顯著差異(P<0.05)。夏季(6—8月)土壤和大氣溫度最高，分別為18.22±1.51和19.02±2.43 ℃。冬季(12—2月)土壤和大氣溫度最低，分別為5.61±2.52和3.82±5.07 ℃。

圖2 土壤和大氣溫度季節變化特征注：小寫字母不同表示土壤和大氣溫度之間存在顯著差異(P<0.05)。

2.3 不同海拔土壤和大氣溫度變化

由圖3可知，土壤和大氣溫度存在海拔變化，5個海拔之間存在顯著差異(P<0.05)。1 200 m海拔土壤和大氣溫度最高，分別為12.85±5.15和12.45±7.25 ℃。2 000 m海拔土壤和大氣溫度最低，分別為10.26±4.99和9.58±6.56 ℃。整體上，土壤和大氣溫度每升高1 000 m，分別上升3.24和3.59 ℃(表1)。

圖3 土壤和大氣溫度的海拔差異注：小寫字母不同表示土壤和大氣溫度之間存在顯著差異(P<0.05)。

2.4 不同季節晝夜溫度梯度變化特征

由表1可知，整體上，不同季節中存在溫度梯度變化特征，土壤和大氣溫度變化中，分別為春季(2.93 ℃)和冬季(2.25 ℃)變化最小，夏季變化最大(分別為3.63和4.92 ℃)。土壤和大氣溫度的晝夜變化中，夜晚的溫度梯度變化高于白天的溫度梯度變化。土壤和大氣在白天的溫度梯度變化最大在夏季，分別為3.60和4.70 ℃。土壤和大氣在黑夜的溫度梯度變化最大分別在秋季(3.69 ℃)和夏季(5.19 ℃)。土壤在白天和黑夜的溫度梯度變化最小出現在春季，分別為2.76和3.13 ℃。大氣在白天和黑夜的溫度梯度變化最小出現在冬季，分別為2.58和2.98 ℃(表1)。

表1 不同季節每1 000 m海拔梯度晝夜溫度變化特征 單位：℃

3 討論

本研究中，土壤和大氣溫度均存在月和季節動態變化，土壤和大氣溫度變化趨勢相一致，這一結果表明土壤和大氣溫度相互影響，兩者具有相同的變化規律[19]。此外，土壤溫度顯著高于大氣溫度(P<0.05)，這一結果原因可能是由于太陽輻射的熱量一部分被土壤直接吸收，使土壤增溫[20]，另一部分地面通過逆輻射將溫度經過傳導和對流，將熱量和太陽輻射傳至空氣，使空氣增溫，并且大氣溫度變化快，導致平均土壤溫度高于大氣溫度[21,22]。在土壤溫度和大氣溫度季節變化中，春季和夏季的大氣溫度高于土壤溫度，秋季和冬季的土壤溫度高于大氣溫度，這可能是由于大氣溫度比熱容低，具有增溫快、降溫快的特點，而土壤溫度具有一定的穩定性，土壤溫度相對于大氣溫度的變化具有一定的滯后性[23]。

本研究中，大氣和土壤溫度隨著海拔的升高而降低(P<0.05)，并且存在溫度梯度變化，這與前人的研究一致[24,25]。導致高海拔溫度低的原因首先是由于高海拔空氣稀薄，儲熱和保溫能力差；其次，大氣升溫主要依靠大氣逆輻射，海拔越低接收到地面的熱量輻射越多，所以溫度越高，而海拔越高，接收到地面的熱量輻射少，從而導致高海拔溫度低的現象[26]。本研究中武夷山土壤和大氣全年平均的溫度梯度變化分別為3.24和3.59 ℃。林之光等[27]研究結果表明，武夷山溫度梯度變化為5.11 ℃，與本研究結果不一致。原因可能是由于本論文的研究對象為近地面溫度梯度變化，受森林植被的遮擋，白天太陽不能直射到近地面致使升溫慢，晚上森林內部具有一定的保溫作用，可能導致溫度梯度變化較小[28]。此外，本研究中夏季溫度梯度變化最大，而冬春季節溫度梯度變化最小，可能是由于相對于冬季，夏季溫度高，變化幅度大，溫差較大，導致夏季溫度梯度變化高于冬季。

4 結論

武夷山土壤和大氣溫度存在月和季節變化規律，6—8月出現溫度的最高值，12—2月出現溫度的最低值。土壤溫度顯著高于大氣溫度，并且土壤和大氣溫度存在相同的變化規律。不同海拔之間土壤和大氣溫度存在顯著差異，1 200 m海拔土壤和大氣均出現最高值，2 000 m海拔土壤和大氣出現最低值。武夷山近地面大氣和土壤溫度存在梯度變化特征，全年平均的溫度梯度變化分別為3.24和3.59 ℃，夏季變化幅度最大，冬春季節變化幅度最小。本研究通過對土壤和大氣溫度時空變化和不同季節溫度梯度變化特征的研究，揭示土壤和大氣在不同海拔的時空變化規律和溫度梯度變化，強調溫度變化對山地群落環境變化的重要性。