【word】 植被和坡向对土壤温度与土壤热通量变化的影响

【word】 植被和坡向对土壤温度与土壤热通量变化的影响 植被和坡向对土壤温度与土壤热通量变化 的影响 第34卷第2期 2011年3月 河北农业大学 JOURNAIOFAGRICULTURALUN1VERSITYOFHEBEI Vo1.34NO.2 Mar.2011 文章编号:1000—1573(2011)02—0080—06 植被和坡向对土壤温度与土壤热通量变化的影响 周邦社,杨新兵. (1.北京林业大学经济管理学院,北京100083;2.河北省林业局三北防护林管理办公室,河北石家庄050081; 3.河北农业大学林学院,河北保定071000) 摘要:土壤温度是森林气候的重要因素,与植物的生长关系密切.不同坡度和坡向的林分,光照条件的差异使 林内的土壤温度和土壤热通量发生相应的变化.为研究试验区不问林分水热平衡规律,本试验监测了林木生长 季土壤和大气温度.结果表明:整个生长季的平均地温林外>阳坡>阴坡,6—10月不同土层温度的变化规律 是先下降后上升;土壤不同土层间温度极差值随气温的增高而减小; 土壤容积比热容和土壤体积含水量呈直线 型递增关系;表层土壤典型天气土壤热通量日变化规律总体趋势一 致,呈单峰曲线,变化幅度晴天>阴天,林外 >林内,随着气温的降低,土壤热通量的交换由表层向下传导转变 为由下层向地表传导,土壤热通量值逐渐降为 负值,阴天的降幅较大. 关键词:地温;土壤容积比热容;土壤热通量 中图分类号:S152.8文献标志码:A Effectofvegetationandslopeonsoiltemperatureandsoilheatflux ZHOUBang—she?.YANGXin—bing. (1.CollegeofConmicsandManagement,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China; 2.ThreeNorthShelterbeltProjectManagementOffice,HebeiProvincialForestryBureau,Shijiazhang050081,China; 3.CollegeofForestry,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding071000,China) Abstract:SolltemperatureiSanimportantfactorintheforestclimate.andcloselyrelatedtO thegrowthofplants.Soiltemperatureandsoilheatfluxvarywithdifferentslopes,aspectof stands,anddifferentlightingconditions.InordertOstudytheheatbalanceofdi fferentforest watershedrule,theexperimentmonitorstheforestsolIandatmospherictemperatureinthe growingseason.Theresultsshowthattheaveragegeothermaloutsideofstands~sunnyslope ~shadyslopeduringthewholegrowingseason.Adifferentvariationofsoiltemperaturefirst decreasedandthenincreasedfromJunetOOctober.Therangeoftemperatureindifferentsoi1 layersdecreasedwithincreasedtemperature.Volumetricheatcapacityofsoilandsoilvolumet— ricwatercontentshowedalinearincreaserelationship.Typicalweatherinthesurfacesoilon soilheatfluxvariationofthesameoveralltrendshowedasinglepeakcurve.Themagnitudeof changessunny>cloudy,forestoutside>theforest.Withthetemperaturereduced,theex— changeofsoilheatfluxfromthesurfacedowntOthelowerconductionchangedintogroundto surfaceconduction.Soilthermalfluxgraduallyreducedtoanegativevalue,morepronounced 收稿日期:2010—04—20 基金来源:林业公益性行业科研专项课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ”冀北山区典型森林垒态系统健康经营技术研究与示范(2008o4o2zF)”. 作者简介:周邦社(1965一),男,河北省唐县人,博士,教授级高工,从事水土保持与荒漠化防治,农林经济管理与林业政 策.E—mail:zbs717@sina.corn. 第2期周邦社等:植被和坡向对土壤温度与土壤热通量变化的影响81 oncloudydays. Keywords:geothermal;soilvolumetricheatcapacityl;soilheatflux 土壤温度是森林气候的重要要素之一,与植物 的生长关系很密切.一般植物的根系要求最适的土 壤温度是20~25?,土壤温度过高或低,都会影响 林木根系的生长l1].不同植被类型和立地条件,决 定土壤温度的变化规律[3],土壤温度的高低,能影 响植物的蒸腾,根的呼吸和吸收,土壤入渗和土壤溶 液中各种无机盐的溶解速度等],因而影响林木的 生长.研究不同覆盖和耕作措施对土壤温度和水分 的影响【l”],可以提高土地的生产力.获取完整而 准确的土壤温度时空分布数据,在全球气候变化,环 境过程模拟,元素地球化学循环,土壤理化性质演变 研究等方面都非常必要. 土壤表面在吸收太阳辐射能后,借分子传导的 形式把热量传人深层,使下层增温,反过来,当土壤 表面冷却后,温度下降到比深层温度低时,热量由深 层输出.土壤中的热交换强度,在一定土温梯度条 件下决定于导热率.导热率的大小决定于土壤中各 微粒互相接触的形态,性质以及土壤含水量的多少. 土壤热状态是由温度表示的,温度本身并不是土壤 的物理性质,土壤的热特性是指影响土壤中热流和 温度变化的土壤物理性质,主要有导热率,热容量和 热扩散率等”].土壤热通量是地球表面能量平 衡的重要分量之一.对于郁闭冠层,日净土壤热通 量不超过净辐射的1O,15,对稀疏植被或裸地 而言,土壤热通量可高达净辐射的5O.土壤导热 率和热容量通常用于估算土壤热通量,土壤导热率 常用的计算方法有振幅法,相位法,反正切法,对数 法,数值法和谐波法,不同方法的前提假设条件不 同,所得结果也存在一定差异『1.本试验监测了 林木生长季内每天的土壤和大气温度变化规律,旨 在为研究实验区不同林分水热平衡规律的研究提供 基础数据. 1研究地概况 研究区位于北京市密云县翁溪庄北京市水源保 护林试验站,地处密云水库西岸水源保护林一级保 护区内,气候类型属于暖温带半湿润季风型大陆性 气候,近5年的年平均降雨量为669.1mm,年际和 年内变幅较大,降雨集中在6,9月份,多年均蒸发 量为1115.1mm.试验区地貌为低山丘陵类型,太 古代的花岗岩和片麻岩,为北京低山干旱和半干旱 植被类型.海拔210m,土壤为棕壤,植被覆盖率在 40,60,原始林很少,大部分为人工植被.阳坡 以耐旱的侧柏,栎类,刺槐等乔木为主,阴坡主要以 油松林为主. 2研究方法 林内外地温采用曲管地温表,林内气温采用美 国产的便携式HoBo温湿度监测仪,林外气温采用 美国产的HOBO气象站数据. 土壤比热容是单位体积(容积比热容Cv)或单 位质量(质量比热容Cg)土壤,每升高或降低1?所 吸收或释放的热量EJ/(cm.?K)].本试验采用De Vries等提出的计算公式[1:C一1.92(1—0)+ 4.180,式中0.和0分别为土壤的饱和体积含水量 和实际体积含水量. 实际体积含水量采用TRIME—P便携式土壤水 分速测仪(TDR)直接连续测定,饱和体积含水量采 用环刀分层取样,然后通过浸泡法测定.土壤热通 量G(W/m?d或MJ/m?d)为单位时间通过单 位面积土壤横断面的热量.试验采用翁笃鸣提出的 土壤热通量气候学计算公式口:Q一2.826?AO +0.486??T一0.777,式中:?5—2.,?T分别为土 层5cm与2Ocm温差和地一气温差,?T为一定时 段地温差. 3结果与 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 3.1不同林分地温的垂直变化 不同坡度和坡向的林分,由于光照条件差异,使 林内的土壤温度发生了相应的变化.由表1可知: 阳坡侧柏栎类混交林6,7月地温随土层深度的下降 而下降,8月份地温变化不大,9,10月份地温随土层 深度的下降而升高.整个生长季内地温的变化呈单 峰曲线,8月份地温达到最高.从生长季总平均地 温来看,随土层深度的下降地温逐渐增高,表层5 cm平均温度最低为18.72?,20cm平均温度最高 为19.43?;整个土层生长季总平均温度为 19.06?,阴坡油松纯林林地整个生长季内地温的变 化呈单峰曲线,8月份地温达到最高.从生长季总 平均地温来看,表层5,10cm温度较低,向下逐渐 升高,15cm以下温度升高.整个土层生长季总平 均地温为18.34?.林外地温变化规律与侧柏栎类 82河北农业大学第34卷 混交林基本一致.6月地温随土层深度的下降而下 降,7,8月份地温变化不大,9,l0月份地温随土层深 度的下降而升高;整个生长季内地温的变化呈单峰 曲线,8月份地温达到最高.从生长季总平均地温 来看,随土层深度的下降地温逐渐增高,表层5CITI 平均温度最低为20.7l-c,40CITI平均地温最高为 22.32?,整个土层生长季总平均地温为21.45?. 总体来看:整个生长季内地温的变化均呈单峰 曲线,8月份地温达到最高.林外温度比阳坡侧柏 栎类混交林林地高2.39?,比阴坡油松纯林林地高 3.11?,阳坡侧柏栎类混交林比阴坡油松林高0.73 ?,即林外(21.45?)>阳坡侧柏栎类混交林林地 (19.06?)>阴坡油松纯林林地(18.34?).这充 分表明森林可以调节气温,改变小气候. 在本研究的3个立地条件下,各月不同土层间 温度极差值差别较大,10月份的温差值均最大,7, 8月的温差值均较小,总体变化规律一致,均呈单谷 曲线,林外的极差值波动幅度最大,阳坡侧柏栎类混 交林居中,阴坡油松纯林的比较缓和;同一月份不同 立地条件下的温度极差值排序6,7月份为:林外< 阳坡侧柏栎类混交林林地<阴坡油松纯林林地,9, 10月份温差值排序正好相反.表明,土壤不同土层 间温差值的大小,取决于气温的大小,气温越高,温 差值越小. 表1不同林分生长季土壤温度变化 Table1Thechangeofsoiltemperatureofdifferentforestingrowingre[Lson.C 阴坡油松纯林 林外气象站 5 1O l5 19.48 18.75 18.8O l8.O8 18.78 1.40 21.O7 20.72 2O.79 2O.38 2O.74 O.69 21.53 21.32 21.62 21.17 21.41 O.45 16.98 17.O9 17.62 17.65 17.34 O.67 13.24 13.64 14.18 14.48 13.89 1.24 18.22 18.19 18.55 18.40 18.34 0.36 23.3O 22.55 22.37 22.45 22.73 22.68 O.93 23.89 23.92 24.Ol 24.23 24.O7 24.O2 O.34 24.12 24.31 24.6l 24.95 25.O0 24.6O 0.88 19.76 2O.17 2O.85 21.48 22.O6 2O.86 2.3O 14.79 15.19 l5.83 16.59 17.87 16.05 3.08 20.7l 2O.97 21.39 2l_88 22.32 21.45 1.6l 3.2典型天气地温日变化 图1是7月份典型晴天地温与气温日变化规 律,侧柏栎类混交林和油松林林地的变化规律基本 一 致,气温变化明显大于地温变化,地温的变化是从 表层向下依次减弱;林外地温变化也是从表层向下 依次减弱,但是表层1,1OC/TI的地温变化与气温的 变化相当,说明白天林外表土层的热量交换非常剧 烈,甚至大于气温变化.图2是7月份典型阴天地 温与气温日变化规律:总的变化幅度较晴天小,但是 规律基本一致.侧柏栎类混交林和油松林林地的变 化规律基本一致,气温变化明显大于地温变化,地温 的变化是从表层向下依次减弱;林外地温变化也是 从表层向下依次减弱,但是表层地温变化与气温的 变化相当,变化不明显. 一.三加如韵鹾 第2期周邦社等:植被和坡向对土壤温度与土壤热通量变化的影响 83 32.0 3O.0 228.0 暑26.0 籍量 20.0 l8.0 , 赠 30. 2& 26. 24. 22. 20. 18. 8888g8888888 童耋??妻垒 时间,hTimc p , 赠 34. 32. 30. 28. 26. 24. 22. 20. 18. 侧柏栎类混交林 时问/11Time p , 赠 34.0 32.0 30.0 28.0 26.O 24.O 22.O 20.O l8.0 气象站 00000 时间/hTime 图17月份典型晴天地温与气温日变化 Fig.1Thechangeofsoiltemperatureandairtemperatureintypicalcloudydayi nJuly 油松林 盆丰辑=弱 宝88昌gg 6…H一 时闻/hTime : 时间/hTime \ 赠 28. 26. 24. 22. 2O. 18. : . 轴lHII g昌8g昌8 d崩 …一 时间/hTimc 图27月份典型阴天地温与气温日变化 Fig.2Thechangeofsoiltemperatureandairtemperatureintypicalsunnydayi nJuly 3.3土壤热量交换规律 3.3.1不同土壤含水量下的容积比热容土壤总 孔隙度和土壤水分含量决定了土壤容积比热容的大 小.油松林和侧柏栎类混交林林地之间的明显差别 在于土壤饱和含水量差值(8.2),是引起土壤容积 比热容差异的主要原因.为确定不同林分,由于其 — ._5cm _._l0cm 十15cm 20cm —- 40cm —一气温 ?— .H5cm +10cm +15cm 一20cm — 40cm —一气温 实际土壤含水量条件的差异而造成的容积比热容的 不同,根据试验地土壤饱和体积含水量和田间持水 量(体积),得出一定土壤总孔隙条件下容积比热容 和土壤体积含水量呈直线性递增关系(表2),即:土 壤含水量越高,土壤容积比热容越大,土壤的增温或 冷却越缓慢. 表2不同土壤含水量条件下的容积比热容 Table2ThevolumetricheatcapacityindifferentsoilcontentJ/cm.?K 3.3.2白天土壤热通量变化规律比较土壤热通 量日变化随太阳辐射和地温的日变化发生相应的变 化.本研究以生长季内7月和10月5,2OCm土层 典型天气土壤热通量变化为例(见图3). 晴天7月份林外表层土壤热通量变化幅度最 大,范围在一0.3,18.19w/m,土壤热通量呈双峰 曲线,在l1;O0之前迅速增加,中午13:OO出现低 谷,15:O0达到最高峰18.19w/m.,然后开始下降, 夜间土壤热通量达到负值,阳坡侧柏栎类混交林和 阴坡油松林林内的土壤热通量变化相对较缓,趋势 一 致,呈单峰曲线,阴坡油松林14:O0达到最高,阳 坡15:O0达到最高,夜间土壤热通量值要大于林外. 阴天7月份的表层土壤热通量均呈单峰曲线,阴坡 油松林内的土壤热通量值最高,最大值都延后,出现 在16:O0左右,林外土壤热通量变化幅度最大,范围 在一1.54,6.15w/m,凌晨时出现明显负值.阴 天的土壤热通量总体都低于晴天,最低值也明显低 于晴天. u#I.dd目1_ p目_g口g_| pi0aH j苗8口目 p\巡嘣 gad目1_ 84河北农业大学第34卷. 童 嚣 . /\, : ?,//...?l阴.. }:0010:0012:oo14:0016:00l8:00 时间/hTime 8:00l0:0012:0014:00l6:00l8:00 时问伪Time 8.0o 2?6.00 垂4.00卿; 2.00 O.00 — 200 茸 薹誊 V口 一::0014”oo:00ts.oo20 时间/hTime 10月一阴天 8:00l0:0012:0014:0016:00l8:00 时间mTime 图3典型天气土壤热通量日变化规律 Fig.3Theruleofdailychangeofsoilheatfluxintypicalweather 1O月份晴天和阴天的变化趋势是一致的,都是 呈单峰曲线,最低值出现在12:OO,14:OO,热通量 值均为负值,表明土壤热通量的交换是由土壤下层 向地表传导,绝对值就是传导热量的大小;10月份 晴天阳坡侧柏栎类混交林地土壤热通量变化幅度最 大,范围在一12.32,一4.48w/m,表明夜间土壤 热通量交换大,白天逐渐减小;阴坡油松林内的土壤 热通量变化幅度最小,表明土壤热通量的交换均是 由下层土壤向地表传导,土壤热通量交换值大;阳坡 侧柏栎类混交林土壤热通量交换值居二者之间.1O 月份阴天土壤热通量变化幅度都很小,低值出现在 14:0O前后,土壤热通量的交换均是由下层土壤向 地表传导,土壤热通量交换值均较大. 总体来看,5,2Ocm土层生长季内典型天气土 壤热通量变化呈单峰曲线,晴天变化幅度大,阴天幅 度小,林外变化幅度大,林内变化小;随着气温的降 低,土壤热通量的交换由表层向下传导转变为由下 层向地表传导,即土壤热通量值逐渐降为负值,阴天 的降幅最大. 4结论 土壤温度是森林气候的重要要素之一,与植物 的生长关系很密切.不同林分,不同坡度和坡向的 林分,光照条件差异,使林内的土壤温度发生了相应 的变化.从整个生长季的平均地温来分析,林外 (21.45?)>侧柏栎类混交林林地(19.06?)>油 松林地(18.34?).土壤不同土层间温差值的大 小,取决于气温的大小,气温越高,温差值越小.一 定土壤总孔隙条件下容积比热容和土壤体积含水量 呈直线型递增关系,土壤含水量越高,土壤容积比热 容越大,土壤的增温或冷却越缓慢.表层土壤典型 天气土壤热通量日变化规律总体趋势一致,呈单蜂曲 线.晴天的土壤热通量变化幅度大于阴天,林外土壤 热通量变化幅度大于林内,随着气温的降低,土壤热 通量的交换由表层向下传导转变为由下层向地表传 导,土壤热通量值逐渐降为负值,阴天的降幅最大. 参考文献: [1]王正非,朱廷耀,朱劲伟.等.森林气象学[M].北京: 中国林业出版社,1985. [2]贺庆棠.中国森林气象学[M].北京:中国林业出版 社,2000. [3]张淑琴,陈晓德,李艳霞,等.缙云山植被群落对土壤 温度变化的影响研究[J].西南大学:自然科学 版,2007,29(5):162—167. [4]李明财,罗天祥,郭军,等.藏东南高山林线冷杉原始 林土壤热通量Il1.山地,2008,26(4):490—495. [5]王旭,周国逸,张德强,等.南亚热带针阔混交林土壤 热通量研究[J].生态环境,2005,14(2):260—265. [6]徐军亮,马履一.土壤温度对油松. 张淼.不同土壤温度,水分条件下土壤表面热通量变 化规律试验研究[J].水利与建筑工程,2006,4 (1):37—39. 辛继红,高红贝,邵明安.土壤温度对土壤水分入渗的 影响r-J].水土保持,2009,23(3);217—220. 王玉娟,陈永忠,王湘南,等.稻草覆盖对油茶幼林林 地土壤温度及新梢的影响[J].经济林研究,2009,27 (2):49—52. 杨凯,冯永忠,李永平,等.黄土高原坡耕地不同耕作 措施对土壤温度和水分的作用效应[J].干旱区农业 研究,2009,27(4):190—195. 王晓,郭维栋,钟中,等.中国东部土壤温度,湿度变化 的长期趋势及其与气候背景的联系EJ].地球科学进 展,2009,24(2):181—191. ,…,一, [13] [14] r-15] r-163 r-17] 雷志栋,杨诗秀,谢森传.土壤水动力学[M].北京:清 华大学出版社,1988:68. 康绍忠,刘晓明,熊运彰.土壤植物大气连续体水分 传输理论及其应用[M].北京:水利水电出版社, 1994. Annevexhoef,BartJJM.vandenHurk,eta1.Ther— realsoilpropertiesforvineyard(EFEDA—I)andsa— vanna(HAPEX—Shale)sites[J].AgricultureandFor— estMeteorology,1996,87:1—18. 翁笃鸣,高庆先,何风翩.中国土壤热通量的气候计算 及其分布特征[J].气象科学,1994,14(2):91—98. 莫兴国,李宏轩,刘苏峡.等.用土壤温度估算表层土 壤导温率与热通量的研究[J].中国生态农业, 2002,10(1):62—64. (编辑:梁虹) (上接第74页) 参考文献: [1]龚晓武,毛雁升,李炳奇.从桔皮中提取果胶的实验条 件研究口].伊犁教育学院,2005(9):103—105. [2]王健,黄国林.柑桔皮中果胶的萃取方法研究进展 [J].四川I食品与发酵,2007(4):12—15. [3]王鸿飞,李和生,谢果凰,等.桔皮中果胶提取技术的 试验分析[J].农业机械,2005(3):82—85. [4]陈扬祥.柑桔皮的加工与综合利用[J].福建农业科 技,2007(2):50—52. [5]苏东林,单杨,李高阳.柑桔皮里功能性物质种类及其提 取工艺的研究进展[J].现代食品科技,2007(3):90—94. [6]贾艳萍,何爱民.微波法萃取柑桔皮中果胶的研究 [J].中国酿造,2006(3):48—51. [7]汪海波,汪芳安,潘从道.柑桔皮果胶的改进提取工艺 [8] [9] [1O] [11] 研究rJ].食品科学,2007(2):136—141. 姜楠,谈博雅,戴余军.柑桔皮提取果胶试验条件研究 [J].安徽农业科学,2008(4):5711—5712. 戴玉锦,张敏艳,徐珏.离子交换法提取橙皮果胶的研 究[J].江苏农业科学,2005(2):103,106. Chocw,Leedy,Kimcw.Concentrationandpurification ofsolublepectinfrommandarinpeelsusingcrssflow microfiltrationsystem[J].CarbohydratePolymers, 2003,54(1):21—26. 胡国华.功能性食品胶[M].北京:化学工业出版社, 2004:115—138. (编辑:张月清)