科尔沁沙地土壤温度时间动态特征研究_包园丁.pdf

科尔沁沙地土壤温度时间动态特征研究包园丁张秀卿*（内蒙古农业大学林学院，内蒙古呼和浩特 010000）摘要本研究利用 20182019 年科尔沁左翼后旗沙地土壤温度资料，将不同深度土壤温度依照土壤的表土层、心土层以及底土层划分为浅层（0、5、10 cm）、中层（15、20、40 cm）、深层（80、160、320 cm）3 个层次，对比分析得出科尔沁沙地土壤温度的时间动态特征，为综合评估土壤温度的环境效应提供理论基础。结果表明，科尔沁沙地土壤温度有明显的日变化、季节变化和年变化特征，其三者都有一个最高温度和最低温度出现，并且因深度的增加各层土壤最高温度和最低温度出现的时间不一致，热量传输的方向也会发生变化。关键词土壤温度；时间动态特征；科尔沁沙地中图分类号P423文献标识码A文章编号 1007-5739（2023）07-0137-05DOI：10.3969/j.issn.1007-5739.2023.07.039开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Temporal Dynamic Characteristics of Soil Temperature in Horqin Sandy LandBAO YuandingZHANG Xiuqing*(College of Forestry,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot Inner Mongolia 010000)AbstractBased on the data of soil temperature in Horqin Left-wing Rear Banner sandy land from 2018 to 2019,the soil temperature at different depths was divided into three levels,including shallow level(0,5,10 cm),middle level(15,20,40 cm)and deep level(80,160,320 cm),according to the topsoil layer,core soil layer and bottom soil layer,thetemporal dynamic characteristics of soil temperature in Horqin sandy land were compared and analyzed,so as to providea theoretical basis for comprehensive evaluation of the environmental effects of soil temperature.The results showed thatthe soil temperature in Horqin sandy land had obvious diurnal variation,seasonal variation and annual variation,all ofwhich had the appearance of the highest temperature and the lowest temperature.The highest temperature and thelowest temperature appeared in different time,and direction of heat transfer would also change due to the increase ofdepth.Keywordssoil temperature;temporal dynamic characteristic;Horqin sandy land土壤温度是表征热特性的重要指标之一，也是土壤环境的重要因素之一，是衡量土壤热状况的尺度。其不仅直接影响植物根系和苗木的生长，还影响着土壤养分、水分的迁移和转化等1。土地沙化和土壤退化现象是世界上许多国家和地区面临的环境和社会问题，尤其在干旱、半干旱地区受到了当地政府与人民群众极大的重视。作为土壤的基本属性之一，土壤温度细微的变化都会对植物、农作物产生极大影响。众多学者明确指出，在农业灌溉、土地水土保留、局部性气候变化、土壤肥力的调节和生态平衡保护等诸多领域中，土壤温度的时间动态变化是尤为重要的参考指标2。1区域概况与研究方法1.1研究区概况科尔沁沙地靠近西辽河东部，横跨内蒙古赤峰市和通辽市，地理坐标为东经 1183512330、北纬42414591。本次研究数据来源是内蒙古通辽市科尔沁区左翼后旗境内沙地，利用科尔沁左翼后旗土壤研究站提供的数据来完成此次研究。科尔沁沙地是中国面积最大的沙地，主要的土壤类型有栗钙土、褐土、黑垆土、风沙土等。沙地面积较大，平原与草原面积较小3。科尔沁沙地地貌最明显的特点是丘间平地开阔，沙层有广泛的覆盖，形成了作者简介 包园丁（1998），女，内蒙古通辽人，在读硕士研究生。研究方向：风景园林规划设计。*通信作者收稿日期 2022-07-25现代农业科技2023 年第 7 期资源与环境科学137现代农业科技2023 年第 7 期资源与环境科学坨甸相间的地形组合，当地人称为“坨甸地”。地势起伏不断，西高东低、北高南低中部又凹下去，这是科尔沁沙地地形主要特征4。科尔沁沙地早在 27 万73 万年前就已形成，但是一开始面积不像如今这般辽阔，在历史的长河中随着气候与各种因素的影响，经历了多次的缩小扩大再缩小的演变过程，最终形成了现在的科尔沁沙地5。近年来，由于气候变暖、绿化欠缺、过度开垦等原因，该地区沙漠化面积又逐渐增加。地表已经形成缓沙地、固定沙地、半固定沙地、流动沙地和荒漠草地等风沙地貌景观特征6-7。近几年的研究表明，该地区温度有所上升，而且气温的日较差逐渐减小。气温升高对科尔沁沙地不利，会让土地沙漠化愈加严重、气候干燥更为明显。1.2科尔沁沙地土壤温度的影响因子1.2.1太阳高度角。影响土壤温度的因子有许多，自然因子是决定土壤温度发生变化的关键性因子。太阳高度角的大小决定地面接收太阳辐射的多少：中午太阳高度角大的季节和地区，白天接收更多的太阳辐射，夜间以有效辐射方式支出热量，因而地面辐射差额的日变化大，土壤表面温度的日较差也大；反之，则小8。中纬度地区太阳高度角随季节的更替而发生变化，其土壤温度的日较差也会因季节的变化随之增大。科尔沁沙地正属于中纬度地区，因而土壤温度的日较差会随着四季更替而发生周期性变化。1.2.2气温。土壤温度的变化与气温的变化很类似，但土壤环境温度的变化发展更具有保守性和滞后性9。土壤温度会随着地表附近气温的变化而呈现季节性起伏和昼夜变化。多云或有降水的天气太阳辐射对土壤温度的影响会远远小于平时。1.2.3土壤颜色与导热率。土壤的颜色和导热率对温度也有较大影响，深色土壤吸收热量更多，浅色土壤相对较少。土壤吸收热量也类似，深色土壤的反射率比浅色土壤的反射率小，因而深色土壤吸收的热量更多，土壤温度会更高。另外，导热率大的土壤一天内温度的变化小，导热率小的土壤温差较大。这是因为白天导热率大的土壤表面吸收的热量多，热量向深层传递，而夜晚土壤表层温度下降使热量从深层传递到了浅层。科尔沁沙地主要土壤类型属于风沙土，土壤孔隙度较大，导热率较小，土壤的日变化影响较大10-12。1.2.4地形与土壤热容量。科尔沁沙地有许多起起伏伏、连绵不断的沙丘。沙丘凸起的地方由于通风良好，乱流交换需求旺盛，白天土壤温度不易升高，而夜间温度不易降低。因此，凸地土壤温度日变化比平地小，凹地则相反13。除此之外，土壤热容量对土壤温度的变化也有影响，热容量大的土壤温度日变化小，热容量小的土壤温度日变化大。1.3研究方法在研究科尔沁沙地土壤温度的时间动态特征时，使用的资料全面考虑了站点数据的时间顺序长度、完整性与典型性。根据科尔沁左翼后旗土壤研究站提供的 2018 年 1 月至 2019 年 12 月科尔沁沙地每日土壤温度的详细检测数据而得出经验公式，参考近年科尔沁沙地不同环境下土壤温度的变化特征，再依照科尔沁沙地近两年不同深度的土壤温度，将不同深度的土壤温度依照土壤的表土层、心土层与底土层人为划分成浅层（0、5、10 cm）、中层（15、20、40 cm）、深层（80、160、320 cm）3 个层次，最终对土壤温度的变化数据进行系统性处理，分析科尔沁沙地土壤温度的日变化、季节变化与年变化特征。求各月份温度的平均值并制作变化趋势的图表，根据其变化动态来确定土壤变化特征。平均值计算公式如下：X=x1n+x2n+xnn=i=1nxin式中，X 为总平均土壤温度，xi为第 i 月的平均土壤温度。一元线性回归方法计算公式如下：y=ax+b式中，a 为斜率，b 是截距，x 为时间，y 为土壤温度。土壤温度倾向率用 a10 表示，单位为 mm/10 a。其中：a0 时，表明随时间 x 的增加 y 呈上升趋势；反之，a0 时，呈下降趋势。2结果与分析2.1浅层土壤温度的时间动态特征2.1.1浅层土壤平均温度的年际动态特征。图 1 是20182019 年科尔沁沙地浅层土壤平均温度的年际动态图。可以观察到，土壤浅层温度每年最高值大约在 7 月出现，最低值大约出现在 1 月。0 cm 的浅层土壤最高平均温度比 5 cm 和 10 cm 的土壤最高平均温138度略高，而最低平均温度也出现在 0 cm 的地表，这表明随着土壤深度的增加，土壤温度的上下波幅缩小。2.1.2浅层土壤平均温度的季节动态特征。表 1 为科尔沁沙地浅层土壤两年内的四季平均温度对比情况，用求平均法得出每个月的平均值，再根据月平均值计算出每个季节的平均值。其中，四季划分为春季（35 月）、夏季（68 月）、秋季（911 月）、冬季（12 月至次年 2 月）。可以看出，一年内，最高平均值出现在夏季，地表 0 cm 温度略高于 5 cm 和 10 cm 的土壤温度。这是因为夏季太阳辐射的作用最强，以及受气温升高等诸多因子的影响，夏季对比其他 3 个季节，浅层土壤温度是最高的。秋季地表 0 cm 温度略低于 5 cm 和 10 cm 的浅层土壤温度，这是因为热量传输的方向发生了变化，由深层传递到浅层的热量更多。冬季依旧是热量从深层传递到浅层。到了春季气温再次回升，浅层土壤温度开始升高，热量由浅层传递到深层。2.1.3浅层土壤最高温度的年际动态特征。图 2 为科尔沁沙地两年内地表 0 cm 最高温度的年际动态。可以看出，2018 年最高地表温度出现在 6 月，为60.1；2019 年地表最高温出现在 9 月，为 63.4。春、夏季最高温度出现在午后，最低温出现在早晨 4：00左右，而秋、冬季最低温出现在夜间的 22：0023：00。这是因为秋、冬季日落前后太阳辐射逐渐变小，传热方向发生变化，热量由深层到浅层传递。两年内地表最高平均温度都出现在 7 月，但地表最高温度与最高平均温度出现的时间并不一致。其原因是土壤的日变化规律与月变化规律会有一定的差距，土壤的月变化相比日变化更为深远，而日变化更加明显。除此之外，各种自然与人为因素对土壤温度的影响错综复杂，各种因素的综合作用使地表最高温度不一定出现在气温最高的 68 月。2.1.4浅层土壤最低温度的年际动态特征。图 3 为科尔沁沙地两年内地表 0 cm 最低温度的年际动态。可以看出，2018 年最低温度出现在 1 月，为-31.3；2019 年最低温度出现在 2 月，为-23.8。冬季气候转冷，热量由深层传递到浅层，最低温度出现在地表。2.2中层土壤温度的时间动态特征2.2.1中层土壤平均温度的年际动态特征。图 4 是20182019 年科尔沁沙地中层土壤平均温度的年际动态。可以观察到，中层土壤温度每年会有一个最高值和最低值的出现。夏季浅层与中层温差不大，中层15 cm 与 20 cm 平均最高温度出现在 7 月，40 cm 中层土壤最高平均温度出现在 8 月，并且 40 cm 中层土壤最低平均温度高于 15 cm 和 20 cm。这说明随着土壤深度的增加，最高温度的出现会随着时间的推移而延后，秋、冬季下层土壤温度高于上层。2.2.2中层土壤平均温度的季节动态特征。表 2 是科尔沁沙地中层土壤两年内的四季平均温度对比情况。以年为单位，最高平均温度依旧出现在夏季，最低平均温度出现在冬季。土壤表层到 0.8 m 深度的温3525155-5-152018 年 1 月2018 年 3 月2018 年 5 月2018 年 7 月2018 年 9 月2018 年 11 月2019 年 1 月2019 年 3 月2019 年 5 月2019 年 7 月2019 年 9 月2019 年 11 月土壤平均温度/0 cm5 cm10 cm月份图 120182019 年科尔沁沙地浅层土壤平均温度的年际动态706050-10最高温度/4030201002018 年 1 月2018 年 3 月2018 年 5 月2018 年 7 月2018 年 9 月2018 年 11 月2019 年 1 月2019 年 3 月2019 年 5 月2019 年 7 月2019 年 9 月2019 年 11 月月份图 220182019 年科尔沁沙地地表最高温度年际动态表 120182019 年科尔沁沙地浅层土壤平均温度季节动态年份20182019季节春夏秋冬春夏秋冬土壤平均温度/0 cm12.428.19.5-11.212.226.910.9-8.45 cm10.627.19.6-10.610.825.511.0-7.310 cm10.226.710.3-10.210.225.411.2-7.0包园丁等：科尔沁沙地土壤温度时间动态特征研究139现代农业科技2023 年第 7 期资源与环境科学度季节动态特征为夏季上层温度高于下层，冬季上层的温度低于下层。从表 2 还可以观察到，2019 年冬季中层土壤平均温度略高于 2018 年。2.3深层土壤温度的时间动态特征2.3.1深层土壤平均温度的年际动态特征。深层土壤平均温度的振幅比较大，80 cm 和 160 cm 深层土壤最高平均温度出现在 8 月，320 cm 的深层土壤最高平均温度出现在 9 月，具有明显的滞后性。从图 5 明显可以观察到，上层的土壤温度曲线较陡，下层土壤温度曲线较缓，这是因为热量在土壤中的传输需要一定的时间，越往深处上下层温差越小。再对比 3 个不同层次的土壤最低平均温度，320 cm 土壤最低平均温度高于 160 cm，160 cm 土壤最低平均温高于 80 cm。2.3.2深层土壤平均温度的季节动态特征。从科尔沁沙地深层土壤平均温度季节动态（表 3）可以观察到，深层土壤上下层的温差远比浅层、中层土壤小。夏季上层土壤的温度大于下层土壤，冬季则相反。这是因为夏季土壤上层吸收的热量高于下层，热量由上往下传输；而冬季热量由深层向浅层传输，并且每下降 80 cm，最高温度和最低温度出现的时间相对滞后1015 d。3 个不同深度的土壤平均温度在夏季和冬季每下降 80 cm 相差为 45，而在春、秋季每下降80 cm 温差为 12。3结论与讨论3.1结论根据研究结果得出以下结论：科尔沁沙地土壤温度的日变化特征为一天内土壤温度有一个最高值和最低值出现，出现的时间与季节有直接关联，春、夏季最高温度出现在午后，最低温度出现在早晨 4：00 左右，而秋、冬季最低温度出现在夜间 22：0023：00。这是因为秋、冬季在日落前后太阳辐射逐渐变小，地20151050-5-10-15-20-25-30-352018 年 1 月2018 年 3 月2018 年 5 月2018 年 7 月2018 年 9 月2018 年 11 月2019 年 1 月2019 年 3 月2019 年 5 月2019 年 7 月2019 年 9 月2019 年 11 月月份最低温度/图 320182019 年科尔沁沙地地表最低温度年际动态30151050-5-10-15土壤平均温度/25202018 年 1 月2018 年 3 月2018 年 5 月2018 年 7 月2018 年 9 月2018 年 11 月2019 年 1 月2019 年 3 月2019 年 5 月2019 年 7 月2019 年 9 月2019 年 11 月月份15 cm20 cm40 cm图 420182019 年科尔沁沙地中层土壤平均温度的年际动态表 220182019 年科尔沁沙地中层土壤平均温度季节动态年份20182019季节春夏秋冬春夏秋冬土壤平均温度/15 cm9.826.510.5-9.510.025.411.4-6.820 cm9.626.318.8-9.19.725.211.7-6.440 cm8.024.711.8-7.28.424.012.8-5.130151050-5-10-15土壤平均温度/25202018 年 1 月2018 年 3 月2018 年 5 月2018 年 7 月2018 年 9 月2018 年 11 月2019 年 1 月2019 年 3 月2019 年 5 月2019 年 7 月2019 年 9 月2019 年 11 月月份80 cm160 cm320 cm图 520182019 年科尔沁沙地深层土壤平均温度的年际动态表 320182019 年科尔沁沙地深层土壤平均温度季节动态年份20182019季节春夏秋冬春夏秋冬土壤平均温度/80 cm6.223.013.1-3.77.022.014.0-2.5160 cm4.415.314.71.15.318.715.21.6320 cm3.111.315.17.05.213.315.97.4140表向外放出长波辐射，所以传热方向发生了变化，热量由深层向浅层传递14。科尔沁沙地土壤温度的季节变化和日变化规律有一定的差距，相比日变化，季节变化相对更深远。地表最高温度出现在 7 月中旬，可以达到 60，最低温度在 30 左右。春、夏季热量从表层传递到深层，秋、冬季热量传递的方向则相反。此外，随着土壤深度的增加，最高温度和最低温度出现的时间也会推迟。从数据处理的结果来看，每下降 80 cm，最高温度与最低温度出现的时间相对滞后 1015 d。温度振幅也因土壤深度的增加而逐渐变小。土壤温度的年振幅会随着深度的增加逐渐减小，在 1520 m 处趋于消失，3 个不同层次的深层土壤平均温度在夏季和冬季每下降 80 cm 相差 45，春季和秋季每下降 80 cm 温差为 12。土壤各层温度的传输在一年之内发生了 2 次变化，其中太阳辐射对土壤环境温度长期发展变化的影响较大。土壤温度年际动态变化比季节动态变化更加深远，并更加具有滞后性。综合分析发现，科尔沁沙地土壤温度随着时间的推移有升高现象，主要是因为气温升高、土壤肥力越来越差以及人为因素干扰等因素对土地沙漠化有巨大影响。3.2讨论近年来，土壤沙化愈来愈严重，是全世界面临的巨大考验。研究沙地土壤性质、温度的变化特征是各国研究者与人民必须面对的重大问题15。科尔沁沙地在历史上曾是水草丰美的疏林草原景观，是传统的宜牧地区。然而，近百年来，由于受自然条件，如干旱、多风沙等气候因素和沙质、贫瘠等土壤因素的影响，同时在人类滥垦、过牧和樵采等不合理经济活动的干扰下，其草原景观已逐渐演变成为农田草场与流沙，半固定和固定沙丘镶嵌分布的景观16。科尔沁沙地沙漠化的加剧严重影响了农作物生长、生态建设，导致多种环境问题。针对这些问题，应该从当地实际的情况出发，加强对科尔沁沙地的治理，采取禁牧或减少开垦、多种植耐贫瘠树种、养护森林等措施，使科尔沁地区生态经济环境逐渐趋于稳定、生态文明建设更加完善。4参考文献1 韩飞.内蒙古科尔沁沙地变化原因及治理建议J.内蒙古林业调查设计，2019，42（1）45-47.2 李招弟，刘中华，冯慧敏，等.不同植被覆盖条件下黄土土壤温度的变化规律J.山西农业科学，2019，47（11）：2015-2019.3 孙现领，况明生，胡瑞峰.科尔沁地区沙漠化形成因子累加效应分析及对策：以奈曼旗为例J.重庆三峡学院学报，2011，27（2）：59-62.4 暴路敏，刘小燕，刘廷玺，等.科尔沁沙地坨甸相间地区土壤冻融过程及土壤含水量分布J.中国农村水利水电，2014，385（11）：77-81.5 舒心心.新时代科尔沁沙地生态恢复路径探究J.北方民族大学学报（哲学社会科学版），2019（4）：44-49.6 柴汉魁.科尔沁沙地土壤呼吸及其影响因素研究D.北京：中央民族大学，2012.7 孙现领，况明生，胡瑞峰.科尔沁地区沙漠化形成因子累加效应分析及对策：以奈曼旗为例J.重庆三峡学院学报，2011，27（2）：59-62.8 樊云龙，邹细霞，罗绪强.喀斯特山区不同土地利用方式下土壤温度日变化特征J.山地农业生物学报，2015，34（2）：77-81.9 巩玉玲，王兆锋，张镱锂，等.拉萨灌丛草甸区土壤温度变化特征J.土壤学报，2016，53（2）：411-420.10 缑倩倩，李乔乔，屈建军，等.荒漠-绿洲过渡带土壤温度变化分析J.干旱区研究，2019，36（4）：809-815.11 杨雅红.土壤温度的日变化及影响因子分析J.农业与技术，2014，34（4）：19-20.12 刘经星，李春桃，梁玉祥，等.质地对土壤热扩散率的影响J.中国沙漠，2010，30（3）：577-581.13 董赫赫.沈阳深层地温与冻结深度变化特征分析J.农民致富之友，2014，475（2）：298.14 晓兰，延军平.科尔沁沙地沙漠化研究J.安徽农业科学，2009，37（35）：17671-17674.15 潘开文，张咏梅，刘照光，等.四川中亚热带扁刺栲华木荷群系不同演替阶段林内小气候的比较J.植物生态学报，2002，26（2）：195-202.16 呼吉亚.地形和放牧对土壤有机碳组分的影响研究D.呼和浩特：内蒙古农业大学，2014.包园丁等：科尔沁沙地土壤温度时间动态特征研究141