土壤热通量作为表征地表和深层土壤能量传输状况的特征量,是地表热量平衡的重要组成部分^[1]。目前对于地表能量平衡的研究发现,所有的生态系统均存在能量无法闭合的现象,并且不同的生态系统由于地面条件相异,能量闭合程度也不同^[2]。Masseroni等^[3]通过对土壤热通量进行修正,将水稻田的能量不平衡率减小到10%以下,说明土壤热通量显著影响着地表能量的闭合程度^[4-5]。因此,深入研究土壤热通量的变化特征及其影响因素,不仅能更好地掌握地表能量的收支状况,同时也可为基于地表能量平衡开发的模型提供验证参数^[6]。

不同生态系统由于下垫面条件不同,地表能量的收支状况也不一样,因此此前的研究基本依据不同生态系统进行土壤热通量的特征分析,主要集中在森林^[7-8]、湿地^[9-10]、沙漠^[11-12]、草原^[13]、农田^[14-15]等生态系统。张利平等^[7]研究分析了会同杉木人工林不同土层深度的土壤热通量特征,发现表层(10 cm,20 cm)土壤热通量日变化呈“S”型,深层(45 cm)土壤热通量日变化没有明显规律; 吕国红等^[9]通过对盘锦芦苇湿地土壤热通量按季节进行分析得出,该地区不同深度的土壤热通量日均值呈春季>夏季>秋季>冬季; 郝雅婕等^[16]分析了元江干热河谷稀树灌丛土壤热通量与气象因子的关系,得出土壤热通量与总辐射和日照时数呈正相关,和土壤含水量呈负相关,且太阳总辐射成为该地区土壤热通量的主要影响因子。国内对于水稻田土壤热通量的研究并不少见,但大多是针对水稻田的能量闭合程度进行研究和模拟。刘笑吟等^[17]发现南方节水灌溉稻田生态系统能量闭合程度较高,通量特征及规律具有较好的代表性,各能量分量在典型晴天和水稻季月均日变化均呈明显的倒“U”型单峰趋势,典型阴天各能量分量的月均日变化和晴天相似,但日均值和峰值均小于晴天。尽管研究涉及到水稻田土壤热通量的日变化特征,但仅仅是作为能量平衡分量加以介绍,仍缺乏对其系统深入的研究分析。

我国作为世界上最大的水稻生产国,稻田既是农田生态系统的主要组成部分^[18],同时也是陆地生态系统的重要部分。因此,深入研究长江中下游地区稻田的土壤热通量变化特征及其影响因子,对掌握地表热量收支状况,为通量修正提供科学依据,提高能量闭合程度具有重要意义。

研究区位于江苏省农业科学院溧水试验基地,地处江苏省南京市溧水区白马镇(东经119.2°,北纬31.6°,海拔39 m),占地面积0.8 km²,基地试验用地大多为水稻田,灌溉水源源于白马湖水库^[19]。基地位于长江中下游平原秦淮河流域,属东南沿海季风区,气候类型为亚热带季风气候,雨热同期,四季分明,降水丰沛,年降水量1 048 mm,年均温15.4℃,地貌多为丘陵,土壤为白浆土。研究区种植的水稻品种为“南粳9108”,2018年水稻的插秧时间为6月13日,6月23日进入分蘖期,7月11日进入拔节期,8月8日进入抽穗期,8月11日进入灌浆期,9月28日进入成熟期,并于10月12日收获。2018年其他时间及2019年1月、2月该研究区均种植甘蓝,称甘蓝期。

本研究利用CS616土壤水分传感器测得的45,35,15,5 cm深度处土壤含水量(VWC)半小时数据,HFP01土壤热通量传感器测得的5,10 cm深度土壤热通量(G)半小时数据,TCAV土壤温度传感器测得的5,10 cm深度土壤温度(T)半小时数据,CNR4测得的半小时净辐射数据进行处理分析。因为试验期间仪器断电的原因,2018年3月1日、2018年3月2日、2018年6月12日、2019年2月20日这4天的数据缺失,因此剔除之后进行数据处理与分析。包括求取土壤热通量不同水稻种植季节的半小时均值并以此探究土壤热通量的日变化规律,以及分析不同时段(全年、稻季前、稻季、稻季后)、不同时间尺度(半小时、日、月)下土壤热通量与净辐射、土壤含水量、土壤温度之间的相互关系。求取半小时尺度下各因子相关性时样本量为48×361,总计17 328个。在求取日尺度下各因子相关性之前,首先计算各因子的日总量,利用各因子日总量求出日尺度下各因子相关性,样本量为361个。接着在日总量的基础上计算各因子每个月的月总量,进而求出月尺度下各因子相关性,样本量为12个。

研究时间内按不同季节划分为稻季(2018年6月13日—2018年10月12日)下垫面种植水稻、稻季前(2018年3月1日—2018年6月12日)下垫面种植甘蓝菜、稻季后(2018年10年13日—2019年2月28日)下垫面为裸地。选取2018年7月13日为典型晴天,2018年7月22日为典型阴天,2018年8月27日为典型雨天,对这3天的土壤热通量进行分析。并且依据降水数据,筛选出研究时段的全部雨天,取其半小时均值研究不同天气条件下土壤热通量的日变化特征。

本研究通过分析长江中下游稻田土壤热通量在不同时间尺度下变化特征,我们发现土壤热通量的日变化符合“S”型分布,这与前人的研究一致。从年尺度上看,本研究区全年的土壤热通量为负值,土壤表现为“热源”,这与在鼎湖山^[24]和安吉^[22]毛竹种植区的研究结果一致,但与大兴安岭原始林区^[8]的研究结果相反,这主要是因为大兴安岭原始林区的环境为极端低温。

通过选取典型日和计算全年雨天土壤热通量半小时均值两种方法进行不同天气条件下土壤热通量的研究,并与前人的研究结果对比发现,晴天土壤热通量的日变化符合“S”型分布,但是在雨天条件下结果不一致,雨天条件下土壤热通量短时间内容易受到不良天气条件的影响而呈不规则变化,但当将全年雨天土壤热通量进行半小时平均后分析发现这种天气影响被大幅弱化,土壤热通量再次符合“S”型分布。所以,研究方法的选择对不同天气条件下土壤热通量的变化特征有显著影响。

对于土壤含水量对土壤热通量影响的研究,此前并不多见,前人的研究结果基本都是土壤含水量与土壤热通量呈负相关。本研究考虑到稻季灌溉对土壤含水量的影响,分3个时段进行不同时间尺度土壤含水量与土壤热通量的相关性分析。结果表明,月尺度上土壤含水量与土壤热通量不相关,但在日尺度和半小时尺度上,由于稻季灌溉水层的储热功能,使得土壤热通量在傍晚气温下降时仍能接受来自灌溉水层的热量,因此稻季土壤含水量与土壤热通量呈正相关,但在稻季前后两个时段土壤含水量与土壤热通量呈负相关,原因在于土壤水分的储热作用减弱了土壤与大气的热交换。但是考虑到长江中下游稻田和水分的特殊关系加之土壤含水量对土壤热通量的影响较为复杂,未来需进一步开展土壤含水量影响稻田土壤热通量的内在机理系统深入地研究。

较之土壤含水量,前人对土壤温度与土壤热通量的关系研究相对较多,结果与本文也基本一致,即土壤温度受土壤热通量影响显著,且日变化存在滞后现象。日尺度和半小时尺度上土壤温度与土壤热通量的相关性优于月尺度上土壤温度与土壤热通量的相关性,并且浅层土壤受土壤热通量的影响最为显著。

对于土壤热通量的分析,国内主要依据不同生态系统和不同下垫面条件进行区分研究,尽管发现不同的生态系统土壤热通量都有各自特殊的变化特征,并且不同时间尺度下各个因子对土壤热通量的影响程度也不尽相同,但对于不同生态系统不同下垫面条件如何影响土壤热通量变化的原因并没有具体的解释,所以后续的研究工作将着重关注不同生态系统间土壤热通量的变化规律,以探寻不同下垫面条件对土壤热通量影响的内在机理。

(1)长江中下游稻田土壤热通量的日变化成“S”型,白天土壤热通量基本为正,表示能量由地表向土壤传输,且白天浅层土壤更易接收到更多热量,因此土壤热通量也大于较深层土壤热通量,夜间则与之相反。同时,由于净辐射对土壤热通量的影响具有滞后性,所以一天中净辐射首先达到峰值,其次是5 cm土壤热通量,最后10 cm土壤热通量到达峰值,并且5 cm土壤热通量滞后于净辐射的时间在不同水稻种植季节存在差异,稻季前和稻季后滞后时间为2 h,稻季滞后时间为1 h。在不同季节,稻季前和稻季土壤热通量为正,稻季后为负,呈“稻季前>稻季>稻季后”。该研究站点5 cm和10 cm土壤热通量年总量均为负值,说明该研究区总体上由土壤向地表传输能量。尽管不同深度处土壤热通量日变化规律一致,但在数值上有明显不同,白天5 cm土壤热通量大于10 cm处,而在傍晚和夜间,5 cm土壤热通量小于10 cm处。稻季前和稻季后,5 cm土壤热通量在17:00小于10 cm处,而在稻季,这一时间提前至16:00。并且,5 cm土壤热通量日变化程度大于10 cm处日变化程度。

(2)在不同天气条件下,土壤热通量总量呈晴天>阴天>雨天,同时选取典型日进行不同天气条件下土壤热通量日变化分析得出,晴天和阴天土壤热通量日变化符合“S”型,而雨天土壤热通量日变化较不规则,但基于全年雨天半小时均值进行的研究则发现雨天的土壤热通量变化也符合“S”型。这一结果与前人的研究有同有异,这主要是数据处理方法不同带来的差异。

(3)土壤含水量在半小时和日尺度上与土壤热通量达到显著相关,但在不同季节土壤含水量对土壤热通量的影响并非一致,稻季土壤含水量与土壤热通量呈正相关,而在其他时间则呈负相关。

(4)土壤热通量在半小时和日尺度上显著影响土壤温度,但在月尺度上土壤温度主要还是受到净辐射的影响,与土壤热通量的关系并不十分密切。在半小时和日尺度上,10 cm土壤热通量对土壤温度的影响更大,并且5 cm土壤温度与土壤热通量的关系更为密切。

(5)半小时和月尺度上,土壤热通量均主要受净辐射影响。日尺度上,稻季前,土壤热通量主要受净辐射影响,而在稻季和稻季后,土壤含水量对土壤热通量的影响显著提升甚至超过净辐射对土壤热通量的影响。