馬生麗,武小鋼,孫 凡,李元征,胡 聃,*,原佳佳,張富華

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085 2 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 重慶 400715 3 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，晉中 030800

北京城區(qū)人工構(gòu)筑物對比鄰綠地土壤溫度和含水量的影響

馬生麗1,2,武小鋼1,3,孫 凡2,李元征1,胡 聃1,*,原佳佳1,張富華1

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085 2 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 重慶 400715 3 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，晉中 030800

選取城市中分布最廣的兩類人工構(gòu)筑物——瀝青和混凝土為研究對象，采用構(gòu)筑物-綠地梯度樣帶法，觀測這2類典型城市構(gòu)筑物對比鄰綠地土壤溫度和含水量的影響，分析不同構(gòu)筑物的質(zhì)地、面積、形態(tài)等構(gòu)筑物特征對土壤水、熱分布的影響強度及范圍。研究顯示：1)夏、秋季在構(gòu)筑物-綠地梯度樣帶上，綠地土壤溫度在比鄰構(gòu)筑物端(a點)處最高，并且白天中午、傍晚時段a點溫度顯著高于梯度上其他觀測點和對照點；2)綠地土壤含水量在比鄰構(gòu)筑物端(a點)處最低，而且土壤含水量變化在梯度樣帶上從a點至遠離構(gòu)筑物端的對照點變化具有不確定性，可能受城區(qū)土壤蒸散、人工灌溉、土壤地下生物量等不確定因素的影響。3)梯度樣帶上土壤溫度(T)和水分(W)與離a點距離(D)均呈現(xiàn)冪函數(shù)定量關(guān)系，即瀝青樣地T= 0.7708(579.4957-0.9984D)0.5843，W= 0.1970(0.0505+0.1347D)0.2262；混凝土樣地T= 0.7615(583.7027-1.0986D)0.5746，W= 0.2224(-0.6019+0.3473D)0.0595。4) 在構(gòu)筑物-綠地梯度樣帶上，土壤溫度和含水量受構(gòu)筑物影響幅度大概在0—100 cm之間，而且隨構(gòu)筑物質(zhì)地及分布格局、城市氣象以及綠地構(gòu)成、結(jié)構(gòu)、人工管理方式等因素的影響而變化。

水平生態(tài)影響; 綠地土壤; 土壤溫度; 土壤含水量; 人工構(gòu)筑物; 北京城區(qū)

我國大范圍的快速城鎮(zhèn)化已成為當(dāng)今城鎮(zhèn)環(huán)境與生態(tài)變化的主要驅(qū)動力[1- 2]，城鎮(zhèn)化過程的典型特征之一就是植被、濕地、裸地等自然表層逐漸被人工構(gòu)筑物(如管網(wǎng)、道路、廣場、建筑等)所取代[3]，進而形成高度連通、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生態(tài)影響大的人工構(gòu)筑物系統(tǒng)[4]。

自然地表是生態(tài)系統(tǒng)地-氣生態(tài)過程的重要界面，也是地-氣物質(zhì)、能量交換與轉(zhuǎn)化的生態(tài)交錯區(qū)。在城市環(huán)境下，地表層構(gòu)成與結(jié)構(gòu)變化會改變地-氣界面的物質(zhì)-能量生態(tài)過程。相對自然生態(tài)系統(tǒng)而言，城市人工構(gòu)筑物采用的各種建筑材料對光輻射傳輸?shù)挠绊懖町惔?、儲?傳熱-放熱變異快，使到達其表面的太陽或人工輻射除一定比例被其表面向上反射和周邊散射以外[5- 6]，大部分被地表吸收并向下和水平方向傳導(dǎo)。這可使城市人工地表溫度高于自然植被等自然地表覆蓋[7]，且下層土壤的儲熱和放熱也會增加。研究顯示，城市化過程中土地利用/覆蓋的變化，導(dǎo)致全球地表溫度平均每百年升高0.27 ℃[8]。

近年來，對于城市化背景下的熱量和水分方面的研究主要是在兩個尺度上展開。(1)城市及區(qū)域尺度上的氣溫和降水變化[9- 12]，如 “熱島效應(yīng)”、“干島效應(yīng)”、“雨島效應(yīng)”等。(2)城市內(nèi)部小尺度上人工地表下土壤溫度、水分在垂直剖面上的變化及其環(huán)境和生態(tài)效應(yīng)[6- 7,13]。這些研究表明，城市人工地表的形態(tài)、數(shù)量、結(jié)構(gòu)、分布格局等會顯著影響城市土壤及其表面植被的水熱狀況。目前，小尺度上城市人工地表層對土壤水熱狀況影響的研究還相對非常缺乏。而該尺度上的研究結(jié)論對于城市設(shè)施規(guī)劃、設(shè)計與生態(tài)管理具有更為直接的指導(dǎo)意義[14]。

本文以城市中分布最廣的兩類人工構(gòu)筑物——瀝青和混凝土為研究對象，通過現(xiàn)場觀測這2類典型構(gòu)筑物相鄰綠地土壤的溫度和含水量變化動態(tài)，分析不同構(gòu)筑物質(zhì)地、面積、形狀等特征對土壤水、熱分布的影響強度及范圍，從而能夠進一步定量揭示城市局域尺度上人工構(gòu)筑物對土壤的水、熱微生態(tài)效應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于北京市朝陽區(qū)奧林匹克公園，處于北緯40°00′，東經(jīng)116°22′。該區(qū)為典型暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。降水季節(jié)分配不均，全年降水約76%集中在6、7、8三個月。年均氣溫13.4 ℃，年均降水595 mm。本試驗測定時間為2012年7、8、9、10、11月份。試驗地土壤類型為沙土，物理性質(zhì)見表1。

表1 試驗地土壤背景狀況Table 1 Soil condition in the studied area

試驗選取樣地分別是，人工構(gòu)筑物為瀝青鋪裝的停車場和為混凝土鋪裝的停車場，其中樣地中對綠地的管理，如灌溉、施肥、除草，以及游人的干擾均處于均一狀況下，而且綠地較平整，避免不同地形對土壤溫度和含水量的影響。鄰接綠地主要植物構(gòu)成為紫花苜蓿(Medicagosativa)、石竹(HerbaDianthi)及狗尾草(Setairaviridis(L.)Beauv)等。研究地概況見表2。為了避免不同樣地綠地構(gòu)成、植物個體高度和蓋度差異對觀測結(jié)果造成的影響，測定前一周剪除地面植被，以后每隔2 d刈剪1次。

表2 樣地概況Table 2 Brief description of the studied area

1.2 試驗方法與數(shù)據(jù)處理

1.2.1 試驗樣帶布置及觀測方法

借鑒經(jīng)典生態(tài)學(xué)研究中的梯度分析法[15- 16]，采用人工-自然生態(tài)梯度樣帶法(human-environmental ecotonal gradient transect, HEEGT)在試驗樣地布置構(gòu)筑物-綠地梯度觀測樣帶，現(xiàn)場觀測點按等距進行布點，該方法在國內(nèi)外城市生態(tài)系統(tǒng)研究中是首次使用，布置方法見圖1。

(1)梯度樣帶確定

以構(gòu)筑物和綠地接壤邊界(a點，構(gòu)筑物與綠地直接接觸)為起點，按直線走向沿遠離構(gòu)筑物的綠地中央方向布置觀測點，形成一定距離間隔的小尺度梯度樣帶。其中，樣帶布置方向為：1) 面狀和帶狀場地開闊而無遮陰，選取人工地表3個方向(東、西、北面)的均值；2 )建筑體選取典型的建筑體陽面布置。

(2)觀測指標(biāo)

樣帶上每個觀測點采用EM50土壤溫度/水分數(shù)據(jù)采集器(DECAGON,USA.測量精度：溫度±0.5；相對濕度±3%)測定各觀測點土壤表層5 cm處的土壤溫度和含水量。為保證所測數(shù)據(jù)的可靠性和代表性，每測點使用4個探頭同步采集數(shù)據(jù)，以盡量減小土壤條件不均勻帶來的誤差，每次測定持續(xù)5 min，每10 s自動記錄一個數(shù)據(jù)。測定時，使用Kestrel- 4500手持氣象儀測定試驗樣地1 m高處的空氣溫度和相對濕度，觀測選擇在風(fēng)速小于2 m/s的晴朗天進行。

圖1 樣地梯度樣帶布置圖 Fig.1 Layout of the experimental human-environmental ecotonal gradient transect(HEEGT)

(3)人工構(gòu)筑物類型劃分

本研究中城市人工地表選擇面狀人工地表、帶狀人工地表(長/寬>5，以道路為主)、體狀人工構(gòu)筑物三類，其中這3類構(gòu)筑物是按不同的形狀、構(gòu)造、厚度等的綜合指標(biāo)劃分的。

(4)對照觀測點確定

由于對城市綠地土壤溫度、含水量的影響因素很多，為了在綠地內(nèi)選定受人工構(gòu)筑物影響相對最小的對照點，本研究在試驗之前對2個樣地上的構(gòu)筑物-綠地梯度觀測樣帶上溫度、水分數(shù)據(jù)進行預(yù)觀測，對觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，最后確定樣帶上距離a點最近且無顯著性差異的觀測點為對照點(A點)。

1.2.2 梯度樣帶上觀測樣點布局間隔的確定

在試驗梯度樣帶上，以不同間隔選定觀測點，分別測定土壤溫度和含水量，然后比較梯度樣帶上不同觀測點間隔(如5、10、20、50、100、150 cm)樣本數(shù)據(jù)變化的統(tǒng)計分布特征；最終確定：1)按5 cm間隔布點來觀測樣帶上土壤溫度和含水量日變化特征；2)按50 cm間隔布點觀測樣帶上構(gòu)筑物對比鄰綠地土壤溫度和含水量的影響范圍。

1.2.3 試驗數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 18.0軟件，基于現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，對土壤溫度和土壤含水量進行方差分析，并且對各觀測點采用方差分析且進行各測點之間的多重比較。利用MATLAB7.11.0中的非線性擬合工具進行分析，發(fā)現(xiàn)土壤溫度(T)和含水量(W)與距a點距離(D)之間存在明顯的冪函數(shù)關(guān)系：通用公式見(1)、(2)和具體常數(shù)值見表3。兩個函數(shù)的導(dǎo)數(shù)表征了樣帶溫度梯度指標(biāo)T′和樣帶水分梯度指標(biāo)W′見公式(3)至(6)。式中a、b、c、d為常數(shù)，不同質(zhì)地樣地具體指標(biāo)見表3。

W=a(b+cD)d

(1)

T=a(b+cD)d

(2)

瀝青樣地：

W=0.0060(1+0.1347D)-0.7738

(3)

T′=-0.4497(1-0.9984D)-0.4157

(4)

混凝土樣地：

W=0.0046(1+0.3473D)-0.9405

(5)

T′=-0.4867(1-1.0986D)-0.0.4254

(6)

表3 面狀人工地表梯度樣帶上土壤溫度和含水量與距離冪函數(shù)關(guān)系的擬合

Table 3 Quantitative relationships of soil temperature and Volumetric Water Content (VWC) with distances away from Point a along the human-environmental ecotonal gradient transect (HEEGT)

參數(shù)Parameter土壤含水量Soilvolumetricwatercontent瀝青樣地混凝土樣地土壤溫度Soiltemperature瀝青樣地混凝土樣地a0.1970.22240.77080.7615b0.0505-0.6019579.4957583.7027c0.13470.3473-0.9984-1.0986d0.22620.05950.58430.5746均方根誤差Root-mean-squareerror(RMSE)0.0090.00750.26240.2411平均絕對百分誤差Meanabsolutepercentageerror(MAPE)2.70%2.40%0.70%0.60%相關(guān)系數(shù)Relatedcoefficient(R)0.98080.93410.89040.9054

通過雙尾檢驗，在0.01水平下相關(guān)性顯著

2 結(jié)果與分析

2.1 不同質(zhì)地構(gòu)筑物對比鄰綠地土壤溫度和含水量的水平影響

瀝青和混凝土兩種構(gòu)筑物對相鄰綠地土壤溫度和含水量的影響在試驗梯度樣帶上的變化趨勢見圖2。兩個樣地測定時間段為13:00—15:00，測定時離地面1 m高處的氣溫和相對濕度見表4。兩種質(zhì)地構(gòu)筑物形成的人工地表對相鄰綠地土壤的溫度和含水量影響的變化趨勢相同，即從a點到A點，土壤溫度降低，土壤含水量升高，并且由公式可知隨D值的增加，T′和W′均減小(即對土壤溫度和水分的影響強度隨距離增加而下降)。此外，雖然混凝土人工地表比鄰的a點上土壤含水量比瀝青人工地表比鄰的a點高3.9%，但差異不顯著(P>0.05)；兩種質(zhì)地構(gòu)筑物的試驗梯度樣帶上其他觀測點間差異也不顯著(P>0.05)。這表明，這兩種構(gòu)筑物質(zhì)地對比鄰綠地土壤水分的影響不具有顯著差異性，它們之間的差別可能是其他因素(如灌溉的差異性等)造成的。

兩種質(zhì)地的人工地表試驗梯度樣帶上土壤溫度隨距離(D)都呈冪函數(shù)關(guān)系，但混凝土人工地表a、b值小于瀝青人工地表(表3)；因此瀝青人工地表樣地的試驗梯度樣帶上各觀測點的土壤溫度均高于混凝土人工地表，而且差異顯著(P<0.05)。

兩種人工地表比鄰綠地土壤含水量隨距離(D)的變化也呈冪函數(shù)關(guān)系，見圖2，但當(dāng)D相同時，混凝土人工地表比鄰綠地的W′小于瀝青人工地表的比鄰綠地的W′，表明混凝土人工地表對比鄰綠地土壤水分影響強度小于瀝青，即瀝青地表試驗梯度樣帶上隨D值增加，水分的下降呈現(xiàn)更快地變化。從觀測數(shù)據(jù)看，樣帶上距a點10 cm之后混凝土人工地表試驗梯度樣帶上含水量在統(tǒng)計上基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，而瀝青人工地表試驗梯度樣帶上含水量在10 cm之后依然處于上升趨勢。

表4 人工地表試驗梯度樣帶上大氣溫度和相對濕度Table 4 Atmospheric temperature and relative humidity in HEEGT belts of the studied areas

圖2 不同質(zhì)地(瀝青和混凝土)人工地表試驗梯度樣帶上綠地土壤溫度和含水量變化Fig.2 Changes in soil temperature and volumetric water content (VWC) along the HEEGT belts under different conditions of artificial surface (asphalt and concrete)

2.2 不同質(zhì)地人工地表對比鄰綠地土壤溫度和含水量水平影響的日變化特征

本研究在一日內(nèi)3個時間段，即7:00、14:00和20:00，對土壤溫度和含水量在試驗梯度樣帶上的日變化特征進行了觀測(圖3)，各時間段試驗梯度樣帶上距地面1 m處氣溫和相對濕度見表5。在兩種樣地上，各時段總體趨勢相同，即從a點到A點，土壤含水量波動性上升，并且由溫度和水分梯度公式可知隨D的增加，T′和W′均減小。

在樣地試驗梯度樣帶上的各觀測點，土壤溫度14：00最高，且a點14:00土壤溫度為(29.89±1.03) ℃，7:00最低，為(28.4±1.86) ℃。不同時間段上試驗梯度樣帶上各觀測點的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，a和據(jù)a點10 cm處土壤溫度14:00和20:00差異不顯著，其他各觀測點在不同時間段差異極顯著(P<0.01)。各點土壤含水量14:00最低，且a點14:00土壤含水量為(26.3±2.4)%，20:00最高，為(28.9±3.8)%。各觀測點14:00和20:00差異極顯著(P<0.01)。20:00溫度較7:00高，但含水量也較高，這一結(jié)果也表明人工地表的熱傳輸過程決定了土壤的溫度，并影響比鄰綠地水分變化。

表5 夏季 1 d內(nèi)不同時間段氣溫和相對濕度Table 5 Atmospheric diurnal temperature and relative humidity within one day in summer time

圖3 夏季不同質(zhì)地人工地表試驗梯度樣帶上綠地土壤溫度和含水量日變化特征Fig.3 Diurnal variations of soil temperature and VWC along the HEEGT belts under different conditions of artificial surface (asphalt and concrete) in summer time

2.3 不同質(zhì)地人工地表對比鄰綠地土壤溫度和含水量水平影響的季節(jié)變化特征

北京夏(平均氣溫>28 ℃)、秋(平均氣溫28—10 ℃)、冬(平均氣溫<10 ℃)[17]3個季節(jié)土壤溫度和含水量在試驗梯度樣帶上的變化特征見圖4。夏、秋兩個季節(jié)土壤溫度變化特征為：從a點到A點逐漸降低，土壤含水量波動性上升，并且由溫度和水分梯度公式可知隨D的增加，T′和W′均減小。冬季在試驗梯度樣帶上土壤溫度和含水量的梯度變化不明顯，統(tǒng)計檢驗差異不顯著。但受城市綠地灌溉、構(gòu)筑物熱效應(yīng)減弱等因素的影響，含水量變化會出現(xiàn)相反趨勢，如表6測定數(shù)據(jù)顯示出遠離a點土壤含水量降低，土壤溫度仍然是降低趨勢。

圖4 不同質(zhì)地人工地表試驗梯度樣帶上綠地土壤溫度和含水量季節(jié)變化特征Fig.4 Seasonal variations of soil temperature and VWC along the HEEGT belts under different conditions of artificial surface (asphalt and concrete)

表6 秋季不同幾何形態(tài)人工地表樣地試驗梯度樣帶上綠地土壤溫度和含水量的變化

Table 6 Changes in soil temperature and Volumetric Water Content (VWC) along the HEEGT belts for different types of geometrical shapes of artificial surfaces in autumn time

形態(tài)Form土壤溫度Soiltemperature/℃050cm100cm150cm200cm面狀人工地表Planarartificialsurface25.20±1.14a23.15±0.50b22.58±0.48c22.34±0.39c22.11±0.29c帶狀人工地表Linearartificialsurface21.83±1.01a21.14±0.73b21.44±0.76ac20.88±0.53b21.08±0.78bc體狀人工構(gòu)筑物Buildingorinfrastructures29.17±1.28a25.97±1.10b25.42±0.40c24.96±0.56d24.65±0.42d形態(tài)Form土壤含水量Soilvolumetricwatercontent/%050cm100cm150cm200cm面狀人工地表Planarartificialsurface15.0±2.5a19.0±2.5b21.0±3.8c24.0±109c21.8±2.0c帶狀人工地表Linearartificialsurface9.4±1.8a17.5±1.3b18.8±3.1c18.9±1.3c17.6±2.1b體狀人工構(gòu)筑物Buildingorinfrastructures18.3±2.7a18.4±1.9a16.9±1.1b10.2±2.5c9.7±2.4c

小寫字母表示樣地試驗梯度樣帶上各觀測點之間在0.05水平差異顯著

2.4 不同幾何形態(tài)人工地表對比鄰綠地土壤溫度和含水量的水平影響范圍

在面狀、帶狀、體狀等3種典型人工地表樣地上，試驗梯度樣帶上綠地土壤溫度和含水量變化隨著距a點距離的加大，土壤溫度均呈降低趨勢；并且由溫度梯度公式可知，隨D的增加，T′減??；土壤含水量則呈增加趨勢，中間略有波動，并且由水分梯度公式可知，隨D的增加，W′減小。試驗梯度樣帶上各觀測點采用方差分析并結(jié)合多重比較分析，其結(jié)果見表5。從表5可知，面狀人工地表比鄰綠地土壤溫度在100 cm之后沒有顯著差異，帶狀人工地表比鄰綠地土壤溫度在50 cm之后差異不顯著，體狀人工構(gòu)筑物比鄰綠地土壤溫度在150 cm之后差異不顯著。在試驗梯度樣帶上，T′減小，而不同季節(jié)的土壤溫度梯度差異反映了氣溫的不同影響，。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，在氣溫低于5 ℃時，人工地表比鄰綠地的梯度樣帶上土壤溫度趨于穩(wěn)定不變，統(tǒng)計上沒有顯著差異?？梢?，不同季節(jié)人工構(gòu)筑物對比鄰綠地土壤溫度的影響范圍是不同的。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1 城市構(gòu)筑物影響下的土壤溫度

影響土壤溫度的因素有很多，如太陽輻射、大氣溫度、風(fēng)速、坡度、降水、遮陰、蒸(發(fā))散和土壤性質(zhì)等[18- 19]。而在城市環(huán)境下，由于人工搬運、填土、改性等物理或化學(xué)活動，土壤理化性質(zhì)發(fā)生改變，土壤導(dǎo)熱狀況(儲熱、傳熱)增強[20]，土壤表層導(dǎo)熱屬性發(fā)生改變，增加了地表儲熱和感熱[19]。另一方面，由于城市地上、地下構(gòu)筑物(如城市樓房、道路、廣場、停車場等的建設(shè))在地表或地下形成不同質(zhì)地、不同結(jié)構(gòu)的人工表層或構(gòu)筑物層。隨著城市的發(fā)展，這些人工構(gòu)筑物或人工地表的空間分布越加廣泛并逐漸連接起來；同時，城市綠地或裸地等自然地表不僅減少，而且趨于破碎化[21]。這些都直接或間接改變了土壤溫度，連通的人工構(gòu)筑物也進一步阻斷并改變了土壤與大氣的元素與能量交換，而且還部分或完全阻斷了土壤與大氣的水分交換，也影響了土壤通過蒸散對地表層土壤以及近地表層氣溫和相對濕度的調(diào)節(jié)。

有研究表明，城市環(huán)境下熱量和水分的傳導(dǎo)路徑之一是垂直方向傳輸[6- 7]，Halverson和Heisler的研究指出，人工表面增加了60 cm剖面范圍內(nèi)的土壤溫度和熱交換速率[22]。Graves和Dana的研究表明，美國印第安納州拉斐特城行道樹下5—50 cm的土壤溫度比鄉(xiāng)村沒有鋪裝面的樹下相同深度的土壤溫度高達7 ℃[13]，鄒麗敏[3]也指出相同氣溫條件下，街路地表和土壤溫度增加。而這種熱量傳導(dǎo)及其導(dǎo)致的土壤溫度升高路徑在水平方向上也存在[7]。本研究也發(fā)現(xiàn)，土壤溫度在a點處最高，距離a點越遠則逐漸降低。其他相關(guān)的研究結(jié)果也表明，鄰近瀝青地表的土壤溫度比綠地土壤溫度要高[7,23]。同時人工構(gòu)筑物具有相對高的儲熱能力[6]，如本研究發(fā)現(xiàn)，a點土壤溫度較高的現(xiàn)象在夜間仍然明顯(a點與其他觀測點存在顯著性差異，P<0.05)存在，而且夜間a點溫度僅比14::00降低0.37 ℃。a點高溫現(xiàn)象在早晨并不明顯，正如Halverson和Heisler指出的那樣，各種人工構(gòu)筑物在氣溫較低時對土壤表層和深層溫度沒有影響[22]，本研究也發(fā)現(xiàn)，在平均氣溫低于5 ℃時，試驗梯度樣帶上也沒有顯著的溫度梯度。

不同質(zhì)地的人工構(gòu)筑物對土壤溫度的影響也存在差異，本研究可見，瀝青人工地表比鄰綠地的土壤溫度要比混凝土的高，這與前人研究結(jié)果一致。Halverson and Heisler等指出，土壤溫度受各種人工構(gòu)筑物影響較大，其中，人工構(gòu)筑物以瀝青為最大[20]，瀝青地表相對于混凝土來說，對熱能的反射率更低和儲存能力更高[6]，因此，它能吸收和儲存更多的熱能，使得土壤溫度比其他高反射人工構(gòu)筑物下面的土壤溫度高。

3.1.2 城市構(gòu)筑物影響下的土壤水分

土壤水分會以潛熱和感熱的方式，通過地氣交換來調(diào)節(jié)局地的氣溫和濕度變化；同時由于水的比熱較大，土壤含水量越大則土壤溫度變化幅度越小。較高的地溫或氣溫又會導(dǎo)致蒸散的增加進而降低土壤含水量[24]。人工構(gòu)筑物除了使氣溫升高，也使得土壤溫度增高、土壤蒸散增大。本研究發(fā)現(xiàn)，樣地試驗梯度樣帶上a點地溫最高并且a點土壤含水量最低。Asaeda and Ca指出，土壤水分蒸散是裸露地表溫度比鋪裝面低的主要原因[25]，因而，在遠離a點的觀測點，土壤溫度降低，含水量會小幅度增加。但土壤含水量在試驗梯度樣帶上的變化沒有溫度變化那樣明顯。城市綠地經(jīng)常性的人工或自動灌水，加上城市人工微地形的差異，造成土壤含水量不均勻分布。我們的研究樣地上，梯度樣帶上觀測點的土壤水分也出現(xiàn)不均勻或不穩(wěn)定變化趨勢。此外，由于植物根系的分布也是不均勻的，使其對土壤水分的吸收利用不同，也會造成土壤含水量的差異。城市土壤理化特征也會影響土壤含水量的變化，城市化過程中新形成的土壤，其理化性質(zhì)和成土作用由人類主導(dǎo)[26]，進而影響土壤保水、持水能力，造成含水量的差異。具體可從兩方面來理解：(1)土壤成分的差異性會造成各觀測點土壤含水量不同，例如，城市土壤基質(zhì)一般是人造的或者被城市活動所改變，如磚塊、砂漿、混泥土、礦渣或者灰分等[27]。因而人造基質(zhì)的粗骨料含量比自然土要高，進而造成各觀測點土壤吸持水分能力的差異。(2)土壤結(jié)構(gòu)的不同造成各觀測點土壤含水量的不同。比如城市中土壤通常伴隨著壓實處理，而壓實會造成土壤物理性質(zhì)的改變[20]，如結(jié)構(gòu)體破壞、總孔隙度減少、孔隙連續(xù)性被切斷、方向改變、容重增加、入滲能力降低、導(dǎo)水率降低等，從而影響水分的滲透與儲存能力[27- 28]。

3.1.3 人工構(gòu)筑物對土壤溫度及水分的影響范圍

人工構(gòu)筑物吸收輻射、儲存熱量同時傳導(dǎo)熱量，其影響也有一定的垂直和水平空間范圍。由圖2、圖3和表5可以看出，在50 cm以內(nèi)土壤溫度有逐漸下降的規(guī)律，并且其變化幅度會隨距a點距離的增加而減小，并逐漸趨于穩(wěn)定；在150 cm之后會有高低跳躍現(xiàn)象，且之后觀測點的土壤含水量差異不顯著，見表5。Asaeda and Ca的研究指出，在裸露地表20 cm深處的土壤溫度日變化小于1 ℃，并據(jù)此假定在20 cm處熱量傳導(dǎo)為0，而對于混凝土和瀝青為30 cm[23]。Swaid and Hoffman研究表明，裸露地表、混凝土、瀝青覆蓋分別在14、18、17 cm之下土壤溫度基本穩(wěn)定[29]。因為混凝土導(dǎo)熱系數(shù)大約為瀝青的兩倍，因此，混凝土表面凈熱流可迅速向下層傳遞，而瀝青表面的凈熱流則用來加熱表層[25]。Sarah等首次提出，夏季在瀝青地表的停車場，距瀝青邊界1 m范圍內(nèi)根際溫度超過根系耐受的最高溫(40 ℃)[7]。因此，本研究發(fā)現(xiàn)人工構(gòu)筑物在水平方向上的熱傳導(dǎo)范圍在一天24h尺度上大概在0—100 cm范圍之內(nèi)，與土壤垂直剖面的熱量傳導(dǎo)相比，水平方向上熱量的傳導(dǎo)更遠，而且會隨著人工構(gòu)筑物質(zhì)地、構(gòu)筑物分布格局以及氣溫、太陽輻射等氣象條件的季節(jié)性變化而不同。我們的研究還發(fā)現(xiàn)，在氣溫高于30 ℃條件下建筑體對比鄰綠地土壤溫度的影響范圍更遠。同時，相關(guān)研究也指出，瀝青構(gòu)筑物會增加夏季土壤最高溫度，但對冬季土壤最低溫沒有影響[22]；研究也發(fā)現(xiàn)，在氣溫小于5 ℃而高于0 ℃時這種影響趨勢不明顯。對于低于0 ℃的氣溫條件下構(gòu)筑物的影響有待進一步試驗分析。而且在試驗中我們發(fā)現(xiàn)，人工地表寬度小于一定值時，其比鄰綠地土壤溫度和含水量的變化規(guī)律會發(fā)生變化，而其變化規(guī)律有待進一步通過試驗進行論證。

3.2 主要結(jié)論

(1)在城區(qū)夏、秋季節(jié)，人工構(gòu)筑物對比鄰綠地土壤5 cm處溫度的水平影響隨離構(gòu)筑物距離的增加而降低，并且一天中的早、中、晚時段都存在，但早晨構(gòu)筑物對土壤溫度升高的影響不明顯。而相對于土壤溫度的變化，土壤含水量變化隨離構(gòu)筑物距離增加而趨于減小，但變化的穩(wěn)定趨勢相對較弱，存在一定的波動現(xiàn)象。在平均氣溫低于5 ℃時，人工構(gòu)筑物對比鄰綠地土壤溫度影響不顯著。

(2)在城區(qū)夏、秋季節(jié)，人工構(gòu)筑物對比鄰綠地土壤5 cm處溫度和含水量變化的水平影響范圍在一天24h尺度上大約在0—100 cm范圍內(nèi)，其中，人工面狀構(gòu)筑物(人工地表)的水平影響幅度大約在0—50 cm，而建筑物體的影響幅度在0—1m，同時，它受人工構(gòu)筑物的質(zhì)地、分布格局、城市氣象因素以及綠地群落構(gòu)成與結(jié)構(gòu)、人工管理方式等的影響而變化。

(3)人工構(gòu)筑物-綠地試驗梯度樣帶上，土壤溫度和水分與離a點距離均呈現(xiàn)冪函數(shù)定量關(guān)系，即瀝青樣地T= 0.7708(579.4957-0.9984D)0.5843，W= 0.1970(0.0505+0.1347D)0.2262；混凝土樣地T= 0.7615(583.7027-1.0986D)0.5746，W= 0.2224(-0.6019+0.3473D)0.0595。

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Horizontal impacts of urban constructed bodies or patches on the temperature and moisture patterns in the soil of adjacent green space in urban areas of Beijing

MA Shengli1,2, WU Xiaogang1,3, SUN Fan2, LI Yuanzheng1, HU Dan1,*, YUAN Jiajia1, ZHANG Fuhua1

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2CollegeofResourcesandEnvironment,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China3ShanxiAgriculturalUniversity,Jinzhong030800,China

Artificial coverage of natural soil surface by constructed material usually affects soil-atmospheric ecological processes. The exchanges of energy, water and other masses between atmosphere and soil are often restricted or hampered, and increasing ecological influences are exerted on adjacent, non-covered natural areas. At present, monitoring of urban ecological effects such as heat island, grey haze caused by urban infrastructure constructions and urban citizens′ consumption have been performed with effective ecosystem observation networks, but little specific research attentions are paid to ecological effects of urban constructed surfaces or bodies on urban green space, soil and atmosphere, which play crucial roles in offering urban ecosystem services.

horizontal ecological impacts; soils of adjacent green space; soil temperature; soil volumetric water content; urban constructed bodies (urban structures); urban areas in Beijing

國家自然科學(xué)基金項目(41171442, 70873121); 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心“一三五”研究計劃(YSW2013-B04);城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室項目(SKLURE2013- 1-01); 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)術(shù)骨干項目

2013- 03- 29;

日期:2014- 03- 25

10.5846/stxb201303290554

*通訊作者Corresponding author.E-mail: hudan@rcees.ac.cn

馬生麗,武小鋼,孫凡,李元征,胡聃,原佳佳,張富華.北京城區(qū)人工構(gòu)筑物對比鄰綠地土壤溫度和含水量的影響.生態(tài)學(xué)報,2015,35(2):537- 546.

Ma S L, Wu X G, Sun F, Li Y Z, Hu D, Yuan J J, Zhang F H.Horizontal impacts of urban constructed bodies or patches on the temperature and moisture patterns in the soil of adjacent green space in urban areas of Beijing.Acta Ecologica Sinica,2015,35(2):537- 546.

In this study, two types of urban typical constructed bodies or patches (asphalt and concrete), most widely appeared in urban areas, are taken to investigate changes in temperature and moisture (VWC) in the soil of green space that is next to these two-types of urban structures. We introduce an ecological observational technique of the Human-Environmental Ecotonal Gradient Transect (HEEGT), that is, the boundary between urban structures and green space or exposed covers of soil or rocks is taken as an observational gradient transect, and observational points are arranged along with the Urban Structures-Green space (or exposed Soil) Ecotonal Gradient Transect as a category of HEEGTs on a straight line or a multi-zigzag course from the edge points of artificial structures to the central areas of green space or exposed soil. The research on horizontal effects of urban structures on the soil of adjacent green space were conducted, and the magnitudes and scopes of horizontal ecological impacts of different urban constructed bodies or patches on the temperature and moisture (VWC) in the soil of adjacent green space were further analyzed, considering their structural components, size, shape and other construction characteristics. Our study results have shown that: 1) in Summer and Autumn, in the HEEGT belt of the two types of observational sites (asphalt and concrete), there is always the highest temperature of soil in the point that is just next to the constructed patches (Point a), and the farther from the point a, the lower the soil temperature. On the contrary, Point a always has the lowest value of soil volumetric water content (VWC), and the farther from the point a, the higher the soil VWC. 2) Regarding diurnal variations of soil temperatures and VWC, the increases of soil temperature and VWC are statistically more significant at noon and night than that in the early morning in the HEEGT belts for the two types of observational sites. For seasonal variations from summer to winter, the soil temperature and VWC are statistically more significant at summer and autumn than that in the winter in the HEEGT belts. When atmospheric temperature is lower than a certain value (15℃ in Beijing city), the soil temperature variation in HEEGT belts statistically tends to be unchangeable. 3) In the HEEGT belts, there exist quantitative relationships of power function between the soil temperature or soil volumetric water content with the distance away from point a, that is,T= 0.7708(579.4957-0.9984D)0.5843for asphalt，W= 0.1970(0.0505+0.1347D)0.2262for asphalt;T= 0.7615(583.7027-1.0986D)0.5746for concrete,W= 0.2224(-0.6019+0.3473D)0.0595for concrete. 4) In the HEEGT belts for the two types of observational sites, the scopes of impacts for two types of urban constructed bodies on the temperature of soils of adjacent green space vary approximately within the numerical range of 0—100 cm, often altered by the components, texture, size, and patch distributional pattern of urban structures, and urban meteorological factors, artificial management as well as the compositions and structure of adjacent green space.