朱婉漪，張林海,b*，楊平

(福建師范大學(xué) a.地理科學(xué)學(xué)院，b.福建省亞熱帶資源與環(huán)境重點實驗室，福州350007)

土壤熱通量指單位時間、單位面積上的土壤熱交換量，是地表熱量平衡方程中的一項重要指標，能夠影響地表能量閉合程度，可以表征土壤表層與深層間的熱交換狀況[1]。土壤熱通量在微氣象學(xué)中十分重要，它能有效地將地表能量傳遞過程與土壤能量傳遞過程耦合起來[2]。目前對土壤熱通量的研究主要包括測定技術(shù)改進[3-4]，以及不同生態(tài)系統(tǒng)下的變化趨勢研究，其類型包括森林[5-6]、高原[7]、濕地[8-9]、沙漠[10]等?；诓煌鷳B(tài)系統(tǒng)的研究表明土壤熱通量通常春夏為正，秋冬為負[6-7]，日、年變化呈“S”型趨勢[11]，且大多證明了土壤熱通量與太陽輻射，尤其是凈輻射關(guān)系密切[5,12]。有研究表明土壤熱通量最大值出現(xiàn)時間滯后于凈輻射最大值[13]，一些研究也顯示出土壤熱通量對地表凈輻射的反饋存在延時[14]。另有研究認為云層覆蓋和降水也會使表層土壤熱通量產(chǎn)生波動[15]。土壤熱通量研究大多包含在地表能量收支中，針對熱通量變化特征的系統(tǒng)研究較少，且多集中在森林和高原等生態(tài)系統(tǒng)，亞熱帶河口濱海濕地土壤熱通量研究報道較缺乏。閩江河口鱔魚灘濕地是福建省典型的河口濱海濕地，處于河、海、陸三者交匯地帶，位于福建閩江河口濕地國家級自然保護區(qū)的核心區(qū)域[16]，其地表能量通量變化在維持濕地生物多樣性，探究局部小氣候方面起著重要的作用[17]。近年研究主要集中于濕地溫室氣體通量等方面[18-19]，鮮有對土壤熱通量變化特征展開研究。濕地土壤蓄熱情況受土壤熱通量影響[20]，將進一步對土壤生物與植物生長產(chǎn)生作用，如螃蟹的活動軌跡，蘆葦(Phragmitesaustralis)、互花米草(Spartinaalterniflora)等優(yōu)勢植物生長變化等。本研究以鱔魚灘濕地為研究對象，探討了表層(10～25 cm)土壤熱通量年內(nèi)變化特征及其影響因素，以期為閩江河口生物多樣性的維系以及亞熱帶濱海濕地地表能量循環(huán)過程研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

閩江河口鱔魚灘濕地(26°0′36″N～26°3′42″N，119°34′12″E～119°41′40″E)位于福建省福州市長樂區(qū)潭頭鎮(zhèn)、梅花鎮(zhèn)閩江入?？谔?，是閩江河口地區(qū)面積最大的砂泥質(zhì)洲灘天然濕地，地處閩江河口外緣[21]。地勢低平，氣候暖熱濕潤，雨熱同期，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，該區(qū)土壤為濱海鹽土和風(fēng)沙土[22]，占地面積約3 120 hm2，是閩江河口最大的一塊濕地，發(fā)育有良好的濕地生態(tài)系統(tǒng)。濕地內(nèi)主要優(yōu)勢植物有天然物種蘆葦、短葉茳芏(Cyperusmalaccensis)和外來入侵種互花米草[18]。多年平均氣溫為20.67℃，年相對濕度80.42%，年降水日數(shù)為150 d，且主要集中在春夏季節(jié)，年降水量約1 323 mm，年太陽輻射145.7 W·m-2，年太陽凈輻射81.07 W·m-2。

1.2 自動氣象站布設(shè)與數(shù)據(jù)獲取

在閩江河口鱔魚灘濕地典型植物群落蘆葦樣地中設(shè)置ZYSW1000自動氣象站，主要監(jiān)測指標包括地表土壤熱通量(W·m-2，Soil heat flux)、6 m高處大氣溫度(℃，Ta6)和大氣相對濕度(%，RH6)、太陽總輻射(W·m-2，solar)、凈輻射(W·m-2，Rn)、降雨量(mm，Rain)、地下10、30、50、70、100、120 cm的土壤溫度(℃，T10、T30、T50、T70、T100、T120)，數(shù)據(jù)測量頻率為15 min，同時自動記錄最大值(Max)、最小值(Min)、和平均值(Avg)。其中土壤熱通量數(shù)據(jù)觀測儀器采用FP01(SC)熱通量傳感器，精度為±3%，靈敏度50μV/W·m-2，數(shù)據(jù)采集器為CR1000(美國)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)來源于自動氣象站2019年3月1日至2020年2月29日的觀測資料，將自動氣象站采集的數(shù)據(jù)進行整理后得到兩部分：基于1 h時間間隔的各環(huán)境因子小時數(shù)據(jù)以及基于1 d時間間隔的各環(huán)境因子日數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)分段采集有所間隔，自動氣象站2019年7月10日15:00—20:00小時數(shù)據(jù)及日數(shù)據(jù)缺失，小時數(shù)據(jù)缺口較小，且該部分缺失對本研究影響不大，故在數(shù)據(jù)分析處理中將此部分數(shù)據(jù)直接剔除，當日日數(shù)據(jù)則結(jié)合7月其余各日數(shù)據(jù)及小時數(shù)據(jù)，采用均值補差方法計算并補齊[15]。土壤熱通量日變化包括年均日變化及日振幅變化。在日尺度上，以24：00為次日劃分點，以1 h為時間間隔，將一年內(nèi)的相同時刻數(shù)值平均處理，得到主要環(huán)境因子及土壤熱通量年均日變化，土壤熱通量日振幅變化由一年內(nèi)所有小時數(shù)據(jù)共同構(gòu)成；在月尺度上，以1 d為時間間隔，將各月數(shù)據(jù)做平均處理，得到土壤熱通量月均變化。四季按春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月—次年2月)劃分[11]，將每個季節(jié)的相同時刻進行平均處理，即得到土壤熱通量季節(jié)日變化曲線。采用多元逐步回歸對研究區(qū)土壤熱通量與主要環(huán)境因子進行相關(guān)性分析[23]，構(gòu)建逐步回歸方程，通過線性回歸擬合進一步驗證，并由冗余分析計算得出不同季節(jié)主要環(huán)境因子對土壤熱通量的貢獻比例。使用Excel、IBM SPSS statistics 26和Canoco 5進行數(shù)據(jù)處理與分析，Origin 2018繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要環(huán)境因子年均日變化特征

閩江河口鱔魚灘濕地主要環(huán)境因子年均日變化(圖1)呈現(xiàn)一定的規(guī)律。6 m氣溫與相對濕度變化趨勢相對應(yīng)，正午氣溫升高，相對濕度降低。氣溫曲線有一峰兩谷，峰值出現(xiàn)在正午14：00，為22.31℃，谷值出現(xiàn)在5：00與23：00，相對濕度白天有一谷，谷值74.01%，出現(xiàn)在13：00，夜間變化平穩(wěn)(圖1a)。降雨量年均日變化在17：00形成一個突出的峰值(168.4 mm)，下午降雨量大于上午(圖1b)。太陽總輻射與凈輻射日變化規(guī)律一致，夜間為負值且基本無變化，白天呈倒“U”型，正午12：00值最大(圖1c)。最表層的10 cm土壤溫度日變化幅度最大，土層越深變化幅度越小，50 cm以下幾乎無變化。土壤溫度日變幅不超過1.5℃，10 cm土壤溫度曲線為“S”型，0：00—9：00溫度下降直至最低值19.87℃，9：00—18：00上升至最高值21.26℃后下降，30 cm土壤溫度變化呈平緩“U”型，14：00為最低值20.46℃(圖1d)，說明土壤溫度由表層向深層傳遞存在時間延遲[11]且熱量會被較大損耗。

圖 1 主要環(huán)境因子年均日變化

圖 2 土壤熱通量年均日變化與日振幅變化

圖 3 土壤熱通量月均變化

2.2 土壤熱通量日變化、月均變化和季節(jié)日變化特征

鱔魚灘濕地土壤熱通量年均日變化如圖2a所示，變化曲線呈“S”型，最高值出現(xiàn)在13：00為16.32 W·m-2，最低值出現(xiàn)在4：00為-8.07 W·m-2，差值為24.39 W·m-2，夜間曲線較白天平緩。平均一日內(nèi)正值時長為9 h，負值時長15 h，土壤更多時間為熱源，分別在上午9：00—10：00，下午17：00—18：00發(fā)生符號轉(zhuǎn)換。濕地表層土壤熱通量日振幅變化(圖2b)顯示出春夏季節(jié)振幅較大，秋冬季節(jié)振幅較小，冬季最小。全年熱通量最大極值為81.4 W·m-2，出現(xiàn)在2019年4月17日13：00，最小極值為-29.68 W·m-2，出現(xiàn)在2019年9月19日6：00，全年最大差值111.08 W·m-2。

圖3所示為鱔魚灘濕地土壤熱通量月均變化，就全年而言，土壤熱通量在4—8月為正值，表明土壤為熱匯；其余月份為負值，表明土壤為熱源。土壤熱通量正向最大值出現(xiàn)在6月(3.89 W·m-2)，負向最小值出現(xiàn)在11月(-3.75 W·m-2)，月際最大差值為7.64 W·m-2。土壤熱通量分別在春季3—4月，秋初8—9月發(fā)生符號變化。全年熱匯值為12.21 W·m-2，熱源值為-16.63 W·m-2。春季(3—5月)凈熱通量值為2.68 W·m-2，占全年熱匯比例的21.9%；夏季(6—8月)凈熱通量值為8.22 W·m-2，占全年熱匯比例的67.3%；秋季(9—11月)凈熱通量值為-7.72 W·m-2，占全年熱源比例的46.4%；冬季(12月—次年2月)凈熱通量值為-7.60 W·m-2，占全年熱源比例的45.7%。土壤熱通量月均總和為-4.42 W·m-2，總體來看土壤為熱源，向外釋放熱量，其中11月為全年最大熱源月份。

圖 4 土壤熱通量季節(jié)日變化

鱔魚灘濕地不同季節(jié)地表土壤熱通量日變化均呈“S”型變化曲線(圖4)，具有明顯季節(jié)變化特征。四季熱通量最大值均出現(xiàn)在正午，最小值夏季出現(xiàn)在傍晚，其他季節(jié)則出現(xiàn)在黎明，數(shù)值上夏季峰值最大(22.37 W·m-2)，冬季峰值最小(8.59 W·m-2)，各峰值大小關(guān)系為夏季>春季>秋季>冬季。隨太陽升降時間變化，熱通量符號上午由負轉(zhuǎn)正時間逐漸推遲，而下午由正轉(zhuǎn)負，時間保持在18：00左右，夏季土壤熱通量為正值，時間最長，為12 h，冬季最短，為7 h。四季均表現(xiàn)為熱通量白天為正值(熱匯)，夜間為負值(熱源)。日差值變化幅度由春季至冬季逐漸變小，春季31.28 W·m-2為最大值，冬季16.53 W·m-2為最小值。

圖 5 土壤熱通量與主要環(huán)境因子的相關(guān)性

圖 6 主要環(huán)境因子不同季節(jié)貢獻率

表 1 土壤熱通量與部分主要環(huán)境因子逐步回歸結(jié)果

2.3 影響土壤熱通量變化的因素分析

根據(jù)鱔魚灘濕地氣象站環(huán)境因子觀測數(shù)據(jù)，選取日均太陽總輻射(solar)、凈輻射(Rn)、6 m氣溫(Ta6)、6 m相對濕度(RH6)、降雨量(Rain)、地下10、30、50、70、100、120 cm的土壤溫度(T10、T30、T50、T70、T100、T120)對土壤熱通量(Soil heat flux)進行逐步回歸，利用多元逐步回歸分析建立其最優(yōu)方程：Soilheatflux=-4.793+0.038×XRn+0.11×XRH6+23.62×XT50+1.07×XTa6-27.0×XT30+7.74×XT10-5.70×XT100-0.01×Xsolar?；貧w模型平方和為10 383.954，殘差平方和為587.079，總計為10 971.033，回歸平方和占總平方和的絕大部分，模型擬合效果較好(表1)。結(jié)果表明,土壤熱通量變化主要受到太陽凈輻射、太陽總輻射、6 m氣溫及相對濕度影響，除此之外，10、30、50、100 cm土壤溫度也產(chǎn)生一定程度的影響。

進一步選取日均地表土壤熱通量與日均太陽總輻射量、太陽凈輻射、6 m氣溫及相對濕度進行線性擬合(圖5)?；貧w方程表明土壤熱通量與太陽凈輻射相關(guān)性明顯高于與太陽總輻射、6 m氣溫及相對濕度，說明全年日均土壤熱通量受太陽凈輻射影響更為強烈。

為了進一步確定太陽總輻射、凈輻射、6 m氣溫及相對濕度在不同季節(jié)的貢獻比例，通過冗余分析計算得出其貢獻率(圖6)。春季4個環(huán)境因子貢獻率占總貢獻率的77.2%，夏季占59%，秋季占51.3%，冬季占76.5%，各季均占到總貢獻率的50%以上，說明該4個環(huán)境因子能夠在一定程度上解釋土壤熱通量變化。其中春季與夏季凈輻射貢獻率最高，分別為57.1%和37.1%；秋季6 m氣溫貢獻率最高，為29.9%；冬季6 m相對濕度貢獻率最高，為48.8%。

3 討論

3.1 鱔魚灘濕地土壤熱通量日、月及季節(jié)變化規(guī)律

閩江河口鱔魚灘濕地土壤熱通量年均日變化曲線表現(xiàn)為“S”型，平均一日內(nèi)負值時長15 h，土壤更多時間為熱源。土壤熱通量最高值出現(xiàn)時間為正午，這是由于地表土壤熱通量與凈輻射顯著相關(guān)，而太陽輻射在正午出現(xiàn)峰值[12]。多個研究[9,13-14]表明土壤熱通量日變化對凈輻射的反饋存在延時，本研究呈現(xiàn)相同的結(jié)果，凈輻射于12：00達到最高值，而熱通量最高值出現(xiàn)在13：00。日振幅上，春夏季土壤熱通量振幅較秋冬季劇烈，極大值出現(xiàn)在春季，可能是因為春夏季節(jié)沿海地區(qū)氣流活動更頻繁，降水集中[24]，灘涂土壤的水淹與裸露變化程度大，導(dǎo)致土壤吸散熱加劇。

鱔魚灘濕地土壤熱通量月變化特征明顯，其中4—8月土壤熱通量為正值，其余月份為負值，熱通量于6月達到最大值后下降，這可能是由于夏季西南季風(fēng)帶來更多降水，濕地土壤表面更濕潤，限制土壤熱通量增大[20]。同時研究樣地為蘆葦生境，處于生長季的蘆葦植株繁茂，植物冠層變大，凈輻射用于土壤熱通量的部分有所減少，總體上土壤仍從周圍環(huán)境吸收熱量，保持正值，并在9月由正轉(zhuǎn)負，于11月達到最小值后增大，可能與11月降水少有關(guān)，濕地表面受水淹程度減小，利于土壤熱的散發(fā)，這與盤錦濕地[11]變化趨勢有一定相似之處。土壤春夏為熱匯，秋冬為熱源，全年總體表現(xiàn)為熱源，與蘆芽山針葉林[6]微熱匯源的結(jié)果不同，可能與其所處地理位置、土壤類型以及植被覆蓋差異有關(guān)。

熱通量季節(jié)日變化呈“S”型，各個季節(jié)白天土壤熱通量為正值，于正午12：00—14：00出現(xiàn)最大值，夜間為負值，這是因為白天受太陽高度角影響正午地面受熱量大，土壤吸收更多的熱量，而夜間凈輻射幾乎無變化，土壤向環(huán)境散熱不受其影響。數(shù)值上夏季熱通量峰值最大，正值時間最長，冬季峰值最小，負值時間最長，四季熱通量變化趨勢差別不大，與大興安嶺原始林區(qū)[25]研究結(jié)果不同，這可能與到達林區(qū)的太陽總輻射量不同及地表形態(tài)差異有關(guān)，閩江河口濕地緯度更低，太陽輻射量季節(jié)差異更小，潮汐影響下冬季淹水增加[26]，與林區(qū)相比土壤熱通量變化平緩，且蘆葦生長期與非生長期形態(tài)差異比森林小。

3.2 影響鱔魚灘濕地土壤熱通量的主要因素

土壤熱通量的變化特征受多種環(huán)境因素影響，本研究中，土壤熱通量變化主要受到太陽凈輻射、太陽總輻射、6 m氣溫及相對濕度影響，4個因素貢獻率在四季均占總貢獻率的50%以上，除此之外,10、30、50、100 cm土壤溫度也有一定程度的影響，這表明該區(qū)土壤熱通量對各環(huán)境因子的反饋較充分，能夠較真實地反映該地區(qū)生態(tài)環(huán)境土壤熱傳遞的過程。熱通量與太陽輻射的相關(guān)性分析結(jié)果證實了多項研究得出的太陽凈輻射是影響土壤熱通量變化的最關(guān)鍵因素[5,12]。鱔魚灘濕地全年日均土壤熱通量受太陽凈輻射影響強烈，這是因為在地表熱量收支中，土壤熱通量是地表溫度預(yù)熱非常重要的因素，地表溫度變化的主要影響因素是太陽輻射尤其是凈輻射的強度變化[13]，因而土壤熱通量與太陽凈輻射密切相關(guān)。熱通量與6 m氣溫及相對濕度的相關(guān)性分析也顯示在日尺度上，除了太陽輻射外，6 m氣溫和濕度因素也對土壤熱通量變化起著較大作用，土壤吸散熱變化與周圍氣溫的高低聯(lián)系緊密，而空氣濕度也會影響土壤與大氣環(huán)境間熱的傳遞與交換。凈輻射是下墊面各種動量、熱量和水分交換的能量來源，是地-氣間進行熱量交換的驅(qū)動因子[27]，年均日變化中，土壤熱通量最高值較太陽輻射推遲1 h，氣溫最高值較土壤熱通量推遲1 h，由此得出太陽輻射熱量被土壤吸收再釋放到大氣中存在時間過程。表層10～70 cm土壤溫度明顯隨著熱通量的正負變化而變化，說明土壤溫度高低取決于土壤的吸熱或放熱，土壤深度越深對熱通量的反饋越小。不同季節(jié)太陽輻射、6 m氣溫及相對濕度對土壤熱通量變化影響的貢獻率有所不同，春夏季凈輻射貢獻率最高，秋季6 m氣溫貢獻率最高，冬季則是6 m相對濕度貢獻率最高，這可能是由于受到不同季節(jié)太陽直射點變化及天氣情況影響所致。

此外，閩江河口作為半日潮開放式感潮河口[18]，潮汐是影響灘涂土壤熱量交換的重要因素。灘涂土壤與海水間存在比熱容差異，兩者在潮汐影響下發(fā)生熱量交換，一定程度上影響潮間帶能量分配，導(dǎo)致能量被更多地分配給顯熱通量[28]，土壤熱通量變化相對其他生態(tài)系統(tǒng)更小，與旱地[12]、沙漠[10]和森林[6,14]等相比熱通量變化幅度更加平緩，如亞熱帶森林[6]表層熱通量年變化最低值-10 W·m-2以下，最高值10 W·m-2以上，與之相比鱔魚灘濕地數(shù)值更小(最低值-3.75 W·m-2，最高值3.89 W·m-2)。此外潮汐的太陰日周期(24 h 48 min)與太陽日周期(24 h)存在差異，也可能導(dǎo)致土壤熱通量變化更加復(fù)雜。但河口潮汐影響并非決定性因素，同陸地生態(tài)系統(tǒng)相比，熱通量變化同時還受到閩江河流入海、凋落物分解、臺風(fēng)帶來的狂風(fēng)、強降水與風(fēng)暴潮等各類因素共同影響。未來應(yīng)進一步連續(xù)觀測該站點不同土壤層熱通量及環(huán)境數(shù)據(jù)，并增加土壤理化性質(zhì)、潮汐變化、特殊天氣等因素觀測，以期從全方位角度解釋土壤熱通量的時空變化特征。

4 結(jié)論

1)鱔魚灘濕地地表土壤熱通量年均日變化及季節(jié)日變化均呈“S”型。受潮汐水淹環(huán)境影響，年均土壤熱通量日變化曲線較為平緩，夜間更緩和，年均日變化最大差值為24.39 W·m-2。全年土壤熱通量日振幅最大極值差111.08 W·m-2，年表層日振幅春夏季比秋冬季更劇烈，可能是受季風(fēng)及沿海地區(qū)氣流活動頻繁所致。

2)土壤熱通量4—8月為熱匯，其余月份為熱源，6月達到最大值，11月達到最小值，月際最大差值7.64 W·m-2。全年該區(qū)土壤主要表現(xiàn)為熱源，各個季節(jié)熱通量均表現(xiàn)為白天正值(熱匯)，夜間負值(熱源)，最大值出現(xiàn)在正午，與太陽高度角變化有關(guān)。季節(jié)變化上，夏季熱通量峰值最大，正值時間最長，冬季相反，受緯度位置和濕地性質(zhì)影響，各個季節(jié)熱通量變化差異較小。

3)凈輻射、太陽總輻射、6 m氣溫及相對濕度是影響土壤熱通量的最主要因素，對土壤熱通量貢獻率達50%以上，其中太陽凈輻射對全年日均土壤熱通量影響更為強烈，10、30、50、100 cm土壤溫度也在一定程度上影響著熱通量變化。日均氣溫變化與太陽輻射、熱通量趨勢一致，但時間反饋存在延遲。各層土壤溫度取決于土壤熱通量的正負變化，土壤越深對熱通量的反饋越小。