墨 澎江辔J-:彳 学 2010年第2期 2004—2008年丽水市土壤温度的微气象特征 姜燕敏 ,吴昊曼 ,周建平 (1浙江省丽水市气象局,浙江丽水323000;2南京信息工程大学应用气象学院,江苏南京210044) 摘要:利用2004—2008年丽水市国家气象观测站0~320(311'1共9层土壤温度资料,分析该地土壤温度时 空分布的微气象特征及其影响机制。结果表明,土壤温度的日变化和年变化特征相似,都呈单峰分布。土壤温 度随土壤深度的增加变化幅度减小,峰值出现时间呈滞后,位相变化明显,而深层土壤相对稳定少变。土壤温 度随深度的变化差异显著,主要表现为2种极限型和2种过渡型。不同天气条件下土壤温度的变化强度为多云 >雨天>晴天>阴天。降水对土壤温度的影响先增大后减小。日照与土壤温度变化成正比,风速和蒸发与土壤 温度变化成反比。 关键词:应用气象学;微气象特征;土壤温度 中图分类号:S 161.2 2 文献标志码:A 文章编号:0528—9017(2010)02—0386-05 土壤是一个生物、有机质和矿物质构成的系 活动的进行。所以深入研究丽水土壤温度的微气象 统,在自然因素和生产因素的影响下,土壤的性质 特征,对于农业结构调整、播种期的安排、作物生 及其微气象条件会发生很大变化,这对于农业生产 长阶段预测、产量预测预报和科学防灾减灾等都具 是至关重要的。土壤温度这一要素与植物生长密切 有重要的实用价值。 相关,它影响植物种子的萌发、生长发育、开花和 结果,特别是对根系活动及各种酶的活性影响极 1材料与方法 大 。适宜的温度能够促进土壤微生物活动,提 资料选取于丽水市国家气象观测站(2003年 高土壤活性,所以对土壤温度的深入研究对于农业 迁至丽水市民俗乐园,经度119。55 ,纬度28。27 , 意义是重大的。近年来不少学者对土壤温度的气候 海拔高度61.8 nl,考虑资料的稳定性,资料于 变化进行了相关分析,杜军等 从不同时问尺度 2004年开始取用)2004—2008年逐时、逐13、逐 分析了我国不同地方土壤温度的变化趋势,得出各 月和逐层土壤温度数据。资料来源于月报表,每一 地土壤都有不同程度的升温。在土壤温度与气候的 数据都经过严格审核,可靠性较高。该地土壤温度 相关性上,杨万春等 做了较多的研究,有些还 探测仪器为PT100地温传感器,测量深度为0~ 提出了土壤温度对旱涝或气候变化的指示作用。李 320 gm,共9层,其中0,5,10,l5和20 cm是 茂善等 用微气象学方法对土壤或贴地层气象 浅层土壤,40,80,160和320 gm是深层土壤。 要素做了细致分析,为我国高寒地区的气象研究提 大范围的天气背景决定了某地基本的气象特 供了宝贵的科学依据。 征,而局部的条件差异是导致某些特性的根本原 丽水位于浙江省西南部,地形复杂,山地众 因。微气象学就是这样一种以研究中小尺度物理现 多,四季分明,降水充沛,属中亚热带季风气候。 象为基础的方法,由于其研究范围小,能较细致地 该地是生产粮食、木材、水果、食用菌、中药材和 分析局部地区差异变化,从而得出相对稳定的变化 各种经济作物为主的综合性农业区,农业是该地经 规律。作者根据丽水站2004—2008年0~320 cm 济效益的基础,土壤则是人们赖以生存的根本。土 各层土壤温度资料,运用微气象学方法,主要从土 壤温度是农业环境的一个重要的因素 ,不但直 壤温度的日变化、年变化和深度变化这几方面研究 接影响农业生物的生命活动,而且能通过作用于其 该地土壤温度的时空变化特征。在此基础上,用对 它环境因素而间接影响农业生物,还影响许多农事 比分析的方法,探讨天气条件,如降水、日照、风 收稿日期:2010-01・12 作者简介:姜燕敏(1984一),女,江苏常州人,助理工程师,从事应用气象及气象服务等相关工作。E-mail:ziyajiang1984@gmail corn。 姜燕敏,等:2004—2008年丽水市土壤温度的微气象特征 囡 速和蒸发对土壤温度影响作用的大小。 2结果与分析 2.1 土壤温度日变化、年变化特征 图1是丽水不同深度土壤温度的日变化,从图 1中可以明显看出,浅层土壤温度日变化较明显, 随着土壤深度的增加,土壤温度的日变化曲线逐渐 趋于平缓。深层土壤温度较稳定,日变化很小,接 近于恒值。土壤温度随时间变化的主要影响因素是 太阳辐射,随着太阳辐射的增强,各深度土壤温度 不断上升;午后出现最大值;下午随太阳辐射的逐 渐减弱,土壤温度又不断下降,至凌晨前后出现最 小值。如图1所示,地表(0 cm)土壤温度日变 化最强烈,大约在13:00达到极大值,5:00前后 出现最小值。随着土壤深度的增加,各深度土壤温 度日变化的最大值很快减小,而最小值随深度的增 加而增大,且各深度土壤温度最高值和最低值出现 时刻随深度增加呈滞后现象。不同深度土壤温度日 变化的振幅和位相存在明显差异,但随深度的增 加,其变幅急剧减小,到40 em变幅已趋于0,说 明深层土壤温度相对稳定少变。 3I 28 25 :f///— /、\\ 22 . /./. -:- . 赵 赠i9 -H t6 — — —————— 0…5…10 13 — 一80l0 。 ..—■160-_—一 20 . 0 3:00 6:00 9:00 l2:00 l5:00 I8。0O 21:00 24:00 时刻 图1 不同深度(cm)土壤温度的日变化 图2是不同深度土壤温度的年变化。土壤温度 年变化趋势与日变化特征相似,也呈单峰分布。土 壤温度年变化的振幅随深度的增加而逐渐减小,极 值出现时间随深度增加而向后推移。浅层土壤(0 ~20 CiTI)最大值一般出现在7~8月,最小值一般 出现在1—2月。深层土壤(40~320 om)温度最 大值一般出现在9—10月,最小值一般出现在3— 4月。 2.2 土壤温度随深度的变化 在一天的不同时刻,由于太阳辐射的作用,白 天和夜间土壤增热和冷却不同,所以土壤温度随深 度的变化也不相同。由于深层土温日变化稳定少 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 l1 l2 月份 图2 不同深度(cm)土壤温度的年变化 变,所以土壤温度随深度的变化特征主要表现在浅 层土壤。图3是不同时刻土壤温度的垂直分布,从 图中3可以看出,土壤温度的垂直分布主要表现为 以下4种类型。 温度,℃ 1 2 1 5 1 R ?t '4 ,7 f1 1 O 一5 垦 10 刊l5 图3 不同时刻土壤温度的垂直分布 白天日射型。这种类型主要出现在白天,随着 太阳辐射的增强,地表温度逐渐升高,地表温度与 土壤深层温度之间的差值逐渐拉大,这种差值在午 后达到最大值,如图3中13:00的土壤温度分布曲 线。以后随着太阳辐射的减弱,差值又逐渐缩小, 但仍表现为随着土壤深度的增加,温度减小的趋 势。一般情况下,丽水12:00一l7:O0表现为这种 类型。 夜间辐射型。这种类型主要出现在夜间,如图 3中1:00的土壤温度分布曲线是这一类型的典型 代表。夜间地表向外辐射降温,土壤深层温度大于 地表温度。丽水21:o0至次日7:00土壤温度分布 曲线主要表现为这一类型,不同时刻,曲线弯曲幅 度有所不同。 早上过渡型。这是由夜问辐射型向白天日射型 的过渡类型。此时,土壤上层随着太阳辐射逐渐升 温,但下层仍表现为夜间辐射型,所以土壤中间层 温度出现最低。8:00—10:00浅层土壤温度随深度 的变化曲线表现为这一类型,其中8:o0为典型 图 澎江雇 矸学 2010年第2期 代表。 晚上过渡型。这是由白天日射型向夜间辐射型 的过渡类型。此时,土壤上层随着太阳辐射的减 弱,开始逐渐降温,而下层土壤温度仍保持较高的 水平,所以,此时土壤中间层温度出现最高值,如 图3中18:00的土温分布曲线,除此以外19:0O、 20:O0也表现为这一类型。 土壤温度随深度的变化在各个月份有所不同, 随着土壤深度的增加,变化幅度减小。浅层土壤温 度年变化幅度相对较大,其中地表温度变化幅度最 大,达27.3℃,深层土壤温度变化相对平缓,320 cm变化幅度变化最小,只有6.9℃。图4是不同 月份土壤温度的垂直分布,从图4中可以看出,不 同月份土壤温度的垂直分布主要表现为以下4种 类型。 温度/℃ ln l ,n , 30 0 目一80 越 一160 _H ~240 —320 图4 不同月份土壤温度的垂直分布 冬季低温型。1月是这种类型的典型代表,地 表温度最低,随着土壤深度的增加,温度逐渐增 大。除1月以外,12月和2月也表现为这种形式。 夏季高温型。6月、7月和8月表现为这一类 型,特征为地表温度最高,随着土壤深度的增加, 温度降低,其中7月变化幅度最显著,地表与深层 土壤温差最大,月均温差达13.0℃。 春季过渡型。这是由冬季低温向夏季高温转换 的类型。随着土壤深度的增加,温度先减小后增 大,土壤中间层温度最低。3月、4月和5月表现 为这一类型,其中4月为典型代表。 秋季过渡型。这是由夏季高温向冬季低温过渡 的类型。土壤中间层温度出现最高值,上层和下层 土壤温度相对低些,如图4中10月的土壤温度分 布曲线,除此以外9月和11月也表现为这一类型。 2.3 土壤温度的时空分布关系 土壤温度随时问的变化规律(图1、图2), 不同深度日变化和年变化呈现相似的特征,且在各 深度其年变化均大于日变化。如浅层土壤年平均变 化幅度达23.9 qC,而日平均变化幅度只有7.4℃, 深层土壤年均变化幅度为13.7℃,日变化只 有0.1 cC。 土壤温度随深度的变化特征(图3、图4), 一天中不同时刻和一年中不同月份,土壤温度随深 度变化的趋势大体一致,都表现为2个极限型和2 个过渡型;但年变化在各个深度都有明显表现,而 13变化只在浅层土壤有所体现,深层土壤温度变化 幅度接近于0。 图5是丽水土壤温度时空分布关系图。如图 5a所示,土壤温度的日变化和年变化特征都是先 增大后减小。地表温度在夏季7月份的13:00存在 一个高温中心,中心值高达50.1℃。土壤温度日 变化、月变化都围绕这个中心逐渐减小。图5 b、c 分别表示土壤温度日变化、年变化随土壤深度的变 化特征。土壤日变化的垂直特征(图5 b)显示等 值线趋势是向右倾斜的,说明土壤深处温度变化滞 后于地表温度变化。一天中大约在5:00出现低值 中心,在午后13:00左右出现高值中心。夜间随着 土壤深度的加深,温度逐渐增加,这时热量是由下 向上传播的,而在午后,太阳辐射能量最强,地表 升温明显,这时由地表向下输送热量。土壤年变化 的垂直特征(图5c)显示,各个深度土壤温度都 是随月份先增大,在7月达到高值中心后再逐渐减 小。所以,土壤温度的时空分布可总结为,7月份 13:00的地表温度存在高温中心,土壤温度日变 化、月变化以及深度变化都围绕这个中心逐渐 减小。 2.4 土壤温度的影响因素 天气状况。引起土壤温度变化的热量来源是太 阳辐射。在不同的天气状况下,太阳辐射量有着明 显的差异。在不同天气状况下平均土壤温度的垂直 变化如图6所示,下层土壤温度变化幅度较小,可 忽略不计,上层土壤温度在不同的天气条件下变化 则较明显。上层土壤温度随天气条件变化可大体表 现为:多云>雨天>晴天>阴天。多云天气,地表 温度最高,呈现随深度增加温度降低的垂直变化特 征,显示热量从表层向深层传递;阴天与多云相 反,地表温度最低,随深度增加温度上升很快,显 示热量从深层传递到表层;晴天和雨天处于中间的 相互交叉状态,地表和100 cm以下,土壤温度晴 天大于雨天,而5~100 cm则是雨天大于晴天。晴 天土壤接受的太阳辐射最多,但温度却不是最高 的,这主要是因为晴天白天土壤升温明显,但晚上 姜燕敏,等:2004—2008年丽水市土壤温度的微气象特征 四 . 时 2 4 6枣 ,0 0 O 0 O 珈 O O 0 2 4 8 10 l2 6 l4 l6 18 20 22 24 8 O 2 g 媾 蟛 图5 丽水土壤温度时空分布的关系 温度/℃ 雨(50.0~99.9 mm)、大暴雨(≥100.0 mrn)的 7 18 19 20 2l 22 23 24 量级进行分类。由图6所知,降水对土壤温度的影 响主要表现在地表,故统计土壤地表日平均温度与 宕 降水等级的相互关系,结果(图7)。可以看出, 土壤地表温度随降水等级的变化并不是个单调函 数,土壤温度先随降水量的增加而增大,达到最大 值后又随降水量的增加而减小。 图6 不同天气状况下土壤温度的随深度变化 3O 25 由于云量较少或没有,夜间地面辐射降温也比较明 20 显,土壤平均温度并没有达到最高的水平。相反在 簧1 5 多云天气条件下,白天土壤升温,夜间由于云系的 登 。 5 保温作用,土壤温度整体维持在较高的水平。阴天 (J 整体接收的太阳辐射较低,能量少,土壤温度自然 小雨 中雨 大雨 暴雨 大暴雨 最低。雨天,地表由于雨水浇灌,温度有所降低, 雨量级别 但深处土壤降温需要一定的时间;雨水滋润土壤 图7 土壤温度与降水等级面积的关系 后,湿度增加,反射率减小,获得太阳辐射能增 加,从而土壤温度仍比较高。 日照。把日照划分为6个等级(表1),各个 降水。把雨量按小雨(0.1—9.9 mm)、中雨 深度土壤温度随日照时数的增加都呈上升趋势,浅 (10.0~24.9 mm)、大雨(25.0~49.9 mm)、暴 层土壤升温明显,深层土壤则相对缓慢。但在不同 袁1 土壤温度随日照时数的变化 囡 澎江农 千学 2010年第2期 而成的,各层次土壤对热量的吸收作用有所不同。 的Et照时段内,土壤温度随深度的变化有着明显的 差异。如日照时数在0~2 h内,土壤地表温度最 低,深层土壤温度大于浅层土壤温度,热量是由深 层向上传输的。13照时数在2~8 h内,随着土壤 深度的增加,温度先减小后增大,只是变化幅度略 有差异,此时土壤中间层温度最低。随着日照时数 的继续增加,土壤温度随深度的变化表现为,地表 温度最高,深层温度最低,热量是由上向下输送 以日为单位,土壤温度的垂直变化表现为4个类 型:夜间辐射型、早上过渡型、白天日射型和晚上 过渡型,1:O0、8:O0、13:O0和18:00分别是这4 种类型的主要体现。以年为单位,土壤温度随深度 的变化,主要体现为冬季低温型、春季过渡型、夏 季高温型和秋季过渡型,1、4、7和10月是这4 种类型的典型代表。土壤温度的时空分布关系是, 的。如日照日数在8~10 h,随着土壤深度的增加, 温度缓慢递减,温度变化幅度达3.1℃;而日照日 数在≥10 h的情况下,土壤温度随深度的增加迅 速递减,降温幅度达12.2℃。 风速与蒸发。风速对土壤温度的影响主要表现 在地表,随着土壤上层空气流速的加大,其与地表 之问的湍流交换加快,蒸发量随之加大,蒸发带走 地表热量,随之土壤温度有所降低(表2),丽水 地区出现大风天气较少,风速一般在1~2级之间, 主导风向是偏东风,其中平均风速在2 rn・S 以 下的天数最多。随着风速的增大,地表温度下降最 明显,浅层土壤温度随之缓慢下降,而深层土壤温 度变化幅度较小,保持相对稳定。 表2 不同风速条件下的土壤温度变化 3小结与讨论 一般认为,如果在水分和养分等不构成限制因 素的条件下,土壤温度是控制土壤呼吸作用最为重 要的环境要素。生态系统净初级生产力(NPP)和 有机质分解均可由于温度的升高而提高 。土壤 温度随时问的变化与太阳辐射有直接的关系,其日 变化和年变化特征基本一致,都呈现单峰分布。同 时,土壤对太阳辐射也有削弱作用,随土壤深度的 增加,温度变化幅度逐渐减小,极值出现时问向后 推移,位相变化明显。而深层土壤受外界环境的影 响较小,其日变化较小,接近于恒值。但年变化在 各层都有较好的体现,且各深度年变化特征都大于 日变化。 土壤是由大小不同的固相颗粒按不同比例组合 在7月份的13:00存在一个高温中心,土壤温度日 变化、月变化(时间)以及深度变化(空间)都 围绕这个中心逐渐减小。 在不同的天气条件下,土壤温度变化存在明显 的差异。上层土壤温度随天气条件变化的强度为: 多云>雨天>晴天>阴天。晴天土壤温度并不高, 主要是夜间辐射降温明显;多云天气土壤温度最 高,云系的保温作用最为关键;阴天接收的太阳辐 射较少,土壤温度自然最低;而雨天土壤温度维持 在较高的水平,不仅是因为地表温度下降,传送到 深处需要一定的时间,更是因为多雨季节多为春夏 季,气温不低,雨水过后,土壤含水量较高,疏松 湿润的土壤更有利于吸收太阳辐射,从而土壤温度 整体水平较高 。 我国有句谚语“春雨贵如油”,表达的就是雨 水对农作物生长的重要意义。首先,雨后土壤水分 充足,湿度增加,利于农作物生长;其次,雨后土 壤温度较高,各种酶的活性提高,更有利于作物存 活与生长。但降水对土壤温度的作用并不是一味促 进,土壤温度随雨量级别是先增大后减小的。其它 的气象因素对土壤温度也有相应的影响,如日照与 土壤温度变化成正比,风速和蒸发则与土壤温度变 化成反比。所以,土壤温度的起伏变化,是多种因 素共同作用的结果。 参考文献: [1] 杜尧东,刘锦銮,何健.广州地区蔬菜田土壤温度变化特 征及其预报模型研究[J].生态学杂志,2005,24(9) l02l一1024. [2] 杜军,胡军,杨勇,等.近45年拉萨深层地温变化趋势 分析[J].应用气象学报,2008,19(1):96—100. [3] 阿布都克日木・阿巴司.喀什市1961—2007年浅层地温 的变化[J] 沙漠与绿洲气象,2008,2(4):22—24. [4] 陆晓波,徐海明,孙丞虎等.中国近50a地温的变化特征 [J].南京气象学院学报,2006,29(5):706—712. [5] 杨万春.曲江前期气温、地温与汛期降水关系的分析及预 测[J].广东气象,2008,30(I):40—41. (下转第393页) 于建军,等:基于投影寻踪的烟叶品质评价 囡 合质量越高。据所计算的烟叶品质的综合指标投影 2003:170. 值进行排序,18个烟叶样品的优劣次序为:17, [2] Friedman J H.Turkey J W.A projection pursuit algorithm for 18,10,13,5,3,12,16,6,11,9,2,15, exploratory data analysis[J].IEEE Trans on Computer, 1974,23(9):882—890. 8,4,14,7,1。这与用因子分析法¨ 综合评价 [3] 金菊良,魏一鸣,付强,等.农业生产力综合评价的投影 的结果基本一致,说明了投影寻踪法可以应用于烟 寻踪模型[J].农业系统科学与综合研究,2001,17 叶品质的评价。与因子分析法相比,投影寻踪模型 (4):241—243. 更科学地考虑了各指标的权重,评价结果更加科 [4] 赵小勇,付强,邢贞相,等.投影寻踪模型的改进及其在 学、合理。 生态农业建设综合评价中的应用[J].农业工程学报, 2006,22(5):222—225. 最大投影方向各分量的大小实际上反映了各评 [5] 王业成,雷溥,权龙哲,等.基于投影寻踪法的稻米品质 价指标对烟叶品质的影响程度。从投影向量( ) 综合评价[J].东北农业大学学报,2006,37(2):211 上看,各评价指标对烟叶品质的影响程度大小依次 —2l4. 为糖碱比、氮碱比、钾离子、总糖、钾氯比、总 [6] 金菊良,江明武,魏一鸣.用投影寻踪分类模型进行环境 氮、还原糖、淀粉、氯离子、烟碱。糖碱比反映烟 监测优化布点[J].安全与环境学报,2004,4(4):10 12. 叶的香气与醇和度。氮碱比的大小与烟叶成熟过程 [7] 付强,金菊良,梁川.基于实码加速遗传算法的投影寻踪 中氮素转化为烟碱的程度有关,在一定程度上反映 分类模型在水稻灌溉制度优化中的应用[J].水利学报, 烟叶的成熟状况。 2002,33(10):39—45. [8] 金菊良,张礼兵,潘金锋.基于投影寻踪的天然草地分类 3 小结 模型[J].生态学报,2003.23(10):2184—2188. [9] 李祚泳,丁晶,张欣莉.环境监测优化布点的投影寻踪回 投影寻踪模型能够将多维问题通过最佳投影方 归分析法[J].环境科学进展,1999,7(6):127 向转化为一维问题进行分析,便于对样本进行综合 —13O. 评价,计算结果直观,操作简单,避免了人为赋权 [1O] 王顺久,杨志峰.区域农业生态环境质量综合评价投影寻 干扰等问题。 踪模型研究[J].中国生态农业学报,2006,14(1): 173一l75. 投影寻踪分类模型应用到烟叶品质的综合评价 付强,赵晓勇.投影寻踪模型原理及其应用[M] 北京: 是可行而有效的,将影响烟叶品质的多项指标结合 科学出版社,2006:46—51. 起来综合考虑,能给出烟叶品质优劣的次序,且投 [12] 赵晓勇,付强,邢贞相.投影寻踪等级评价模型在土壤质 影方向反映了各评价指标对烟叶品质的影响程度, 量变化综合评价中的应用[J].土壤学报,2006,44 为评价烟叶品质提供了一条值得探索的新途径。 (1):164—168. [13] 章文波,陈红艳.数据统计分析及SPSS12.0应用[M]. 参考文献: 北京:人民邮电出版社,2006:230—248. [1] 王瑞新.烟草化学[M].北京:中国农业出版社 (责任编辑:张才德) (上接第390页) (6):l263—1268. [6] 普布卓玛,唐叔乙 卓嘎.西藏前冬环流及地温特征与夏 [10] 李英年,赵新全,徐世晓,等.祁连山海北高寒湿地微气象 季旱涝关系[J] 高原气象,2008,27(6):1428 季节变化特征[J].高原气象,2008,27(2):422—429. 一1430. 阿帕尔,叶尔克l茁,冯俊平.昌吉市地温与气温关系初探 [7] 杜军,胡军,罗布次仁,等.西藏浅层地温对气候变暖的 [J].沙漠与绿洲气象,2007,1(3):53—56. 响应[J].冰川冻土,2008,30(5):745—751 112 J 高举明,张一平,于贵瑞,等.西双版纳热带季节雨林地 [8] 杜军,李春,廖健,等.近45年拉萨浅层地温对气候变 温特征[J].生态学杂志,2008,27(6):880—887. 化的响应[J].气象,2007,33(10):61—67. [9] 李茂善,马耀明,Hirohiko I,等.珠穆朗玛峰北坡地区近 (责任编辑:张才德) 地层及土壤微气象要素分析[J].高原气象,2007,26