全 文 ：沼泽湿地垦殖前后土壤温度变化及其对土壤
热状况的影响*
宋长春1, 2* * 王毅勇1 阎百兴1 张金波1 娄彦景1
( 1 中国科学院东北地理与农业生态研究所, 长春 130012; 2 中国科学院大气物理研究所,北京 100029)
摘要 沼泽湿地具有重要的生态与环境功能, 其对全球气候变化较为敏感, 土壤温度变化能够很好地指
示气候的波动. 沼泽湿地土壤温度呈明显的!正弦曲线∀型年、季动态, 不同深度土壤年均温度呈! U∀型特
征. 5~ 9 月份沼泽湿地 10 cm 土壤平均温度为 1169 # 304 ∃ , 垦殖后农田土壤为 15 80 # 341 ∃ 沼泽
湿地土壤 8、9 月份土壤呼吸分别为 15641# 7691 mg%m- 2%h- 1和 116 75 # 5743 m- 2%h- 1, 是同时期农
田土壤呼吸通量的 14 6%和 13 1% ,土壤温度与土壤呼吸通量呈显著正相关关系.
关键词 沼泽湿地 垦殖 土壤温度 动态 土壤呼吸
文章编号 1001- 9332( 2005) 01- 0088- 05 中图分类号 S152 8 文献标识码 A
Variation of soil temperature before and after cultivation of marsh and its eff ect on soil thermal regime. SONG
Changchun1, 2 , WANG Yiyong 1, YAN Baixing1 , Zhang Jinbo1, LOU Yanjing1( 1Nor theas t I nstitute of Geography
and Agr icul tural Ecology , Chinese A cademy of Sciences, Changchun 130012, China; 2 I nstitute of A tmospher ic
Physics , Chinese A cademy of Sciences , Beij ing 100029, China) . Chin. J . A pp l . Ecol . , 2005, 16( 1) : 88~ 92.
Marsh has impo rtant ecological and environmental funct ions and is sensitive to the global climate change, while
the var iat ion of soil temperature could better indicate the climate fluctuation. Our study showed that the annual
and seasonal dynamic changes of soil temperature in marsh showed distinctly ! sinusoid∀ character curve, w hereas
the mean annual temperature of different soil depths showed ! U∀ feature. From May to September, the mean
temperature at the topso il ( 10 cm) of uncultivated marsh was 11. 69 # 3. 04 ∃ , w hile that of cultivated marsh
was 15 80 # 3. 41 ∃ . The soil respiration rate of uncult ivated marsh in August and September was 156. 41 # 76.
91 mg%m- 2%h- 1 and 116. 75 # 57. 43 mg%m- 2%h- 1 , accounted for 14. 6% and 13. 1 % of t hat of cultivated
marsh, respectively . The soil temperature was significantly positiv ely cor related with soil respiration.
Key words Marsh, Cultivation, Soil temperatur e, Dynamic, Soil respir ation.
* 中国科学院知识创新工程重大资助项目( KZCX1SW01, KZCX3
SW332, KZCX1SW19) .
* * 通讯联系人.
2003- 11- 18收稿, 2004- 03- 22接受.
1 引 言
全球气候变暖已成为全世界目前所关注的焦点
问题, 大气中温室气体浓度的不断增加被认为是全
球气候变暖的主要原因, 政府间气候变化专门委员
会( IPCC)指出,温室气体若以目前排放速率持续下
去, 地球表面的气温则有可能每 10 年上升 02
∃ [ 1] .陆地生态系统碳循环对全球碳平衡起着重要
的作用,一方面, 植被通过光合作用固定大气中的
CO2, 另一方面,植被和土壤的呼吸作用向大气释放
CO2.气温变化影响湿地生态系统光合作用与分解
作用间的平衡过程,随着气温的升高和生长季节的
延长,光合作用、分解作用及痕量气体的排放强度增
加[ 2~ 5] .土壤温度是大气与陆地表面能量与物质交
换的综合结果, 对土壤物理、生物、微生物过程等具
有重要的作用, 能够很好地指示气候变化.湿地垦殖
成农田后,由于地表积水被疏干,土壤与大气间的能
量交换增强,土壤温度受气温的波动的影响更加明
显.三江平原是我国天然沼泽湿地分布面积最大的
地区[ 6] ,但随着人类生产活动不断加剧, 湿地面积
由 1949 年的 534 & 106 hm2 (占平原总面积的
801% ) ,下降到现在的835 & 105 hm2[ 7] ,沼泽湿地
大面积开垦已对区域气候环境产生一定影响[ 8] , 但
目前缺乏湿地开垦前、后物质与能量通量变化的相
关研究, 尚没有沼泽湿地与垦殖后土壤温度变化连
续对比监测研究的报道. 本项研究的目的是认识沼
泽湿地不同深度土壤温度年季动态变化规律,评价
湿地开垦前、后温度变化及对土壤呼吸通量的影响.
2 研究地区与研究方法
本项研究选取三江平原有代表性的别拉洪河与浓江河
河间地带( 133∋31(E, 47∋35(N) , 区内分布有大面积的天然沼
泽湿地及由湿地垦殖而成的农田. 本区海拔 55~ 65 m,年平
应 用 生 态 学 报 2005 年 1 月 第 16 卷 第 1 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Jan. 2005, 16( 1))88~ 92
均降水量 550~ 600 mm, 无霜期 125 d 左右. 主要湿地类型
为常年季水型毛果苔草沼泽和季节性积水型小叶章草甸, 主
要种植作物为大豆和水稻.本项研究的对比观测试验主要布
置在区内中国科学院三江平原沼泽湿地生态试验站, 沼泽湿
地综合观测试验场和已垦湿地农田综合试验场,并在周边分
别有 20 和 40 多年开垦历史的洪河农场和前进农场农田布
置辅助观测点.
在沼泽湿地试验场分别布置 5、10、20、30、50、70、100、
120、150 cm 土壤及水温温度传感器, 在已垦湿地农田试验
场布置 5、10、15、20、40、60、100 cm 土壤温度传感器, 传感器
灵敏度为 # 0 1 ∃ , 利用 DT500 进行连续数据采集,采集时
间步长为 1 次/小时(整点采集) , 数据存贮按常规气象要素
计录格式.在土壤温度观测的同时, 记录气温、降水等其它环
境因子, 土壤呼吸通量观测分别选取沼泽湿地和垦殖后农
田,采用以遮光密闭箱采样/气相色谱分析方法为主测定土
壤呼吸速率 ,共布置 4 个土壤呼吸通量观测点,利用不透明
箱采集气体样品,在 30 min 时间内, 用 100 ml针管采集 4 次
气体样品, 24 h 内在实验室用 HP4890 气相色谱仪测定 CO 2
浓度, CO 2气体浓度检测器为离子火焰化检测器( F ID) . 气体
通量采用以下公式计算:
J =
dc
dt
M
V 0
P
P0
T 0
T
H
式中, J 为气体通量( mg% m- 2% h- 1) , dc/ dt为采样时气体浓
度随时间变化的直线斜率, M 为被测气体摩尔质量, P 为采
样点气压, T 为采样时绝对温度, V 0、P0、T 0 分别为标准状
态下的气体摩尔体积、空气绝对温度和气压, H 为水面以上
采样箱高.
3 结果与讨论
31 气温及地表温度变化
利用中国科学院三江平原沼泽湿地生态试验站
气象站连续监测资料, 统计出区内每天的平均大气
温度和地表温度(图 1) .由图 1可看出, 3月末,区内
大气温度和地表温度高于 0 ∃ ,积雪开始融化, 5月
5日后气温迅速升高, 草甸及沼泽植物开始萌芽, 常
年积水沼泽冬季冻冰全部融化,出现积水,土壤冻层
图 1 三江平原典型沼泽湿地分布区气温( ∗ )及地表温度( + )季节
性变化
Fig. 1 Seasonal changes of air temperature ( ∗ ) and soil surface temper
ature ( + ) in Sanjiang Plain.
融深 5 ~ 10 cm. 2 月份平均气温为- 1293 # 393
∃ ,地表平均温度为- 399 # 285 ∃ ,二者之间温
度绝对值相差 76 ∃ , 4月份平均气温升高到 544
# 350 ∃ , 地表平均温度为 399 # 285 ∃ , 气温和
地表温度之差开始明显减少, 7月份差值最小( 115
∃ ) , 11月份又开始明显增大(绝对值 68 ∃ ) , 同时
7 月份平均气温 ( 2052 # 238 ∃ ) 和地表温度
( 2167 # 162 ∃ )都达到最大值.
32 沼泽湿地土壤温度年季动态
通过 2001年 9月至 2002年 12月,对三江平原
沼泽湿地土壤温度连续定位监测, 发现沼泽湿地土
壤温度变化有 4个主要特征(图 2) : 1)不同深度土
壤温度高值及低值区出现的时间区间有明显的差
异,即深层土壤温度高值与低值区分布的时间区间
明显!滞后∀于表层土壤; 2)每年的 4、11月是土壤温
度的两个重要转折点; 3) 0~ 20 cm 土壤温度年季变
化的波动性大于深部土壤; 4)不同深度土壤温度年
平均温度值呈现! U∀型特征, 70 cm深土壤层年均温
度值最低(图 3) . 根层土壤( 0~ 15 cm )温度变化特
征与气温相似, 7月平均温度最高( 5cm : 1773 #
图 2 沼泽湿地土壤温度年季变化
Fig. 2 Seasonal dynamic of marshy soil t emperature.
图 3 沼泽湿地土壤年均温度变化
Fig. 3 Annual mean temperature of marshy soil.
891 期 宋长春等:沼泽湿地垦殖前后土壤温度变化及其对土壤热状况的影响
124 ∃ ; 10 cm : 1705 # 144 ∃ ) , 30 cm 深土壤温
度8 月最高( 1399 # 061 ∃ ) , 而 70 cm 深土壤平
均温度 9 月达到最大值( 963 # 031 ∃ ) .总之, 三
江平原沼泽湿地每年 4月中旬积雪和表层冻结土壤
开始融化, 11月初湿地表层土壤又开始冻结, 形成
!正弦曲线∀型年季变化规律.
33 湿地垦殖对土壤热状况的影响
沼泽湿地垦殖后,土壤水文条件和 0~ 20 cm 土
壤结构发生了较大变化, 草根层消失,土壤由厌氧环
境转变成好氧环境, 有机质分解速率大于积累速率.
由于土壤水分条件的差异,在相同气温条件下,土壤
温度不同,在同一生长季,湿地土壤温度明显低于垦
殖后农田土壤(图 4) . 5~ 9月沼泽湿地 10 cm 土壤
平均温度为 1169 # 304 ∃ , 而垦殖后农田土壤为
1580 # 341 ∃ . 另外,沼泽湿地土壤与垦殖后农田
土壤最大冻深及冻结土壤融通时间不同(图 5) , 前
者土壤最大冻深小于 100 cm, 而后者最大冻深达
180 cm,垦后农田土壤 5月中旬基本融通,而湿地土
壤则在 7月中旬全部融通. 湿地开垦前后土壤水热
条件发生的这种较大变化, 对土壤的演化会产生重
要的影响.其中, 主要影响包括以下两个方面: 一是
影响土壤有机质的分解速率和土壤呼吸强度; 二是
影响土壤有机质的输入/输出比,同时对土壤的蒸发
也会产生一定影响.
34 沼泽湿地与垦后农田土壤温度日变化
三江平原沼泽湿地及垦殖后农田土壤, 生长季
土壤温度日变化具有明显的规律性(图 6) , 表层( 5
cm)土壤温度最大值出现在每天的 13: 00左右, 而
10 cm 土壤温度最大值出现在每天的 15: 00,这一规
图 4 沼泽湿地与垦殖后农田土壤温度对比
Fig. 4 Contrast of soil t em perature in marshland and farmland.
a) 10 cm 处土壤温度 10 cm soil depth; b) 5 cm 处土壤温度 5 cm soil
depth. ∗ 湿地土壤 Marshland soil; + 农田土壤 Farmland soil.下同
T he same below.
图 5 沼泽湿地与垦殖后农田土壤融化时间对比 ( 100 cm)
Fig. 5 Cont rast of milting time in marshland and farmland f rozen soil
( 100 cm) .
律在植物生长季不同时期没有明显的变化. 7月份
表层土壤日平均温度最大, 但农田土壤 ( 1108 #
304 ∃ ~ 1967 # 202 ∃ ) 明显大于湿地土壤
( 1582 # 181 ∃ ~ 1518 # 233 ∃ ) , 且农田土壤
温度受气温波动的影响较大,土壤最大值出现的时
间稍有不同 以 2002年 7月中旬为例,在相同气温
条件下,沼泽湿地 5 cm 深土壤日平均温度为 1602
∃ ,最高为 1808 ∃ ,而农田土壤( 0~ 5 cm )日平均
温度为 2071 ∃ ,最高达2597 ∃ ,土壤日平均温度
相差 469 ∃ ,随着土壤深度增加, 土壤日平均温度
及温度波动幅度减小, 但根层( 0~ 20 cm )土壤温度
差值仍高达 336 ∃ ,这样的温度条件将促进土壤有
机质的分解及提高土壤的呼吸强度.
35 土壤温度变化对土壤呼吸通量的影响
土壤呼吸通量综合反映了植物根和土壤微生物
的活性及土壤中碳的代谢作用等[ 2, 5] . 尽管不同生
态类型间土壤呼吸通量有较大的差异, 但其主要影
响因子,目前多数研究者认为与降水和温度有关.多
数研究认为, 温度是与土壤呼吸通量关系最密切的
非生物因子[ 9~ 11] , 但也有研究认为, 温度与土壤
CO2通量或根呼吸间呈弱相关关系[ 12, 13] .通过对三
江平原沼泽湿地及垦殖后农田土壤呼吸通量的对比
研究,发现温度对土壤呼吸的影响较大,温度与土壤
呼吸通量呈显著正相关关系(图 7) ,表现为随土壤
温度升高,土壤呼吸通量呈指数形式增加. 同时, 湿
地开垦后,在相同生长季,由于根层土壤温度相对升
高,土壤呼吸通量明显增大.
以 8、9月为例,沼泽湿地 8月平均土壤( 10 cm )
温度为 1408 # 125 ∃ , 9 月为 900 # 292 ∃ , 明
显低于垦殖后农田土壤 ( 8月7 8 9 # 1 3 8 ∃ , 9
90 应 用 生 态 学 报 16 卷
图 6 沼泽湿地及已垦农田生长季土壤温度日变化
Fig. 6 Daily change of soil t emperature in marshland and farmland during grow ing season.
∗ 湿地土壤 Marshland soil ; +农田土壤 Farmland soil.
月1329 # 215 ∃ ) ,湿地土壤8、9月土壤呼吸分别
为15641 # 7691 mg%m- 2%h- 1和 11675 # 5743
mg%m- 2%h- 1,是同期农田土壤呼吸通量的 146%
和 131%,说明了温度对土壤呼吸通量的重要作
用.
4 结 论
41 沼泽湿地由于其特殊的水文条件,土壤温度变
化具有其特殊的规律性, 剖面年平均温度呈! U∀型
特征.
42 湿地垦殖后, 由于水文条件发生变化, 土壤与
大气间的能量交换增强, 土壤热状况与垦殖前有较
大的差异,土壤温度受大气温度波动影响较大.
43 农田土壤季节性冻深大于沼泽湿地,但融通时
间早于沼泽湿地. 同时, 湿地垦殖后, 生长季农田根
层土壤温度明显升高, 其在一定程度上导致土壤呼
吸通量的增大.
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911 期 宋长春等:沼泽湿地垦殖前后土壤温度变化及其对土壤热状况的影响
图 7 沼泽湿地( a)和农田( b)土壤温度( 5 cm)与呼吸通量的关系
Fig. 7 Relat ionship betw een marshland ( a) and farmland ( b) soil t em
perature ( 5 cm) and respirat ion f lux.
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作者简介 宋长春, 男, 1968 年生, 博士, 研究员, 主要从事
湿地生物地球化学研究,发表论文 30 余篇. Email: Songcc@
mail. neigae. ac. cn
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