全 文 ：桃园套种黑牧草对土壤热状况的影响
及其模拟研究*
李全胜　吴建军　严力蛟　王兆骞
(浙江农业大学农业生态研究所,杭州 310029)
【摘要】　在实地试验的基础上, 分析和模拟了桃园套种黑牧草对土壤热状况的影响.结果
表明, 在牧草种植区和自然裸露区, 阴天条件下平均土壤容积热容量分别为 2. 54 和 2. 53
J· cm- 3·℃- 1 , 平均土壤导温率分别为 16. 9 和 10. 4 cm 2·h- 1;土壤净热通量分别为
136. 6 和 167. 6 J·cm- 2·d- 1;晴天条件下分别为 2. 93 和 2. 61 J·cm- 2·℃- 1, 16. 3 和
5. 8 cm2·h- 1, 80. 4 和 85. 2 J· cm- 2·d- 1. 不同深度的土壤温度以一阶正弦波形式为
主, 土壤温度振幅随深度呈指数规律变化, 自然裸露区的衰减系数大于牧草种植区; 土壤
温度位相落后随深度变化为 0. 4 h·cm- 1.
关键词　桃园　套种黑牧草　土壤热状况　模拟
Ef fect of rye grass intercropped peach orchard on soil thermal regime and its simulation
study. Li Quansheng , Wu Jianjun, Yan Lijiao and Wang Zhaoqian(Zhej iang A gr icultural
Univer sity , H ang zhou 310029) . -Chin. J . App l . Ecol. , 1996, 7( sup. ) : 39～44.
Based on the data from field experim ents, the ef fect of peach or chard inter cropped w ith
r ye g rass on so il thermal reg ime is analy sed and simulated. U nder cloudy condition, the
average soil v olumet ric heat capacit y in ar eas w tih and without r ye g ra ss int ercropping is
2. 54 and 2. 53 J·cm - 3·℃- 1, so il t emperature conduct ivity is 16. 9 and 10. 4 cm 2·h- 1,
and aver age soil net heat flux is 136. 6 and 167. 6 J·cm- 2·d- 1 r espectively. Under sun-
ny condit ion, they ar e r espectively 2. 93 and 2. 61 J·cm- 3·℃- 1, 16. 3 and 5. 8 cm 2·
h- 1, and 80. 4 and 85. 2 J·cm - 3·d- 1. Soil tem perature at differ ent depths is mostly in
the form of fir st -o rder sine w ave, its amplitude with depth shows an exponential func-
tion, the decay coefficient is g reat er in the ar ea w ithout int ercr opping than in ry e g ra ss
planted one, and the phase delay o f so il temperat ur e w ith depth is 0. 4 h·cm - 1.
Key words　Peach o rchard, Rye gr ass int ercr opping , Soil thermal r eg ime, Simulat ion
study .
　　* 浙江省自然科学基金资助项目.
1995年 6月 18日收到, 1996年 4月 22日改回.
1　引　　言
下垫面是土壤-作物-大气连续系统中
的一个重要组成部分,对近地层的生态环
境条件和农林作物的生长发育有很大的作
用,我国南方红壤面积达 218×104 km2 ,占
国土总面积的 23%, 而其中丘陵山地面积
140×104 km 2, 占 64% [ 5] . 该地区雨热同
步,气候和生物等自然资源具有巨大的开
发潜力.但是随着人类活动的加剧,生态环
境日趋恶化,特别是水土流失加剧,使土层
变薄,土壤肥力降低, 植被稀疏,蓄水能力
下降[ 1, 3] , 干旱和洪涝频繁发生.所有这些
现象的发生都和下垫面状况密切相关. 根
据红壤坡地的地形、气候和农林作物生长
发育特点,选择代表性的农业、林业或农林
系统,分析不同下垫面对其小气候、土壤肥
力、水土保持、养分和能量转化效率等影
应 用 生 态 学 报　1996年 6月　第 7卷　增　刊　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHINESE JOU RNAL OF APPLIED ECOLOGY, June 1996, 7( sup. )∶39～44
响,为持续高效地开发红壤坡地资源提供
科学依据.
2　材料与方法
桃园套种黑牧草试验点设在浙江省金华市
北山生态场. 该地区属中亚热带季风气候区, 年
平均气温 17. 3℃, 年降水量 1400 mm ,年日照量
2100 h. 将土壤质地和坡度基本一致且面积约为
4 hm2 的桃园分成自然裸露状态下的对照区和牧
草种植试验区 ,在桃树越冬后, 根系开始旺长的
4、5 月份选择不同的典型天气 [ 1993 年 4 月 2 日
(阴天) , 1993 年 5 月 10 日(晴天) ] , 对不同处理
区的桃园小气候和土壤理化性质进行测定. 2 个
观测点相距 60 m, 观测时黑牧草高度为 10 cm 左
右. 观测项目为:地上 20、120和 200 cm 高度的空
气干湿球温度, 0、5、10、15 和 20 cm 深度的土壤
温度, 观测时间间隔为 2 h, 同时,每隔 4 h 测定土
壤 5 和 15 cm 深度处的土壤湿度、土壤容重等.
3　结果与分析
3. 1　土壤热特性
3. 1. 1 土壤容积热容量　容积热容量是表
示土壤热特性的一个重要指标, 它是单位
容积( 1 cm3 )土壤的温度每升高 1℃所需
要的热量.据研究 [ 4] , 土壤容积热容量可用
下式表示:
　　Cm= C1P1+ C2P 2
　 = P 1(C1+ C2W ) ( 1)
式 中, Cm 为 土 壤 容 积热 容 量 ( J ·
cm
- 3℃- 1) ; C1 为土壤颗粒比热( 0. 84 J·
g
- 1℃- 1 ) ; P 1为土壤容重, P2 为单位体积
土壤含水量; C2为水的比热,W 为土壤湿
度( %) .
　　据式( 1) ,并利用不同时段实测的土壤
湿度和土壤容重, 便可得不同条件下的土
壤容积热容量(表 1) .
　　从表 1可见, 同样天气条件下,牧草种
植区的日平均土壤容积热容量及其日变幅
均大于自然裸露区域, 尤以晴天更为明显.
表 1　不同条件下土壤平均容积热量容量 ( 0～20 cm)
(J· cm- 3℃- 1)
Table 1 Average values of soil volumetric heat capaci ty
under di fferent condi tion
时　间
T ime
阴天 Cloudy d ay
1993. 4. 2
Ⅰ Ⅱ
晴天 Sunny day
1993. 5. 10
Ⅰ Ⅱ
8∶00～12∶00 2. 53 2. 54 2. 70 3. 04
12∶00～16∶00 2. 51 2. 56 2. 61 2. 99
16∶00～20∶00 2. 47 2. 57 2. 54 2. 91
20∶00～24∶00 2. 55 2. 47 2. 56 2. 83
00∶00～4∶00 2. 55 2. 55 2. 58 2. 86
4∶00～8∶00 2. 54 2. 55 2. 61 2. 93
日平均 2. 53 2. 54 2. 60 2. 93
Daily aver age
日变幅 0. 08 0. 10 0. 16 0. 21
Daily range
Ⅰ:自然裸露区 Area wi th ou t intercropping ;Ⅱ: 牧草种
植区 Rye gras s planted area.下同. Th e same below .
因此,单就土壤容积热容量而言,牧草种植
区土壤每升温 1℃所需的热量大于自然裸
露区,也即牧草种植区的温度日变幅要小
于自然裸露区. 无论是自然裸露区还是牧
草种植区, 土壤容积热容量存在着一定的
日变化规律, 即自然裸露区最小值出现在
18∶00左右,而牧草种植区出现在 22∶00
左右;最大值晴天大多出现在上午 10∶00
左右,阴天不明显. 就不同天气的日变幅而
言,也是晴天大于阴天.显然是晴天存在明
显的太阳辐射日变化之故, 进而影响土壤
湿度和土壤容积热容量的日变化规律比阴
天更显著.
3. 1. 2 土壤导温率　土壤导温率( k)是单
位体积的土壤在单位时间通过热传导从垂
直方向获得(或释放)
热量时所能引起的
温度变化量,即:
K =
/Cm　　 ( 2)
因此,导温率决定了土壤温度变化的快慢.
导温率大, 土壤表层的温度日较差小; 反
之, 日较差就大.根据台站规范方法 [ 4] , 计
算了不同天气条件和不同下垫面的土壤上
层( 0～20 cm)的平均导温系数.结果表明,
阴天自然裸露区为 10. 4 cm 2·h- 1 ,牧草种
植区为16. 9 cm2·h- 1,晴天自然裸露区为
40 应　用　生　态　学　报　　　　　　　　　　　　　　7卷
5. 8 cm
2·h- 1 ,牧草种植区为 16. 3 cm2·
h
- 1
.可见牧草种植区的土壤导温率均大于
自然裸露区;自然裸露区的土壤导温率随
天气条件的变化要比牧草种植区明显.
3. 2　土壤热通量
3. 2. 1 土壤热通量日变化　白天,下垫面
通过吸收太阳直接辐射或散射辐射,使得
地表层升温, 导致 T / Z< 0,从而使部分
能量以热流形式进入土壤; 而夜间,由于
地表的长波辐射导致地表温度下降,使得
T / Z> 0,热量由土壤下层向上层传输,
形成了土壤热通量( Qs) .
根据拉依哈特曼提出的, 并经采金改
进的土壤热通量计算方法, 即
Qs =
cm ( S 1 - k10S2) ( 3)
式中,
S1 = 20( 0. 082△T 0 + 0. 333△T 5
+ 0. 175△T 10 + 0. 156△T 15 + 0. 004△T 20)
S2 =

2
[ T ( 20, t1) - T ( 10, t1)
+ T ( 20, t2) - T ( 10, t2) ]
其中, 为时间间隔, △T 0、△T 5⋯⋯△T 20
分别为 t 2和 t 1时刻 5、10⋯⋯⋯20 cm 深
度处相邻 2次观测的地温差.
据式( 3) ,结合实地观测资料, 可得不
同条件下土壤热通量的日变化(图 1) . 由
图 1 可见,不同条件下的土壤热通量均存
在明显的日变化规律,即均有 1 个波峰, 1
个波谷, 2 次通过零点, 但也存在差异. 首
先,在相同天气条件下,自然裸露区域土壤
热通量的日变幅明显大于牧草种植区,且
晴天更为显著.例如,阴天自然裸露区和牧
草种植区的日变幅分别为 80. 1 和 54. 5 J
·cm- 2·h- 1 ,晴天分别为 115. 8和 60. 5 J
·cm - 2·h- 1. 显然, 这是由于自然裸露区
导温率较小, 而土壤温度日变幅较大之故.
其次, 尽管土壤热通量最大值出现时间基
本相似, 大多在 11∶00～12∶00左右;但
最小值和热通量由正变负的出现时间仍有
所不同,自然裸露区的最小值出现时间在
19∶00左右, 由正变为负的时间大约为
15∶00, 牧草种植区分别约为21∶00和
17∶00,均落后 2 h 左右.
图 1　不同条件下的土壤热通量
Fig. 1 Soil heat f lux under diff erent condit ion.
Ⅰ: 自然裸露区 ( 阴天 ) Area w ithout intercrop ping
( cloudy ) ;Ⅱ:牧草套种区(阴天) Area w ith rye grass in-
tercropping ( cloudy) ;Ⅲ:自然裸露区(晴天) Area w ith-
out intercroppin g (sunny) ;Ⅳ:牧草套种区(晴天) Area
with rye g ras s intercropping ( sun ny) . 下同. T he s am e
below .
3. 2. 2 土壤热通量收支平衡分析　
用∑( Qs> 0) 表示全天正热通量之和,即
土壤净收入的热量, 用∑( Qs< 0)表示全
天负热通量之和,即土壤净支出的热量,则
全天土壤净收支平衡为:
∑(Qs) = ∑(Qs > 0) + ∑(Qs < 0) ( 4)
显然, 若∑( Qs ) > 0, 表示土壤有热量净
收入;若∑( Qs) < 0表示土壤有净支出,
表 2为不同条件下土壤热通量收支平衡.
　　由表 2 可见, 4～5 月, 无论晴天还是
阴天,无论有无植被覆盖,全天土壤净热通
量均大于零,表明土壤有净能量收入.显然
这是春季土壤温度开始回升的主要原因.
在相同的天气条件下,自然裸露区的全天
41增刊　　　　　　　李全胜等: 桃园套种黑牧草对土壤热状况的影响及其模拟研究　　　　
表 2　不同条件下土壤热通量收支平衡表
Table 2 Input and output of soil heat flux under di ffer-
ent condi tions ( J·cm- 2·d- 1)
收　支
Input and
output
阴天 Cloudy day
1993. 4. 2
Ⅰ Ⅱ
晴天 Sunn y day
1993. 5. 10
Ⅰ Ⅱ
∑( Qs> 0) 336. 0 205. 8 362. 8 220. 4∑( Qs< 0) - 168. 4 - 69. 2 - 277. 6 - 140. 0∑( Qs) 167. 6 136. 6 85. 2 80. 4
能量净收入均大于牧草种植区, 说明自然
裸露区的土壤温度回升要比牧草种植区来
得快. 从表 2还可看出, 由于牧草覆盖,夜
间长波辐射减少, 从而使牧草种植区的夜
间能量净支出明显小于自然裸露区.
3. 3　土壤温度变化模拟及其数学分析
3. 3. 1 土壤温度变化模拟　根据实测资料
和有关学者的研究,经分析发现,土壤温度
日变化具有以正弦函数变化的周期性规
律,其基本形式为:
T (Z , t) = T 0(Z) + ∑
n
A z nsin
(
2n
B
!t + ∀n(Z) ) ( 5)
式中, Z 为土壤深度( cm ) , t 为时间, B 表
示日变化周期( 24 h) , A z n为 Z cm 处 n阶
波的振幅, ∀n( Z)为Z cm 处n阶波的位相.
据式( 5) ,并结合实测资料,得到一阶和二
阶谐波的模拟方程. 一阶谐波模拟结果通
式为:
T (Z , t) = T 0(Z) + A z1
sin(
2n
B
!+ ∀n( Z) ) ( 6)
　　1993. 4. 2(阴天) :
　　自然裸露区:
T ( 0, t) = 21. 3 + 6. 69sin(
!
12
t -
2
3
!)
r = 0. 8345　　　　　
T ( 5, t) = 19. 34 + 3. 71sin(
!
12
t -
5
6
!)
r = 0. 8929　　　　　
T ( 10, t) = 18. 65 + 2. 24sin(
!
12
t - !)
r = 0. 8752　　　　( 7)
T ( 15, t) = 17. 83 + 1. 69sin(
!
12
t -
7
6
!)
r = 0. 8920 　　　　
T ( 20. t) = 17. 18 + 1. 15sin(
!
12
t -
4
3
!)
r = 0. 8850　　　　
　　牧草种植区:
T ( 0, t) = 17. 90 + 2. 41sin(
!
12
t -
2
3
!)
r = 0. 8418　　　　
T ( 5, t) = 16. 96 + 1. 51sin(
!
12
t -
5
6
!)
r = 0. 8523　　　　
T ( 10, t) = 16. 18 + 1. 29sin(
!
12
t - !)
r = 0. 8292 　　( 8)
T ( 15, t) = 14. 65 + 0. 65sin(
!
12
t -
7
6
!)
r = 0. 8920　　　　
T ( 20, t) = 15. 04 + 0. 54sin(
!
12
t -
4
3
!)
r = 0. 8970　　　　
　　1993. 5. 10(晴天) :
自然裸露区:
T ( 0, t) = 25. 50 + 8. 20sin(
!
12
t -
2
3
!)
r = 0. 8409　　　　
T ( 5, t) = 22. 67 + 4. 35sin(
!
12
t -
5
6
!)
r = 0. 9514　　　　
T ( 10, t) = 21. 98 + 2. 67sin(
!
12
t - !)
r = 0. 9483　　( 9)
T ( 15, t) = 22. 06 + 2. 08sin(
!
12
t -
7
6
!)
r = 0. 9244　　　　
T ( 20, t) = 22. 12 + 1. 85sin(
!
12
t -
4
3
!)
r = 0. 8907　　　　
　　牧草种植区:
T ( 0, t) = 20. 90 + 2. 56sin(
!
12
t -
2
3
!)
r = 0. 8267　　　　
T ( 5, t) = 21. 20 + 1. 92sin(
!
12
t -
5
6
!)
r = 0. 8980　　　　
42 应　用　生　态　学　报　　　　　　　　　　　　　　7卷
T ( 10, t) = 21. 20 + 1. 44sin(
!
12
t - !)
r = 0. 9121　　( 10)
T ( 15, t) = 20. 41 + 1. 43sin(
!
12
t -
7
6
!)
r = 0. 9349　　　　
T ( 20, t) = 21. 07 + 0. 99sin(
!
12
t -
4
3
!)
r = 0. 9437　　　　
　　由于 r0. 001= 0. 8010, 故拟合相关极显
著,说明一阶正弦波是土壤温度日变化的
主要形式.可用上述拟合结果进行土壤温
度日变化的统计规律分析, 表 3 为不同条
件下土壤温度实测值和一阶谐波模拟值的
平均绝对误差和平均相对误差.
表 3　土壤温度模拟的误差分析
Table 3 Error analysi s of soil temperature simulation
土壤深度
Soil
dep th
( cm )
平均绝对误差(℃)
Average absolu te error
Ⅰ1) Ⅱ1) Ⅰ2) Ⅱ2)
平均相对误差( % )
Average relat ive error
Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ
0 2. 0 1. 0 2. 9 1. 0 10. 1 5. 7 10. 7 4. 8
5 1. 1 0. 7 0. 7 0. 6 5. 9 4. 3 3. 3 3. 0
10 0. 8 0. 5 0. 6 0. 4 4. 3 3. 1 2. 7 1. 8
15 0. 5 0. 4 0. 5 0. 4 3. 1 2. 5 2. 5 1. 8
20 0. 4 0. 3 0. 6 0. 3 2. 2 1. 7 2. 7 1. 3
平　均 1. 0 0. 6 1. 1 0. 5 5. 1 3. 4 4. 4 2. 5
Average
1)阴天 Cloudy, 2)晴天 Sunny.
　　由表 3可见, 无论平均绝对误差还是
平均相对误差均随土壤深度的增加而减
少,说明随土壤深度的增加,土壤温度日变
化更趋符合一阶正弦波的变化规律; 另外,
在相同天气条件下, 自然裸露区的拟合误
差均大于相应的牧草种植区. 尤其是自然
裸露区土壤表面 0 cm 处的误差相对较大,
其原因是自然裸露表面的温度变化不仅受
土壤本身热状况的影响,而且由于直接和
大气接触,强烈地受近地层对流和湍流作
用.因此, 自然裸露的地表面温度日变化,
除了用一阶正弦波这一主要形式来描述
外,还应考虑二阶波的作用, 在此, 我们用
二阶波进行补充拟合.
1993年 4月 2 日,自然裸露地表面拟
合结果为:
T ( 0, t) = 21. 52 + 6. 69sin(
!
12
t -
2
3
!)
　 + 3. 00sin( !6 t - 116 !) ( 11)
与实测值的平均绝对误差为 0. 7℃, 平均
相对误差为 3. 3%, 复相关系数 R =
0. 9850;
同理, 1993年 5月 10日自然裸露区
表面的拟合结果为:
T ( 0, t) = 25. 68 + 8. 20(
!
12
t -
2
3
!)
　　 + 2. 97sin( !
6
t -
11
6
!) ( 12)
与实测值的平均绝对误差为 1. 0℃, 平均
相对误差为 3. 9%, 复相关系数 R =
0. 9507.
3. 3. 2 土壤平均温度　表 4是在不同天气
条件下实测的不同深度的土壤平均温度.
显然,在相同的天气条件下,牧草种植区的
土壤温度均小于同深度自然裸露区的土壤
温度.据报道, 在春末夏初, 尤其在桃树根
系第 1次旺长的 5月份, 土壤的最适温度
为 17～20℃,土壤温度过高不利于根系生
长[ 2] .可见,种植黑牧草有利于适当降低土
壤温度,有利于促进根系生长.
表 4　土壤平均温度
Table 4 Soil average temperature(℃)
土壤深度
S oil depth
(cm)
阴天 Cloudy d ay
1993. 4. 2
Ⅰ Ⅱ
晴天 Sunny day
1993. 5. 10
Ⅰ Ⅱ
0 21. 3 17. 9 25. 5 20. 9
5 19. 2 16. 9 22. 5 21. 1
10 18. 5 16. 1 21. 8 21. 1
15 17. 7 14. 6 21. 9 20. 3
20 17. 1 15. 0 22. 0 21. 0
平均 Average 18. 8 16. 1 22. 7 20. 9
3. 3. 3 土壤温度振幅　由式( 5)可知,土壤
温度振幅 A z n 是表示土壤温度日变幅大
小的一个指标. 2倍的振幅就相当于土壤
温度的日较差, 图 2表示一阶正弦拟合下
的土壤温度振幅随深度的变化,可见,自然
裸露状态下的土壤日振幅明显大于牧草种
植区,但随土壤深度的增加,两者之间的差
43增刊　　　　　　　李全胜等: 桃园套种黑牧草对土壤热状况的影响及其模拟研究　　　　
异迅速减小; 对于同一下垫面而言,晴天土
壤温度日振幅均大于阴天. 经拟合发现,它
们均呈指数规律下降. 结果如下:
1993年 4月 2日(阴) :
自然裸露区: A z 1= 6. 40exp( - 0. 0862z )
r= - 0. 9907 ( 13)
牧草种植区: A z 1= 2. 38exp( - 0. 0767Z)
r= - 0. 9823 ( 14)
1993 年 5 月 10 日(晴) :
自然裸露区: A z 1= 6. 85exp( - 0. 0743Z)
r= - 0. 9604 ( 15)
牧草种植区: A z 1= 2. 45exp( - 0. 0439Z)
r= - 0. 9739 ( 16)
则,式( 6)的 Az1可写为通式:
A z1= #exp( bz ) ( 17)
图 2　一阶正弦波土壤温度振幅
Fig. 2 Amp litude of s oil t em perature in the form of f irs t-
order s ine w ave.
3. 3. 4 土壤温度位相　土壤温度位相是表
示土壤温度波峰和波谷出现时间的一个指
标, 通过分析式( 7)～( 10)发现, 两相邻土
壤深度处一阶谐波的位相差异为:
△∀= ∀(Z + 5) - ∀(Z) = !
6
　 ( 18)
说明土壤深度每增加 5 cm ,土壤温度一阶
谐波的位相落后 !/ 6,相当于 2 h,也即热
量在土壤中传输的速度为 2. 5 cm·h- 1,
那么式( 6)的 ∀( Z)可写成通式:
∀(Z) = ∀( 0) - !
6

Z
5
=
2
3
!- !
30
Z ( 19)
因此,将式( 19)代入式( 6) , 便可知桃园不
同深度土壤温度最大值和最小值的出现时
间, 结果表明, 0、5、10、15和 20 cm 处土壤
温度最大值出现的时间分别为: 14∶00、
16∶00、18∶00、20∶00和22∶00时, 最小
值出现时间分别为 2∶00、4∶00、6∶00、
8∶00和10∶00时, 与实测资料基本一致.
4　结　　论
4. 1　在同一天气条件下,牧草种植区的平
均土壤容积热容量大于自然裸露区域, 土
壤导温率也是如此,且晴天比阴天明显.
4. 2　土壤热通量的日变幅和全天土壤能
量净收入均为自然裸露区大于对应的牧草
种植区.
4. 3　一阶正弦波是土壤温度日变化的主
要形式,拟合结果和实测值相关极显著,除
自然裸露区表面外,平均绝对误差大多小
于 1℃,平均相对误差大多小于 5% .
4. 4　在同一天气条件下,牧草种植区的土
壤平均温度均小于同深度自然裸露区域,
有利于促进桃树根系生长; 土壤温度振幅
是自然裸露区大于牧草种植区,晴天大于
阴天,且均以指数形式递减,一阶正弦波土
壤温度位相随深度增加而落后,每 5 cm 落
后位相 !/ 6,大约相当于 2 h.
参考文献
1　张小林. 1993.江南红壤丘陵区的水土流失及其治理
途径.中国水土保持, ( 9) : 9～11.
2　陈尚谟等. 1988.果树气象学. 北京:气象出版社,
323.
3　俞劲炎. 1991.试论红壤生态系统.土壤通报, 22( 7) :
9～14.
4　翁笃鸣等. 1981.小气候和农田小气候.北京:农业出
版社.
5　黄国勤. 1992.我国南方红壤地区农业生态问题及对
策.国土与自然资源研究, ( 4) : 24～27.
44 应　用　生　态　学　报　　　　　　　　　　　　　　7卷