全 文 ：林业科学研究!"#$%!"&"$#$$# $$"
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华北南部低丘山地刺槐林土壤温度与冠层气温关系的研究
郑!宁$# 陆!森$# 张劲松$!# 孟!平$# 贾长荣"# 任迎丰"
"$,中国林业科学研究院林业研究所! 国家林业局林木培育重点实验! 北京!$###*$%
",济源市国有大沟河林场!河南 济源!)-)&-##
收稿日期$ "#$$($$(#%
基金项目$ 国家自然基金")#+$$#&#
作者简介$ 郑!宁"$*+$,#!男!安徽芜湖人!博士研究生!主要从事农林气象研究V](K3DP$ @>3PYB>C6h$"&VAFK
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通讯作者$研究员!主要从事农林气象研究V](K3DP$ YB3C6M?hA3GV3AVAC
关键词!冠层气温%土壤温度%刺槐人工林%模型预测
中图分类号!;*"V" 文献标识码!<
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土壤温度是大气与陆地表面水热循环共同作用
的结果!受实际气象条件&地形&土壤质地&地表植被
类型及冠幅&土壤水分等诸多因素的共同影响!因
此!相对于气温!土壤温度的观测和资料获取更加复
杂和繁琐 目前!土壤温度资料的获取手段主要为
野外实测!包括气象台站的日常观测及基于特定科
研需要的试验观测!但目前气象台站的观测数据通
常是离散的!在空间上不连续!难以满足生产和研究
工作的需求*$+ 试验观测因为研究项目实施的周期
性!难以连续性观测 鉴于目前野外实测土壤温度
的局限性!国内外许多学者试图研究建立模拟模型
预测土壤温度!主要包括经验模型&机理模型&半经
验半机理模型!其中!经验模型有统计回归模型和神
经网络模型 统计回归模型主要是利用气象台站获
取的数据! 建立区域土壤温度与气温&降水等气象
因子的相关"线性#回归模型*" U%+ !或建立土壤温度
与经纬度&海拔高度的相关"线性#回归模型*)+ !但
由于试验地与当地气象台站的地理位置不一定相
林!业!科!学!研!究 第 "& 卷
同!由于实际地形差异等原因!使得二者气象条件有
时并非一致!影响预测精度!并且现有的统计回归模
型大多适用于农田作物!适用于森林生态系统的较
少*-+ 神经网络模型用于土壤温度预测时*& U$$+ !输
入隐含层神经元个数存在较大的不确定性!制约模
拟精度!而且!样本要保持一定的数量*$"+ !否则影响
模拟精度 另外!神经网络模型没有考虑气候年型
问题!且随土壤深度增加!模拟精度会降低**+ !而且
仅能预测单点数据!不能得到区域性数据!所输入的
数据具有地域性&经验性*$#+ 机理模型是基于土壤
热传输与能量平衡原理的预测模型!如 8@3C9等*$%+
于 $**- 年提出的模型!虽具有理论完善等优点!但
需输入的参数多!模型求解过程复杂 混合模型属
于半经验半机理模型*$"!$) U"%+ !混和模型计算相对简
单!能预测土壤温度日变化的极值和平均值!但当预
测小时变化时!会出现丢失高频信息的情况*""+ !同
时大部分模型由于忽略了土壤热参数"如土壤热扩
散系数#随时间和深度的动态变化!模型应用存在一
定的局限性!而这种局限在土壤干湿交替频繁的情
况下越发显著 纵观土壤温度现有各类预测模型的
优缺点!如能利用试验地即时气象观测数据!建立日
土壤温度统计回归预测模型!则更有实用性和可
行性
刺槐""J040( G%$26"()()0( ZDCCV#根部有根瘤
菌!有固氮能力!属豆科类植物!为土壤改良和荒山
造林的先锋树种!也是一种重要的蜜源植物!是我国
华北低丘山地的重要造林树种之一 本研究以
"##&&"## 年连续 " 年观测得到的 # "# AK土壤
温度与冠层气温数据!建立土壤温度预测模型!为深
入研究刺槐林地土壤物理及生态系统生物化学循环
等研究提供工作基础
$!研究区概况
所选区域位于河南省济源市的黄河小浪底森林
生态系统定位研究站 定位站站区中心为 %-[#$\/&
$$"["+\]!平均海拔 )$# K!属暖温带亚湿润季风气
候!年平均气温 $",) ^!全年日照时数" %&, B!年
平均降水量 &)$, KK 受季风气候的影响!降水季
节性分配不均匀!-,* 月平均降水量为 )%+,# KK!
占全年的 &+,%0 -,* 月风向东北偏东&西南为
主 观测区中心周围 $,+ :K" 范围内林木覆盖率
*&V#0左右!其中!刺槐林观测区所占比例约
$$,#0!面积约 #," :K"
"!研究方法
?V=>测点设置
刺槐林树龄 %# 3!树高 $# $" K!冠层厚度 &
K!胸径 $" $- AK!林分密度 $ +-# 株-BKU"
刺槐林观测样地中心处设置 % 个土壤温度观测点!
每个点观测深度为 #&-&$#&$-&"# AK 土壤温度主
要由
连!昼夜连续自动采集 样地中心 $" K高度处安装
空气温度湿度自动观测系统!传感器和数据采集器
分别为N57()-2"p3D?3P3.CAV! HDCP3CJ# &2=$#W型
数据采集器"23KQS>P;ADV.CAV! i;<#!观测时间&
数据处理同土壤温度
?V?>数据处理
本次实验采集了 "##&&"## 年连续 " 年观测得
到的土壤温度与冠层气温数据!原始数据为 $# KDC
的平均值!缺失及异常数据采用相邻两点值内插补
充!再平均计算得到日平均值
数据处理及分析采用 ]WA>P"#$# 软件!统计分
析采用 ;7;; $&,# 软件
%!结果与分析
AV=>土壤温度与冠层气温变化的相关性
如图 $ 表明$土壤温度与气温变化趋势基本一
致!均有明显的季节变化!$ 年中生长旺季的土壤温
度与冠层气温最高!分别为 "),)&%#, ^""##&年#!
图 $!"##& 年与 "## 年土壤平均温度与冠层气温日平均值的变化趋势
+#$
第 $ 期 郑!宁等$华北南部低丘山地刺槐林土壤温度与冠层气温关系的研究
图 "!"##& 年与 "## 年不同深度的土壤平均温度"M%#与冠层气温"M(#日平均值的变化趋势
*#$
林!业!科!学!研!究 第 "& 卷
"-,% ^&%$,- ^""## 年#!但由于大气与土壤的物
理性质差异以及树木对冠层与土壤之间热量传输的
影响!首先通过分析 "##& 年与 "## 年冠层气温分
别与 #&-&$#&"# AK深度土壤温度的变化趋势!并计
算冠层气温"M(#与各层土壤温度"M%#的相关性
!!图 " 所示$冠层气温与土壤温度的变化趋势也
基本一致!但结合二年的分析资料可以明显看出!随
着土壤深度的增加!冠层气温与土壤温度的差异逐
渐变大!结合二者相关性的计算结果"图 %#可知$冠
层气温与土壤温度的相关系数由 # AK的 #,*-" 下
降到 "# AK的 #,*"!由此可见!由于空气是热的不
良导体!热量从土壤表面向下传输作用是由土壤孔
隙度&含水量等因素影响的!从树木的冠层气温精确
预测深层土壤温度需要综合考虑土壤热传导率等多
种因素
图 %!冠层气温与不同深度土壤温度变化的一致性比较
冠层气温与土壤温度的差异不仅是热量在土壤
中的垂直传输的影响!树冠对辐射的截留作用同样
影响地气之间的热量传输 如图 $ 所示$在一年当
中的不同时段内考虑试验地区刺槐林一年中树木冠
层的变化情况!从每年 $$ 月到次年 $# 月!呈现从大
到小再变大的趋势!其中!在落叶期最小!因叶面积
近似为 #!树冠的这种截留作用很小!因此!土壤温
度与冠层气温的相关性最大%而从树叶萌芽开始!随
着叶面积的增大!树冠截留作用变大!土壤温度与冠
层气温的相关性相对变小 随着树叶的生长完全!
叶面积达到最大!同时达到相对稳定的状态!此时林
地接受的向下辐射最小!土壤温度与冠层气温的相
关性也相应达到最小 图 ) 所示$本研究证实了以
上的分析!自 "##& 年 $$ 月下旬
图 )!冠层气温与土壤平均温度在不同物候期内变化的一致性比较
#$$
第 $ 期 郑!宁等$华北南部低丘山地刺槐林土壤温度与冠层气温关系的研究
至 "## 年 % 月上旬!叶片完全凋落!冠层气温与土
壤温度相关系数为 #,++$%"## 年 % 月下旬至 - 月
下旬为叶片生长时期!叶面积指数由小到大!相关
系数逐渐减小为 #,+$$%"## 年 & 月至 $$ 月上旬
叶片生长完全时期!这个时期叶面积指数最大并保
持稳定状态!相关系数降为 #,&$!综合来看!叶面
积越大!林地接受的太阳辐射越小!土壤温度与冠
层温度差异越大%反之!叶面积越小!二者差异则
越小
AV?>土壤温度预测模型的建立与验证
利用 "##&&"## 年连续观测得到的数据!以
"##& 年各层土壤温度与冠层气温的资料建立土壤
温度预测模型!并将模型预测数据与 "## 年实测数
据比较验证模型的准确性 表 $ 是经过计算检验得
到的 # "# AK各层土壤温度及土壤平均温度分别
与冠层气温的线性关系模型关键参数!各关系模型
的回归系数通过显著性为 #,#- 的 &检验"&
(
$
&
#,#"-
"4U" d%&%##!并且各回归方程也通过显著性为
#,#- 的!检验"!
$
!
#,#-
"4U" d%&%##
表 =>不同深度土壤温度$Y ?Y 1J土壤平均温度与
冠层气温线性相关方程的统计检验
土壤深度_AK ( J &
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!!注$(&J分别为统计模型M%"推算# d(aM%"实测# fJ的系数!&
(
与!分别为&检验和!检验的实际结果
将 "## 年实际观测得到的冠层温度代入相应
关系模型推算得出土壤温度!并与实际观测得到的
土壤温度相比较 图 - 所示$各层土壤温度以及平
图 -!"## 年不同深度土壤温度观测值"日平均#与模型推算值一致性的比较
$$$
林!业!科!学!研!究 第 "& 卷
均值的观测值与推算值的相关性均较高!说明该预
测模型在日尺度上能比较精确地预测土壤温度 分
别比较各层结果可以发现$"# AK土壤温度的预测
值与观测值的相关性最低 由此可见!如果精确预
测深层土壤温度不能简单考虑冠层气温因素!而对
于表层或者浅层土壤温度可以利用冠层气温观测数
据较精确地预测
)!结论与讨论
土壤温度是影响土壤(植被系统中许多物理&化
学和生物过程的一个重要的物理参数 根据华北南
部低丘山地刺槐林连续 " 年多层土壤温度与冠层气
温的分析发现!各层土壤自身温度的变化趋势较一
致!冠层气温与土壤温度的差异比较明显 由于大
气与土壤的物理性质差异以及树木对冠层与土壤之
间热量传输影响的结果!冠层气温与不同深度土壤
温度变化的一致性随着土壤深度的增加而逐渐降
低%同时由于树木冠层对太阳辐射的影响!在冠层叶
片生长状况不同的各主要物候期内!叶面积指数越
大!林冠越茂密!土壤温度与冠层温度差异越大!这
与国内一些研究结果基本一致*)+
通过 "##& 年观测数据建立的土壤温度预测模
型!经过检验发现该预测模型能比较精确地推算出
土壤温度!但预测精度仍然随着土壤深度的加大而
逐渐降低!可以认为由于空气是热的不良导体!预测
深层土壤温度不能简单考虑冠层气温因素!需要综
合考虑土壤孔隙度&含水量&土壤热传导率等多种因
素!而对于表层或者浅层土壤温度则可以利用气温
观测数据较精确地推算
参考文献!
*$+ 张慧智!史学正!于东升!等V中国土壤温度的空间预测研究*c+V
土壤学报! "##*! )&"$#$$ U+
*"+ 5>D:P>=k! O@>3JR3IO=V
?FDP9>KQ>@39E@>?DC 23C3J3*c+V;FDP;AD>CA>! $*+$! $%$"-#$ %"#
U%"&
*%+ 史学正! 邓西海V我国土壤温度状况*5+V北京$ 科学出版社!
$**%$ %-% U%&#
*)+ 关德新! 吴家兵! 金昌杰! 等V用气象站资料推算附近森林浅层
地温和气温*c+V林业科学! "##&! )""$$#$$%" U$%
*-+ 冯学民! 蔡德利V土壤温度与气温及纬度和海拔关系的研究
*c+V土壤学报! "##)! )$"%#$)+* U)*$
*&+ O3S3@DN! ;3SYDQ3@T3@<(C>E@3PC>9RF@: 3CJ KEP9DT3@D39>PDC>3@@>6@>??DFC K>9BFJ?GF@>?9DK3(
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*+ 姚付启! 张振华! 钱为君V烟台果园土壤温度影响因素及其预
测模型研究*c+V农业系统科学与综合研究! "##+! ")""#$ "#$
U"#)
*++ 邹!平! 杨劲松! 姚荣江V土壤温度时间序列预测的L7神经网
络模型研究*c+V中国生态农业学报!"##+! $&")#$ +%- U+%+
**+ 王选耀V烟台地区土壤温度变化特征及预测模型研究*c+V农业
系统科学与综合研究!"#$#! "&")#$ )+ U)*"
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