全 文 ： 1997—11—12收稿。
黄寿波教授(浙江农业大学 杭州 310029) ;周子康(杭州大学) ;傅懋毅, 傅金和(中国林业科学研究院亚热带林业研
究所)。
* 本研究为加拿大国际发展研究中心( IDRC)资助的“中国农用林业系统综合研究亚热带丘陵坡地农用林业模式研究”
项目的部分内容,亚林所曹群根参加部分野外观测,谨致谢意。
桃茶人工复合系统土温变化特征分析*
黄寿波 周子康 傅懋毅 傅金和
摘要 在浙江省临安市, 于 1993年 7、8 月份对桃茶人工复合系统和普通茶园同步进行土温测
定。结果表明:在桃茶人工复合系统和普通茶园内,土温变化的振幅随深度增加按几何级数减少,位
相随深度增加按等差级数落后。土温梯度变化特点与土温变化相似。土温铅直分布可分日射型、辐
射型、清晨转换型、傍晚转换型 4类。与普通茶园比较, 在桃茶人工复合系统内 0 cm 地温日振幅晴
天减少 18. 2 ℃, 阴天减少 9. 7 ℃;离地面 5～20 cm 深处土温日振幅,晴天减少 1. 3～6. 2 ℃, 阴天
减少 0. 6～1. 8 ℃, 而且随植被覆盖度增加而增大。
关键词 人工复合系统 桃树 茶树 土温
在我国湿润亚热带地区,模拟茶树适宜的生态环境,建立林茶人工复合生态系统,对合理
利用土地、气候资源,提高单位面积土地的经济、生态和社会效益有重要意义。不少人 [ 1～3]对林
茶复合系统的小气候进行过研究,茶园小气候 [ 4]和裸露土壤小气候 [ 5]也有报道,但专门对农林
系统内的土温变化特征进行分析还未见报道。本文根据桃茶人工复合系统内资料,对土温随深
度和时间的变化特征进行了探讨。
1 材料与方法
试验于 1993年 7、8月份在浙江省临安市横畈乡泉口综合农业实验场进行,该场位于 30°
16′N, 119°45′E, 海拔 72 m ,土壤为红壤。分 3个试验区,即: 桃(密植)茶人工复合系统、桃(稀
植)茶人工复合系统和普通茶园, 各小区面积 3 hm2 以上。茶树 [ Camellia sinensis ( L . )
Kuntze]高 85～115 cm, 条栽,树冠宽 135 cm , 17年生,鸠坑种。桃树( Pr unus p ersica Batsch)
18年生,黄桃种, 树高 350～400 cm, 冠幅 360～410 cm。桃树的树冠覆盖度密植园为 75% ,稀
植园为 30%。桃茶园树冠对地面的覆盖度密植园为 90% ,稀植园为 75% ;而普通茶园为 55%。
各小区土温观测于 1993年 7月 21～26日和同年 8月 23～27日同步进行, 其中晴天 4个, 阴
天 3个。昼夜每隔 3 h测定 1次,测定深度为 0、5、10、15、20 cm。用套管式地面温度表、地面最
高温度表、地面最低温度表测定地面( 0 cm)温度、地面最高温度和地面最低温度,用沙维诺夫
曲管地温表测定离地面以下 5、10、15、20 cm 深度的土温。
2 结果与分析
2. 1 土温随深度的变化
2. 1. 1 土温振幅和位相随深度的变化 首先从理论上探讨土温振幅和位相随深度变化的数
林业科学研究 1998, 11( 2) : 147～151
Forest Research
学模型。由于土温变化影响因素很多,诸如土壤的质地、颜色、湿度、孔隙度、腐殖质和草根层厚
度、地面覆盖物、天气条件等 [ 6, 7] , 对土温变化都有显著影响。因此假定土壤在水平方向是均匀
的,水平温度梯度很小, 且附近没有冻结和融解过程发生,并暂不考虑土壤导温率随深度的变
化。土壤的热传导方程可用下式表示:
/ t = K ( 2/ Z2) ( 1)
式中 为土温, t 为以小时为单位的时间, K 为导温率, Z为深度。为了求解( 1)式, 应给边界条
件和初始条件。现设土温随深度分布为线性,即:
( Z, 0) = 0 - r 0Z ( 2)
上式( Z, 0)为深度Z 处的初始温度, 0为地面初始温度; r0 为初始的温度梯度。根据实测知道
地面温度随时间变化为一周期函数, 可用傅利叶级数表示:
( 0, t) = 0 +
n
A on sin[ ( 2n/ ) t + on] ( 3)
式中 A on、on分别为地面温度波的振幅和位相; n表示谐量; T 为温度变化的周期,如为日变化
则 T 等于 24 h。
利用( 2)和( 3)式, 可以解方程( 1)式,得:
( Z, t ) = 0 - r 0Z +
n
A on e- z n/ kT sin( 2n/ T ) + on - Z n/ kT ( 4)
如果令: A Zn= A on·e- z n/ kT ( 5)
Zn= on- Z· n/ kT ( 6)
上式中 A Zn和 Zn分别表示在深度 Z处土壤温度波的第 n 阶谐量的振幅和位相。由此可见, 从
理论上推导得知, 土壤温度变化的振幅随深度增加按几何级数减少,而位相随深度增加按等差
级数落后,且谐波的阶数愈高( n愈大) , 振幅随深度递减愈快,位相随深度落后也愈多。表 1是
桃茶人工复合系统和普通茶园内实测土温日振幅随深度的变化状况。可见这种基本规律性,不
仅见于裸露土壤, 也见于桃茶人工复合系统和普通茶园内。
表 1 桃茶人工复合系统和普通茶园内各深度土温的日振幅 (单位:℃)
深度 Z
( cm)
桃(密植)茶复合系统 桃(稀植)茶复合系统 普通茶园
晴天 阴天 晴天 阴天 晴天 阴天
0 10. 9 3. 5 13. 5 6. 7 29. 1 13. 2
5 3. 3 1. 4 7. 4 3. 4 9. 5 4. 2
10 2. 2 1. 2 4. 9 2. 2 7. 2 2. 3
15 1. 9 0. 7 3. 7 1. 3 4. 9 1. 8
20 1. 4 0. 4 2. 2 0. 7 2. 7 1. 0
注: 1993—07—24(晴) , 1993—07—22(阴)。
由表 1可见, 各深度土温日振幅均随深度增加而减小,但密度不同的桃茶系统内及不同天
气条件下,其温度日振幅随深度减小的快慢是不同的,因此( 5)式表示的是平均状况。
根据( 5)式,如果要使在深度 Z 和在地面( Z= 0)的振幅之比为一常数 的话,则得
Z = kT / nLn( 1/ ) ( 7)
根据( 7)式可以估算土中恒温层的深度。如果假定地面与恒温层间土温年变化与日变化的
振幅 相同,则对于年变化, 恒温层深度 Zy 为:
148 林 业 科 学 研 究 11 卷
Zy = k 365/ nLn( 1/ ) ( 8)
而日变化的恒温层深度 Zd 为:
Zd = k/ nLn( 1/ ) ( 9)
( 8)和( 9)式中的周期 T 都以日为单位。假定年、日的平均导温率相同,则有:
Zy/ Zd = 365 = 19. 1 ( 10)
( 10)式表明, 土温年振幅所能达到的深度相当于日振幅达到的深度的19. 1倍。一般来说,在我
国亚热带地区,多数土壤温度日振幅接近 0的深度为 40～80 cm ,平均为 60 cm 左右,土温年
振幅消失的深度为 11 m 左右或以下。
2. 1. 2 土温随深度变化的类型 地表接受太阳辐射后, 土壤上、下层要进行热量交换,由于白
图 1 桃(密植)茶复合系统( B)和普通
茶园( A)土温铅直分布
( 1993—07—23,晴,浙江临安)
天和夜间土壤增热和冷却不同,产生了土温
随深度变化的多种类型。根据国内外各地观
测结果, 无论是裸露土壤还是植被覆盖下的
土壤, 其土壤温度的铅直分布可以分为 4 种
基本类型[ 6, 7] , 并以典型晴天裸露的干燥土壤
最为明显。根据我们在桃茶人工复合系统和
普通茶园内测定, 土温的铅直分布也可分为
4类(图 1) : ( 1)日射型:以 14时为代表,其特
点是温度随着深度增加而降低,最高温度在
地表, 最低温度在深层, 热量自上向下输送。
( 2)辐射型:以 05时为代表,其特点是温度随
深度增加而增高, 最高温度在土壤深层, 最
低温度在地表,热量自下向上输送。( 3)清晨
转换型:以 08时为代表,上层温度为日射型,
下层温度为辐射型, 最高温度出现在离地表
5～10 cm 深度左右。( 4)傍晚转换型:以 20
时为代表,上层是辐射型,下层是日射型, 两
层土壤邻近处,似有一个热源存在,热量由此
向上和向下输送。
2. 2 土温的时间变化
2. 2. 1 土温的日变化 从图 2可见, 1993年夏季在浙江省临安市桃茶人工复合系统和普通
茶园内测得的不同深度土壤温度的日变化, 0 cm 地温的最高温度出现在 14时左右,最低温度
出现在日出前后。随着深度增加,最高温度和最低温度出现时间向后推移;温度日变化的振幅
随着深度增加逐渐减小。地面覆盖度愈大,日变化的振幅愈小,如桃(密植)茶人工复合系统的
温度日振幅小于桃(稀植)茶人工复合系统,也小于普通茶园。
2. 2. 2 土温梯度的日变化 土壤温度的变化与土壤中热量交换有关,而土中热交换变化完全
取决于土壤温度梯度的变化。土温的铅直梯度,从理论上可以用下式表示:
/ Z = - [ r0 +
n
Bon e- z n/ kT sin( 2n/ T + on - Z n/ kT ) ] ( 11)
1492 期 黄寿波等: 桃茶人工复合系统土温变化特征分析
式中 B on为地面温度梯度振幅, on为地面温度的梯度位相,其它符号同前。( 11)式表明,土温梯
度也象土温一样, 随深度增加按几何级数减少, 位相呈线性落后。但温度梯度位相,不论在何种
深度,均较同深度的温度位相提前/ 4。另外,还可以看出,土壤温度梯度的振幅正比于土壤温
度的振幅,而与土壤导温率( K )及振动周期( T / n)的平方根成反比。因此,地面温度变化的振
幅愈大,土壤导温率愈小及振动周期愈短, 则其土壤温度梯度的振幅也愈大。现以两个深度的
温度差表征其梯度,图 3表明桃茶人工复合系统内土温梯度的日变化。由图 3可见,在我国亚
图 2 桃(密植)茶复合系统( A )和桃(稀植)茶复合
系统( B)和普通茶园( C)土温日变化
( 1993—08—24,晴,浙江临安)
热带地区盛夏的桃茶人工复合系统内, 0～10
cm 之间的土壤温度梯度日变化是很大的, 土
壤温度梯度最大值的出现时间由上而下依次
推迟,但比之同深度的最高温度提前,梯度日
振幅随深度递减。
图 3 桃(稀植)茶人工复合系统内 0～10 cm (a)和
10～20 cm ( b)土温梯度日变化
( 1993—08—24,晴,浙江临安)
3 结果与讨论
( 1)象裸地一样,夏季在桃茶人工复合系统和普通茶园内, 土壤温度变化的振幅随深度增
加按几何级数减少,而位相随深度增加按等差级数落后;土温梯度也与土温变化类似,振幅随
深度增加减少,位相落后。桃茶人工复合系统内土温的铅直分布,按其分布特点可分为4类:辐
射型、日射型、清晨转换型和傍晚转换型。上述土温随深度和时间变化的特点,既在裸露的干燥
土壤内出现, 也在桃茶人工复合系统和普通茶园中得到验证。
( 2)茶树与其它植物一样, 30%～70%的年净光合产物分配在根部,根系作为茶树吸收水
分和营养元素的器官,对茶树的生育起着重要作用。茶树根系生长的最适温度为 20～30℃ [ 8] ,
0～20 cm 深的土壤温度对其生长尤为重要。与普通茶园比较,桃茶人工复合系统内土温日振
幅减少, 10～20 cm 深处土温低于 30 ℃。而普通茶园内土温日振幅较大, 夏季晴天 0～10 cm
土温在30～50℃之间。我国主要生产茶叶的亚热带地区,盛夏晴天午后的土温很高,这对茶树
150 林 业 科 学 研 究 11 卷
根系生长是不利的。桃茶人工复合系统减少了土温日振幅,使午后的最高温度降低,这对茶树
根系正常生长极为有利。
参 考 文 献
1 黄晓澜,丁瑞兴.亚热带丘陵区茶林复合系统小气候特征研究.生态学报, 1991, 11( 1) : 7～12.
2 黄寿波,范兴海,傅懋毅,等.不同林茶栽培模式小气候特征研究.林业科学研究, 1994, 7( 1) : 93～100.
3 傅金和,傅懋毅,黄寿波.桃茶人工复合生态系统小气候特征研究.浙江农业大学学报, 1995, 21( 3) : 293～298.
4 Huang Shoubo. Meteorology of the tea plant in Chin a. Agricu ltural and Fores t Meteorology, 1989, 49( 1) : 19～30.
5 Oke T R. Boundary layer cl imates. London, 1978.
6 翁笃鸣,陈万隆,沈觉成,等.小气候与农田小气候.北京:农业出版社, 1981.
7 傅抱璞,翁笃鸣,虞静明,等.小气候学.北京:气象出版社, 1994.
8 黄寿波.茶树生长的农业气象指标.农业气象, 1981, 2( 3) : 54～57.
Study on the Change of Soil Temperature in Peach-tea
Artif icial Compound System and Tea Ecosystem
H uang Shoubo Zhou Zikang Fu Maoy i Fu J inhe
Abstract T he so il temperature observ at ion in dif ferent density of peach-tea ecosystem
and pure tea ecosystem have been made in the summer of 1993 in Linan City, Zhejiang
Province. The result indicates that w hen the depth of the soil increases in the peach-tea
ecosystem and pure tea eco system , the amplitude o f temperature decreases in acco rdance w ith
geometric ser ies and the phase of temperature tr ailed in accor dance with isog ap series. T he
temperature gradiene variat ion of soil are sim ilar as the variety character of so il temperature.
According to the soil temperature variance w ith the depth of soil, fo ur types of the vert ical
distr ibution of so il temperature w ere divided, namely: ( 1) solar type, ( 2) radiat ion type, ( 3)
t ransitional type in early mor ning, ( 4) t ransit io nal type in evening . Compared w ith the pure
tea ecosystem the daily amplitude of earth′s sur face temperature at 0 cm , that the tea ecosy s-
tem decr eases 18. 2 ℃ in the clear day and 9. 7 ℃ in the cloudy day . Above changes are
fav our able for increasing f ruit t rees and tea plants.
Key words art if icial compound system peach trees tea plants soil temperature
Huang Shoubo, Profes sor( Zhejiang Agricu ltural U nivers ity, Hangzhou 310029) ; Zh ou Zikan g ( Hangzhou University) ;
Fu Maoyi, Fu Jinh e ( Th e Research Inst itute of Su bt ropical Forest ry, CAF) .
1512 期 黄寿波等: 桃茶人工复合系统土温变化特征分析