陇东黄土高原植被覆盖对土壤温湿度的影响

The Impact of Vegetation Coverage on Soil Temperature and Moisture in Longdong Loess Plateau

摘要

为深入探究陇东黄土高原地区植被覆盖和土壤温湿度变化规律及相互影响机制。以甘肃省庆阳市西峰区为研究点，通过趋势分析和相关性分析，研究了植被覆盖下0 cm~ 200 cm土壤温湿度变化趋势以及二者相关性。结果表明：（1）土壤温度随着土壤深度增加极显著降低（P < 0.01），变异系数增大（0.23 ~ 0.32），土壤湿度随土壤深度增加极显著增加（P < 0.01），变异系数减小（0.13 ~ 0.03）。（2）土壤温湿度月变化呈波动变化趋势；日变化呈“抛物线”形态，土壤温度上午至下午或晚上持续升高，下午或晚上至凌晨持续降低，0 cm~ 40 cm土层最大值滞后1 h；土壤湿度上午至晚上持续降低，晚上至凌晨持续升高。（3）植被盖度与土壤温度呈极显著正相关（P < 0.01），且相关性随土壤深度增加而增强（0.56 ~ 0.93）；与0 cm ~ 40 cm土壤湿度正相关较弱。这一研究揭示了植被覆盖对土壤温度的影响较强，对土壤湿度的影响较弱，研究结果为陇东黄土高原的生态恢复和环境改善提供了重要理论依据。

Abstract

The research aimed to further explore the change rule of vegetation coverage, soil temperature and moisture, and the impact of vegetation coverage on soil temperature and moisture in Longdong Loess Plateau. Taking Xifeng District of Qingyang City, Gansu Province as the research site, this research used trend analysis to study the change trend of vegetation coverage, 0 cm~ 200 cm soil temperature and moisture and correlation analysis to study the correlation between vegetation coverage and soil temperature and moisture. The results showed that: (1) soil temperature had a significant decrease trend with the increase of soil depth (P < 0.01), and coefficient of variation increased (0.23 ~ 0.32); soil moisture had a significant increase trend with the increase of soil depth (P < 0.01), and coefficient of variation decreased (0.13 ~ 0.03). (2) Monthly variation characteristics of soil temperature and moisture showed a fluctuating trend; daily variation characteristics showed a “parabola” shape. The soil temperature of daily variation showed a continuous upward trend from morning to afternoon or evening, and a continuous downward trend from afternoon or evening to midnight, the maximum value of 0 cm ~ 40 cm soil depth lagged behind for one hour; the variation trend of soil moisture was opposite to soil temperature. (3) The correlation between vegetation coverage and soil temperature showed a significantly positive increase trend with the increase of soil depth (0.56 ~ 0.93) (P < 0.01); and the correlation between vegetation coverage and soil moisture showed a weakly positive trend with 0 cm~ 40 cm soil depth. The research results provide an important theoretical basis for ecological restoration and environmental improvement of the Loess Plateau in Gansu Province.

Graphical abstract

关键词

土壤温湿度 / 植被盖度 / 相关性

Key words

Soil temperature and moisture / Vegetation cover / Correlation

土壤温湿度是影响植被生长和分布的重要环境因素，适宜的温湿度能够显著促进植物的光合作用和根部呼吸，进而促进植物的健康生长与发育。相反，植被覆盖也对土壤温湿度产生影响，通过植物蒸腾作用、地表覆盖等方式影响土壤水热状况。这种相互作用在不同地区表现出独特的地域性和季节性差异，青藏高原^[1]、准噶尔盆地^[2]和柴达木盆地^[3]土壤温湿度随地域和季节变化呈现差异，尤其在土壤剖面水分运动和温度变化上差异显著。植被覆盖对土壤温度影响是通过减少地表裸露面积、太阳辐射对土壤的直接影响，降低土壤温度变化幅度；另一方面，植被通过蒸腾作用消耗土壤水分，释放潜热，对土壤温度产生降温效应。研究表明，植被覆盖度高的地区，土壤温度变化幅度相对较小，更有利于土壤微生物活动和植物生长^[4]。植被覆盖对土壤湿度影响是通过改善土壤结构、增加土壤有机质含量等方式，提高土壤保水能力，减少水分蒸发散失；同时，植被根系能够吸收深层土壤水分，通过蒸腾作用将其释放到大气中，形成小气候调节效应，有利于土壤湿度保持和稳定。近年来，国内外学者聚焦土壤温湿度与地表温度^[5,6]、土壤呼吸^[7]、土壤CO₂浓度^[8,9]、地表覆盖方式^[10-12]的关系等做了大量研究，取得了一定的研究成果。然而，植被覆盖与土壤温湿度关系的研究较少，藏北高原^[13]、海北滩地^[4]等高寒区研究表明，植被盖度与土壤温湿度之间存在一定的反馈机制，即土壤温度过低或过高、湿度过低情况下，植被生长受到抑制，进而影响其覆盖度；反之，植被覆盖度变化也会对土壤温湿度产生反馈作用，形成一个复杂的生态循环系统。陇东黄土高原是中国黄土高原的重要组成部分，该地区土壤长期受风沙侵蚀和石油开采影响，生态环境破坏严重，植被覆盖度下降，因此，研究该地区土壤温湿度与植被覆盖度的关系尤为重要。本研究以甘肃省庆阳市西峰区为研究点，通过趋势分析研究植被覆盖下土壤温湿度变化规律，相关性分析研究二者相互作用机制，旨在为当地生态修复和可持续发展提供科学依据，促进黄土高原生态环境持续向好改善。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

庆阳市西峰区位于甘肃省东南部，该区东邻西安，西连平凉，南通天水，北接银川。该研究区地处黄土高原腹地，地貌以黄土高原丘陵沟壑为主，气候属于暖温带半湿润大陆性季风气候，冷暖干湿四季变化明显，平均海拔1 400 m左右，年均气温9.5 ℃ ~ 10.7 ℃，年均降水量481 mm ~ 601 mm，雨季主要集中在7月至9月，年日照总时2 200 h ~ 2 700 h，年无霜期160 d - 180 d。

1.2 数据来源

研究区位置为甘肃省庆阳市西峰区（地理坐标：35.625ºN，107.625ºE）。土壤温湿度（土壤深度 0 cm、10 cm、40 cm、100 cm、200 cm）数据来源于美国国家宇航局（NASA）全球陆面数据同化系统(GLDAS-2)^[15]，叶面积指数、植被指数和植被覆盖率数据来源于美国国家航空航天局地球观测（NEO）（https://neo.gsfc.nasa.gov/）和欧洲中期天气预报中心（ECMWF）^[16]，2022年4月10日至9月30日，该时间段既是植物生长季亦是雨季，土壤干湿交替频繁。

1.3 数据分析

采用 Excel 2016进行数据整理，SPSS 27 和Origin 2021进行数据趋势分析、相关性分析和作图。

2 结果与分析

2.1 土壤温湿度变化特征

2.1.1 土壤温湿度月变化特征

土壤温度月变化见图１。同一时期，土壤温度0 cm > 10 cm > 40 cm > 100 cm > 200 cm，均值分别为20.66 ℃、20.07 ℃、18.48 ℃、17.07 ℃、15.11 ℃，土壤温度与土壤深度呈极显著负相关，y =-0.0 268x + 20.151（R² = 0.955），即土壤温度随土壤深度增加而降低，各深度土壤温度变异系数随土壤深度增加而增加（0.23 ~ 0.32）。各深度土壤温度呈现“M”变化趋势，最值呈现差异性，即最小值均在4月，分别为8.91 ℃、10.09 ℃、10.00 ℃、8.60 ℃、6.07 ℃，最大值在7月至8月，分别为27.54 ℃、27.17 ℃、25.21 ℃、22.92 ℃、20.67 ℃。

土壤湿度月变化见图2。同一时期，土壤湿度表现为200 cm > 100 cm > 40 cm > 10 cm > 0 cm，均值分别为0.37%、2.15%、6.56%、13.06%、24.13%，土壤湿度与深度呈极显著正相关 y = 0.1 168 x + 1.0 787（R² = 0.996），即土壤湿度随土壤深度加深而增加，各深度土壤湿度变异系数随土壤深度增加而减小（0.13 ~ 0.03）。0 cm ~ 100 cm土壤湿度呈现波动变化趋势，于6月至7月值最小，分别为0.30%、1.72%、5.36%、10.35%，最大值在7月至8月，分别为0.43%、2.70%、7.62%、：14.52%；200 cm土壤湿度呈降低趋势，4月初最大值25.60%，9月底最小值23.20%。

2.1.2 土壤温湿度日变化特征

土壤温度日变化特征见图3.各深度土壤温度日变化特征表现为“抛物线”。0 cm土壤温度在8 h~ 14 h时段逐渐升高，最大值18.68 ℃，14 h~ 5 h时段逐渐降低至最小值2.13 ℃；10 cm土壤温度在8 h~ 17 h 时段逐渐升高，最大值13.84 ℃，17 h~ 5 h时段逐渐降低至最小值5.10 ℃；40 cm、100 cm、200 cm土壤温度均在8 h~ 23 h时段升高至最大值，分别为7.27 ℃、4.84 ℃、15.15 ℃，23 h~ 5 h时段逐渐降低；即各深度土壤温度于上午至下午或晚上持续升高，下午或晚上至凌晨持续降低，但0 cm~ 40 cm最大值随土壤深度增加滞后1 h。同一时间，土壤温度随土壤深度增加呈先降低后升高变化趋势，均值分别为10.11 ℃、9.33 ℃、6.93 ℃、4.76 ℃、15.11 ℃，变异性逐渐减小（0.61 ~ 0.001）。

土壤温度日变化特征见图4.各深度土壤湿度日变化特征表现为“抛物线”。0 cm、10 cm、40 cm、200 cm土壤湿度均在8 h~ 23 h时段逐渐降低至最小值，分别为0.57%、2.20%、6.84%、24.12%，23 h~ 5 h时段逐渐升高；100 cm土壤湿度在8 h~ 20 h时段逐渐降低，最大值13.20%，最小值13.15%，20 h~ 5 h时段逐渐升高；即各深度土壤湿度于上午至晚上逐渐降低，晚上至凌晨逐渐升高。同一时间，土壤湿度随土壤深度增加逐渐升高，均值分别为0.60 %、2.23 %、6.87 %、13.17 %、24.13 %，变异性逐渐减小 （0.0 365 ~ 0.0 002）。

2.2 植被盖度变化特征

土壤温度日变化特征见图5，同一时期，植被覆盖率、植被指数和叶面积指数呈现波动变化趋势，拟合多项式依次为y =-0.0 017x² + 0.0 407x + 0.1889（R² = 0.866）、y =-0.0 001x² + 0.0 293x + 0.1 202（R² = 0.892）和y =-0.0 073x² + 0.1 631x + 0.3 463（R² = 0.884），均值分别为0.38、0.38和1.04，最小值均在4月初，分别为0.22、0.17和0.50，最大值在生长季7月至8月，分别为0.48、0.64和1.40，变异系数植被指数（0.40） > 叶面积指数（0.23） > 植被覆盖率（0.17）。

2.3 土壤温湿度和植被盖度相关性

图6显示，土壤温度与土壤湿度呈负相关，且10 cm（- 0.53）、40 cm（- 0.74）、100 cm（- 0.85）、200 cm（- 0.89）土壤温度均与200 cm土壤湿度达到显著相关（P < 0.05）。植被盖度（植被覆盖率、植被指数、叶面积指数）与各深度土壤温度呈显著正相关（P < 0.05），且随土壤深度增加，相关性逐渐增强。植被盖度与各深度土壤湿度相关性存在一定差异，与0 cm、10 cm、40 cm土壤湿度呈正相关，且随土壤深度增加相关性逐渐减弱；与100 cm、200 cm土壤湿度呈负相关，且随土壤深度增加相关性逐渐增强，植被覆盖率（- 0.77）、植被指数（- 0.76）、叶面积指数（- 0.69）均与200 cm土壤湿度达到极显著相关（P < 0.01）。表1植被盖度与土壤温度呈极显著正相关（P < 0.01），随着土壤深度增加逐渐增强0.56 ~ 0.93；与0 cm~ 40 cm土壤湿度正相关逐渐减弱0.51 ~ 0.31，与100 cm~ 200 cm土壤湿度负相关逐渐增强- 0.21 ~ - 0.80。

3 讨论

3.1 土壤温湿度变化特征

土壤温湿度是土壤环境的重要参数，对植物生长和土壤生态系统功能有重要影响，陇东黄土高原地区土壤温度随土壤深度增加极显著降低（P < 0.01），变异系数增大（0.23 ~ 0.32），源于土壤温度的垂直变化主要受太阳辐射和土壤热传导的影响，土壤表面与大气热量交换强，表面升温迅速，随土壤深度增加，太阳辐射、土气热量交换和土壤热传导减弱，温度逐渐降低^[14]；深层土壤受土壤湿度、土壤类型和地下生物活动等诸多因素影响，土壤温度波动较大。相反，土壤湿度随土壤深度增加极显著增加（P < 0.01），变异系数减小（0.13 ~ 0.03），此结论与黄土丘陵区枣林土壤温湿度研究结果一致^[17]，表层土壤湿度极易受降水渗透、水分蒸发等影响，随土壤深度增加，垂直方向上的水分运动、扩散和地下水位等增加，土壤湿度随之增加；但是土壤水分含量亦受土壤类型、质地结构和地下水流等影响，庆阳市西峰区土壤以黄土为主，黄土层厚质地结构好，地下水流相对稳定^[18]，因此深层土壤湿度变化波动较小。

土壤温度月变化和日变化趋向于“M”和“抛物线”变化趋势，各深度土壤温度日变化于上午至下午或晚上持续升高，下午或晚上至凌晨持续降低，0 cm~ 40 cm最大值滞后1 h，此结论与大棚柑橘园土壤温度研究观点一致^[19]。热量在土壤中的传导速率较慢，当浅层土壤温度在太阳辐射下快速上升或下降时，深层土壤因其较大的热容量和较慢的热传导速率，温度变化相对较慢^[20]。因为陇东黄土层较厚，热量从浅层传递到深层需要更多时间，黄土黏性强，热容量较大，导热性也相对较慢；另一方面植被也可以通过遮挡阳光、增加地表反射率和改变地表能量平衡等影响土壤温度。综合表明，土壤温度最大值在土壤热传导、土壤水分含量、土壤厚度、土壤类型、植被覆盖等综合因素影响下滞后1 h。

土壤湿度月变化和日变化呈波动和“抛物线”变化趋势。初夏前土壤处于封冻状态，湿度较大，随气温回升土壤逐渐解冻，地表蒸发增强，土壤湿度降低；进入雨季强降水积累和渗透增加土壤湿度。土壤湿度日变化于上午至晚上持续降低，晚上至凌晨持续升高，随着晚上温度降低，地表空气冷却形成露水和水雾易凝结在土壤表面；同时夜间植物进入休眠状态蒸腾作用减弱水分不易被吸收而储存在表面，然在凌晨较低温度下土壤湿度较高。上午8 h后，太阳辐射增强，土壤温度升高，水分子运动和蒸发随之增强，土壤湿度逐渐降低至最小值。

3.2 植被覆盖对土壤温湿度的影响

研究发现，植被根系有助于保持土壤湿度，因此植被覆盖率越高，土壤湿度越高；而且植被可阻挡太阳直射，减缓土壤表面热量散失，影响土壤温度^[21]。此观点与本研究植被盖度与土壤温度呈极显著正相关（P < 0.01），与0 cm~ 40 cm土壤湿度成正相关结论相似。因为植被覆盖可以改变土壤内部水分运移方式，减弱土壤水分蒸发和水汽交换，增强水分蒸发阻力，提高土壤蓄水保墒性能^[22]，亦能促进微生物、蚯蚓等土壤生物活动，通过改善土壤结构，增加土壤持水能力。 但是随土壤深度增加，植被覆盖与土壤温度相关性增强0.56 ~ 0.93，与0 cm~ 40 cm土壤湿度相关性减弱0.51 ~ 0.31，此结论与藏北高原不同海拔高度高寒草甸植被指数与环境温湿度的关系研究结论一致^[13]，因为随着土壤深度增加，植被根系对土壤影响逐渐减弱，土壤自身的物理和化学性质对土壤温湿度的影响增强。此外，植被覆盖与100 cm~ 200 cm土壤湿度呈负相关，且随土壤深度增加相关性逐渐增强 -0.21 ~ -0.80，深层土壤的水分受地下水位、土壤质地、降水等多种因素的影响较多，而植被覆盖对上述因素的影响相对较小，因此，深层土壤植被覆盖对湿度的影响较弱。综上所述，植被覆盖对土壤温湿度的影响主要通过遮挡阳光、蒸腾作用、辐射反射以及水分吸收等方式体现，植被覆盖率高有助于降低土壤温度、增加土壤湿度，为植物生长提供良好的环境条件。

4 结论

综上研究表明，陇东黄土高原地区土壤温度随土壤深度增加极显著降低（P < 0.01），变异系数增大（0.23 ~ 0.32），土壤湿度随土壤深度增加极显著增加（P < 0.01），变异系数减小（0.13 ~ 0.03）。土壤温湿度月变化呈现波动变化趋势；日变化趋近于“抛物线”形态，土壤温度上午至下午或晚上持续升高，下午或晚上至凌晨持续降低，其中0 cm~ 40 cm土层最大值滞后1 h；相反，土壤湿度上午至晚上持续降低，晚上至凌晨持续升高。植被盖度与土壤温度呈极显著正相关（P < 0.01），且随土壤深度增加相关性增强（0.56 ~ 0.93）；而与0 cm~ 40 cm土壤湿度正相关减弱（0.51 ~ 0.31）。这一结论表明，植被覆盖对土壤温度的影响较强，对土壤湿度的影响较弱，可为陇东黄土高原地区的生态恢复和农业管理提供重要理论依据。

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基金资助

陇东学院青年科技创新基金(XYZK2307)