安可栋
西安浐灞生态区管委会，陕西 西安 710000
摘要：关中平原地理位置特殊，其中土壤剖面温度变化对干旱区包气带剖面温度对土壤中水汽热运移起到至关重要的作用。本文利用观测数据对关中平原土壤剖面温度场分布及日动态变化进行研究，并从机理上对土层温度随着深度增加而发生的振幅衰减和相位滞后进行了合理的解释，同时利用多元线性回归方法对包气带剖面温度进行建模，并对模型进行验证。
关键字：土壤温度；温度场；气象因素；滞后；多元线性回归
土壤是联系大气和地下水的纽带，土壤中温度是土壤水分运移的主要影响因素[[ []曾亦键,万力,王旭升等.浅层包气带地温与含水量昼夜动态的实验研究[J]. 地学前缘,2006,13(1):52-57]]，而在我国关中平原地区，昼夜温差很大，温度梯度对土壤中水分运动起着关键性的推动作用[[ []李洪波，白爱宁，张国盛，等.毛乌素沙地土壤凝结水来源分析[J]. 中国沙漠,2010,3(2):241-246]、[ []韩双平，荆继红，荆磊，等.温度场与凝结水的观测研究[J].地球学报,2007,28(5): 482-487]]。因此研究旱区土壤剖面温度场分布对研究土壤中水分运移，合理利用地下水都具有重要的意义。本文以关中平原为研究对象，通过对土壤剖面上的温度分布进行系统深入的研究，并对其振幅衰减和位相滞后进行合理解释，以期为土壤水汽热运移的机理研究提供原始资料和理论依据。
1 研究方法
研究区域位于陕西省西安市浐灞生态区灞河右岸，所处地理位置属暖温带半湿润大陆性季风气候，夏热冬冷，四季分明。年平均气温 13.3℃，最低气温-20.6℃，最高气温 45.2℃；年平均湿度为 71-73%；平均降水量为 604.8mm，多集中在 7、8、9 月；最大积雪厚度 22cm；最大冻土深度 45cm。
在观测点位不同深度处布设多个探头，可以对土壤剖面上的温度进行连续观测，数据自动记录于数据采集器内，监测频率为每30s一次，每30min记录一次平均值。
2 结果与分析
2.1 气象条件对土壤温度的影响分析
气象因子对土壤温度的变化起着非常重要的作用，不同气候条件下，气象因子的时空分布不同。因此在讨论各气象要素与土壤温度场分布之前，有必要对实验区的微气象条件进行分析。为了消除波动误差，本文对各个因子的观测值进行小时平均,结果发现:气压最高为29.14mmHg柱高，最低值为28.31mmHg柱高。太阳辐射是土壤温度变化的驱动力，太阳辐射的大小决定了土壤短期内近地表温度的高低，观测点太阳辐射在12：00-13:00间达到最高值，为812.63W/m2，太阳落山后辐射维持在最低值0.6 W/m2。气温是土壤温度的直接影响因素，气温高低对地表温度有着最直观的反应，实验区气温最高为36.44℃，最低6.59℃。
2.2 土壤剖面温度日变化规律
图1反映了在关中平原地区夏末初秋时节，在无降雨等气象条件骤变的情况下，土壤剖面上不同深度土壤其温度月平均的日动态变化，通过平均消除了异常气象条件（云和降水等）的影响。由图1可以看出，剖面上土壤温度分别呈现昼夜动态变化和趋势性特征。在地表0-60cm，土壤温度变化呈现昼夜动态变化，即周期性正弦变化；而随着测量深度的增加，当埋深大于60cm时，土壤剖面温度无昼夜周期性变化，反而呈现趋势性特征，因此可以将0.6m作为研究土壤热传导的临界埋深。
在土壤温度昼夜动态变化区间可以看到：在剖面温度突变带（0-10cm），土壤剖面温度日变化振幅衰减幅度最大；在剖面温度缓变带（10-60cm），土壤温度日变化振幅衰减较慢。在土壤温度趋势性变化区间，温度日变化振幅衰减很小，通常在0.5℃以下，尤其当埋深大于2m时，温度日变化振幅在0.1℃以内，这一区间被称为土壤剖面温度稳定带。因此，在土壤剖面上，无论土壤温度呈现昼夜动态变化还是趋势性变化，伴随着测量深度的增加，土壤温度日动态变化的振幅均逐渐减小。
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图 1土壤剖面温度随时间变化序列
2.3土壤温度与气象因子相关性分析
2.3.1 土壤温度预测模型的建立
以大气温度（X1，℃）、气压（X2，mmHg）、太阳总辐射量（X3，W/m2）及相对湿度（X4，%）为自变量，测量深度分别为0cm，地下5cm，10cm，20cm，30cm及60cm的土层温度为因变量，利用spss17.0软件进行多元线性回归处理，通过分析模型可以发现，随着土层深度的不断增大，其多元线性回归方程的斜率不断减小，说明不同深度的土壤受气象因子的影响深度不同。浅层土壤（0-10cm）的斜率值较大，表明其在微气象因子的影响下温度变化振幅较大，而与此同时，其相关系数也较高，说明该土层温度与气象因子的相关性显著。相反，深层土壤的相关系数及模型的斜率均较小，说明其受微气象因子的影响较小。同时进行单因子线性回归发现，在浅层地表，土壤剖面温度与辐射和大气温度呈现正相关，与气压和相对湿度呈负相关关系，土壤温度与阵风风速的相关关系复杂，在这些气象因子中，辐射和气温与土壤温度的相关关系最大。
2.3.2土壤温度预测模型的检验
对不同深度土壤温度的观测值与线性回归分析预测值进行作图比较发现，浅层土壤的模型预测值与观测值的相关性较好，深层土壤模型预测值与观测值的相关性较差。无论是否考虑土壤温度的滞后现象，在同等条件下，深层土壤经过多元线性回归组合模型预测所得温度与实际观测值的相关性不及浅层土壤大。这个结果再次说明，深层土壤所受微气象条件的影响较浅层土壤小。
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图2土壤剖面温度的观测值与模拟值散点图—（左图：不考虑滞后；右图：考虑滞后）
3 结论
本文通过对关中平原地区土壤温度场进行研究发现：
1关中平原地区土壤剖面温度变化的临界深度为0.6m，随着剖面深度的增加，各层土壤温度日变化振幅逐渐减小，位相从表层向深层逐层滞后。
2 微气象因素浅层土壤的温度分布影响较大，土壤温度与太阳辐射和气温呈正相关关系；与相对湿度和负压呈负相关关系。
3浅层土壤的模型预测值与观测值的相关性较好，深层土壤模型预测值与观测值的相关性较差。整体来说，不考虑滞后通过多元线性回归模型分析所得预测值与实际观测值得拟合度更高。
本文仅仅是对关中平原一个观测点所观测数据的分析，有一定的局限性，但是对研究该地区土壤剖面温度场的分布具有良好的指导意义，后续需要对土壤中温度场的分布对不同水汽热的迁移转化规律进行深入的研究。
参考文献