表层岩溶带土壤温度和体积含水率对夏季暴雨事件的响应

表层岩溶带土壤温度和体积含水率对夏季暴雨事件的响应

吴 夏1,2，潘谋成1，朱晓燕1，白 晓3，张碧云4，张美良1

【摘 要】为揭示表层岩溶带土壤温度和体积含水率对暴雨事件的响应机制，利用HOBO土壤温度和体积含水率监测仪，连续监测2014年7-8月20 cm和70 cm土壤温度与体积含水率。结果表明：研究区域20 cm土壤温度呈日变化，这种日变化格局主要受到大气温度日变化的影响，70 cm土壤温度总体上呈上升趋势，主要受到夏季大气环流使气温升高的影响。夏季暴雨事件降低了20 cm深度的土壤温度、增加其土壤体积含水率，并且导致70 cm处土壤温度先增高后降低、土壤体积含水率升高。土壤体积含水率较低情况下，暴雨事件使得浅层较高温度土壤水快速向下移动引起升温，而后土壤体积含水率到达一定阈值后，便能够快速响应降水事件。研究表明，岩溶地区不同深度土壤温度和体积含水率受到夏季降水事件的影响存在差异。浅层土壤能够快速的响应暴雨事件，深层土壤温度和体积含水率对暴雨事件的响应不仅受到降水量阈值的影响，而且也受到表层土壤温度和体积含水率的制约。 【期刊名称】中国岩溶 【年(卷),期】2016(035)003 【总页数】8

【关键词】暴雨；土壤温度；土壤含水率；响应时间

0 引 言

随着国际地学计划IGCP379“岩溶作用与碳循环”首次提出属于地球表层的岩溶地质作用可产生短时间尺度的碳汇效应，使得岩溶碳循环的驱动力CO2 和H2O引起广泛关注。岩溶碳循环过程对土壤CO2 浓度和大气降水响应敏感[1-

2]，同时对全球变暖和地表植被的恢复过程也能敏感响应[3]。大气降水引起的土壤温、湿度变化不但会对土壤CO2产生影响[4]，而且对陆地表面的蒸发和大气气候的季节性变化也产生影响[5]。现阶段世界范围内大气降水格局的改变[6]必将导致土壤含水率变化，从而影响植物和土壤微生物对水分的利用，并间接影响到陆地生态系统功能与过程[7]。土壤温度和土壤含水率是影响土壤呼吸作用最重要的因素[8-10]，大气降水事件引起的土壤温度、体积含水率的改变必将导致土壤呼吸作用的改变[11]。现阶段针对大尺度天气过程土壤温度、体积含水率对气候效应的响应过程研究主要是基于数值模拟[12-14]，但是随着研究的深入，国外学者Fast等[15]研究成果指出土壤体积含水率对中小尺度天气过程的影响十分重要，并且土壤体积含水率的梯度能够激发局地环流的形成和发展。随着现阶段局部更短时间尺度的极端气候事件的频发，土壤体积含水率异常对月季尺度的短期气候变化尤其是降水异常有重要影响[16]。土壤的温度和体积含水率是研究土壤水热过程的两个重要物理量，分析它们由于大气降水所产生的变化，对于进一步研究半干旱区土壤表层水分循环具有重要参考价值[17]。并且研究土壤温度和体积含水率对于短期气候变化的响应过程，对于认识上述二者与大气环境的相互作用机理十分重要。然而针对土壤温度和含水率在短时间尺度上所受的影响的研究却相对较少。

西南岩溶地区虽然大气降水充沛，但是受到表层岩溶带土壤层薄和储水能力弱等因素影响，使得土壤含水率成为岩溶区植被恢复主要限制条件。此外，土壤含水率不仅会影响岩溶区土壤自身的理化性质和植物的生长，而且会间接影响岩溶区局部区域气候变化[18]。因此，夏季暴雨对土壤温度和体积含水率的分布格局产生重要的影响，并直接关系到岩溶生态系统演变进程。为了阐明暴雨

事件对不同深度土壤温度和体积含水率的影响及暴雨事件在不同深度土壤的信号传递过程，选择岩溶分布最为典型的桂林地区作为研究对象。通过高分辨原位监测暴雨事件前后土壤温度和体积含水率的变化特征和规律，来解译暴雨事件信息在土壤中传递过程。

1 研究地区和研究方法

本文的研究区域位于广西壮族自治区桂林市，该市地处于低纬度地区，东经109°36′至111°29′，北纬24°15′至26°23′，平均海拔150 m。属于亚热带季风气候，四季分明，雨量充沛，夏季的降水主要受到夏季风的影响，4月至8月的降水量相对较大，年均气温19.5 ℃，年均降水量1 868 mm。研究区域地表覆盖植被主要为灌木丛，其优势种主要为檵木(Loropetalumchinense)、黄荆(Vitexnegundo)和龙须藤(Bayhiniachampionii)[19]。研究点所处地理位置如图1所示，位于桂林盘龙洞洞口附近。该洞穴顶部土壤类型以灰褐、黄褐色砂质粘土为主，土壤分布不均匀，厚度为30～70 cm。

2 研究方法

在盘龙洞洞穴入口坡地上挖深度70 cm土洞。由于20 cm土壤温度直接影响到土壤中生物的生长发育和分布，该处土壤受到大气温度、降水等气候因子的影响较大， 而70 cm处为土壤CO2浓度最高处[20]，并且土壤环境相对密闭不易受到大气温度、降水等气候因子的影响，因此分别在这两个深度的土层埋置型号为S-SMD-M005的HOBO土壤体积含水率探头和型号为S-TMB-M006的HOBO土壤温度探头(图2)。土壤体积含水率探头的测试精度优于0.031 m3/m3，土壤温度探头测试精度优于0.2 ℃。由于桂林地区降水主要集中4月份至6月份，使得每次暴雨事件信息容易相互叠加和影响，因此本次研