秦岭北部山麓地区土壤热通量和地表太阳辐射的时间变化及其环境驱动因素

《Frontiers in Environmental Science》：Temporal variation and environmental drivers of soil heat flux and surface solar radiation in the northern Qinling foothills

　　秦岭北麓2021-2023年观测显示土壤热通量（G）呈现显著的“S”型日变化和季节差异，日尺度与地表太阳辐射相关系数R2=0.85，月尺度达0.92，揭示G受太阳辐射主导且受环境因子协同调控。温度、湿度、风速正相关，降雨、气压负相关。研究为山地生态系统能量平衡及植被物候预测提供数据支撑。

　　在北方秦岭山麓地区，土壤热通量（G）与地表太阳辐射之间的时空变化及其与环境因素的相关性，是理解区域土壤-植被-大气系统能量交换机制的重要切入点。该研究基于2021至2023年的气象数据，对土壤热通量及地表太阳辐射的动态变化进行了系统分析，并探讨了其与环境因素之间的相互作用。研究结果表明，土壤热通量在不同时间尺度上表现出显著的时空特征，尤其是在日尺度和月尺度上，其与地表太阳辐射的相关性达到较高水平，分别为R2=0.85和R2=0.92，且相关性具有统计学意义（p < 0.001）。这些发现不仅深化了对区域能量平衡机制的理解，也为山地生态系统中能量循环的研究提供了科学依据，同时为可持续的生态管理提供了数据支持。

土壤热通量的变化模式受到多种环境因素的共同影响，包括温度、土壤湿度、风速等，这些因素与土壤热通量呈现显著的正相关关系，而降雨和大气压则表现出负相关。这一现象揭示了土壤热通量在不同环境条件下的响应机制，例如降雨事件会通过增加土壤湿度，降低热传导效率，从而抑制土壤热通量。同时，风速的增加则会通过增强地表蒸发冷却作用，削弱土壤热通量的大小。土壤热通量的这些变化不仅影响地表能量平衡，还对植被生长和农业管理产生深远影响，如土壤温度的变化对竹子的发芽周期具有决定性作用。因此，深入研究土壤热通量与地表太阳辐射之间的耦合关系，有助于揭示山地生态系统中能量交换的调控机制。

在北方秦岭山麓地区，土壤热通量的昼夜变化呈现出典型的“S”型曲线，这种变化模式与太阳辐射的强度密切相关。白天，随着太阳辐射的增强，土壤热通量从大气和地表向深层土壤传递，导致土壤温度上升；而夜晚，太阳辐射减弱，土壤热通量则从深层土壤向地表和大气释放，土壤温度随之下降。这种昼夜交替的热通量变化不仅反映了土壤热传导的基本规律，也揭示了山地生态系统中热交换的动态过程。研究还发现，不同季节的土壤热通量变化趋势存在差异，例如在春季和夏季，土壤热通量通常为正值，表明土壤在吸收热量，而秋季和冬季则呈现负值，说明土壤在释放热量。这种季节性变化模式主要由太阳辐射的强度变化驱动，同时也受到其他环境因素的调节。

从时间尺度的角度来看，土壤热通量与地表太阳辐射之间的相关性在月尺度上表现得更为显著。这可能是由于日尺度上的短暂气象扰动，如突然的云层变化、降水事件或风速波动，使得太阳辐射与土壤热通量之间的同步性受到影响。相比之下，月尺度上的平均值能够有效滤除这些短期波动，从而增强两者之间的线性关系。这种分析方法不仅提高了研究的准确性，也为山地生态系统中的能量平衡建模提供了新的思路。例如，在区域气候模型的参数化过程中，考虑土壤热通量与太阳辐射之间的月尺度相关性，有助于更精确地模拟山地环境下的能量交换过程。

此外，土壤热通量的变化对区域生态系统的能量闭合具有重要影响。研究表明，忽略土壤热通量会导致能量闭合率降低5%至8%，这说明在生态研究中，土壤热通量是一个不可忽视的变量。特别是在农业领域，土壤热通量的变化可以作为优化灌溉策略的重要依据。例如，在冬小麦生长的关键阶段，当土壤热通量的日均值超过一定阈值时，土壤能够维持足够的水分供应，从而支持作物的正常生长。这一发现为农民提供了科学依据，使其可以根据土壤热通量的变化情况，调整灌溉频率，以减少水资源的浪费，同时保持作物产量。这种农业管理策略的优化，不仅有助于提高水资源利用效率，也对区域生态系统的可持续发展具有积极意义。

在北方秦岭山麓地区，土壤热通量与地表太阳辐射之间的强相关性，也反映了该地区独特的气候和土壤特性。例如，该地区年均降水较多，土壤湿度较高，这在一定程度上影响了土壤热传导的效率。同时，该地区属于温带大陆性季风气候，降水和热量集中在同一季节，这种气候特征使得土壤热通量的季节性变化更加明显。此外，该地区地形复杂，植被覆盖丰富，这些因素也对土壤热通量的动态变化产生影响。因此，土壤热通量的变化不仅受到太阳辐射的直接调控，还受到其他环境因素的间接影响，如温度、风速和土壤湿度等。

本研究的局限性在于，实验地点采用的是裸地设计，可能无法完全代表植被覆盖的实际情况。因此，未来的研究可以扩展至包含植被覆盖的区域，以进一步探讨植被对土壤热通量的影响，并提高研究结果的普适性。此外，研究仅基于3年的数据，难以全面反映长期气候变化的趋势。未来的工作可以利用多十年的观测数据，结合遥感技术（如MODIS地表温度数据）和区域气候模型（如WRF-LSM模型），以扩大研究范围，分析土壤热通量对极端气候事件（如长期干旱或强降雨）的响应机制。这将有助于更深入地理解山地生态系统中能量交换的动态过程，并为全球气候变化研究提供新的视角。

总体而言，该研究不仅揭示了土壤热通量与地表太阳辐射之间的强相关性，还探讨了其与多种环境因素的相互作用机制。这些发现对于理解山地生态系统中的能量交换过程具有重要意义，同时也为农业管理和生态修复提供了科学依据。通过进一步整合多源数据和模型，未来的研究有望更全面地揭示土壤热通量在不同时间和空间尺度上的变化规律，从而推动对全球陆地生态系统能量平衡的深入研究。