“土圭垚?”味告白：你的溫度我來(lái)守護(hù)

作者：楊顯軻（中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所）

文章來(lái)源于科學(xué)大院公眾號(hào)（ID：kexuedayuan）

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天天陪家人看天氣預(yù)報(bào)的你，注意過(guò)“土氣”預(yù)報(bào)嗎？

春耕正當(dāng)時(shí)，農(nóng)作物的播種生產(chǎn)離不開(kāi)對(duì)土地溫度等各種指標(biāo)的測(cè)量。土地也不總是保持著敦厚穩(wěn)重的人設(shè)，偶爾也會(huì)像一個(gè)“嬌貴的小公主”，需要關(guān)心與呵護(hù)。那么，有求于土地的我們，如何準(zhǔn)確地了解她的脾氣呢？自然界中，又有誰(shuí)和人類(lèi)一樣，守護(hù)著土地的溫度，給予她專(zhuān)屬的溫柔？

土壤的“體溫計(jì)”

要了解土壤的脾氣，十分重要的便是擁有合適的“體溫計(jì)”。土壤的體溫計(jì)被稱(chēng)為地溫表，常見(jiàn)的地溫表分為曲管地溫表和直管地溫表。

圖1 曲管溫度計(jì)的簡(jiǎn)化示意圖。不同于常見(jiàn)的溫度計(jì)，曲管溫度計(jì)表身長(zhǎng)度不一，并且在感應(yīng)部分上端彎折，與表身成135°夾角（圖片來(lái)源：http://www.guayunfan.com/lsgs/30068.html）

圖2 直管溫度計(jì)的簡(jiǎn)化示意圖。溫度計(jì)裝在帶有銅底帽的管形保護(hù)框內(nèi)，保護(hù)框中部有一長(zhǎng)孔便于讀取溫度數(shù)。保護(hù)框的頂端連接有一根木棒，整個(gè)木棒和地溫表（保護(hù)框）又放在一根硬橡膠套管內(nèi)。（圖片來(lái)源：http://www.guayunfan.com/lsgs/30068.html）

曲管地溫表也稱(chēng)為表層地溫表，通常有四支，分別插入地表不同深度。如圖3所示，④⑤⑥⑦分別表示深度為5cm、10cm、15cm和20cm的曲管溫度計(jì)，在觀測(cè)場(chǎng)中由東向西排列，由淺至深。直管地溫表又被稱(chēng)為深層地溫表。圖4的①②③④分別為深度40cm、80cm、160cm和320cm的直管溫度計(jì)，從東向西，彼此間隔50cm，用于測(cè)量深層地溫。

圖3 觀測(cè)站中的曲管溫度計(jì)（④⑤⑥⑦）和地面溫度表（①②③）（拍攝于南京信息工程大學(xué)觀測(cè)場(chǎng)）

圖4 觀測(cè)站中的直管溫度計(jì)（拍攝于南京信息工程大學(xué)觀測(cè)場(chǎng)）

隨著技術(shù)的進(jìn)步與氣象自動(dòng)站的普及，目前對(duì)于表層和深層地溫的測(cè)量都有相應(yīng)的鉑電阻地溫傳感器，主要是根據(jù)鉑電阻隨氣溫變化的原理來(lái)測(cè)定溫度，安裝位置和方法與地溫表類(lèi)似。與地溫表相比，鉑電阻地溫傳感器能夠自動(dòng)采樣，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)采集的效率。依托在不同深度所建立的土壤溫度數(shù)據(jù)庫(kù)，能為當(dāng)前的科學(xué)研究和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)提供十分重要的指導(dǎo)，為照顧土地“小公主”的脾氣打下基礎(chǔ)。

來(lái)自大氣層的呵護(hù)

萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)，地球上的任何活動(dòng)和能量都是來(lái)自于太陽(yáng)，土壤溫度的維持也不例外。

在白天，能量會(huì)從太陽(yáng)源源不斷地到達(dá)地球，這部分能量稱(chēng)為短波輻射。雖然持續(xù)獲得了來(lái)自太陽(yáng)的能量供給，但幾億年來(lái)地球的溫度卻一直相對(duì)穩(wěn)定，沒(méi)有無(wú)限制地增加。這是因?yàn)榈厍蛟讷@取能量的同時(shí)，也在向宇宙釋放能量，這被稱(chēng)為長(zhǎng)波輻射。這一進(jìn)一出的熱量近乎相等，使得地球的溫度較為恒定。

圖5 簡(jiǎn)化的地球能力收支圖 （圖片來(lái)源：Baike.com）

在不考慮大氣層的情況下，根據(jù)進(jìn)出的輻散平衡，我們可以粗略計(jì)算到地表的平均溫度T = 255 K (-18℃)。這樣的數(shù)值看著都冷——要知道，我們?nèi)梭w的舒適溫度是18-24℃，也鮮有作物可以在這個(gè)溫度下生長(zhǎng)成熟。

而地球大氣層的存在，則為地球上的生物撐起了一把保護(hù)傘。因?yàn)榇髿鈱訉?duì)太陽(yáng)短波輻射基本透明，而對(duì)地表長(zhǎng)波輻射具有強(qiáng)烈的選擇吸收。大氣吸收了長(zhǎng)波輻射的同時(shí)，又放射長(zhǎng)波輻射，其中一部分逃逸向太空，另一部分又返回地表和低層大氣，這被稱(chēng)為大氣的逆輻射。考慮到大氣層的熱量進(jìn)出平衡，計(jì)算近地面的溫度可以達(dá)到T = 288 K (15℃)，很明顯高于無(wú)大氣存在時(shí)的地表平均溫度，也很接近我們所感受的溫度。因此，大氣層就像是一層“隱形”的被子，給地球上的生物和土壤提供了合適的生存條件。

圖6 考慮大氣層后地球吸收和放出能量的示意圖 （圖片來(lái)源：Scott HD，2000）

“叛逆”的土壤

但實(shí)際上，來(lái)自大氣層的精心呵護(hù)，并不總能得到土壤及時(shí)的回應(yīng)。

最近，中科院大氣物理研究所發(fā)表在《大氣科學(xué)進(jìn)展》（Advances in Atmospheric Sciences）的一項(xiàng)研究指出，越到土壤深處，大氣層發(fā)揮的作用便越小，影響也越來(lái)越小。

從圖7左列可以看出，隨著深度的加深，地表氣溫對(duì)土壤溫度的影響強(qiáng)度逐漸減弱。同時(shí)，土壤對(duì)地表氣溫的響應(yīng)也會(huì)隨之減慢，導(dǎo)致深層土壤對(duì)地表氣溫存在明顯的滯后效應(yīng)。如圖7右列所示，地表氣溫的影響一般需要4-5個(gè)月才能傳遞到320厘米深的土壤，個(gè)別區(qū)域最長(zhǎng)可達(dá)10個(gè)月。因此對(duì)于深層土壤而言，前一季度土壤溫度記憶性對(duì)當(dāng)季的影響甚至可以超過(guò)同期來(lái)自地表氣溫的影響。

圖7 地表氣溫(AT)對(duì)不同深度土壤溫度(ST)的強(qiáng)度和滯后時(shí)間影響（圖片來(lái)源: Zhang et al, 2021）

從圖8可以更加清楚直觀地看到地表溫度與土壤溫度的差異性。地面溫度的季節(jié)變化十分明顯，并且在7月份達(dá)到最高值。相比之下，土壤的“反射弧”則顯得比較長(zhǎng)——例如深度4m的土壤，是在10月份達(dá)到最大值。此外，地表氣溫的變化范圍為-2℃~22℃，由于得益于上層土壤的“保護(hù)”，越往深處，土壤的季節(jié)變化便越來(lái)越弱了：在4m的深度，溫度的變化范圍僅為5℃左右。

圖8 北半球不同深度土壤溫度的年變化（圖片來(lái)源：WordPress.com.）

積雪：守護(hù)土壤的暖男

農(nóng)諺說(shuō)：“瑞雪兆豐年”，“小雪雪滿(mǎn)天，來(lái)年必豐年”。這是勞動(dòng)人民在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中的總結(jié)，都肯定了雪對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的積極作用。其實(shí)，除了預(yù)示來(lái)年豐收，積雪也是一枚不折不扣的“暖男”。

積雪的作用與大氣層類(lèi)似，也是類(lèi)似于一層薄薄的被子蓋在土壤上。白天，當(dāng)雪覆蓋地面時(shí)，入射的輻射會(huì)被雪反射到太空中。一個(gè)物體反射的太陽(yáng)輻射量被稱(chēng)為它的反照率。對(duì)于新鮮的積雪，反照率可以高達(dá)80-90%，與之相比，普通地面僅15-30%。因此，大部分入射的輻射會(huì)被反射到太空中，使白天地表溫度升幅不大。到了晚上，積雪會(huì)阻礙地面向上空發(fā)射長(zhǎng)波輻射，使得地面損失的熱量少，從而使得降溫幅度小。

圖9 不同土地類(lèi)型的反照率（圖片來(lái)源：dtn.com）

不僅如此，積雪在一定程度上也隔絕了地表空氣溫度和表層土壤溫度，在積雪保溫作用的影響下，土壤表層溫度的變化幅度更小，且要高于空氣溫度。以美國(guó)的羅斯維爾（Roseville）城為例，在整個(gè)冬季，其土壤溫度都高于空氣溫度（32F=0℃）。在2月份，隨著積雪的加深，“被子”不斷加厚，對(duì)土壤溫度的保暖效果也會(huì)更好。

圖10 羅斯維爾（Roseville）（35°23' N, 93°47' W）的平均氣溫和土壤溫度變化，該地區(qū)1月份積雪覆蓋較少，2月份積雪覆蓋較多（圖片來(lái)源：Dominic Christensen）

除此之外，雪融化后大部分會(huì)滲透進(jìn)入土中，對(duì)緩解春旱和春耕大有好處；在下落的過(guò)程中，雪還能吸附很多雜質(zhì)，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成氮化物，成為農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的優(yōu)質(zhì)肥料。

不過(guò)，積雪的影響不僅僅是“兆豐年”，甚至可以影響更長(zhǎng)時(shí)間尺度的氣候。上述研究還指出，即使在本世紀(jì)初的全球變暖停滯期（1998-2012年），冬季淺層土壤溫度在積雪保溫作用影響下依舊保持升溫趨勢(shì)（圖11中紅線所示），尤以我國(guó)東北地區(qū)較為明顯，這與地表溫度的變化趨勢(shì)形成了鮮明的對(duì)比（圖11中藍(lán)線所示）。

地表溫度和土壤溫度截然不同的變化趨勢(shì)成功吸引了科學(xué)家的注意——進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在1998到2012年期間，冬季地表溫度呈現(xiàn)降溫的趨勢(shì)，這有助于雪深增大，從而使得土壤上方的這層“被子”變厚，表層土壤的保溫能力也越來(lái)越強(qiáng)，甚至使得表層土壤溫度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。從這個(gè)角度來(lái)看，積雪確實(shí)是一名合格的“暖男”。

圖11 地表氣溫(AT)和不同深度土壤溫度(ST)在冬季和春季的線性趨勢(shì)變化（圖片來(lái)源: Zhang et al, 2021）

大氣層和積雪用行動(dòng)默默守護(hù)著土壤的溫度，使得作物在相對(duì)溫暖的環(huán)境里“伸胳膊展腿”，從而把自己養(yǎng)得肥肥美美。正是因?yàn)橥寥罍囟葧?huì)直接影響植物的生長(zhǎng)，所以現(xiàn)代農(nóng)業(yè)才需要對(duì)土壤溫度變化進(jìn)行深入研究，從而及時(shí)指導(dǎo)生產(chǎn)，采取有效措施來(lái)達(dá)到改善的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的生產(chǎn)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 百度百科：https://baike.baidu.com/item/%E6%B8%A9%E5%AE%A4%E6%95%88%E5%BA%94/138447?fr=aladdin

[2] 維基百科：

https://en.wikipedia.org/wiki/Global_warming_hiatus

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[5] Zhang, Tingjun. "Influence of the seasonal snow cover on the ground thermal regime: An overview." Reviews of Geophysics 43.4 (2005).

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