“土圭垚㙓”味告白：你的温度我来守护

作者：杨显轲（中国科学院大气物理研究所）

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

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天天陪家人看天气预报的你，注意过“土气”预报吗？

春耕正当时，农作物的播种生产离不开对土地温度等各种指标的测量。土地也不总是保持着敦厚稳重的人设，偶尔也会像一个“娇贵的小公主”，需要关心与呵护。那么，有求于土地的我们，如何准确地了解她的脾气呢？自然界中，又有谁和人类一样，守护着土地的温度，给予她专属的温柔？

土壤的“体温计”

要了解土壤的脾气，十分重要的便是拥有合适的“体温计”。土壤的体温计被称为地温表，常见的地温表分为曲管地温表和直管地温表。

图1 曲管温度计的简化示意图。不同于常见的温度计，曲管温度计表身长度不一，并且在感应部分上端弯折，与表身成135°夹角（图片来源：http://www.guayunfan.com/lsgs/30068.html）

图2 直管温度计的简化示意图。温度计装在带有铜底帽的管形保护框内，保护框中部有一长孔便于读取温度数。保护框的顶端连接有一根木棒，整个木棒和地温表（保护框）又放在一根硬橡胶套管内。（图片来源：http://www.guayunfan.com/lsgs/30068.html）

曲管地温表也称为表层地温表，通常有四支，分别插入地表不同深度。如图3所示，④⑤⑥⑦分别表示深度为5cm、10cm、15cm和20cm的曲管温度计，在观测场中由东向西排列，由浅至深。直管地温表又被称为深层地温表。图4的①②③④分别为深度40cm、80cm、160cm和320cm的直管温度计，从东向西，彼此间隔50cm，用于测量深层地温。

图3 观测站中的曲管温度计（④⑤⑥⑦）和地面温度表（①②③）（拍摄于南京信息工程大学观测场）

图4 观测站中的直管温度计（拍摄于南京信息工程大学观测场）

随着技术的进步与气象自动站的普及，目前对于表层和深层地温的测量都有相应的铂电阻地温传感器，主要是根据铂电阻随气温变化的原理来测定温度，安装位置和方法与地温表类似。与地温表相比，铂电阻地温传感器能够自动采样，提高观测数据采集的效率。依托在不同深度所建立的土壤温度数据库，能为当前的科学研究和农业生产活动提供十分重要的指导，为照顾土地“小公主”的脾气打下基础。

来自大气层的呵护

万物生长靠太阳，地球上的任何活动和能量都是来自于太阳，土壤温度的维持也不例外。

在白天，能量会从太阳源源不断地到达地球，这部分能量称为短波辐射。虽然持续获得了来自太阳的能量供给，但几亿年来地球的温度却一直相对稳定，没有无限制地增加。这是因为地球在获取能量的同时，也在向宇宙释放能量，这被称为长波辐射。这一进一出的热量近乎相等，使得地球的温度较为恒定。

图5 简化的地球能力收支图 （图片来源：Baike.com）

在不考虑大气层的情况下，根据进出的辐散平衡，我们可以粗略计算到地表的平均温度T = 255 K (-18℃)。这样的数值看着都冷——要知道，我们人体的舒适温度是18-24℃，也鲜有作物可以在这个温度下生长成熟。

而地球大气层的存在，则为地球上的生物撑起了一把保护伞。因为大气层对太阳短波辐射基本透明，而对地表长波辐射具有强烈的选择吸收。大气吸收了长波辐射的同时，又放射长波辐射，其中一部分逃逸向太空，另一部分又返回地表和低层大气，这被称为大气的逆辐射。考虑到大气层的热量进出平衡，计算近地面的温度可以达到T = 288 K (15℃)，很明显高于无大气存在时的地表平均温度，也很接近我们所感受的温度。因此，大气层就像是一层“隐形”的被子，给地球上的生物和土壤提供了合适的生存条件。

图6 考虑大气层后地球吸收和放出能量的示意图 （图片来源：Scott HD，2000）

“叛逆”的土壤

但实际上，来自大气层的精心呵护，并不总能得到土壤及时的回应。

最近，中科院大气物理研究所发表在《大气科学进展》（Advances in Atmospheric Sciences）的一项研究指出，越到土壤深处，大气层发挥的作用便越小，影响也越来越小。

从图7左列可以看出，随着深度的加深，地表气温对土壤温度的影响强度逐渐减弱。同时，土壤对地表气温的响应也会随之减慢，导致深层土壤对地表气温存在明显的滞后效应。如图7右列所示，地表气温的影响一般需要4-5个月才能传递到320厘米深的土壤，个别区域最长可达10个月。因此对于深层土壤而言，前一季度土壤温度记忆性对当季的影响甚至可以超过同期来自地表气温的影响。

图7 地表气温(AT)对不同深度土壤温度(ST)的强度和滞后时间影响（图片来源: Zhang et al, 2021）

从图8可以更加清楚直观地看到地表温度与土壤温度的差异性。地面温度的季节变化十分明显，并且在7月份达到最高值。相比之下，土壤的“反射弧”则显得比较长——例如深度4m的土壤，是在10月份达到最大值。此外，地表气温的变化范围为-2℃~22℃，由于得益于上层土壤的“保护”，越往深处，土壤的季节变化便越来越弱了：在4m的深度，温度的变化范围仅为5℃左右。

图8 北半球不同深度土壤温度的年变化（图片来源：WordPress.com.）

积雪：守护土壤的暖男

农谚说：“瑞雪兆丰年”，“小雪雪满天，来年必丰年”。这是劳动人民在长期的生产实践中的总结，都肯定了雪对农业生产的积极作用。其实，除了预示来年丰收，积雪也是一枚不折不扣的“暖男”。

积雪的作用与大气层类似，也是类似于一层薄薄的被子盖在土壤上。白天，当雪覆盖地面时，入射的辐射会被雪反射到太空中。一个物体反射的太阳辐射量被称为它的反照率。对于新鲜的积雪，反照率可以高达80-90%，与之相比，普通地面仅15-30%。因此，大部分入射的辐射会被反射到太空中，使白天地表温度升幅不大。到了晚上，积雪会阻碍地面向上空发射长波辐射，使得地面损失的热量少，从而使得降温幅度小。

图9 不同土地类型的反照率（图片来源：dtn.com）

不仅如此，积雪在一定程度上也隔绝了地表空气温度和表层土壤温度，在积雪保温作用的影响下，土壤表层温度的变化幅度更小，且要高于空气温度。以美国的罗斯维尔（Roseville）城为例，在整个冬季，其土壤温度都高于空气温度（32F=0℃）。在2月份，随着积雪的加深，“被子”不断加厚，对土壤温度的保暖效果也会更好。

图10 罗斯维尔（Roseville）（35°23' N, 93°47' W）的平均气温和土壤温度变化，该地区1月份积雪覆盖较少，2月份积雪覆盖较多（图片来源：Dominic Christensen）

除此之外，雪融化后大部分会渗透进入土中，对缓解春旱和春耕大有好处；在下落的过程中，雪还能吸附很多杂质，通过化学反应生成氮化物，成为农作物生长发育的优质肥料。

不过，积雪的影响不仅仅是“兆丰年”，甚至可以影响更长时间尺度的气候。上述研究还指出，即使在本世纪初的全球变暖停滞期（1998-2012年），冬季浅层土壤温度在积雪保温作用影响下依旧保持升温趋势（图11中红线所示），尤以我国东北地区较为明显，这与地表温度的变化趋势形成了鲜明的对比（图11中蓝线所示）。

地表温度和土壤温度截然不同的变化趋势成功吸引了科学家的注意——进一步研究发现，在1998到2012年期间，冬季地表温度呈现降温的趋势，这有助于雪深增大，从而使得土壤上方的这层“被子”变厚，表层土壤的保温能力也越来越强，甚至使得表层土壤温度呈现上升的趋势。从这个角度来看，积雪确实是一名合格的“暖男”。

图11 地表气温(AT)和不同深度土壤温度(ST)在冬季和春季的线性趋势变化（图片来源: Zhang et al, 2021）

大气层和积雪用行动默默守护着土壤的温度，使得作物在相对温暖的环境里“伸胳膊展腿”，从而把自己养得肥肥美美。正是因为土壤温度会直接影响植物的生长，所以现代农业才需要对土壤温度变化进行深入研究，从而及时指导生产，采取有效措施来达到改善的目的，进而实现优质高产的生产目标。

参考文献：

[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] 维基百科：

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

[3] 中国气象局. 地面气象观测规范. 北京：气象出版社，2003.

[4] Scott, H. Don. Soil physics: Agricultural and environmental applications. Iowa state university press, 2000.

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

[6] Sanders‐DeMott, Rebecca, et al. "Snow depth, soil temperature and plant–herbivore interactions mediate plant response to climate change." Journal of Ecology 106.4 (2018): 1508-1519.

[7] Zhang, H. X., N. M. Yuan, Z. G. Ma, and Y. Huang, 2021: Understanding the soil temperature variability at different depths: Effects of surface air temperature, snow cover, and the soil memory. Adv.Atmos.Sci.,38(3),493−503,https://doi.org/10.1007/s00376-020-0074-y