五道梁地區淺層地溫變化特征及其對凍土的影響

鞏俐 李路華 王發科 冶云娟 李積芳 鄧生寅

摘要 ? ?本研究采用五道梁氣象站的地溫資料，利用數理統計方法分析了該地區淺層地溫變化特征，探討了淺層地溫變化對凍土的影響。結果表明，11年來五道梁地區0、20 cm淺層地溫增減變化趨勢基本一致，呈略微減少趨勢，減少趨勢不明顯。五道梁地區淺層和深層土壤凍結期呈微略提前趨勢、解凍期呈微略推遲趨勢，提前和推遲趨勢均不明顯。淺層地溫與深層土壤凍結期成正相關關系，淺層地溫升高在一定程度上有利于深層土壤凍結期的推遲;淺層地溫與深層土壤解凍期成負相關關系，淺層地溫升高促使深層解凍期提前。

關鍵詞 ? ?淺層地溫;凍土;變化特征;五道梁地區

中圖分類號 ? ?P642.14;S152.8 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）20-0159-03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

凍土是在溫度下降到0 ℃或以下時，含有水分的土壤呈凍結狀態的一種現象，一般可分為短時凍土、季節凍土和多年凍土。多年凍土作為一種特殊地質體，區別于常規土的最本質特征是冰的存在，其對外界溫度變化十分敏感。因此，氣候是凍土重要的影響因素，氣候變化將影響凍土地區分布和冰凍滲透深度[1]。研究表明，由于氣候變暖，青藏高原東北部、東南部和南部凍土區厚度表現出變薄趨勢，青藏高原多年凍土面積減小和凍土下界高度升高[2-3]。地溫是反映多年凍土熱狀況的重要特征指標[4-6]，青藏高原年均氣溫自20世紀50年代開始在波動中升高[7-8]。在此背景下，青藏高原多年凍土出現了地溫升高、季節活動層厚度增加、多年凍土層厚度減小及南北界范圍收縮等現象，不同區域表現出了不同程度的退化[9-11]。五道梁位于青藏高原和西部高山地區，位于北緯34°40′～35°50′、東經89°30′～92°30′之間，面積約2.6萬km2，是可可西里自然保護區核心地帶，也是青藏鐵路必經之路。該區海拔高、氣候寒冷、空氣稀薄，屬高原山地氣候，生態環境脆弱。分析五道梁地區淺層地溫變化特征、探討淺層地溫對凍土的影響，對研究區保護生態環境、合理開展高寒建筑業、保障交通運輸安全等具有指導意義。

1 ? ?資料來源與研究方法

1.1 ? ?資料來源

本研究選取2009—2019年五道梁氣象站的地溫氣象資料，以地溫連續3 d<0 ℃的日期作為各層土壤凍結的日期，>0 ℃的日期作為各層土壤解凍的日期。

1.2 ? ?研究方法

本研究主要引入氣候傾向率和氣候趨勢系數判別分析五道梁地區凍土和地溫等氣象因素時間序列的趨勢變化特征及相關性。

1.2.1 ? ?氣候傾向率。對序列的趨勢變化用一次線性方程表示，即

y（t）=a0+a1t（1）

式（1）中，y（t）為氣象要素、t為時間、a0為常數項、a1為線性趨勢項，把a1×10 a作為氣象要素氣候傾向率。a1值的符號反映上升或下降的變化趨勢，a1<0表示在計算時段內呈下降趨勢，a1>0表示呈上升趨勢;a1值絕對值大小可度量其演變趨勢上升、下降的程度。

1.2.2 ? ?氣候趨勢系數。n個時刻的氣候要素序列與自然數列1，2，3，…，n的相關系數，即

式（2）中，r為氣候要素序列趨勢相關系數，可用相關系數統計檢驗方法檢驗氣候趨勢是否顯著，相關系數檢驗臨界值r0.05=0.553。n為年數，xi為第i年氣候要素值，x為氣候要素平均值，t=（n+1）/2，r值為正（負）時表示該要素在所計算的n年內有增加（減少）趨勢。

2 ? ?結果與分析

2.1 ? ?淺層地溫變化分析

2.1.1 ? ?淺層地溫月變化。分析五道梁地區0 cm和20 cm地溫月變化特征可知，0 cm和20 cm地溫月均最大值均出現在8月，分別為11.5 ℃和10.0 ℃，兩者相差較小，為1.5 ℃。0 cm最小值出現在2月，為-17.1 ℃;20 cm最小值出現在1月，為-9.4 ℃;二者相差較大，為7.7 ℃。其中，0 cm月平均地溫較20 cm平均地溫變化幅度大，見圖1（a）。

2.1.2 ? ?淺層地溫年變化。由圖1（b）可以看出，2009—2019年五道梁地區0 cm和20 cm地溫增減變化趨勢基本一致，20 cm月平均地溫較0 cm變化平穩，11年來呈略微減少趨勢，減少傾向率分別為0.35 ℃/10 a和0.04 ℃/10 a，減少趨勢不明顯，未通過0.05顯著檢驗。2019年與2009年相比，0 cm和20 cm地溫分別減少0.9 ℃和0.6 ℃。年平均地溫變化幅度與月一致，0 cm年平均地溫較20 cm年平均地溫變化幅度大。

2.2 ? ?淺層地溫變化對凍土的影響

2.2.1 ? ?淺層土壤凍結期和解凍期變化。由圖2（a）可以看出，五道梁地區0 cm和20 cm土壤先后于10月22日、11月2日開始凍結，凍結日期相差11 d。11年來，五道梁地區0 cm和20 cm土壤凍結日期變化一致，呈微略提前趨勢，提前傾向率分別為0.36 d/10 a和0.55 d/10 a，提前趨勢均不明顯。

由圖2（b）可以看出，五道梁地區0 cm和20 cm土壤先后于3月26日、4月12日開始解凍，解凍日期相差17 d。11年來，五道梁地區0 cm和20 cm土壤解凍日期變化也一致，呈微略推遲趨勢，推遲傾向率分別為0.31 d/10 a和0.39 d/10 a，推遲趨勢均不明顯。

上述分析表明，受淺層地溫略減少的影響，淺層土壤凍結期呈微略提前趨勢，而解凍期呈微略推遲趨勢，變化幅度均不明顯。

2.2.2 ? ?深層土壤凍結期對淺層地溫的響應。由圖3可知，五道梁地區0 cm地溫與80 cm、160 cm土壤凍結期成正相關關系，地溫每升高1 ℃，80 cm和160 cm土壤凍結期距平分別增加5.0 d和10.2 d，其中160 cm土壤凍結期通過0.05顯著檢驗，相關較明顯。因此，0 cm地溫升高深層土壤凍結期距平增加，即土壤凍結期推遲，土層越深土壤凍結期推遲日期越長。

20 cm地溫對80 cm、160 cm土壤凍結期的影響與0 cm地溫相似，也成正相關關系，地溫每升高1 ℃，80 cm和160 cm土壤凍結期距平分別增加8.8 d和21.6 d，均未通過0.05顯著檢驗，相關不明顯。因此，20 cm地溫升高在一定程度上有利于深層土壤凍結期推遲，但影響較0 cm地溫小。

2.2.3 ? ?深層土壤解凍期對淺層地溫的響應。由圖4可知，五道梁地區0 cm地溫與80 cm、160 cm土壤解凍期成負相關關系，地溫每升高1 ℃，80 cm和160 cm土壤解凍期距平分別減少7.4 d和8.4 d，均通過0.05顯著檢驗，相關較明顯。因此，0 cm地溫升高促使深層土壤解凍期距平減少，即土壤解凍期提前對80 cm土壤解凍期影響較160 cm土壤解凍期明顯。

20 cm地溫對80 cm、160 cm土壤解凍期的影響與0 cm地溫相似，也成負相關關系，地溫每升高1 ℃，80 cm和160 cm土壤解凍期距平分別減少22.4 d和24.9 d，均通過0.05顯著檢驗，相關較明顯。因此，20 cm地溫升高促使深層土壤解凍期距平減少，即與0 cm地溫相同，土壤解凍期提前對80 cm土壤解凍期影響較160 cm土壤解凍期明顯。

3 ? ?結論

（1）五道梁地區0 cm和20 cm淺層地溫增減變化趨勢基本一致，呈略微減少趨勢，減少傾向率分別為0.35 ℃/10 a和0.04 ℃/10 a，減少趨勢不明顯。

（2）受淺層地溫略減少的影響，淺層土壤凍結期呈微略提前趨勢、解凍期呈微略推遲趨勢，提前和推遲趨勢均不明顯。

（3）五道梁地區淺層地溫與深層土壤凍結期成正相關關系。0 cm地溫每升高1 ℃，80 cm和160 cm土壤凍結期距平分別增加5.0 d和10.2 d;20 cm地溫每升高1 ℃，80 cm和160 cm土壤凍結期距平分別增加8.8 d和21.6 d。表明淺層地溫升高在一定程度上有利深層土壤凍結期推遲，0 cm地溫對深層土壤凍結期的影響較20 cm地溫明顯。

（4）五道梁地區淺層地溫與深層土壤解凍期成負相關關系。0 cm地溫每升高1 ℃，80 cm和160 cm土壤解凍期距平分別減少7.4 d和8.4 d;20 cm地溫每升高1 ℃，80 cm和160 cm土壤解凍期距平分別減少22.4 d和24.9 d。表明淺層地溫升高促使深層解凍期提前，對80 cm土壤解凍期的影響較160 cm土壤解凍期明顯。

4 ? ?參考文獻

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