天山北坡融雪期下墊面土壤濕度變化研究

段斌斌，李誠志，劉志輝

(1.新疆大學(xué) 干旱生態(tài)環(huán)境研究所，新疆 烏魯木齊 830046；2.綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046；3.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046)

土壤是地-氣系統(tǒng)的重要組成部分，是研究陸面過程和氣候變化的重要方面[1-2]。土壤濕度積累了大量的地表水文過程信息，研究土壤濕度變化規(guī)律，對于認(rèn)識氣候系統(tǒng)變化、模擬預(yù)報局部天氣以及在西北干旱區(qū)制定適宜的灌溉措施具有重要意義[3-4]。近年來，土壤濕度的研究內(nèi)容主要是單一下墊面情況的變化規(guī)律。針對不同的區(qū)域尺度，很多學(xué)者運用實測和模型模擬的土壤濕度，分析了土壤濕度二維的時空變化特征和周期變化趨勢,氣溫、降水、蒸散發(fā)以及相對濕度和土壤濕度的相互關(guān)系[5-11]。有學(xué)者研究了天山北坡融雪期土壤濕度的影響因子[12]，得出在融雪期，氣溫是土壤濕度變化的最大影響因子，降水，雪深，土壤溫度也是影響土壤濕度變化的不可忽略的因子。此外，還有學(xué)者研究了特定下墊面對土壤濕度的影響：沈振西等[13]研究了在藏北高原不同海拔高度的高寒草甸植被指數(shù)與土壤溫濕度的關(guān)系，分析了下墊面為高寒草甸時的土壤濕度變化；俞潔輝等[14]研究了念青唐古拉山北麓草甸分布上限土壤溫濕度的季節(jié)變化，得出與低海拔處草甸相比，草甸分布上限處的土壤溫度和土壤未凍水含量均明顯偏低；張娟等[15]在青藏高原玉樹地區(qū)典型高寒草甸區(qū)通過對土壤溫、濕不同時期的特征分析，5月中旬至8月中旬，土壤濕度與土壤溫度呈現(xiàn)相反的變化趨勢，而在其余時期土壤溫濕變化趨勢一致；廖小荷等[16]分析了塔克拉瑪干沙漠腹地冬季積雪下墊面土壤溫濕度的變化特征，認(rèn)為降雪作為固態(tài)降水，其消融過程必然引起土壤濕度的變化；宋海清等[17]研究了內(nèi)蒙古地區(qū)下墊面變化對土壤濕度數(shù)值模擬的影響。綜上所述，以上研究著重分析了土壤濕度的變化規(guī)律、區(qū)域時空分布特征、高寒草甸等單一下墊面土壤濕度的變化規(guī)律，考慮下墊面因素的土壤濕度，研究區(qū)域主要是在青藏高原地區(qū)，而對于天山山區(qū)融雪期不同下墊面的土壤濕度的研究較少。天山北坡是新疆經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)，城鎮(zhèn)最為密集的地區(qū)[18],同時也是融雪型洪水多發(fā)易發(fā)區(qū)[19]。本研究以天山北坡典型流域-軍塘湖河流域為例，通過定點連續(xù)觀測獲得融雪期不同下墊面土壤溫濕度，研究林地、林間草地和草地三種下墊面對融雪期間土壤濕度的影響，這對干旱區(qū)融雪徑流模型中土壤濕度參數(shù)化方案優(yōu)選輸入、模擬融雪洪水形成過程和提高洪水預(yù)報精度有著重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

軍塘湖河位于新疆昌吉回族自治州呼圖壁縣境內(nèi)，發(fā)源于天山北坡中山帶的特爾斯蓋南緣三道馬場以西的特里斯喀達(dá)坂，地勢南高北低，東溝、西溝兩大支流在下游低山帶瑪扎爾匯合，流入出山口的紅山水庫，流域面積1 218 km2，流域海拔700～3 500 m。土壤主要有山地栗鈣土、灰鈣土、棕鈣土和灌溉棕鈣土等，上游為森林(天山云杉)，中下游為草地(琵琶柴、苔草狐茅、梭梭、鐵桿篙)、裸地和農(nóng)田。該流域冬季漫長，夏季炎熱，多年平均氣溫為6.9 ℃，冬季多年平均積雪厚度約22 cm，流域多年平均潛在蒸發(fā)量為2 383.94 mm；多年平均徑流量3.89×108m3，融雪是河流春季主要補給源。流域積雪在每年的2月底開始融化，于3月底4月初融化結(jié)束，融雪期1個月左右，融雪期經(jīng)常發(fā)生春汛洪水[20]。

圖1 監(jiān)測站位置示意圖Fig.1 The location of monitoring station

1.2 數(shù)據(jù)獲取

2016年1月在研究區(qū)上游森林區(qū)、林間草地和中下游草地分別架設(shè)三臺自動小型氣象站(錦州陽光氣象有限公司)，氣象站架設(shè)地點及其采集數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 氣象站點位置及其采集數(shù)據(jù)情況

在每個氣象站點的土壤中設(shè)置5層土壤溫度、濕度傳感器：5 cm土壤濕度、10 cm土壤濕度、20 cm土壤濕度、30 cm土壤濕度、40 cm土壤濕度，土壤溫度探頭的埋設(shè)位置與土壤濕度在同一高度。數(shù)據(jù)采樣間隔為30 min，精度為 ±0.1%。本文監(jiān)測所得土壤濕度均為土壤中未凍水含量，土壤中的冰含量未在計算之列。

1.3 研究方法

相關(guān)性分析是指對兩個或多個具備相關(guān)性的變量元素進(jìn)行分析，從而衡量兩個變量因素的相關(guān)密切程度，相關(guān)系數(shù)是研究變量之間線性相關(guān)程度的量，又叫線性相關(guān)系數(shù)，用來度量兩個變量間的線性關(guān)系。本文采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)[21]，計算公式如下：

(1)

2 結(jié)果與分析

2.1 融雪期不同下墊面氣溫變化

三個站點于2月25日前后開始融雪，從圖2可知，在整個融雪期，三個站點氣溫整體呈波動上升趨勢，經(jīng)歷上升-波動-再上升的過程。根據(jù)日均氣溫變化，將整個融雪期劃分為初始期(2月25日至2月28日)-波動期(2月29日至3月15日)-穩(wěn)定期(3月16日至3月23日)。融雪初始期，三個站氣溫都經(jīng)歷一個快速回升過程。融雪開始時愛民橋站、東溝站氣溫均在0 ℃以下，其中愛民橋站初始?xì)鉁刈畹停瑲鉁剡_(dá) -14 ℃。東溝站氣溫在融雪初始期快速上升到0 ℃以上，西溝站氣溫則在0 ℃以上，東溝、西溝站融雪過程開始。融雪波動期，三個站溫度均出現(xiàn)大幅度的波動。愛民橋站氣溫一直處于0 ℃以下；東溝站在融雪波動前期位于0 ℃以上，波動后期一直處于0 ℃以下；西溝站則經(jīng)歷了3次0 ℃以上的波動。3月15日前后，三站氣溫幾乎同時突破0 ℃，融雪進(jìn)入穩(wěn)定期。其中愛民橋站和東溝站氣溫一直處于在0 ℃以上，而西溝站有2次短暫的零下波動。就融雪期的平均氣溫來看，愛民橋站平均氣溫最低，為-3.23 ℃，其次是東溝，為-0.61℃，西溝最高，為 -0.59 ℃。經(jīng)過對三種下墊面融雪期的氣溫變化的方差分析，愛民橋草地站氣溫方差最大，為23.44，其次是西溝，為17.80，東溝最小，為17.62。

圖2 融雪期不同下墊面氣溫變化Fig.2 Different maturing snow melt surface temperature changes

2.2 融雪期不同下墊面土壤溫度變化

從圖3可知，融雪期間，不同下墊面的各層土壤溫度隨著氣溫的變化而變化，但不同下墊面的土壤溫度變化又存在較大的差異。草地(愛民橋站)土壤溫度，經(jīng)歷上升-下降-再上升的波動過程(圖3a)。在融雪初始期和波動期(3月16日前)，草地各層土壤溫度均低于0 ℃，從表層向下層土壤溫度越來越高；在融雪穩(wěn)定期，草地各層土壤溫度均大于0 ℃，從表層向下層，土壤溫度呈現(xiàn)越來越低的趨勢。林間草地(東溝站)各層土壤溫度在融雪期同樣經(jīng)歷了上升-下降-再上升的波動過程(圖3b)，但各層土壤溫度相對于草地存在一定的差異。林間草地各層土壤溫度在整個融雪期均呈現(xiàn)為上層土壤溫度高和下層土壤溫度低的特點；在兩個低溫點(2月25日和3月11日)各層土壤溫度十分接近；在融雪穩(wěn)定期，各層土壤溫度并非表現(xiàn)出同時達(dá)到0 ℃的狀態(tài)，而是由表層向下層依次上升到0 ℃。林地(西溝站)的各層土壤溫度總體呈現(xiàn)為上升-然后趨于穩(wěn)定(圖3c)。融雪初始期，林地的各層土壤溫度迅速增溫，各層土壤溫度均達(dá)到0 ℃左右；融雪波動期至融雪穩(wěn)定期，除淺層5 cm土壤溫度有一小幅零下波動，其余各層土壤溫度均在融雪溫度臨界值。林地土壤溫度整體上呈現(xiàn)上層土壤溫度低，下層土壤溫度高的現(xiàn)象，各層土壤溫度與草地、林間草地的土壤溫度存在較大差異。

因探頭松動西溝林地站20 cm處的土壤溫度數(shù)據(jù)缺失The soil temperature data at 20 cm at Xigoulin Station was missing due to the loose probe圖3 融雪期不同下墊面土壤溫度變化Fig.3 Changes in the soil temperature of the different underlying surface in snow melt periods

2.3 融雪期不同下墊面土壤濕度變化

選取三個氣象站同時間段內(nèi)(2月25日—3月22日)的土壤濕度進(jìn)行對比分析，圖4示意融雪期不同下墊面土壤濕度變化。

圖4 融雪期不同下墊面土壤濕度變化Fig.4 Change of soil moisture under different underlying surface in snow melt period

2.3.1 草地下墊面土壤濕度變化 愛民橋站位于河流出山口平原地區(qū)，放牧期草地蓋度80%左右，土壤以砂壤土為主。根據(jù)圖4a可知，融雪初始期各層土壤濕度基本近似保持在5.0%以下。根據(jù)圖4a可知：愛民橋站40 cm土壤濕度在整個融雪波動期呈現(xiàn)輕微的“雙峰”形狀，但第二峰值出現(xiàn)之后，其值保持在一個相對穩(wěn)定的區(qū)間；此后，各層土壤濕度值均出現(xiàn)明顯降低的現(xiàn)象。根據(jù)融雪期氣溫的變化，3月15日，愛民橋草地站日均氣溫突破0 ℃，此后進(jìn)入穩(wěn)定融雪期,此時段，由于融雪水下滲和土壤表層的全部融通(土壤冰)，表層5 cm土壤濕度值遠(yuǎn)高于其它各層。從土壤濕度的垂深分布變化分析可得：在整個融雪期，土壤濕度自表層向下呈增加趨勢。

2.3.2 林間草地下墊面土壤濕度變化 東溝站處于研究區(qū)中上游山區(qū)，植被主要以云杉、雪松和山地草甸為主，林草比為3∶7。從圖4b可知，淺層土壤(5 cm、10 cm)濕度在整個融雪期波動劇烈，而深層土壤(20 cm以下)變化幅度不大。在融雪初始期，土壤濕度隨著深度增加而增加。融雪初始期的土壤濕度變化特征為：從表層向下土壤濕度增大。在融雪波動期，深層土壤濕度基本保持在一個穩(wěn)定小幅上升過程：20 cm土壤濕度(13.70%～17.24%)、30 cm土壤濕度(18.32%～20.38%)、40 cm土壤濕度(19.78%～22.20%)；淺層5cm土壤濕度和10 cm土壤濕度均在3月3日前后達(dá)到融雪期最大值，5 cm土壤濕度在3月1日前后達(dá)到最大值，值為18.90%，而10 cm土壤濕度的最大值滯后于5 cm土壤濕度，于3月3日達(dá)到最大值，值為29.17%。從整個融雪期來看，淺層5 cm和10 cm土壤濕度波動幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于20 cm層及以下土壤濕度。

2.3.3 林地下墊面土壤濕度變化 西溝站架設(shè)于中上游的林地，其主要建群種為雪松(CedrusDeodara)和云杉(PiceaSchrenkiana)。根據(jù)圖4c可知，整個融雪期，各層土壤濕度的變化都經(jīng)歷了“三升三降”的變化過程。在融雪初期伊始，各層土壤濕度值均較低，隨后各層土壤濕度經(jīng)歷了一個短暫但急劇的增加過程，達(dá)到第一階段峰值，此時段，各層土壤濕度值均達(dá)到20%左右。峰值過后，各層土壤濕度出現(xiàn)不同程度的下降(下降的幅度遠(yuǎn)小于上升的幅度)，于3月5日前后，各層土壤濕度降至20%～28%。從3月5日前后開始，只有5 cm土壤濕度出現(xiàn)一定幅度的下降之外，其它各層土濕值均第二次大幅上升，于3月7日前后達(dá)到第二階段峰值，此時各層土壤濕度均達(dá)到整個融雪的最大值。3月7日—3月10日前后，各層土濕值經(jīng)歷了較大幅度的下降，平均下降幅度6.5%。3月10日以后，10 cm土壤濕度持續(xù)下降至15%左右后保持穩(wěn)定變化，直至融雪期末期；5 cm土壤濕度以每天1.04%的速率增長至融雪期末期；而20 cm土壤濕度和30 cm土壤濕度則分別以每天1.7%和2.34%的速率下降至融雪末期；40 cm土壤濕度從3月9日的32.23%上升到3月11日的37.94%之后，也以每天2.26%的速率下降直至融雪末期。就整個融雪期而言，西溝站土壤濕度變化特征明顯,表現(xiàn)出急劇上升-波動下降-再上升-穩(wěn)定下降的趨勢；從土壤濕度的垂深變化分析，在整個融雪期土壤濕度變化特征呈現(xiàn)自表層向下增加的趨勢。

2.4 不同下墊面氣溫、土壤溫度與土壤濕度相關(guān)性分析

土壤溫濕度的相關(guān)性研究是了解土壤水熱遷移過程及其特征的重要方面，根據(jù)(1)式分別對不同下墊面氣溫和各層土壤溫濕度、土壤溫度和土壤濕度作相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)矩陣如表2、表3和表4。

表2 下墊面氣溫與土壤溫度相關(guān)系數(shù)

**表示顯著性水平達(dá)到了0.01，*表示顯著性達(dá)到了0.05

** indicates that the level of significance has reached 0.01,* indicates that the significance has reached 0.05

由表2可知，草地下墊面氣溫與各層土壤溫度的相關(guān)性均達(dá)到顯著性水平(P<0.01)，氣溫對淺層土壤溫度的影響程度要高于更深層次的土壤；林間草地下墊面氣溫與淺層5 cm、10 cm、20 cm的土壤溫度的相關(guān)性達(dá)到顯著性水平，與30 cm和40 cm的土壤溫度沒有通過相關(guān)性顯著性水平驗證；林地下墊面氣溫與各層土壤溫度的相關(guān)性均沒有達(dá)到顯著性水平，氣溫與草地下層土壤的溫度相關(guān)性最為顯著，其次是林間草地，而與林地下層土壤相關(guān)性最弱。

由表3可知，下墊面氣溫與土壤濕度具有一定的相關(guān)性，但均沒有達(dá)到顯著性水平，對比表4可得出：與氣溫相比，土壤溫度對土壤濕度的影響程度更大。

表3 下墊面氣溫與土壤濕度關(guān)系數(shù)

表4 下墊面土壤溫度與土壤濕度相關(guān)系數(shù)

**表示顯著性水平達(dá)到了0.01，*表示顯著性達(dá)到了0.05

** indicates that the level of significance has reached 0.01,* indicates that the significance has reached 0.05

由表4可知，土壤溫度是影響土壤濕度變化的重要因素，不同下墊面各層土壤溫度和各層土壤濕度的相關(guān)性均達(dá)到較高水平(P<0.01)。由表4分析同深度層的土壤溫度和土壤濕度的相關(guān)性可知：草地下墊面和林間草地對應(yīng)深度層的土壤溫濕度的相關(guān)系數(shù)均從淺層至深層逐漸增大，而林地下墊面土壤只有5 cm土壤濕度與對應(yīng)層土壤溫度相關(guān)性最強，5 cm以下土壤濕度均與40 cm土壤溫度具有更強的相關(guān)性。由表4分析可以得出:草地下墊面和林間草地下墊面各層土壤濕度除與對應(yīng)層土壤溫度具有相關(guān)性外，與下層土壤溫度的相關(guān)性更強，具體而言,草地下墊面5 cm土壤濕度與5 cm土壤溫度相關(guān)系數(shù)為0.58，與10 cm土壤溫度相關(guān)系數(shù)為0.67(最大)，另外10 cm、20 cm及以下層土壤濕度均分別以與下一層土壤溫度具有更強相關(guān)性；對林間草地下層土壤濕度而言，具有和草地同樣的相關(guān)性特征，隨著融雪的加劇，草地和林間草地下層土壤濕度的變化要滯后于其對應(yīng)層土壤溫度；而對于林地下層土壤而言，5 cm土壤濕度與土壤溫度相關(guān)性系數(shù)達(dá)到0.77(最大)，5 cm以下土壤濕度均與40 cm土壤溫度相關(guān)性最強，這與草地和林間草地下層土壤相比有很大不同。

3 討 論

土壤濕度是積雪融化過程中重要的風(fēng)向標(biāo)，可據(jù)此研究雪水下滲量并反映流域的氣候狀況，如地表溫度、空氣溫度及植被覆蓋度等[22]。研究區(qū)為天山北坡典型流域，季節(jié)性凍土凍融時間長達(dá)7個月，融雪期1個月左右，春季的快速升溫導(dǎo)致積雪融化加劇，融雪洪水易隨之發(fā)生。考慮氣溫、土壤溫濕度、植被覆蓋、積雪等對融雪期融雪徑流的綜合影響，能對融雪洪水預(yù)警體系提供更為詳實的數(shù)據(jù)輸入，降低融雪洪水對下游的生產(chǎn)生活的不利影響，進(jìn)一步達(dá)到趨利避害。由于森林的遮蔭作用[23]，使得到達(dá)積雪表面的太陽輻射大大減少，剩余的太陽輻射導(dǎo)致積雪層增溫效率低下，林地積雪覆蓋的淺層土壤溫度較低，這與研究得出的林地下墊面淺層土壤溫度低于深層的結(jié)論一致。此外，由于研究區(qū)季節(jié)性凍土的雙向凍結(jié)和融化效應(yīng)[24]，使得融雪期三種下墊面的土壤溫濕度的變化特征表現(xiàn)出不同特征；氣溫是土壤溫濕度變化的直接熱源，土壤溫度和地溫的變化會使得土壤凍結(jié)和融化，進(jìn)而導(dǎo)致各層土壤濕度呈現(xiàn)不同特征。

草地下墊面融雪初始期各層土壤濕度基本近似保持在較低水平，這可能與2015年秋末冬初該區(qū)域降水稀少，雖然冬季開始有積雪，但未有融化，隨著積雪的加厚，使得土壤濕度的值保持在低值狀態(tài)。5 cm土壤濕度、20 cm土壤濕度和30 cm土壤濕度均在融雪波動前期表現(xiàn)為“單峰”型，3月3日前后，這三層土壤濕度同時達(dá)到融雪波動期最大值。這可能與愛民橋站氣溫(圖2)在融雪初始期的急劇上升增加有關(guān)，氣溫上升，使得白天積雪產(chǎn)生融化，(經(jīng)實際觀測，該站下覆凍土在白天處于融化狀態(tài)，因此凍土作為阻水界面在這里不作考慮)融雪水下滲，淺層土壤水分開始增加至飽和，隨后繼續(xù)下滲，使得20 cm土壤濕度和30 cm土壤濕度達(dá)到最大值，但此時40 cm土壤濕度只有5.51%，這說明，在融雪初期，即使溫度上升導(dǎo)致積雪融化產(chǎn)生融水，但融雪產(chǎn)生的可供下滲的水分卻很有限，下滲到30 cm土壤濕度相應(yīng)深度時，融雪水分已被消耗殆盡，40 cm層土壤濕度變化穩(wěn)定；西溝林地下墊面于3月5日前后，各層土壤濕度降至20%～28%，是因為3月3日，流域發(fā)生一次降雪，使得雪被加厚，導(dǎo)致土壤溫度下降，土壤濕度降低。本文所使用數(shù)據(jù)均為土壤未凍水含量，降雪降溫導(dǎo)致的土壤溫度的下降，會使一部分土壤水分結(jié)冰，導(dǎo)致土壤濕度降低。3月7日，林地下墊面各層土壤濕度均達(dá)到整個融雪的最大值，是由于此時段雪被覆蓋使得土壤水分未有蒸發(fā)，“繼承”了前期的較高水分。

草地下墊面氣溫與各層土壤溫度相關(guān)性最顯著，林間草地和林地下墊面氣溫和土壤溫度的相關(guān)性逐漸減弱，這可能與森林的保溫作用[22]和融雪期的積雪厚度有關(guān)；由于在融雪期，太陽輻射到達(dá)積雪表面，積雪的反射使得太陽輻射并沒有全部轉(zhuǎn)換為積雪融化的能量，這可能在一定程度上削弱了氣溫對深層土壤溫度的影響，使得凍土融化過程減緩，因而下墊面氣溫與土壤濕度相關(guān)性并不顯著。草地和林間草地下墊面土壤濕度不僅受到對應(yīng)層土壤溫度的影響，還受到下層土壤溫度的制約，這與凍土在融雪期的雙向融化有關(guān)；林地下墊面的土壤濕度除受到對應(yīng)層和下層土壤溫度的影響之外，還受到更深層次的40 cm土壤溫度的制約，這可能與林地下覆土壤類型，林地類型等有關(guān)[25-26]。

4 結(jié) 論

本研究以天山北坡典型流域為例，通過定點連續(xù)觀測方式獲得了融雪期三種不同下墊面的土壤溫濕度，綜合對比分析了不同下墊面土壤溫濕度變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)在整個融雪期，軍塘湖河流域不同下墊面氣溫變化均經(jīng)歷了上升-波動-再上升的過程，總體呈上升趨勢。其中草地下墊面氣溫變化最為劇烈，其次是林間草地，林地下墊面變化幅度較之前兩者小。

(2)受氣溫變化的影響，不同下墊面不同層土壤溫濕度呈現(xiàn)不同特征：愛民橋草地各層土壤溫度在融雪初始期和波動期自表層向下增加，到融雪穩(wěn)定期變化特征則與之相反，而受季節(jié)性凍土的雙向融化作用，土壤濕度則表現(xiàn)為自表層向下，形為“雙峰”的減小趨勢；林間草地各層土壤溫度自表層向下越來越低，其土壤濕度在融雪初始期從表層向下土壤濕度增大，隨后小幅上升；林地下層土壤溫度在融雪初始期快速增加，隨后變化穩(wěn)定，垂深變化特征表現(xiàn)為：自表層向下，各層土壤溫度呈增加趨勢，土壤濕度表現(xiàn)為自表層向下增大。

(3)草地下墊面氣溫與各層土壤溫度相關(guān)性最顯著，林間草地氣溫與各層土壤溫度相關(guān)性降低，而林地下墊面氣溫與各層土壤溫度相關(guān)性未達(dá)到顯著性水平；三種下墊面氣溫與土壤濕度具有一定的相關(guān)性，但均沒有達(dá)到顯著性水平；不同下墊面各層土壤溫度和濕度的相關(guān)性均達(dá)到較高的顯著性水平(P<0.01)，土壤濕度與土壤溫度變化關(guān)系密切，且下墊面不同，其相關(guān)性也有所不同。

致謝：對新疆大學(xué)干旱生態(tài)環(huán)境研究所副研究員李誠志博士在論文修改中提供的幫助謹(jǐn)致謝意。