五道梁地區(qū)淺層地溫變化特征及其對凍土的影響

鞏俐 李路華 王發(fā)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(shù)理統(tǒng)計方法分析了該地區(qū)淺層地溫變化特征，探討了淺層地溫變化對凍土的影響。結(jié)果表明，11年來五道梁地區(qū)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(qū)淺層和深層土壤凍結(jié)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(jié)期成正相關(guān)關(guān)系，淺層地溫升高在一定程度上有利于深層土壤凍結(jié)期的推遲;淺層地溫與深層土壤解凍期成負(fù)相關(guān)關(guān)系，淺層地溫升高促使深層解凍期提前。

關(guān)鍵詞 ? ?淺層地溫;凍土;變化特征;五道梁地區(qū)

中圖分類號 ? ?P642.14;S152.8 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）20-0159-03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)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(jié)狀態(tài)的一種現(xiàn)象，一般可分為短時凍土、季節(jié)凍土和多年凍土。多年凍土作為一種特殊地質(zhì)體，區(qū)別于常規(guī)土的最本質(zhì)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(qū)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(qū)厚度表現(xiàn)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(biāo)[4-6]，青藏高原年均氣溫自20世紀(jì)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(xiàn)了地溫升高、季節(jié)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(xiàn)象，不同區(qū)域表現(xiàn)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(qū)，位于北緯34°40′～35°50′、東經(jīng)89°30′～92°30′之間，面積約2.6萬km2，是可可西里自然保護(hù)區(qū)核心地帶，也是青藏鐵路必經(jīng)之路。該區(qū)海拔高、氣候寒冷、空氣稀薄，屬高原山地氣候，生態(tài)環(huán)境脆弱。分析五道梁地區(qū)淺層地溫變化特征、探討淺層地溫對凍土的影響，對研究區(qū)保護(hù)生態(tài)環(huán)境、合理開展高寒建筑業(yè)、保障交通運(yùn)輸安全等具有指導(dǎo)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(xù)3 d<0 ℃的日期作為各層土壤凍結(jié)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(shù)判別分析五道梁地區(qū)凍土和地溫等氣象因素時間序列的趨勢變化特征及相關(guān)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(shù)項(xiàng)、a1為線性趨勢項(xiàng)，把a(bǔ)1×10 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(nèi)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(shù)。n個時刻的氣候要素序列與自然數(shù)列1，2，3，…，n的相關(guān)系數(shù)，即

式（2）中，r為氣候要素序列趨勢相關(guān)系數(shù)，可用相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計檢驗(yàn)方法檢驗(yàn)氣候趨勢是否顯著，相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)臨界值r0.05=0.553。n為年數(shù)，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(fù)）時表示該要素在所計算的n年內(nèi)有增加（減少）趨勢。

2 ? ?結(jié)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(qū)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(xiàn)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(xiàn)在2月，為-17.1 ℃;20 cm最小值出現(xiàn)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(qū)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(wěn)，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(yàn)。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(jié)期和解凍期變化。由圖2（a）可以看出，五道梁地區(qū)0 cm和20 cm土壤先后于10月22日、11月2日開始凍結(jié)，凍結(jié)日期相差11 d。11年來，五道梁地區(qū)0 cm和20 cm土壤凍結(jié)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(qū)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(qū)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(jié)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(jié)期對淺層地溫的響應(yīng)。由圖3可知，五道梁地區(qū)0 cm地溫與80 cm、160 cm土壤凍結(jié)期成正相關(guān)關(guān)系，地溫每升高1 ℃，80 cm和160 cm土壤凍結(jié)期距平分別增加5.0 d和10.2 d，其中160 cm土壤凍結(jié)期通過0.05顯著檢驗(yàn)，相關(guān)較明顯。因此，0 cm地溫升高深層土壤凍結(jié)期距平增加，即土壤凍結(jié)期推遲，土層越深土壤凍結(jié)期推遲日期越長。

20 cm地溫對80 cm、160 cm土壤凍結(jié)期的影響與0 cm地溫相似，也成正相關(guān)關(guān)系，地溫每升高1 ℃，80 cm和160 cm土壤凍結(jié)期距平分別增加8.8 d和21.6 d，均未通過0.05顯著檢驗(yàn)，相關(guān)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(jié)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(yīng)。由圖4可知，五道梁地區(qū)0 cm地溫與80 cm、160 cm土壤解凍期成負(fù)相關(guān)關(guān)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(yàn)，相關(guān)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(fù)相關(guān)關(guān)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(yàn)，相關(guān)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(jié)論

（1）五道梁地區(qū)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(jié)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(qū)淺層地溫與深層土壤凍結(jié)期成正相關(guān)關(guān)系。0 cm地溫每升高1 ℃，80 cm和160 cm土壤凍結(jié)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(jié)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(jié)期推遲，0 cm地溫對深層土壤凍結(jié)期的影響較20 cm地溫明顯。

（4）五道梁地區(qū)淺層地溫與深層土壤解凍期成負(fù)相關(guān)關(guān)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(xiàn)

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