黑龍江省土壤凍融期氣象要素變化特征

王 萍， 趙慧穎， 閆 平， 朱海霞， 翟 墨， 李秀芬

（1.黑龍江省氣象科學(xué)研究所，黑龍江哈爾濱 150030； 2.中國氣象局東北地區(qū)生態(tài)氣象創(chuàng)新開放實驗室，黑龍江哈爾濱 150030）

0 引言

黑龍江省位于我國最北部，冬季寒冷漫長，9 月開始氣溫自北向南逐漸低于0 ℃，土壤開始凍結(jié)，至11 月全省大部地區(qū)土壤凍結(jié)，而來年三月隨著氣溫上升，土壤開始融化，一直持續(xù)至5 月［1-2］。在全球氣候變暖背景下，黑龍江省冬季氣溫升高，春季回暖期提前，土壤凍結(jié)期縮短，融雪期提前，尤其3—5月土壤凍融期間，土壤中的水分反復(fù)凍結(jié)、融化，土壤抗蝕性降低，凍融次數(shù)越多，土壤受侵蝕越嚴(yán)重［3-5］，同時融化的雪水滲入土壤中，易發(fā)生融雪侵蝕［6-8］，從而導(dǎo)致土壤含水量及土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，作為全國重要的商品糧食基地，黑龍江省糧食產(chǎn)量居全國第一，春季播種質(zhì)量對產(chǎn)量影響重大，3—5 月正是玉米、大豆、水稻等大田作物備耕及播種的重要時期，能否適時播種主要受土壤旱澇和溫度影響，其中土壤旱澇受土壤反復(fù)凍融影響嚴(yán)重，因此研究土壤凍結(jié)期間的氣象要素變化及土壤凍融過程中水分和溫度的變化具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值，可為土壤旱澇預(yù)測及播種期預(yù)測提供科技支撐，同時為當(dāng)?shù)剡m時安排播種期及農(nóng)事生產(chǎn)活動等提供科學(xué)參考。

土壤凍結(jié)與融化受多種因素的影響，李楚君等［9-11］認為秋季降水量、冬季氣溫及降水、春季升溫速率等8種因素對土壤凍融的影響較大。而土壤凍融過程中土壤中水分和溫度受多種因素的影響，范昊明等［12-14］通過室內(nèi)人工模擬試驗，研究發(fā)現(xiàn)春季融化期土壤發(fā)生侵蝕主要集中在前15 次凍融循環(huán)過程中，趙強等［15-17］認為凍融期表層土壤溫度主要受積雪厚度影響，深層土壤溫度主要受土壤初始含水率影響。土壤凍結(jié)與融化的規(guī)律研究中，任景全等［18］認為凍土融化包括下限和上限融化兩個過程，具有“兩頭化”的變化特征；趙顯波等［19-20］認為從穩(wěn)定凍結(jié)初日起，凍土深度逐漸加深，在達到最大值后，緩慢變淺；范昊明等、張瑞芳等［21-24］認為在氣候變化與環(huán)境的影響下，土壤凍結(jié)期推后，凍融期縮短。

目前土壤凍融方面的研究多為通過室內(nèi)人工模擬試驗，本研究是在黑龍江省64 個氣象站及34個農(nóng)氣觀測站多年的溫度和土壤水分觀測資料基礎(chǔ)上，分析土壤凍結(jié)期間的氣象要素變化規(guī)律，深入探討了黑龍江省春季土壤凍融過程中不同地區(qū)水分和溫度的變化差異，所得結(jié)果可直接應(yīng)用于黑龍江省大田土壤，為土壤旱澇預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

文中采用黑龍江省64 個氣象觀測站1961—2018 年的逐日最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、降水量、0 cm 地溫資料及34 個農(nóng)氣觀測站人工觀測的1981—2018年的0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土壤濕度（土壤相對濕度，即重量含水率與田間持水量的比值）資料，以上數(shù)據(jù)均來源于黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心。研究區(qū)站點分布見圖1。

圖1 研究區(qū)站點分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of stations in the study area

1.2 研究方法

土壤凍結(jié)期初日為首次土壤表面溫度小于0 ℃的日期，終日為土壤表面溫度小于0 ℃最后一次日期，初日終日之間為凍結(jié)期［25］。在春季，當(dāng)溫度在0 ℃上下波動時，土壤會發(fā)生反復(fù)的凍結(jié)、融化，日較差越大，凍融作用越劇烈。

在春季融化期，如果白天氣溫高于0 ℃，土壤融化，夜間氣溫低于0 ℃，土壤凍結(jié)，當(dāng)白晝氣溫高于0 ℃和夜間氣溫低于0 ℃出現(xiàn)一次，則視為發(fā)生一個凍融循環(huán)過程，春季凍融次數(shù)為春季3—5月土壤融化期每日最高氣溫大于0 ℃，最低氣溫小于0 ℃的天數(shù)。土壤中的水分反復(fù)凍結(jié)、融化，土壤抗蝕性降低，凍融次數(shù)越多，土壤受侵蝕越嚴(yán)重。

升溫速率在日平均氣溫連續(xù)5 d高于2 ℃，融雪開始，首次高于2 ℃的日期為做融雪開始日期，當(dāng)日平均氣溫為融雪開始氣溫。春季融雪期升溫速率為融雪開始日期起10 d的升溫速率。

利用ArcGIS 和IDW 方法進行空間插值，制作要素空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤凍結(jié)期氣象要素變化特征

2.1.1 土壤凍結(jié)期初日

黑龍江省土壤凍結(jié)期初日1961—2018 平均為10 月24 日，呈現(xiàn)從北向南延后的趨勢，大興安嶺地區(qū) 在10 月9 日 至10 月20 日，漠河最早，在10 月9日，松嫩平原北部及小興安嶺在10 月21 日至10 月24 日，其他大部地區(qū)在10 月25 日至10 月31 日，東寧最晚，在10 月31 日。從時間分布來看，土壤凍結(jié)期初日呈現(xiàn)逐年延后的趨勢（圖2），初日平均在10月13 日—11 月5 日之間變化，最早出現(xiàn)在1978 年，為10月16日，最晚出現(xiàn)在2013年，為11月5日。

圖2 黑龍江省土壤凍結(jié)期初日變化趨勢Fig.2 Variation of first day of soil freezing in Heilongjiang Province

2.1.2 土壤凍結(jié)期終日

黑龍江省土壤凍結(jié)期終日1962—2018平均為4月1 日，呈現(xiàn)從北向南提前的趨勢，大興安嶺、小興安嶺北部在4月4日至4月18日，漠河最晚在4月18日，其他大部地區(qū)在3 月26 日至4 月3 日，泰來和東寧最早，在3 月26 日。從時間分布來看，土壤凍結(jié)期終日呈現(xiàn)逐年提前的趨勢（圖3），終日平均在3月16日—4月13日之間變化，最早出現(xiàn)在2014年，為3月16日，最晚出現(xiàn)在1980年，為4月13日。

圖3 黑龍江省土壤凍結(jié)期終日變化趨勢Fig.3 Variation of last day of soil freezing in Heilongjiang Province

2.1.3 土壤凍結(jié)期

黑龍江省土壤凍結(jié)期1961—2018 年平均為158 d，從空間分布來看，凍結(jié)期從北向南縮短（圖4），大興安嶺、松嫩平原北部、小興安嶺在161～190 d，漠河最長，為190 d，其他大部地區(qū)在145～160 d，東寧最短，為145 d。從時間分布來看，土壤凍結(jié)期終日呈現(xiàn)逐年縮短的趨勢，平均在137～176 d 之間變化，最短出現(xiàn)在2008 年，為137 d，最長出現(xiàn)在1980 年，為176 d。

圖4 黑龍江省土壤凍結(jié)期空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of soil freezing in Heilongjiang Province

2.1.4 土壤凍結(jié)期氣溫、降水變化

黑龍江省土壤凍結(jié)期平均氣溫1961—2018 年平均為-12.2 ℃，從北向南升高，大興安嶺、松嫩平原北部、小興安嶺在-18.7～-13.0 ℃，漠河最低，為-18.7 ℃，松嫩平原大部、三江平原北部在-12.9～-11.0 ℃，其他大部地區(qū)在-10.9～-8.2 ℃，東寧最高，為-8.2 ℃。從時間分布來看，土壤凍結(jié)期平均氣溫呈現(xiàn)逐年上升的趨勢（圖5），氣溫平均在-14.9～-8.7 ℃之間變化，最低出現(xiàn)在1969 年，為-14.9 ℃，最高出現(xiàn)在2007年，為-9.5 ℃。

圖5 黑龍江省土壤凍結(jié)期平均氣溫變化趨勢Fig.5 Variation of temperature of soil freezing in Heilongjiang Province

黑龍江省土壤凍結(jié)期降水量1961—2018 年平均為41 mm，從空間分布來看，降水量呈現(xiàn)西部少、東部和北部多的趨勢（圖6），西部在15～40 mm，泰來和龍江最少，為15 mm，中東大部及北部在41～79 mm，綏芬河最多，為79 mm。從時間分布來看，土壤凍結(jié)期降水呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，降水量平均在18～90 mm 之間變化，最多出現(xiàn)在2010 年，為90 mm，最少出現(xiàn)在1975年，為18 mm。

圖6 黑龍江省土壤凍結(jié)期降水量變化趨勢Fig.6 Variation of precipitation of soil freezing in Heilongjiang Province

2.1.5 春季凍融次數(shù)

1961—2018 年春季凍融次數(shù)全省平均為35次，從空間分布看呈現(xiàn)平原少、山區(qū)多的趨勢，松嫩平原、三江平原大部在29～35 次，大、小興安嶺及東南部山區(qū)大部地區(qū)在36～51 次之間變化。平原地勢開闊，氣象要素變化相對簡單，凍融次數(shù)少，土壤受到侵蝕相對偏小；山區(qū)地形復(fù)雜，氣象要素受地形地貌影響大，變化多變，因此凍融次數(shù)多，土壤受到侵蝕相對嚴(yán)重。從時間分布來看，春季凍融次數(shù)為逐年減少的趨勢（圖7），說明凍融作用在減弱。凍融次數(shù)年均在22～46 次之間變化，1972 年、1993年凍融次數(shù)多，分別是46 次和45 次，凍融作用強，1984 年、1999年凍融次數(shù)少，為22 次，凍融作用弱。

圖7 黑龍江省春季凍融次數(shù)變化Fig.7 Changes of freeze-thaw times in spring in Heilongjiang Province

2.1.6 融雪期升溫速率

融雪開始日期：全省平均為4 月6 日，從空間分布來看，北部偏晚，南部偏早，由北向南提前，三江平原、松嫩平原大部在3 月30 日至4 月7 日，東寧最早，在3 月30 日；大、小興安嶺在4 月8 日至4 月24日，漠河最晚，在4 月24 日。從時間分布來看（圖8），融雪開始日期為逐年提前的趨勢，最早年份出現(xiàn)在2014 年，為3 月23 日，最晚出現(xiàn)在2013 年，為4月19 日。南部緯度低，春季升溫快于北部，因此積雪融化早于北部，融雪開始日期逐年提前也是對氣候變暖的響應(yīng)。

圖8 1961—2018年春季融雪開始日期Fig.8 Date of snowmelt in spring from 1961 to 2018

融雪期升溫速率：全省平均為0.87 ℃·d-1，從空間分布來看，北部、東部低，中部、南部高，這與當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢眉暗匦蔚孛裁芮邢嚓P(guān)，北部緯度高，氣溫低、升溫慢，南部緯度低，升溫快，同一緯度，由于東部被小興安嶺阻隔，冷空氣自西北向東南傳輸受到阻礙，因此東部升溫慢。松嫩平原大部、小興安嶺、三江平原西部及東南部部分地區(qū)高于0.85 ℃·d-1，其他地區(qū)則在0.85 ℃·d-1以下，其中虎林最低，為0.66 ℃·d-1，賓縣最高，為1.05 ℃·d-1，因此融雪侵蝕北部和東部低于中部的南部。為0.31 ℃·d-1。從時間分布來看，融雪期升溫速率是逐年下降的趨勢，最低出現(xiàn)在2007 年，為0.48 ℃·d-1，最高出現(xiàn)在1987 年。雖然融雪期升溫速率全省總體是逐年下降的趨勢，但不同地區(qū)趨勢不同，因此在北部、南部、西部、東部分別選擇代表站對不同地區(qū)的歷年升溫速率進行分析。漠河（北部）、南部（哈爾濱）、西部（泰來）、東部（虎林）融雪期升溫速率見（圖9），從圖中可以看出，不同地區(qū)的升溫速率的在1961—2018 年逐年變化趨勢是不同的，北部的漠河、南部的哈爾濱、東部的虎林是呈現(xiàn)微弱的上升趨勢，而西部的泰來是逐年下降的。

圖9 1961—2018年融雪期升溫速率變化Fig.9 Temperature rise rate of snowmelt in spring from 1961 to 2018：Mohe（a），Harbin（b），Tailai（c），Hulin（d）

2.2 黑土區(qū)季節(jié)性凍融過程中土壤濕度與熱量條件的動態(tài)變化規(guī)律

2.2.1 春季凍融過程中土壤濕度變化

從不同土壤深度來看，2 月28 日土壤測墑開始至5 月28 日土壤基本融化，土壤濕度各個地區(qū)均是0～10 cm土層最低，20～30 cm土層最高，10～20 cm土層居中，說明在春季凍融過程中，各個地區(qū)的土壤濕度是隨著土壤深度的增加而增大，也可以說土壤水分是隨著土壤深度的增加而增多。從不同區(qū)域來看：西部土壤濕度0～30 cm 最低，基本在85% 以下，尤其是0～10 cm 深度3—4 月不足70%，東部最高，20～30 cm 土壤濕度甚至超過100%，處于飽和狀態(tài)，說明這期間土壤融化、積雪融化，土壤濕度急劇增加，達到飽和，甚至在3 月0～10 cm 土層也達到飽和，在地表形成徑流，因此可以得出在3月東部土壤濕度受土壤融凍影響最大；中部和北部居中，各層次土壤濕度在70%～95%之間（表1）。

表1 1981—2018年平均土壤濕度（%）Table 1 Average humidity of the soil from 1961 to 2018（%）

0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 土層從2 月28 日至5 月28 日期間，北部、西部、中部和東部土壤濕度均是先增加后減少的趨勢（圖10），3 月土壤濕度是增加的，0～10 cm 土層在3 月中旬達到最高，而10～20 cm 及20～30 cm 土層在3 月下旬達到最高，4—5月土壤濕度是總體下降的，且無論是上升還是下降過程中，東部的土壤濕度始終最高，北部次之，中部再次之，西部最低。說明在春季土壤融凍期間，土壤濕度隨著時間的推移，先增大后減小，即土壤水分是隨著時間的推移，先增加后減少，且深層土壤水分達到峰值的時間比淺層土壤延遲，分別在3 月中旬、下旬，進入4月隨著氣溫升高，春風(fēng)加大，土壤水分蒸發(fā)加快，土壤水分逐漸減少。

圖10 1981—2018年不同層次平均土壤濕度Fig.10 Average humidity of the soil at different levels from 1961 to 2018：0～10 cm（a），10～20 cm（b）and 20～30 cm（c）

2.2.2 冬季土壤凍結(jié)前后土壤水分變化

將1981—2018 年春季第一次（2 月28 日）土壤測墑0～30 cm 土壤濕度與上一年凍結(jié)前11月8日土壤測墑結(jié)果相比較，分析土壤凍結(jié)期間土壤中水分的變化。

從歷年平均土壤濕度（表2）來看：北部、中部、東部是正值，且0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 土層，差值逐層遞增，從區(qū)域來看，北部增幅大，而中部和東部相當(dāng)；西部是負值，且逐層遞減。1981—1987年各層次差值年際間變化相對較大，1988—2018 年年際間變化相對較小。

表2 1981—2018年2月28日土壤濕度與上一年11月8日比較（%）Table 2 Comparison of humidity of the soil on 28 February and 8 November of the previous year from 1961 to 2018（%）

總的來說在整個冬季土壤凍結(jié)期間，北部、中部及東部土壤濕度是增加的，且隨著土壤深度的增加，土壤濕度增加的越多，而西部土壤濕度是減少的，且減幅較小，20～30 cm 土層僅僅減少0.3%，且隨著土壤深度的增加，土壤濕度減少的越少，這是由于北部、中部和東部積雪厚，土壤蒸發(fā)少，而西部積雪少，甚至無積雪，土壤裸露，土壤中水分有一部分蒸發(fā)。

2.2.3 春季凍融過程中0 cm地溫變化

由于黑龍江省凍融時間南北差異較大，因此在分析0 cm 地溫時將全省分為南部和北部，北部包括大、小興安嶺，南部包括松嫩平原、三江平原及東南部半山區(qū)。

1961—2018年2月1日至5月31日0 cm 平均地溫（圖11）全省平均在-17.3～22.1 ℃之間，北部在-21.8～19.8 ℃之間，南部在-16.5～22.5 ℃之間。全省平均在3 月23 日地溫高于0 ℃，南部的升溫速度相對較快，升溫趨勢明顯，與全省變化趨勢基本一致，0 cm 地溫到達0 ℃的時間相對偏早，在3月22日左右，與全省平均接近；而北部緯度高，升溫速度明顯慢于南部，0 cm地溫到達0 ℃的時間相對偏晚，在3月30日，比南部延遲8 d。

圖11 2月1日至5月31日0 cm地溫變化Fig.11 Change of temperature at 0 cm from February 1 to May 31

3 結(jié)論

黑龍江省冬季寒冷漫長，土壤凍結(jié)時間長，土壤凍結(jié)期初日北部早，南部晚，隨著時間推移逐年延后；土壤凍結(jié)期終日與初日相反，北部晚、南部早，且逐年提前；土壤凍結(jié)期平均為158 d，北部長、南部短，隨著時間推移逐年縮短。土壤凍結(jié)期間氣溫和降水不同地區(qū)年際間變化較大，全省多年平均氣溫為-12.2 ℃，北部低南部高，隨著緯度降低氣溫升高，年代之間呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。降水量多年平均為41 mm，呈現(xiàn)西部少、東部和北部多，且逐年增加的趨勢。隨著溫度升高，土壤開始融化，由于晝夜溫差大，白天高于0 ℃，夜晚低于0 ℃，土壤反復(fù)凍結(jié)融化，凍融次數(shù)是這種土壤狀態(tài)的直接反映，黑龍江省春季凍融次數(shù)呈現(xiàn)平原少、山區(qū)多，且逐年減少的趨勢，平原地勢開闊，氣象要素變化相對簡單，平原凍融次數(shù)少，土壤受到侵蝕相對偏?。簧絽^(qū)地形復(fù)雜，氣象要素受地形地貌影響大，變化多變，因此凍融次數(shù)多，土壤受到侵蝕相對嚴(yán)重。春季各地積雪融化時間早晚不一，融雪開始時間北部晚，南部早，且呈現(xiàn)逐年提前的趨勢，升溫速率是反映積雪融化的快慢的直接因子，升溫速率越高，融雪越迅速，融雪期升溫速率呈現(xiàn)北部、東部低，中部、南部高且逐年下降的趨勢，即融雪侵蝕北部和東部低于中部和南部。

春季土壤反復(fù)凍融，對土壤濕度、溫度影響巨大，土壤的旱澇及溫度受其影響嚴(yán)重，進而影響作物備耕生產(chǎn)及適時播種，不同地區(qū)不同年份土壤濕度和溫度不同，東部土壤濕度最高，中部和北部居中，西部最低，土壤中的水分含量是隨著時間的推移，先增加后減少，且深層土壤中水分達到峰值的時間比淺層土壤延遲，分別在3月中旬、下旬，進入4月土壤中水分含量減少。隨著土壤深度的增加，北部、西部、中部及東部土壤濕度均增大。在整個冬季土壤凍結(jié)期間，北部、中部及東部土壤濕度是增加的，西部土壤濕度是減少的，這是由于北部、中部和東部積雪厚，土壤蒸發(fā)少，而西部積雪少，甚至無積雪，土壤裸露，土壤中水分有一部分蒸發(fā)。土壤凍融期間南部0 cm 地溫到達0 ℃的時間相對偏早，與全省平均接近；而北部升溫速度明顯慢于南部，0 cm地溫到達0 ℃的時間相對偏晚。