1981—2018 年內(nèi)蒙古典型草原季節(jié)性凍土對氣候變化的響應(yīng)

蘇 玥， 張存厚,2， 阿木爾薩那， 李 軻

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與人工影響天氣中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市氣象局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；4.江蘇省徐州市氣象局，江蘇 徐州 221000）

凍土是指零攝氏度以下，含有冰的各種巖石和土壤，凍土分為短期凍土、季節(jié)性凍土和多年凍土3種，其中夏季融化、冬季凍結(jié)且凍結(jié)時(shí)間超過1個(gè)月不足1 a 的土稱為季節(jié)凍土［1］。凍土作為氣候變化影響的重要中介，受地形地勢、下墊面的影響較大，是不穩(wěn)定地質(zhì)體，對于區(qū)域氣候變化具有明顯指示作用［2-4］。季節(jié)性凍土易受季節(jié)變化影響，直接參與地球的熱量平衡，對氣候變化的響應(yīng)更加敏感［5］。已有研究［6-11］表明，隨著全球氣候變暖，多地出現(xiàn)凍土層變薄、凍結(jié)時(shí)間推遲、解凍日期提前等現(xiàn)象。中國最大凍土深度20 世紀(jì)80 年代以來開始減小，90 年代減小顯著［12］，季節(jié)性凍土變化受溫度、降水等氣候因素影響［13］。在凍土深度和溫度關(guān)系方面，Tokumoto 等［14］在日本東北部草地研究表明，土壤凍結(jié)期間水熱耦合對于預(yù)測凍土和未凍土非常重要；Sinha等［15］研究顯示，氣溫的高低與降雪的次數(shù)影響著印第安納州北部的凍土深度和凍融循環(huán)次數(shù)。在凍土深度和降水量關(guān)系方面，F(xiàn)u等［16］研究表明凍土深度與土壤水熱交換相關(guān)，在土壤凍結(jié)期間，積雪阻礙了積溫對凍土層厚度的影響；Wlostowski等［17］量化了土壤活動(dòng)層凍結(jié)頻率，證明了土壤水分的輕微增加可能會(huì)影響氣候變暖，導(dǎo)致土壤凍融循環(huán)加劇。在中國，多地季節(jié)性凍土受區(qū)域氣候變暖影響強(qiáng)烈。青藏高原季節(jié)性凍土凍結(jié)天數(shù)縮減［18］，溫度升高、降水增加對凍土增厚不利；新疆塔什庫爾干河谷1960—2015 年間季節(jié)性凍土凍結(jié)初日推遲，凍結(jié)終日提前，年凍結(jié)日數(shù)減少，年累積凍土深度減小，最大凍土深度減?。?9］；遼寧省雖1 a 中有42%的時(shí)間土壤處于凍結(jié)狀態(tài)，但最大凍土深度也正在逐年減?。?0］；河西走廊東部凍土始凍期推遲、解凍期提前，在時(shí)間序列上存在準(zhǔn)周期變化［21］；西藏大部分地區(qū)最大凍土深度呈現(xiàn)減小趨勢，并隨著海拔升高，減幅加大［22］。

IPCC第四次評估報(bào)告顯示，近百年來全球地表平均溫度上升了0.74 ℃［23］。在全球變暖的背景下，凍土作為氣候變化的感應(yīng)器，其退化和消融不僅影響生態(tài)環(huán)境、農(nóng)田水利等規(guī)劃建設(shè)［24-26］，而且凍土中所含的碳釋放在空氣中加劇了全球變暖［27］。在內(nèi)蒙古通常采用近地表負(fù)積溫的變化來反映凍土深度的變化規(guī)律，采用凍結(jié)指數(shù)作為量化季節(jié)性凍土深度變化的氣候參數(shù)，凍結(jié)指數(shù)常在評估凍土分布規(guī)律、氣候變化等領(lǐng)域應(yīng)用［28］。內(nèi)蒙古典型草原位于歐亞大陸腹地，常年光照充足、降水稀少，生態(tài)環(huán)境敏感，大部分地區(qū)為季節(jié)性凍土區(qū)，然而基于較長時(shí)間序列凍土資料研究內(nèi)蒙古草原季節(jié)性凍土對氣候變化響應(yīng)的分析相對較少，因此，本文利用研究區(qū)22 個(gè)站點(diǎn)1981—2018 年的凍土與氣象因子等資料，運(yùn)用氣候診斷分析方法，對內(nèi)蒙古典型草原季節(jié)性凍土的年內(nèi)、年代際變化、氣候突變等特征進(jìn)行分析，以揭示內(nèi)蒙古典型草原季節(jié)性凍土縮減的事實(shí)，為內(nèi)蒙古草原應(yīng)對氣候變化提供理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古典型草原是在半干旱氣候條件下形成的草地，是內(nèi)蒙古天然草地的主體，是歐亞大陸草原區(qū)的重要組成部分。內(nèi)蒙古典型草原主要位于內(nèi)蒙古的中東部地區(qū)，東北部呼倫貝爾地區(qū)的典型草原氣候較為寒冷，主要處于多年凍土區(qū)［29］；內(nèi)蒙古中部和東南部的氣候相對溫暖，凍土在年內(nèi)有融化現(xiàn)象，存在季節(jié)性凍土。本文研究季節(jié)性凍土變化，選擇內(nèi)蒙古中部和東南部的典型草原做為研究區(qū)（111°07′～123°04′E，40°12′～46°42′N）（圖1）。其主要的優(yōu)勢植物有羊草、大針茅、冰草、寸草苔、糙隱子草、二裂委陵菜、冷蒿、小葉錦雞兒等［30］。研究區(qū)氣候類型為中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，季節(jié)變化明顯，平均海拔1024 m，年平均氣溫4.9 ℃，夏季平均氣溫19.9 ℃，7月平均最高溫度21.3 ℃，夏季降水量223.6 mm，冬季平均氣溫-11.2 ℃，1 月平均最低溫度-15.5 ℃，最大積雪深度8.5 mm，年均風(fēng)速3.0 m·s-1，年降水量368.1 mm，降水主要集中在6—8月，占年降水量的50%～60%，年蒸發(fā)量1852.4 mm。

圖1 內(nèi)蒙古典型草原氣象站點(diǎn)空間分布Fig.1 Spatial distribution of meteorological stations in typical steppe of Inner Mongolia

1.2 資料來源

本文選取內(nèi)蒙古典型草原時(shí)間序列較長且存在季節(jié)性凍土觀測的22個(gè)氣象觀測站，采用凍土器進(jìn)行凍土深度觀測。1981—2018 年逐日的凍土深度、平均氣溫、平均相對濕度、平均風(fēng)速、降水量、日照時(shí)數(shù)、積雪深度、40 cm地溫、80 cm地溫等氣象資料均來自于內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局。文中涉及到的地圖來自于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站（http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/index.html）下載。1 a 中凍土深度的最大值為最大凍土深度，凍土初日是1 a中下半年第一次土壤凍結(jié)日期，凍土終日是1 a中上半年最后一次出現(xiàn)凍土的時(shí)間［1］。凍結(jié)指數(shù)是指在一個(gè)凍結(jié)期內(nèi)所有溫度小于0 ℃的累積值，為了保持凍土凍結(jié)時(shí)間的連續(xù)性，本文研究計(jì)算凍結(jié)指數(shù)的時(shí)間是每年的7月1日至翌年的6月30日［31］。

1.3 研究方法

1.3.1 最大凍土深度的氣候傾向率建立最大凍土深度與其所對應(yīng)時(shí)間的一元線性回歸方程，計(jì)算公式［32］如下：

式中：xi為最大凍土深度歷年值（cm）；ti為最大凍土深度xi所對應(yīng)的時(shí)間（a）；a為回歸常數(shù)項(xiàng)，b為線性趨勢項(xiàng)，a和b用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)；n為樣本量（n=1,2,…,38）。

1.3.2 最大凍土深度的累積距平采用累積距平分析最大凍土深度年際變化趨勢，其計(jì)算公式如下［32］：

式中：xt為最大凍土深度累積距平值；xi為最大凍土深度歷年值（cm）；xˉ為最大凍土深度多年平均值（cm）；n為樣本量（n=1,2,…,38）。

1.3.3 Mann-Kendall法突變檢驗(yàn)Mann-Kendall法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，其優(yōu)點(diǎn)在于不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，可以明確突變開始的時(shí)間，指出突變區(qū)域，更適用于類型變量和順序變量［32］。對于具有n個(gè)樣本量的最大凍土深度時(shí)間序列x，構(gòu)造一秩序列：

式中：ri為第i個(gè)樣本xi＞xj（1≤j≤i）的個(gè)數(shù)；Sk是第i時(shí)刻數(shù)值大于j時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累積數(shù)；n為樣本量（n=1,2,…,38）。

在x1，x2，…，xn相互獨(dú)立，且有相同連續(xù)分布時(shí)，Sk的均值E(Sk)和方差Var(Sk)有下式：

式中：FI 為凍結(jié)指數(shù)（℃·d）；Ti為逐日溫度的負(fù)數(shù)（℃）；NF為年內(nèi)溫度負(fù)數(shù)的日數(shù)（d）。

式中：r為線性相關(guān)程度；xi為最大凍土深度歷年值（cm）；xˉ為最大凍土深度多年平均值（cm）；yi為氣象因子；yˉ為氣象因子均值；n為樣本量（n=1, 2, …,38）。

1.3.6 多元線性回歸多元線性回歸模型包括k個(gè)變量，即一個(gè)因變量（最大凍土深度）和k個(gè)自變量（氣象因子）。因此具有n個(gè)方程來概括回歸模型：

式中：Y為因變量觀察的n列向量；X為自變量觀察的n×（k+1）矩陣；β為未知參數(shù)的（k+1）列向量；ε為誤差觀察的n列向量。在矩陣X表達(dá)式中，每一個(gè)元素Xij都有2個(gè)下標(biāo)，第1個(gè)下標(biāo)表示相應(yīng)的列（變量），第2個(gè)下標(biāo)表示相應(yīng)的行（觀察）。矩陣X的每一列表示相應(yīng)給定變量n次觀察的向量，與截矩有關(guān)的所有觀察值都等于1。

本研究使用OriginPro 8.5 制圖，采用Microsoft Office 2019 版的Excel 計(jì)算最大凍土深度的氣候傾向率、累積距平和Mann-Kendall 法突變檢驗(yàn)，運(yùn)用SPSS 25.0 進(jìn)行最大凍土深度與氣象因子Pearson 相關(guān)分析、多元線性回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 最大凍土深度的時(shí)空分布

內(nèi)蒙古典型草原季節(jié)性凍土具有顯著的年內(nèi)變化特征，季節(jié)性變化明顯，凍土初日出現(xiàn)在9、10、11 月，概率分別為8%、76%、16%；凍土終日出現(xiàn)在4、5、6 月，概率分別為67%、30%、3%。通過分析1981—2018 年內(nèi)蒙古典型草原22 個(gè)站點(diǎn)最大凍土深度每年出現(xiàn)時(shí)間（圖2）可知，年內(nèi)最大凍土深度主要出現(xiàn)在2—3 月，在100～280 cm 之間。在過去38 a 中，最大凍土深度最大值出現(xiàn)在2018 年4 月的察哈爾右翼后旗，深度達(dá)416 cm，最小值出現(xiàn)在2013年3月的扎魯特旗，深度僅為172 cm。20世紀(jì)80 年代末期是最大凍土深度顯著下降的重要時(shí)間點(diǎn)。凍土北部凍結(jié)時(shí)間早于南部，解凍時(shí)間晚于南部，凍結(jié)持續(xù)時(shí)間北部長南部短；東部凍結(jié)時(shí)間早于西部，解凍時(shí)間晚于西部，凍結(jié)持續(xù)時(shí)間東部長西部短。

圖2 內(nèi)蒙古典型草原最大凍土深度出現(xiàn)的時(shí)間分布Fig.2 Occurrence time distribution of maximum frozen soil depth in typical steppe of Inner Mongolia

2.2 最大凍土深度的年際變化

為了更好得判斷最大凍土深度長期演變趨勢及持續(xù)性變化，將最大凍土深度序列進(jìn)行累積距平計(jì)算（圖3）。內(nèi)蒙古典型草原最大凍土深度年際變化趨勢可劃分為3 類。第1 類是下開口拋物線型，變化趨勢為先增大后減小，20世紀(jì)80年代呈現(xiàn)增加趨勢，20 世紀(jì)90 年代中期之后為下降趨勢；此類型站點(diǎn)最多，占研究區(qū)站點(diǎn)總數(shù)的45%，這些站點(diǎn)是扎賚特旗、東烏珠穆沁旗、阿巴嘎旗、察哈爾右翼后旗、卓資縣、涼城縣、集寧區(qū)、高力板鎮(zhèn)、克什克騰旗、正鑲白旗。第2類是上開口拋物線型，變化趨勢為先減小后增大，20 世紀(jì)80 年代趨于下降趨勢，2003年后最大凍土深度逐年增加；此類型站點(diǎn)占研究區(qū)站點(diǎn)總數(shù)的23%，這些站點(diǎn)是化德縣、西烏珠穆沁旗、扎魯特旗、科爾沁左翼中旗、錫林浩特市。第3 類為正弦曲線型，變化趨勢為增-減-增型，20世紀(jì)80 年代呈增加趨勢，20 世紀(jì)80 年代末期至2005年呈下降趨勢，之后轉(zhuǎn)為增加趨勢。此類型站點(diǎn)占研究區(qū)站點(diǎn)總數(shù)的32%，這些站點(diǎn)是察哈爾右翼中旗、商都縣、察哈爾右翼前旗、巴林右旗、阿魯科爾沁旗、正藍(lán)旗、太仆寺旗。

圖3 1981—2018年內(nèi)蒙古典型草原最大凍土深度的累積距平曲線Fig.3 Cumulative anomaly curves of maximum frozen soil depths in typical steppe of Inner Mongolia from 1981 to 2018

1981—2018 年內(nèi)蒙古典型草原22 個(gè)站點(diǎn)中有15 個(gè)站點(diǎn)的最大凍土深度呈減小趨勢（表1），減小幅度為0.16～3.05 cm·（10a）-1，其中通過0.01顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)有9 個(gè)，氣候傾向率為0.70～3.05 cm·（10a）-1，最大凍土深度變淺薄幅度最大的出現(xiàn)在克什克騰旗，氣候傾向率為-3.05 cm·（10a）-1（通過了0.01 顯著性檢驗(yàn)），變淺薄幅度最小的出現(xiàn)在涼城縣，氣候傾向率為-0.70 cm·（10a）-1（通過了0.01 顯著性檢驗(yàn)）；有7 個(gè)站點(diǎn)最大凍土深度呈增加趨勢，增加幅度為0.28～1.31 cm·（10a）-1，其中通過0.01顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)有3 個(gè)，最大凍土深度增厚幅度最大的出現(xiàn)在西烏珠穆沁旗，氣候傾向率為1.31 cm·（10a）-1（通過了0.01顯著性檢驗(yàn)），增厚幅度最小的出現(xiàn)在扎魯特旗，氣候傾向率為0.85 cm·（10a）-1（通過了0.01顯著性檢驗(yàn)）。內(nèi)蒙古典型草原最大凍土深度氣候傾向率的空間分布（圖4），其變淺薄的區(qū)域主要分布在內(nèi)蒙古典型草原的中部地區(qū)，高值區(qū)主要分布在克什克騰旗、阿巴嘎旗和東烏珠穆沁旗；最大凍土深度增厚的區(qū)域主要分布在東南地區(qū)和西南部地區(qū)，高值區(qū)主要分布在科爾沁左翼中旗、扎魯特旗和西烏珠穆沁旗。

圖4 內(nèi)蒙古典型草原氣候傾向率分布Fig.4 Linear trend distribution of maximum frozen soil depth changing rates in typical steppe of Inner Mongolia

表1 1981—2018年內(nèi)蒙古典型草原最大凍土深度的氣候傾向率Tab.1 Linear trend analysis of maximum frozen soil depth changing rates in typical steppe of Inner Mongolia from 1981 to 2018 /cm·(10a)-1

2.3 最大凍土深度的年代際變化

1981—2018 年內(nèi)蒙古典型草原各站年最大凍土深度的年代際變化主要分為3類（表2），第1類為逐年代遞減型，這些站點(diǎn)是高力板鎮(zhèn)、克什克騰旗、卓資縣，21 世紀(jì)10 年代較20 世紀(jì)80 年代減小了37.0～87.2 cm，其中減幅最快的是克什克騰旗。第2類為減-增型，此類型站點(diǎn)最多，共有16 個(gè)，其中阿巴嘎旗、西烏珠穆沁旗、扎魯特旗、科爾沁左翼中旗、錫林浩特市、太仆寺旗、察哈爾右翼前旗、察哈爾右翼中旗、察哈爾右翼后旗、集寧區(qū)的最大凍土深度20 世紀(jì)90 年代較80 年代變淺，21 世紀(jì)之后增厚，21 世紀(jì)增幅為8.6～49.0 cm，其中西烏珠穆沁旗增幅最為明顯；扎賚特旗、東烏珠穆沁旗、商都縣、巴林右旗、正鑲白旗、涼城縣21世紀(jì)10年代之前逐年代變淺之后增厚，變淺時(shí)的減幅為1.9～45.3 cm，其中東烏珠穆沁旗減幅最大，21 世紀(jì)10 年代較00年代增幅為7.9～35.6 cm，商都縣增幅最大。第3 類無明顯變化規(guī)律，這些站點(diǎn)是化德縣、阿魯科爾沁旗和正藍(lán)旗。

表2 內(nèi)蒙古典型草原最大凍土深度的年代際變化Tab.2 Decadal variation of the maximum frozen soil depths in typical steppe of Inner Mongolia /cm

根據(jù)Mann-Kendall 氣候突變檢測發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)最大凍土深度分別在1986、1988、1989、2014 年和2015 年發(fā)生了突變，有11 個(gè)站點(diǎn)在1989 年（包括1989 年）之后最大凍土深度發(fā)生突變，從一個(gè)相對較深期躍變?yōu)橐粋€(gè)相對偏淺期，說明內(nèi)蒙古典型草原大部地區(qū)凍土存在一定的退化趨勢。

2.4 最大凍土深度與氣象因子的相關(guān)分析

影響凍土深度變化的成因十分復(fù)雜，氣候因素、地形因素和人為活動(dòng)都會(huì)對凍土深度產(chǎn)生影響，其中氣候因素對凍土深度的影響較大［33］。為了進(jìn)一步了解內(nèi)蒙古典型草原季節(jié)性凍土深度對氣候變化的響應(yīng)過程，探討氣象因素的影響，根據(jù)斯蒂芬公式凍結(jié)指數(shù)影響凍結(jié)深度變化，將可能影響年最大凍土深度的年平均氣溫、氣溫年較差、年極端最高氣溫、年極端最低氣溫、平均相對濕度、年降水量、最大積雪深度、平均40 cm地溫、平均80 cm地溫、日照時(shí)數(shù)、年平均風(fēng)速11 個(gè)氣象因子和氣溫凍結(jié)指數(shù)、地面凍結(jié)指數(shù)2個(gè)凍結(jié)指數(shù)，分別與最大凍土深度進(jìn)行Pearson 相關(guān)分析。Pearson 相關(guān)分析表明（表3），年最大凍土深度與11個(gè)氣象因子、2個(gè)凍結(jié)指數(shù)均通過了0.01顯著性檢驗(yàn)水平，其中相關(guān)性最大的是年平均氣溫，其次是40 cm 地溫。最大凍土深度與年極端最高氣溫、年降水量、最大積雪深度、日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)微弱相關(guān)；最大凍土深度與氣溫年較差、平均相對濕度、年平均風(fēng)速呈現(xiàn)低度相關(guān)；最大凍土深度與年平均氣溫、氣溫凍結(jié)指數(shù)、地面凍結(jié)指數(shù)、年極端最低氣溫、平均40 cm 地溫、平均80 cm地溫呈現(xiàn)中度相關(guān)。

表3 內(nèi)蒙古典型草原最大凍土深度與氣象因子Pearson相關(guān)系數(shù)Tab.3 Pearson correlation coefficient between maximum frozen soil depths and meteorological factors in typical steppe of Inner Mongolia

排除微弱相關(guān)的自變量后，將低度相關(guān)和中度相關(guān)的自變量與最大凍土深度進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)年平均氣溫、氣溫凍結(jié)指數(shù)、平均40 cm地溫、平均80 cm地溫方差膨脹系數(shù)（VIF）大于5，而且4 個(gè)變量之間存在著多重共線性。地面凍結(jié)指數(shù)、平均40 cm 地溫、平均80 cm 地溫的t檢驗(yàn)對應(yīng)的顯著性水平大于0.05，考慮到最大凍土深度變化受負(fù)積溫和人為因素的多重影響，選擇氣溫凍結(jié)指數(shù)、氣溫年較差、平均相對濕度、年平均風(fēng)速、年極端最低氣溫與最大凍土深度再次進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果顯示，5 個(gè)自變量的調(diào)整后R2能夠解釋最大凍土深度變化的51.7%，可以接受其反應(yīng)的影響，Durbin-Watson 檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為0.673，變量之間存在自相關(guān)。方差分析顯示F統(tǒng)計(jì)量的觀察值為172.916，概率P值為0，在顯著性水平0.05的情形下，認(rèn)為氣溫凍結(jié)指數(shù)、氣溫年較差、平均相對濕度、年平均風(fēng)速、年極端最低氣溫中至少存在1個(gè)自變量與最大凍土深度之間存在線性關(guān)系。根據(jù)多元線性回歸的系數(shù)列表（表4）t檢驗(yàn)對應(yīng)的顯著性水平氣溫凍結(jié)指數(shù)、年平均風(fēng)速、年極端最低氣溫均為0，證明與最大凍土深度有顯著影響，氣溫年較差、平均相對濕度對最大凍土深度影響不顯著。根據(jù)容差，各自變量VIF 均小于10，說明這5 個(gè)氣象因子之間不存在共線性，所以最大凍土深度與氣象因子、凍結(jié)指數(shù)的多元線性回歸方程為：

表4 內(nèi)蒙古典型草原最大凍土深度與氣象因子的線性回歸模型Tab.4 Linear regression model between maximum frozen soil depths and meteorological factors in typical steppe of Inner Mongolia

式中：y為最大凍土深度（cm）；x1為氣溫凍結(jié)指數(shù)（℃·d）；x2為氣溫年較差（℃）；x3為平均相對濕度（%）；x4為年平均風(fēng)速（m·s-1）；x5為年極端最低氣溫（℃）。模型殘差基本符合正態(tài)曲線，服從正態(tài)分布。

由此可見氣溫凍結(jié)指數(shù)、年平均風(fēng)速、年極端最低氣溫會(huì)對最大凍土的深度變化產(chǎn)生顯著影響。近年來隨著全球氣候變暖，人為活動(dòng)的增加，產(chǎn)生了大量的溫室氣體，致使溫室效應(yīng)加劇，隨著氣溫的升高，影響負(fù)積溫的變化，從而影響凍土的深度變化。一些研究表明［34］在全球陸面溫度普遍升高的過程中，往往最低溫度升高值大于最高溫度升高值，在四季中極端最低溫度均顯示增溫［35］，以冬季增溫最明顯，這些增溫中心有新疆北部、內(nèi)蒙古中部、華北、東北南部、江淮流域、華南沿海，而內(nèi)蒙古中部的最大凍土深度變化恰好與上述研究區(qū)域相吻合。凍土減小反應(yīng)了內(nèi)蒙古典型草原冬季氣候變暖的事實(shí)，尤其響應(yīng)了20 世紀(jì)90 年代氣候變暖的結(jié)論，同時(shí)也說明了凍土深度對氣候變化響應(yīng)較為敏感。

3 討論

本研究采用凍土器測量土壤凍結(jié)深度，對1981—2018 年內(nèi)蒙古典型草原的季節(jié)性凍土進(jìn)行了時(shí)空分布、年際變化、年代際變化研究，利用Mann-Kendall 法進(jìn)行氣候突變檢測，38 a 中最大凍土深度變淺薄趨勢明顯，11個(gè)站點(diǎn)在1989年之后最大凍土深度發(fā)生突變。通常最大凍土深度受多種氣象因子的相互作用，本研究發(fā)現(xiàn)年氣溫凍結(jié)指數(shù)、年極端最低氣溫影響凍土深度的變化，值得注意的是年平均風(fēng)速與最大凍土深度變化存在正相關(guān)，考慮到風(fēng)速的加大會(huì)增加土壤表面水分的蒸發(fā)［36］，而蒸發(fā)消耗土壤熱量，導(dǎo)致凍土深度加深，具體情況有待研究。

影響最大凍土深度變化的因素十分復(fù)雜，不僅在于氣象因子的作用，相關(guān)研究表明海拔的升高會(huì)使最大凍土深度減幅加大［29］，不同植被類型影響最大凍土消融速率［37］，水域空間分布、土壤性質(zhì)以及人為活動(dòng)對最大凍土深度都有著制約作用［38］。近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人為活動(dòng)對最大凍土深度影響越來越明顯，金會(huì)軍等［39］認(rèn)為人為活動(dòng)，例如在高原寒區(qū)修建道路和修建其他建筑物，會(huì)影響凍土的穩(wěn)定性。高春香等［40］研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古東北部凍土退化明顯，在脆弱的凍土區(qū)修建公路，會(huì)致使凍土退化，且影響道路建設(shè)。由此，對于內(nèi)蒙古典型草原季節(jié)性凍土深度變化的研究，有助于為草原凍土變化響應(yīng)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)提供參考依據(jù)，為陸地土壤和大氣碳循環(huán)交換的研究給出一些提示。

內(nèi)蒙古典型草原的區(qū)域分布范圍較廣，溫度和降水因地域的不同存在一定的差異，本研究采用自動(dòng)氣象觀測站數(shù)據(jù)，由于是站點(diǎn)數(shù)據(jù)，對于凍土深度的研究局限在未直觀反應(yīng)內(nèi)蒙古典型草原覆蓋的全部區(qū)域。同時(shí)，隨著人為活動(dòng)的日益頻繁，凍土的深度觀測也會(huì)受人為因素影響，比如研究區(qū)附近出現(xiàn)人為水澆地等現(xiàn)象，都會(huì)影響凍土數(shù)據(jù)的觀測準(zhǔn)確性。由于影響凍土深度變化的因素存在復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)的相互作用，所以對于凍土的監(jiān)測需要不斷的完善、模擬和驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本文基于1981—2018 年內(nèi)蒙古典型草原的凍土深度數(shù)據(jù)和氣象因子數(shù)據(jù)，研究了最大凍土深度的時(shí)空分布特征、年代、年代際變化規(guī)律，再進(jìn)行了最大凍土深度與氣象因子的相關(guān)分析，得出以下結(jié)論：

（1）內(nèi)蒙古典型草原季節(jié)性凍土變化明顯，凍土初日出現(xiàn)在9—11 月，終日出現(xiàn)在4—6 月，年內(nèi)最大凍土深度出現(xiàn)在2—3 月，在100～280 cm 之間。凍土凍結(jié)時(shí)間北部早于南部，東部早于西部；解凍時(shí)間北部晚于南部，東部晚于西部。20世紀(jì)80年代末期是最大凍土深度顯著下降的重要時(shí)間點(diǎn)。

（2）內(nèi)蒙古典型草原最大凍土深度年際變化主要分為下開口拋物線、上開口拋物線和正弦曲線3種類型。近38 a來最大凍土深度的氣候傾向率分析發(fā)現(xiàn)，68%的站點(diǎn)最大凍土深度呈現(xiàn)出減小趨勢，減幅最大的是克什克騰旗；其余站點(diǎn)深度呈略增趨勢，增幅最大的是西烏珠穆沁旗。最大凍土深度減小區(qū)域主要分布在典型草原中部地區(qū)。

（3）內(nèi)蒙古典型草原各站點(diǎn)年最大凍土深度的年代際變化主要分為逐年代遞減、減-增型和無明顯變化規(guī)律3 種類型，其中14%的站點(diǎn)至今逐年代變淺，72%的站點(diǎn)21世紀(jì)之前逐年代變淺后存在增厚現(xiàn)象，其余站點(diǎn)無明顯變化規(guī)律。最大凍土深度突變發(fā)生在1986、1988、1989、2014 年和2015 年，50%的站點(diǎn)在1989年之后存在突變，表明內(nèi)蒙古典型草原大部地區(qū)季節(jié)性凍土有較明顯的退化趨勢。

（4）Pearson 相關(guān)分析表明最大凍土深度與氣溫年較差、平均相對濕度、年平均風(fēng)速呈低度相關(guān)；與年平均氣溫、氣溫凍結(jié)指數(shù)、地面凍結(jié)指數(shù)、年極端最低氣溫、平均40 cm 地溫、平均80 cm 地溫呈中度相關(guān)。多元線性回歸顯示氣溫凍結(jié)指數(shù)、年平均風(fēng)速、年極端最低氣溫對最大凍土深度產(chǎn)生顯著影響。