新疆中天山北坡斷裂帶不同海拔高度土壤溫度分布特征

宮恒瑞，鄭玉萍，苗運玲

（烏魯木齊市氣象局，烏魯木齊 830002）

0 引言

新疆處于干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，其基本地貌輪廓是三大山系包圍兩大盆地。天山是影響新疆天氣、氣候最重要的地形之一。土壤溫度作為衡量土壤環(huán)境狀況的重要指標(biāo)之一，不僅影響土壤形成發(fā)育，也影響地表植被生長狀況[1]，甚至影響土壤碳收支過程，進(jìn)而對氣候變化產(chǎn)生影響[2-3]。研究中天山斷裂帶從高山帯到準(zhǔn)噶爾盆地邊緣整個過渡帶的土壤溫度分布特征不僅有助于理解干旱區(qū)土壤環(huán)境特征，也有助于監(jiān)測干旱脆弱生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境狀況。目前國內(nèi)外對土壤溫度的研究，多涉及土壤溫度對植被變化、氣溫變化的響應(yīng)，以及土壤溫度與土壤濕度、土壤凍融的關(guān)系等主題[4-8]，同時也關(guān)注土壤溫度在不同時空尺度的變化特征[9-16]。但是中國的地溫研究主要集中在農(nóng)業(yè)和林業(yè)比較優(yōu)勢的地區(qū)[17-25]。而對于山脈—綠洲—盆地邊緣過渡帶土壤溫度的分布規(guī)律研究較少。緱倩倩等[25]利用臨澤內(nèi)陸河流域站11 年的土壤溫度與氣象要素數(shù)據(jù)，分析了河西走廊中部荒漠-綠洲過渡帶土壤溫度年內(nèi)和年際變化規(guī)律及主要影響因素。并建立了氣象指標(biāo)與各層土壤溫度之間經(jīng)驗預(yù)報方程。天山高山帯海拔3500 m 以上至山前沖積扇平原再至準(zhǔn)噶爾盆地南緣接近戈壁沙漠整個過渡帶的地溫分布規(guī)律未見相關(guān)文獻(xiàn)。本研究利用分布在中天山斷裂處6個不同海拔高度的氣象觀測站多年對地溫的觀測資料進(jìn)行分析，找出隨著海拔高度的變化，不同深度地溫的分布規(guī)律，從而對該區(qū)域土地利用、生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

天山山脈呈東西走向，在新疆中部有斷裂。斷裂帶正好是首府烏魯木齊所在地，也是人口和經(jīng)濟(jì)活動最為密集的區(qū)域。受此特殊地形的影響，中天山北坡從南到北海拔高度差異達(dá)3000 m以上，該區(qū)域范圍各區(qū)、縣無論是氣候背景還是天氣現(xiàn)象均有很大差異。本文選取新疆中天山斷裂帶海拔高度呈梯度分布的6個氣象站，分別為：大西溝站、小渠子站、烏魯木齊站、米泉站、阜康站和蔡家湖站（圖1所示）。

圖1 研究區(qū)地形及氣象站點分布圖

大西溝氣象站位于中天山北坡高山帯，地表多冰川分布；小渠子站位于中天山北坡中山帶，地貌以森林草甸為主；烏魯木齊市北部平原開闊，海拔南高北低，烏魯木齊站位于南城區(qū)；米泉站位于烏魯木齊市北城區(qū)，以上兩個區(qū)域是本研究區(qū)內(nèi)人口最為密集的區(qū)域；阜康和蔡家湖為農(nóng)業(yè)區(qū)，海拔高度逐漸降低，表1列出6個氣象站海拔高度及地貌特征。

表1 研究區(qū)海拔高度及地貌特征

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理方法

文中研究數(shù)據(jù)均來自于新疆氣象局。根據(jù)《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T35233—2017，地面氣象觀測規(guī)范》，氣象觀測土壤溫度的深度主要有地面0、5、10、15、20、40、80、160、320 cm 共9 個層次土壤溫度。本研究選取小渠子、烏魯木齊、米泉、阜康和蔡家湖5站2005年1月1日—2020年12月31日整16年的上述9層深度逐日平均土壤溫度觀測資料進(jìn)行分析。由于大西溝站地處天山高山帯無人區(qū)，地溫觀測開始較晚，自2009年開始，且2019、2020年由于數(shù)據(jù)傳輸問題，缺測數(shù)據(jù)較多，故大西溝站選取2009 年1 月1 日至2018年12月31日共10年的各層土壤溫度數(shù)據(jù)。

本研究將試驗區(qū)按照高山?。ù笪鳒险荆⒅猩綆Вㄐ∏诱荆?、沖積扇平原（烏魯木齊站和米泉站均值）和準(zhǔn)噶爾盆地邊緣（阜康和蔡家湖均值）4個地貌類型進(jìn)行分析。根據(jù)土壤溫度隨深度變化的規(guī)律將上述9層深度的土壤溫度序列分別處理為0～20（0、5、10、15、20 cm均值）、40、80～160（80、160 cm均值）、320 cm共4個層次，分別形成日、月、季和年的平均土壤溫度序列，利用EXCEL和SPSS軟件軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析及圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 年內(nèi)不同地形土壤溫度分布基本特征

由圖2a 可知，天山北坡高山帶0～20 cm 的年平均土壤溫度為-1.4℃。年內(nèi)土壤溫度最高為10.1℃，最低為-14.2℃，年平均土壤溫差為24.3℃；40 cm 年平均土壤溫度為-1.2℃，土壤溫度最高為7.7℃，最低為-10.7℃，土壤溫差為18.4℃；80～160 cm 年平均土壤溫度為-1.3℃，土壤溫度最高為3.0℃，最低為-6.6℃，年溫差為9.6℃；320 cm年平均土壤溫度為-1.3℃，年內(nèi)最高為-0.4℃，最低為-3.2℃，年溫差為2.8℃。從以上數(shù)據(jù)可看出高山帯年內(nèi)的淺層、中層和深層的土壤平均溫度在-1.4～-1.2℃之間，相差較小，但年內(nèi)土壤溫度的年溫差隨著深度增加逐漸減小，從0～20 cm 的24.3℃減小至320 cm的2.8℃。

圖2 天山北坡不同地形年內(nèi)日平均土壤溫度分布曲線

由圖2b 可知，天山北坡中山帶0～20 cm 的年平均土壤溫度為6.9℃，年溫差為23.9℃，40 cm年平均土壤溫度為5.7℃，年溫差為17.8℃，80～160 cm年平均土壤溫度為5.7℃，年溫差為12.1℃，最高出現(xiàn)在8 月中旬，最低出現(xiàn)在2月底，較0～20 cm和40 cm偏晚近1個月；320 cm年平均土壤溫度為5.9℃，年溫差為6.3℃；圖2c和2d可知，沖積扇平原和盆地邊緣0～20 cm的年平均土壤溫度為11.6、11.4℃，年溫差為32.2、36.2℃；40 cm年平均土壤溫度為11.7℃和11.0℃，年溫差為28.4、28.9℃；80～160 cm 年平均土壤溫度為12.2、11.2℃，年溫差為19.5、17.9℃；320 cm 年平均土壤溫度為12.7、11.3℃，年溫差為8.8、7.1℃。綜合來看，高山帶各層土壤溫度基本在-15～10℃范圍內(nèi)，隨著海拔高度的下降，土壤溫度的范圍逐漸擴(kuò)大，至盆地邊緣各層土壤溫度基本在-10～30℃，土壤溫度隨海拔降低而呈升高趨勢，且土壤溫度變幅隨海拔高度的降低而增大。4種不同地形的土壤最高溫和最低溫的年溫差淺層大于深層，即土壤深度越深，溫度起伏越小，由淺至深年最高溫度和年最低溫度出現(xiàn)的時間逐漸推遲。

上圖曲線分析可見年內(nèi)中天山北坡不同海拔高度0～20 cm 的土壤日平均溫度曲線大致呈余弦函數(shù)曲線。0～20 cm的土壤最高溫度出現(xiàn)在7月，最低溫度出現(xiàn)在1月。320 cm深度的土壤溫度基本呈正弦函數(shù)分布，最高出現(xiàn)在10 月底，最低出現(xiàn)在4 月，較0～20 cm地溫的最高和最低晚3個月左右。

2.2 不同深度土壤溫度隨海拔高度的變化

2.2.1 不同深度土壤溫度年平均值隨海拔高度的變化趨勢分析由圖3 可看出土壤溫度隨海拔高度降低呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。深度為0～20、40、80～160 cm 3個層次的年平均土壤溫度隨海拔高度下降先呈現(xiàn)快速上升趨勢，至海拔高度為935 m的烏魯木齊站，上升速率開始變緩，直至海拔高度為600 m的米泉站，之后隨著海拔高度進(jìn)一步下降，土壤溫度呈下降趨勢。深度為320 cm 的土壤溫度也隨著海拔高度的變化趨勢與上面3層的趨勢相近，之后隨海拔下降，土壤溫度下降的幅度變緩。研究區(qū)同一站點的4層土壤溫度年平均值相差不大，如高山帶0～20 cm 的土壤溫度最低，為-1.5℃，其他3個層次的年平均值為-1.3℃，溫差只有0.2℃；不同深度年均土壤溫度相差最大的為烏魯木齊站，最高為深度為320 cm的12.7℃，最低為0～20 cm的11.5℃，相差1.2℃。

圖3 天山北坡不同深度土壤溫度隨海拔高度的變化

為了進(jìn)一步說明不同深度土壤溫度與海拔高度變化的相關(guān)性，下表列出海拔高度與土壤溫度的相關(guān)系數(shù)。

由表2可看出：中天山北坡4個不同深度的土壤溫度均和海拔高度呈顯著的負(fù)相關(guān)，其中0～20 cm 深度的土壤溫度與海拔高度的相關(guān)系數(shù)最為顯著，深度增加相關(guān)性水平下降，但都達(dá)到0.01的顯著水平。

表2 天山北坡不同深度土壤溫度與海拔高度的相關(guān)性及顯著性水平

2.2.2 土壤溫度隨海拔高度的垂直變化率分析為了進(jìn)一步說明土壤溫度隨海拔高度變化的規(guī)律，表3 列出了天山北坡代表站不同深度土壤溫度隨海拔高度的垂直變化率。由于研究區(qū)各站年平均土壤溫度隨海拔高度下降先快速上升至海拔600 m 的米泉氣象站，然后隨海拔繼續(xù)下降，土壤溫度開始上升，所以作者將土壤溫度隨海拔的垂直變化率分為高山帯至沖積扇平原的米泉站(3539～600 m)和沖積扇平原至盆地邊緣(600～441 m) 2 段進(jìn)行分析。在中天山北坡海拔為3539～600 m 高度范圍，不同深度的各季（年）土壤溫度的垂直變化率均為負(fù)，即土壤溫度隨著海拔的下降而上升。其中0～20、40 cm、80～160 cm 3 的層次的負(fù)值的最大值出現(xiàn)在夏季6 至8 月，分別為-0.73℃/100 m、-0.70℃/100 m、-0.66℃/100 m，負(fù)值的最小值出現(xiàn)在冬季12月至翌年2月；320 cm深度的土壤溫度隨海拔的變化率最大出現(xiàn)在秋季為-0.59℃/100 m，最小出現(xiàn)在春季為0.38℃/100 m。在中天山北坡海拔為600～441 m高度范圍，不同深度的各季（年）土壤溫度的垂直變化率大部分為正，即土壤溫度隨著海拔的下降而下降。在此海拔高度范圍內(nèi)土壤溫度的垂直變化率變幅較大，普遍大于3539～600 m 高度范圍的垂直變化率絕對值。

表3 天山北坡代表站不同深度土壤溫度隨海拔高度垂直變化率 ℃/100 m

2.3 土壤溫度隨深度的變化特征

地表土壤熱量主要源于太陽輻射，土壤吸收熱量后，再在土壤內(nèi)部產(chǎn)生熱傳導(dǎo)，導(dǎo)致土壤溫度在不同的深度層次間產(chǎn)生差異。

圖4可見：天山北坡高山帯土壤溫度在地表至40 cm深度范圍隨著深度土壤溫度有起伏。地表溫度最低，這可能是由于高山帯地表為冰川覆蓋，冰川溫度低從而造成地表溫度最低。40～80 cm 土壤溫度呈小幅降低趨勢，80 cm 以下基本穩(wěn)定；中山帶、沖積扇平原和盆地邊緣土壤溫度隨深度的變化趨勢較為相似，在0～40 cm之間隨深度加深，土壤溫度降低，降低幅度為1～2℃，40～80 cm 之間略有升高或降低，80 cm 以下土壤溫度變化很小，基本呈垂直狀態(tài)。

圖4 天山北坡不同地形土壤溫度隨深度的變化

3 討論與結(jié)論

（1）中天山北坡各層土壤溫度隨著海拔高度的下降，土壤溫度的范圍逐漸擴(kuò)大，即土壤溫度變幅隨海拔高度的降低而增大。4種不同地形的土壤最高溫和最低溫的年溫差淺層大于深層，即土壤深度越深，溫度起伏越小，由淺至深年最高溫度和年最低溫度出現(xiàn)的時間逐漸推遲。

（2）年內(nèi)中天山北坡不同海拔高度0～20 cm 的土壤日平均溫度曲線大致呈余弦函數(shù)曲線，這與前人在拉薩灌叢草甸區(qū)土壤溫度變化特征一文中的研究結(jié)果一致。0～20 cm的土壤最高溫度出現(xiàn)在7月，最低溫度出現(xiàn)在1 月，這與一年中氣溫的分布規(guī)律呈同步變化。同時也說明淺層20 cm以內(nèi)的土壤溫度受到氣溫?zé)崃總鲗?dǎo)的速度較快，與氣溫變化較為同步且相關(guān)性高。320 cm深度的土壤溫度卻基本呈正弦函數(shù)分布，最高出現(xiàn)在10月底，最低出現(xiàn)在4月，較0～20 cm地溫的最高和最低晚3 個月左右，這主要是因為氣溫和太陽照射的熱量傳導(dǎo)至深層的時間滯后于淺層土壤，同時也說明深層320 cm 的土壤溫度仍受地表氣溫變化的影響，并且地表熱量傳導(dǎo)至320 cm 深度大約滯后3個月時間。

（3）土壤溫度隨海拔高度降低呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。在中天山北坡海拔為3539～600 m高度范圍，不同深度的各季（年）土壤溫度的垂直變化率均為負(fù)，即土壤溫度隨著海拔的升高而降低；在中天山北坡海拔為600～441 m 高度范圍，不同深度的各季（年）土壤溫度的垂直變化率大部分為正，即土壤溫度隨著海拔的下降而下降。海拔最低的盆地邊緣土壤溫度開始下降主要因為盆地邊緣植被稀少，晝夜溫差極大，日平均氣溫較低，使地溫下降并低于海拔高度為600 m 的米泉站。在此海拔高度范圍內(nèi)土壤溫度的垂直變化率變幅較大，普遍大于3539～600 m高度范圍的垂直變化率絕對值，這可能與盆地邊緣冬夏季溫差大及樣本數(shù)量等因素有關(guān)。

（4）研究表明0～20 cm 深度的土壤溫度變化較為劇烈，受氣溫和降水等氣象因子的影響較為明顯，為土壤溫度變化的活躍層；40 cm 深度的土壤溫度處于劇烈變化和少變的中間層，可稱之為過渡層，320 cm 深度稱為土壤溫度的穩(wěn)定層，80～160 cm 稱為土壤溫度的次穩(wěn)定層。