五道梁地区浅层地温变化特征及其对冻土的影响

    巩俐 李路华 王发科 冶云娟 李积芳 邓生寅

    

    

    

    摘要 ? ?本研究采用五道梁气象站的地温资料，利用数理统计方法分析了该地区浅层地温变化特征，探讨了浅层地温变化对冻土的影响。结果表明，11年来五道梁地区0、20 cm浅层地温增减变化趋势基本一致，呈略微减少趋势，减少趋势不明显。五道梁地区浅层和深层土壤冻结期呈微略提前趋势、解冻期呈微略推迟趋势，提前和推迟趋势均不明显。浅层地温与深层土壤冻结期成正相关关系，浅层地温升高在一定程度上有利于深层土壤冻结期的推迟;浅层地温与深层土壤解冻期成负相关关系，浅层地温升高促使深层解冻期提前。

    关键词 ? ?浅层地温;冻土;变化特征;五道梁地区

    中图分类号 ? ?P642.14;S152.8 ? ? ? ?文献标识码 ? ?A

    文章编号 ? 1007-5739（2020）20-0159-03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?开放科学（资源服务）标识码（OSID）

    冻土是在温度下降到0 ℃或以下时，含有水分的土壤呈冻结状态的一种现象，一般可分为短时冻土、季节冻土和多年冻土。多年冻土作为一种特殊地质体，区别于常规土的最本质特征是冰的存在，其对外界温度变化十分敏感。因此，气候是冻土重要的影响因素，气候变化将影响冻土地区分布和冰冻渗透深度[1]。研究表明，由于气候变暖，青藏高原东北部、东南部和南部冻土区厚度表现出变薄趋势，青藏高原多年冻土面积减小和冻土下界高度升高[2-3]。地温是反映多年冻土热状况的重要特征指标[4-6]，青藏高原年均气温自20世纪50年代开始在波动中升高[7-8]。在此背景下，青藏高原多年冻土出现了地温升高、季节活动层厚度增加、多年冻土层厚度减小及南北界范围收缩等现象，不同区域表现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区，位于北纬34°40′～35°50′、东经89°30′～92°30′之间，面积约2.6万km2，是可可西里自然保护区核心地带，也是青藏铁路必经之路。该区海拔高、气候寒冷、空气稀薄，属高原山地气候，生态环境脆弱。分析五道梁地区浅层地温变化特征、探讨浅层地温对冻土的影响，对研究区保护生态环境、合理开展高寒建筑业、保障交通运输安全等具有指导意义。

    1 ? ?资料来源与研究方法

    1.1 ? ?资料来源

    本研究选取2009—2019年五道梁气象站的地温气象资料，以地温连续3 d<0 ℃的日期作为各层土壤冻结的日期，>0 ℃的日期作为各层土壤解冻的日期。

    1.2 ? ?研究方法

    本研究主要引入气候倾向率和气候趋势系数判别分析五道梁地区冻土和地温等气象因素时间序列的趋势变化特征及相关性。

    1.2.1 ? ?气候倾向率。对序列的趋势变化用一次线性方程表示，即

    y（t）=a0+a1t（1）

    式（1）中，y（t）为气象要素、t为时间、a0为常数项、a1为线性趋势项，把a1×10 a作为气象要素气候倾向率。a1值的符号反映上升或下降的变化趋势，a1<0表示在计算时段内呈下降趋势，a1>0表示呈上升趋势;a1值绝对值大小可度量其演变趋势上升、下降的程度。

    1.2.2 ? ?气候趋势系数。n个时刻的气候要素序列与自然数列1，2，3，…，n的相关系数，即

    式（2）中，r为气候要素序列趋势相关系数，可用相关系数统计检验方法检验气候趋势是否显著，相关系数检验临界值r0.05=0.553。n为年数，xi为第i年气候要素值，x为气候要素平均值，t=（n+1）/2，r值为正（负）时表示该要素在所计算的n年內有增加（减少）趋势。

    2 ? ?结果与分析

    2.1 ? ?浅层地温变化分析

    2.1.1 ? ?浅层地温月变化。分析五道梁地区0 cm和20 cm地温月变化特征可知，0 cm和20 cm地温月均最大值均出现在8月，分别为11.5 ℃和10.0 ℃，两者相差较小，为1.5 ℃。0 cm最小值出现在2月，为-17.1 ℃;20 cm最小值出现在1月，为-9.4 ℃;二者相差较大，为7.7 ℃。其中，0 cm月平均地温较20 cm平均地温变化幅度大，见图1（a）。

    2.1.2 ? ?浅层地温年变化。由图1（b）可以看出，2009—2019年五道梁地区0 cm和20 cm地温增减变化趋势基本一致，20 cm月平均地温较0 cm变化平稳，11年来呈略微减少趋势，减少倾向率分别为0.35 ℃/10 a和0.04 ℃/10 a，减少趋势不明显，未通过0.05显著检验。2019年与2009年相比，0 cm和20 cm地温分别减少0.9 ℃和0.6 ℃。年平均地温变化幅度与月一致，0 cm年平均地温较20 cm年平均地温变化幅度大。

    2.2 ? ?浅层地温变化对冻土的影响

    2.2.1 ? ?浅层土壤冻结期和解冻期变化。由图2（a）可以看出，五道梁地区0 cm和20 cm土壤先后于10月22日、11月2日开始冻结，冻结日期相差11 d。11年来，五道梁地区0 cm和20 cm土壤冻结日期变化一致，呈微略提前趋势，提前倾向率分别为0.36 d/10 a和0.55 d/10 a，提前趋势均不明显。

    由图2（b）可以看出，五道梁地区0 cm和20 cm土壤先后于3月26日、4月12日开始解冻，解冻日期相差17 d。11年来，五道梁地区0 cm和20 cm土壤解冻日期变化也一致，呈微略推迟趋势，推迟倾向率分别为0.31 d/10 a和0.39 d/10 a，推迟趋势均不明显。

    上述分析表明，受浅层地温略减少的影响，浅层土壤冻结期呈微略提前趋势，而解冻期呈微略推迟趋势，变化幅度均不明显。

    2.2.2 ? ?深层土壤冻结期对浅层地温的响应。由图3可知，五道梁地区0 cm地温与80 cm、160 cm土壤冻结期成正相关关系，地温每升高1 ℃，80 cm和160 cm土壤冻结期距平分别增加5.0 d和10.2 d，其中160 cm土壤冻结期通过0.05显著检验，相关较明显。因此，0 cm地温升高深层土壤冻结期距平增加，即土壤冻结期推迟，土层越深土壤冻结期推迟日期越长。

    20 cm地温对80 cm、160 cm土壤冻结期的影响与0 cm地温相似，也成正相关关系，地温每升高1 ℃，80 cm和160 cm土壤冻结期距平分别增加8.8 d和21.6 d，均未通过0.05显著检验，相关不明显。因此，20 cm地温升高在一定程度上有利于深层土壤冻结期推迟，但影响较0 cm地温小。

    2.2.3 ? ?深层土壤解冻期对浅层地温的响应。由图4可知，五道梁地区0 cm地温与80 cm、160 cm土壤解冻期成负相关关系，地温每升高1 ℃，80 cm和160 cm土壤解冻期距平分别减少7.4 d和8.4 d，均通过0.05显著检验，相关较明显。因此，0 cm地温升高促使深层土壤解冻期距平减少，即土壤解冻期提前对80 cm土壤解冻期影响较160 cm土壤解冻期明显。

    20 cm地温对80 cm、160 cm土壤解冻期的影响与0 cm地温相似，也成负相关关系，地温每升高1 ℃，80 cm和160 cm土壤解冻期距平分别减少22.4 d和24.9 d，均通过0.05显著检验，相关较明显。因此，20 cm地温升高促使深层土壤解冻期距平减少，即与0 cm地温相同，土壤解冻期提前对80 cm土壤解冻期影响较160 cm土壤解冻期明显。

    3 ? ?结论

    （1）五道梁地区0 cm和20 cm浅层地温增减变化趋势基本一致，呈略微减少趋势，减少倾向率分别为0.35 ℃/10 a和0.04 ℃/10 a，减少趋势不明显。

    （2）受浅层地温略减少的影响，浅层土壤冻结期呈微略提前趋势、解冻期呈微略推迟趋势，提前和推迟趋势均不明显。

    （3）五道梁地区浅层地温与深层土壤冻结期成正相关关系。0 cm地温每升高1 ℃，80 cm和160 cm土壤冻结期距平分别增加5.0 d和10.2 d;20 cm地温每升高1 ℃，80 cm和160 cm土壤冻结期距平分别增加8.8 d和21.6 d。表明浅层地温升高在一定程度上有利深层土壤冻结期推迟，0 cm地温对深层土壤冻结期的影响较20 cm地温明显。

    （4）五道梁地区浅层地温与深层土壤解冻期成负相关关系。0 cm地温每升高1 ℃，80 cm和160 cm土壤解冻期距平分别减少7.4 d和8.4 d;20 cm地温每升高1 ℃，80 cm和160 cm土壤解冻期距平分别减少22.4 d和24.9 d。表明浅层地温升高促使深层解冻期提前，对80 cm土壤解冻期的影响较160 cm土壤解冻期明显。

    4 ? ?参考文献

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