天山北坡融雪期下垫面土壤湿度变化研究

段斌斌，李诚志，刘志辉

(1.新疆大学 干旱生态环境研究所，新疆 乌鲁木齐 830046；2.绿洲生态教育部重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830046；3.新疆大学 资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830046)

土壤是地-气系统的重要组成部分，是研究陆面过程和气候变化的重要方面[1-2]。土壤湿度积累了大量的地表水文过程信息，研究土壤湿度变化规律，对于认识气候系统变化、模拟预报局部天气以及在西北干旱区制定适宜的灌溉措施具有重要意义[3-4]。近年来，土壤湿度的研究内容主要是单一下垫面情况的变化规律。针对不同的区域尺度，很多学者运用实测和模型模拟的土壤湿度，分析了土壤湿度二维的时空变化特征和周期变化趋势,气温、降水、蒸散发以及相对湿度和土壤湿度的相互关系[5-11]。有学者研究了天山北坡融雪期土壤湿度的影响因子[12]，得出在融雪期，气温是土壤湿度变化的最大影响因子，降水，雪深，土壤温度也是影响土壤湿度变化的不可忽略的因子。此外，还有学者研究了特定下垫面对土壤湿度的影响：沈振西等[13]研究了在藏北高原不同海拔高度的高寒草甸植被指数与土壤温湿度的关系，分析了下垫面为高寒草甸时的土壤湿度变化；俞洁辉等[14]研究了念青唐古拉山北麓草甸分布上限土壤温湿度的季节变化，得出与低海拔处草甸相比，草甸分布上限处的土壤温度和土壤未冻水含量均明显偏低；张娟等[15]在青藏高原玉树地区典型高寒草甸区通过对土壤温、湿不同时期的特征分析，5月中旬至8月中旬，土壤湿度与土壤温度呈现相反的变化趋势，而在其余时期土壤温湿变化趋势一致；廖小荷等[16]分析了塔克拉玛干沙漠腹地冬季积雪下垫面土壤温湿度的变化特征，认为降雪作为固态降水，其消融过程必然引起土壤湿度的变化；宋海清等[17]研究了内蒙古地区下垫面变化对土壤湿度数值模拟的影响。综上所述，以上研究着重分析了土壤湿度的变化规律、区域时空分布特征、高寒草甸等单一下垫面土壤湿度的变化规律，考虑下垫面因素的土壤湿度，研究区域主要是在青藏高原地区，而对于天山山区融雪期不同下垫面的土壤湿度的研究较少。天山北坡是新疆经济最为发达，城镇最为密集的地区[18],同时也是融雪型洪水多发易发区[19]。本研究以天山北坡典型流域-军塘湖河流域为例，通过定点连续观测获得融雪期不同下垫面土壤温湿度，研究林地、林间草地和草地三种下垫面对融雪期间土壤湿度的影响，这对干旱区融雪径流模型中土壤湿度参数化方案优选输入、模拟融雪洪水形成过程和提高洪水预报精度有着重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

军塘湖河位于新疆昌吉回族自治州呼图壁县境内，发源于天山北坡中山带的特尔斯盖南缘三道马场以西的特里斯喀达坂，地势南高北低，东沟、西沟两大支流在下游低山带玛扎尔汇合，流入出山口的红山水库，流域面积1 218 km2，流域海拔700～3 500 m。土壤主要有山地栗钙土、灰钙土、棕钙土和灌溉棕钙土等，上游为森林(天山云杉)，中下游为草地(琵琶柴、苔草狐茅、梭梭、铁杆篙)、裸地和农田。该流域冬季漫长，夏季炎热，多年平均气温为6.9 ℃，冬季多年平均积雪厚度约22 cm，流域多年平均潜在蒸发量为2 383.94 mm；多年平均径流量3.89×108m3，融雪是河流春季主要补给源。流域积雪在每年的2月底开始融化，于3月底4月初融化结束，融雪期1个月左右，融雪期经常发生春汛洪水[20]。

图1 监测站位置示意图Fig.1 The location of monitoring station

1.2 数据获取

2016年1月在研究区上游森林区、林间草地和中下游草地分别架设三台自动小型气象站(锦州阳光气象有限公司)，气象站架设地点及其采集数据如表1所示。

表1 气象站点位置及其采集数据情况

在每个气象站点的土壤中设置5层土壤温度、湿度传感器：5 cm土壤湿度、10 cm土壤湿度、20 cm土壤湿度、30 cm土壤湿度、40 cm土壤湿度，土壤温度探头的埋设位置与土壤湿度在同一高度。数据采样间隔为30 min，精度为 ±0.1%。本文监测所得土壤湿度均为土壤中未冻水含量，土壤中的冰含量未在计算之列。

1.3 研究方法

相关性分析是指对两个或多个具备相关性的变量元素进行分析，从而衡量两个变量因素的相关密切程度，相关系数是研究变量之间线性相关程度的量，又叫线性相关系数，用来度量两个变量间的线性关系。本文采用皮尔逊相关系数[21]，计算公式如下：

(1)

2 结果与分析

2.1 融雪期不同下垫面气温变化

三个站点于2月25日前后开始融雪，从图2可知，在整个融雪期，三个站点气温整体呈波动上升趋势，经历上升-波动-再上升的过程。根据日均气温变化，将整个融雪期划分为初始期(2月25日至2月28日)-波动期(2月29日至3月15日)-稳定期(3月16日至3月23日)。融雪初始期，三个站气温都经历一个快速回升过程。融雪开始时爱民桥站、东沟站气温均在0 ℃以下，其中爱民桥站初始气温最低，气温达 -14 ℃。东沟站气温在融雪初始期快速上升到0 ℃以上，西沟站气温则在0 ℃以上，东沟、西沟站融雪过程开始。融雪波动期，三个站温度均出现大幅度的波动。爱民桥站气温一直处于0 ℃以下；东沟站在融雪波动前期位于0 ℃以上，波动后期一直处于0 ℃以下；西沟站则经历了3次0 ℃以上的波动。3月15日前后，三站气温几乎同时突破0 ℃，融雪进入稳定期。其中爱民桥站和东沟站气温一直处于在0 ℃以上，而西沟站有2次短暂的零下波动。就融雪期的平均气温来看，爱民桥站平均气温最低，为-3.23 ℃，其次是东沟，为-0.61℃，西沟最高，为 -0.59 ℃。经过对三种下垫面融雪期的气温变化的方差分析，爱民桥草地站气温方差最大，为23.44，其次是西沟，为17.80，东沟最小，为17.62。

图2 融雪期不同下垫面气温变化Fig.2 Different maturing snow melt surface temperature changes

2.2 融雪期不同下垫面土壤温度变化

从图3可知，融雪期间，不同下垫面的各层土壤温度随着气温的变化而变化，但不同下垫面的土壤温度变化又存在较大的差异。草地(爱民桥站)土壤温度，经历上升-下降-再上升的波动过程(图3a)。在融雪初始期和波动期(3月16日前)，草地各层土壤温度均低于0 ℃，从表层向下层土壤温度越来越高；在融雪稳定期，草地各层土壤温度均大于0 ℃，从表层向下层，土壤温度呈现越来越低的趋势。林间草地(东沟站)各层土壤温度在融雪期同样经历了上升-下降-再上升的波动过程(图3b)，但各层土壤温度相对于草地存在一定的差异。林间草地各层土壤温度在整个融雪期均呈现为上层土壤温度高和下层土壤温度低的特点；在两个低温点(2月25日和3月11日)各层土壤温度十分接近；在融雪稳定期，各层土壤温度并非表现出同时达到0 ℃的状态，而是由表层向下层依次上升到0 ℃。林地(西沟站)的各层土壤温度总体呈现为上升-然后趋于稳定(图3c)。融雪初始期，林地的各层土壤温度迅速增温，各层土壤温度均达到0 ℃左右；融雪波动期至融雪稳定期，除浅层5 cm土壤温度有一小幅零下波动，其余各层土壤温度均在融雪温度临界值。林地土壤温度整体上呈现上层土壤温度低，下层土壤温度高的现象，各层土壤温度与草地、林间草地的土壤温度存在较大差异。

因探头松动西沟林地站20 cm处的土壤温度数据缺失The soil temperature data at 20 cm at Xigoulin Station was missing due to the loose probe图3 融雪期不同下垫面土壤温度变化Fig.3 Changes in the soil temperature of the different underlying surface in snow melt periods

2.3 融雪期不同下垫面土壤湿度变化

选取三个气象站同时间段内(2月25日—3月22日)的土壤湿度进行对比分析，图4示意融雪期不同下垫面土壤湿度变化。

图4 融雪期不同下垫面土壤湿度变化Fig.4 Change of soil moisture under different underlying surface in snow melt period

2.3.1 草地下垫面土壤湿度变化 爱民桥站位于河流出山口平原地区，放牧期草地盖度80%左右，土壤以砂壤土为主。根据图4a可知，融雪初始期各层土壤湿度基本近似保持在5.0%以下。根据图4a可知：爱民桥站40 cm土壤湿度在整个融雪波动期呈现轻微的“双峰”形状，但第二峰值出现之后，其值保持在一个相对稳定的区间；此后，各层土壤湿度值均出现明显降低的现象。根据融雪期气温的变化，3月15日，爱民桥草地站日均气温突破0 ℃，此后进入稳定融雪期,此时段，由于融雪水下渗和土壤表层的全部融通(土壤冰)，表层5 cm土壤湿度值远高于其它各层。从土壤湿度的垂深分布变化分析可得：在整个融雪期，土壤湿度自表层向下呈增加趋势。

2.3.2 林间草地下垫面土壤湿度变化 东沟站处于研究区中上游山区，植被主要以云杉、雪松和山地草甸为主，林草比为3∶7。从图4b可知，浅层土壤(5 cm、10 cm)湿度在整个融雪期波动剧烈，而深层土壤(20 cm以下)变化幅度不大。在融雪初始期，土壤湿度随着深度增加而增加。融雪初始期的土壤湿度变化特征为：从表层向下土壤湿度增大。在融雪波动期，深层土壤湿度基本保持在一个稳定小幅上升过程：20 cm土壤湿度(13.70%～17.24%)、30 cm土壤湿度(18.32%～20.38%)、40 cm土壤湿度(19.78%～22.20%)；浅层5cm土壤湿度和10 cm土壤湿度均在3月3日前后达到融雪期最大值，5 cm土壤湿度在3月1日前后达到最大值，值为18.90%，而10 cm土壤湿度的最大值滞后于5 cm土壤湿度，于3月3日达到最大值，值为29.17%。从整个融雪期来看，浅层5 cm和10 cm土壤湿度波动幅度远远大于20 cm层及以下土壤湿度。

2.3.3 林地下垫面土壤湿度变化 西沟站架设于中上游的林地，其主要建群种为雪松(CedrusDeodara)和云杉(PiceaSchrenkiana)。根据图4c可知，整个融雪期，各层土壤湿度的变化都经历了“三升三降”的变化过程。在融雪初期伊始，各层土壤湿度值均较低，随后各层土壤湿度经历了一个短暂但急剧的增加过程，达到第一阶段峰值，此时段，各层土壤湿度值均达到20%左右。峰值过后，各层土壤湿度出现不同程度的下降(下降的幅度远小于上升的幅度)，于3月5日前后，各层土壤湿度降至20%～28%。从3月5日前后开始，只有5 cm土壤湿度出现一定幅度的下降之外，其它各层土湿值均第二次大幅上升，于3月7日前后达到第二阶段峰值，此时各层土壤湿度均达到整个融雪的最大值。3月7日—3月10日前后，各层土湿值经历了较大幅度的下降，平均下降幅度6.5%。3月10日以后，10 cm土壤湿度持续下降至15%左右后保持稳定变化，直至融雪期末期；5 cm土壤湿度以每天1.04%的速率增长至融雪期末期；而20 cm土壤湿度和30 cm土壤湿度则分别以每天1.7%和2.34%的速率下降至融雪末期；40 cm土壤湿度从3月9日的32.23%上升到3月11日的37.94%之后，也以每天2.26%的速率下降直至融雪末期。就整个融雪期而言，西沟站土壤湿度变化特征明显,表现出急剧上升-波动下降-再上升-稳定下降的趋势；从土壤湿度的垂深变化分析，在整个融雪期土壤湿度变化特征呈现自表层向下增加的趋势。

2.4 不同下垫面气温、土壤温度与土壤湿度相关性分析

土壤温湿度的相关性研究是了解土壤水热迁移过程及其特征的重要方面，根据(1)式分别对不同下垫面气温和各层土壤温湿度、土壤温度和土壤湿度作相关性分析，相关系数矩阵如表2、表3和表4。

表2 下垫面气温与土壤温度相关系数

**表示显著性水平达到了0.01，*表示显著性达到了0.05

** indicates that the level of significance has reached 0.01,* indicates that the significance has reached 0.05

由表2可知，草地下垫面气温与各层土壤温度的相关性均达到显著性水平(P<0.01)，气温对浅层土壤温度的影响程度要高于更深层次的土壤；林间草地下垫面气温与浅层5 cm、10 cm、20 cm的土壤温度的相关性达到显著性水平，与30 cm和40 cm的土壤温度没有通过相关性显著性水平验证；林地下垫面气温与各层土壤温度的相关性均没有达到显著性水平，气温与草地下层土壤的温度相关性最为显著，其次是林间草地，而与林地下层土壤相关性最弱。

由表3可知，下垫面气温与土壤湿度具有一定的相关性，但均没有达到显著性水平，对比表4可得出：与气温相比，土壤温度对土壤湿度的影响程度更大。

表3 下垫面气温与土壤湿度关系数

表4 下垫面土壤温度与土壤湿度相关系数

**表示显著性水平达到了0.01，*表示显著性达到了0.05

** indicates that the level of significance has reached 0.01,* indicates that the significance has reached 0.05

由表4可知，土壤温度是影响土壤湿度变化的重要因素，不同下垫面各层土壤温度和各层土壤湿度的相关性均达到较高水平(P<0.01)。由表4分析同深度层的土壤温度和土壤湿度的相关性可知：草地下垫面和林间草地对应深度层的土壤温湿度的相关系数均从浅层至深层逐渐增大，而林地下垫面土壤只有5 cm土壤湿度与对应层土壤温度相关性最强，5 cm以下土壤湿度均与40 cm土壤温度具有更强的相关性。由表4分析可以得出:草地下垫面和林间草地下垫面各层土壤湿度除与对应层土壤温度具有相关性外，与下层土壤温度的相关性更强，具体而言,草地下垫面5 cm土壤湿度与5 cm土壤温度相关系数为0.58，与10 cm土壤温度相关系数为0.67(最大)，另外10 cm、20 cm及以下层土壤湿度均分别以与下一层土壤温度具有更强相关性；对林间草地下层土壤湿度而言，具有和草地同样的相关性特征，随着融雪的加剧，草地和林间草地下层土壤湿度的变化要滞后于其对应层土壤温度；而对于林地下层土壤而言，5 cm土壤湿度与土壤温度相关性系数达到0.77(最大)，5 cm以下土壤湿度均与40 cm土壤温度相关性最强，这与草地和林间草地下层土壤相比有很大不同。

3 讨 论

土壤湿度是积雪融化过程中重要的风向标，可据此研究雪水下渗量并反映流域的气候状况，如地表温度、空气温度及植被覆盖度等[22]。研究区为天山北坡典型流域，季节性冻土冻融时间长达7个月，融雪期1个月左右，春季的快速升温导致积雪融化加剧，融雪洪水易随之发生。考虑气温、土壤温湿度、植被覆盖、积雪等对融雪期融雪径流的综合影响，能对融雪洪水预警体系提供更为详实的数据输入，降低融雪洪水对下游的生产生活的不利影响，进一步达到趋利避害。由于森林的遮荫作用[23]，使得到达积雪表面的太阳辐射大大减少，剩余的太阳辐射导致积雪层增温效率低下，林地积雪覆盖的浅层土壤温度较低，这与研究得出的林地下垫面浅层土壤温度低于深层的结论一致。此外，由于研究区季节性冻土的双向冻结和融化效应[24]，使得融雪期三种下垫面的土壤温湿度的变化特征表现出不同特征；气温是土壤温湿度变化的直接热源，土壤温度和地温的变化会使得土壤冻结和融化，进而导致各层土壤湿度呈现不同特征。

草地下垫面融雪初始期各层土壤湿度基本近似保持在较低水平，这可能与2015年秋末冬初该区域降水稀少，虽然冬季开始有积雪，但未有融化，随着积雪的加厚，使得土壤湿度的值保持在低值状态。5 cm土壤湿度、20 cm土壤湿度和30 cm土壤湿度均在融雪波动前期表现为“单峰”型，3月3日前后，这三层土壤湿度同时达到融雪波动期最大值。这可能与爱民桥站气温(图2)在融雪初始期的急剧上升增加有关，气温上升，使得白天积雪产生融化，(经实际观测，该站下覆冻土在白天处于融化状态，因此冻土作为阻水界面在这里不作考虑)融雪水下渗，浅层土壤水分开始增加至饱和，随后继续下渗，使得20 cm土壤湿度和30 cm土壤湿度达到最大值，但此时40 cm土壤湿度只有5.51%，这说明，在融雪初期，即使温度上升导致积雪融化产生融水，但融雪产生的可供下渗的水分却很有限，下渗到30 cm土壤湿度相应深度时，融雪水分已被消耗殆尽，40 cm层土壤湿度变化稳定；西沟林地下垫面于3月5日前后，各层土壤湿度降至20%～28%，是因为3月3日，流域发生一次降雪，使得雪被加厚，导致土壤温度下降，土壤湿度降低。本文所使用数据均为土壤未冻水含量，降雪降温导致的土壤温度的下降，会使一部分土壤水分结冰，导致土壤湿度降低。3月7日，林地下垫面各层土壤湿度均达到整个融雪的最大值，是由于此时段雪被覆盖使得土壤水分未有蒸发，“继承”了前期的较高水分。

草地下垫面气温与各层土壤温度相关性最显著，林间草地和林地下垫面气温和土壤温度的相关性逐渐减弱，这可能与森林的保温作用[22]和融雪期的积雪厚度有关；由于在融雪期，太阳辐射到达积雪表面，积雪的反射使得太阳辐射并没有全部转换为积雪融化的能量，这可能在一定程度上削弱了气温对深层土壤温度的影响，使得冻土融化过程减缓，因而下垫面气温与土壤湿度相关性并不显著。草地和林间草地下垫面土壤湿度不仅受到对应层土壤温度的影响，还受到下层土壤温度的制约，这与冻土在融雪期的双向融化有关；林地下垫面的土壤湿度除受到对应层和下层土壤温度的影响之外，还受到更深层次的40 cm土壤温度的制约，这可能与林地下覆土壤类型，林地类型等有关[25-26]。

4 结 论

本研究以天山北坡典型流域为例，通过定点连续观测方式获得了融雪期三种不同下垫面的土壤温湿度，综合对比分析了不同下垫面土壤温湿度变化规律，得到以下结论：

(1)在整个融雪期，军塘湖河流域不同下垫面气温变化均经历了上升-波动-再上升的过程，总体呈上升趋势。其中草地下垫面气温变化最为剧烈，其次是林间草地，林地下垫面变化幅度较之前两者小。

(2)受气温变化的影响，不同下垫面不同层土壤温湿度呈现不同特征：爱民桥草地各层土壤温度在融雪初始期和波动期自表层向下增加，到融雪稳定期变化特征则与之相反，而受季节性冻土的双向融化作用，土壤湿度则表现为自表层向下，形为“双峰”的减小趋势；林间草地各层土壤温度自表层向下越来越低，其土壤湿度在融雪初始期从表层向下土壤湿度增大，随后小幅上升；林地下层土壤温度在融雪初始期快速增加，随后变化稳定，垂深变化特征表现为：自表层向下，各层土壤温度呈增加趋势，土壤湿度表现为自表层向下增大。

(3)草地下垫面气温与各层土壤温度相关性最显著，林间草地气温与各层土壤温度相关性降低，而林地下垫面气温与各层土壤温度相关性未达到显著性水平；三种下垫面气温与土壤湿度具有一定的相关性，但均没有达到显著性水平；不同下垫面各层土壤温度和湿度的相关性均达到较高的显著性水平(P<0.01)，土壤湿度与土壤温度变化关系密切，且下垫面不同，其相关性也有所不同。

致谢：对新疆大学干旱生态环境研究所副研究员李诚志博士在论文修改中提供的帮助谨致谢意。