大通县季节性冻土深度变化及影响因子分析

2021-11-20张翠花柴世秀

青海草业 2021年4期

张翠花，柴世秀

(青海省西宁市大通县气象局，青海桥头 810199)

冻土是指含有水分的土壤因温度降到0 ℃或以下时而呈冻结的状态，是反映土壤热状况的一项指标[1]，在研究地表和大气的热量交换上有一定的意义。国内外许多学者在冻土变化方面做了相关研究。如高荣等和李林等研究揭示了青藏高原冻土总体上呈退化的事实；张国胜等研究青海高原季节冻土退化的驱动因素时，得出人类活动对季节冻土退化的贡献率要远大于气候变化的贡献率，且气候变暖是造成季节冻土退化的主导气候因素；王绍令等研究得出气候变暖已引起高原冻土面积的减少和下界的升高[2～6]；王秋香等研究认为新疆冬季冻土平均深度变薄，最大冻结深度减小[7]。冻土深度变化与气象各要素有着紧密联系，土壤的冻结与封冻过程与气温、地温等要素的高低变化有着密切的关系。因此，研究本地气候变化特征及对深层地温和冻土深度的影响，在明确季节冻土冻结深度变化规律的基础上，进行影响因子分析也尤为重要，冬季温度变化直接影响冻土深度变化，而土壤冻结和解冻的早晚影响作物播种和牧草返青的推迟或提前，进而影响当年农作物发育期和产量，对合理利用气候资源，针对性的指导农业生产和农业气象服务有一定的帮助。

1 资料与方法

本文选取 1994～2019 年大通站最大冻土深度、气温、地温数据，利用描述分析和气候统计方法，分析了要素的年际变化特征，用线性趋势法计算了最大冻土深度的气候变化趋势和气候倾向率。气候倾向率的计算是以线性方程 y′=b+ax 进行拟合，根据最小二乘法原理得到变化趋势a，气候倾向率为 a×10。采用相关系数法进行变化趋势的显著性检验和各要素之间的相关性检验[8]。

2 分析与结果

2.1 冻土最大冻结深度的年际变化

大通站最大冻土深度27 a平均可达87 cm，最大值出现在 2007年为114 cm ，最小值出现在2010年和2015年为68 cm，两者相差46 cm；在整个气候变暖的大背景下，27 a来大通站最大冻土深度以7.5 cm /10a的趋势显著减小，增大趋势通过了0.01的显著性检验，而且存在明显的阶段性变化，呈现“减—增—减”的趋势，如图1a。在1994～1999年的6年间，最大冻土深度以1.7 cm /10a的趋势减小，冻土层变薄，从2000年开始以18.2 cm /10a趋势逐年增大，到2007年达到最大值114 cm，2007年以后该值以7.5 cm /10a的趋势显著减小，通过0.01的显著性检验。可以看出，1994年以来，总体上最大冻土深度在逐渐减小，冻土层明显变薄。这与中国最大冻土深度的总体变化趋势是一致的。

图1 1994～2020年最大冻土深度变化(a)和冻土期间气温(b)地温(c)变化

2.2 冻土最大冻结深度对气温的相关分析

冻土深度变化与气温的变化是密切相关的。冻土期间的温度对季节冻土都有重要的影响，气温的升降和持续时间直接影响着冻土的深度、冻结和融化。大通县近27 a冻土期间(10月～翌年4月)平均气温、平均最低气温和极端最低气温的气候变化趋势均呈现明显的上升趋势(见图1b)，气候倾向率分别为0.36 ℃/10a、0.75 ℃/10a和1.02 ℃/10a。27 a来大通站最大冻土深度以7.5 cm /10a的趋势显著减小。最大冻土冻结深度与冻土期间的平均气温、平均最低气温、极端最低气温均呈现负相关，其中与极端最低气温相关性最好，相关系数为-0.534，达到了0.001的显著性水平。也就是说，冬季气温越低，最大冻土深度越大，否则最大冻土深度越小(见表1和图2 )。

表1 大通站近27 a气温、地温变化趋势及与冻土之间的相关系数

图2 近27a年最大冻结深度与气温的相关关系

2.3 冻土最大冻结深度对地温的响应

地温与气温是相互作用的，太阳辐射一部分被大气吸收，但很大一部分被地面吸收增热，地面热量再通过对流、辐射、传导等方式传给大气，使大气增热，气温发生变化。近27 a冬季(10 月～翌年 4 月)平均地面温度、平均最低地温及极端最低地温均有明显的升高趋势，(见图1c)。气候倾向率分别为0.53 ℃/10a、1.78 ℃/10a和2.43 ℃/10a，显著性均超过 0.001的信度检验。最大冻土深度和平均地面温度、平均最低地面温度和极端最低地面温度也存在着负相关关系，相关系数为-0.3677、-0.5182和-0.4111，均达到0.01信度的显著性检验(见表1和图3)，即地温越低，冻土深度越大，反之地温越高，则冻土深度越浅。

图3 近27a年最大冻结深度与地温之间的相关关系

由此可见，从冬季气温、地温与最大冻土深度看，10月以后，最低气温降至零度以下，土壤开始出现冻结，随着太阳辐射总量的减少，气温逐月降低，土壤冻结厚度加深，到1月气温达到最低，但冻土深度仍在加深，到1月下旬至2月初冻土深度达到最大值。而3月中下旬最低气温已达到零度以上，土壤开始慢慢解冻，但完全解冻仍需一段时间，直至3月末至4月初冻土完全解冻消失。冻土最大冻结深度与气温、地温均呈现很好的负相关，也就是说，气温、地温越低，最大冻土深度就越大，否则最大冻土深度越小，并且均达到 0.01信度的显著性检验。