乌伊岭冻土区活动层厚度影响因素分析

2023-07-03吕姝琴

哈尔滨师范大学自然科学学报 2023年2期

吕姝琴

（哈尔滨师范大学）

0 引言

随着全球气候变暖，极端气候事件频发［1］.IPCC第六次评估报告指出，将在2100 年前全球平均温升控制在2℃以内［2］.寒区生态系统对气候变化的响应研究已成为热点［3］.近地表面的多年冻土是寒区陆地生态系统重要的组成部分，对多年冻土的研究是生态、水文、地质和工程建设研究者关注的重要议题［4］.

全球气候变暖对冰冻圈的影响巨大，冻土作为冰冻圈的组成部分，也受其影响［5］.季节冻结是指地层年平均地温高于土壤冻结温度的地层的冻结，是地层在冬季放出热量的结果［6］.季节融化则是地层的年平均地温低于冻结温度的冻土的融化，是由于热量暖季进入地层所引起.通常把每年冬季冻结、夏季融化的接近地表的土层称为活动层，活动层是冻土地层内水热交换最主要的区域［7］，受经纬度、高程、植被覆盖度、地表温度、土壤性质及气候环境等诸多因素的影响.因此，对于冻土活动层厚度的监测是了解冻土对环境响应的重要基础.

小兴安岭森林是温带、寒温带的过渡地带，属于针阔叶混交林与北方针叶林的过渡区域，处于中国受气候变暖影响最显著的地区对环境变化具有很高的敏感性［8］.而乌伊岭区作为最典型的、稀有的林间湿地区，其冻土活动层的变化对湿地植被的演替以及植被的保护有着重要的意义.许多专家和学者的研究表明，有关冻土活动层厚度变化及其影响因素的研究多集中于青藏高原，鲜少有涉及到小兴安岭地区.因此，该文以小兴安岭地区乌伊岭区为例探究冻土活动层厚度与影响因子，土壤湿度、土壤温度以及高程和经纬度之间的关系.

1 研究区与研究方法

1.1 研究区

乌伊岭区位于黑龙江省东北部小兴安岭顶峰（128°57′～129°44′E、48°33′～49°08′N）（如图1所示）.气候上属温带大陆性季风气候，由于受海洋环流和西伯利亚冷空气影响，四季气候呈明显特点.冬季漫长而寒冷，多西北风；夏季短促而燥热；多东南风和大暴雨，降水量大而且集中.年平均气温－1.1 ℃，历年平均最低气温－8.5 ℃，最高气温6.1 ℃.1 月份气温最低，平均气温－24.6 ℃.7月份气温最高，平均气温19.1 ℃.年平均降水量585.7 mm.地形上属低山丘陵，地势多东南，西北坡向，山峰沿着支脉两侧呈枝状分布，顶峰起伏不大，坡势平缓.最高点在翠峰林场与东克林林场分界处，海拔606 m；最低点在扎克大旗河汇入乌云河的河口处，海拔157 m.有中国北方特有的森林沼泽、灌丛沼泽和泥炭藓沼泽［9］.此外，还有各种鸟类、鱼类及国家重点保护动物，他们共同形成了北方高纬度、多种类、复合型湿地自然生态系统.

图1 研究区域

1.2 研究方法

冻土活动层厚度主要通过钎探法、坑探法、钻探法和土壤温度线性插值法［10］进行测量，该文主要通过金属钎探法采集活动层厚度数据，并辅以探地雷达数据进行验证.钎探法运用“T”型金属探测棒垂直于地面向下插入泥土之中，直至金属探测棒不再继续往下深入，记录当前金属探测棒深度，得到该点的活动层厚度数据.探地雷达数据采集则使用500 MHz和250 MHz屏蔽天线探地雷达，采用中心频率分别为500 MHz 和250 MHz的两组设备.具体数据采集与处理如图2所示.

土壤温度和土壤湿度由便携式土壤参数速测仪进行测定，经纬度及高程由GPS 工具箱进行定位和确定.

1.3 统计方法

多元线性回归方程是对于给定的实际问题，找出某一个因素及对其有显著影响的其他若干几个因素，并通过从一组已知观测值出发，运用相关理论及统计软件对其进行方差分析后建立一个数学模型表达关系方式，进而对该模型的显著性、可信度和拟合优度及标准误差等进行统计检验［11］.

在该文中将冻土活动层厚度作为因变量，土壤温度、土壤湿度、高程和植被类型作为自变量，对其进行相关性分析.原始方程如下：

式中：b0，b1，b2，…，bn为回归系数，ω 为随机误差.

2 结果与分析

2.1 乌伊岭区冻土活动层厚度的分布特征

乌伊岭区冻土活动层厚度的整体变化范围在0.4 ～6.21 m，最小冻土活动层厚度出现在灌丛草甸中，最大冻土活动层厚度出现在溪流边.在野外调查采样的10 组探地雷达样线，120 个插钎点数据中，灌丛草甸的平均活动层厚度最小为0.59 m，溪边的平均活动层厚度最深为2.69 m.且不同植被类型活动层厚度差异明显，以不同植被类型区平均活动层厚度作为标准进行对比，得出：兴安杜鹃（0.97 m）＞小叶章（0.854 m）＞白桦（0.684 m）＞落叶松（0.645 m）＞薹草（0.634 m）＞笃斯越桔（0.569 m）＞杜香（0.453 m）.

从整体来看，冻土活动层厚度与土壤湿度以及不同植被类型有着紧密的联系，土壤湿度最大的区域活动层厚度也是最大，即溪边冻土活动层厚度最深.而从植被类型来看，白桦林与落叶松林土壤湿度差异不大，因此他们的活动层厚度差异也不太明显.于此相反的是落叶松和兴安杜鹃，两者生长区域土壤湿度差异不明显，但他们活动层厚度差异明显.白桦和薹草生长区域活动层厚度差异不明显，土壤湿度数据差异明显，土壤温度差异不明显（见表1）.

典型植被冻土活动层厚度／m 土壤温度／℃ 土壤湿度／% 高程／m白桦 0.684 20.08 13.87 368.13笃斯越桔 0.569 21.17 10.97 354.53薹草 0.634 19.0 20.79 366.33杜香 0.453 20.49 12.26 350.89落叶松 0.645 17.93 14.5 367.36兴安杜鹃 0.97 17.95 15.44 393.57小叶章 0.854 20.29 14.17 376.13

2.2 冻土活动层变化影响因素分析

2.2.1 乌伊岭地区植被覆盖类型与冻土活动层变化影响分析

在采样区域的选择上根据冻土区优先的原则，根据不同植被类型，选择冻土分布的地区的典型植被，白桦（A1）、笃斯越桔（A2）、薹草（A3）、杜香（A4）、落叶松（A5）、兴安杜鹃（A6）、小叶章作为不同的植被覆盖类型.由于不同的植被类型在变量的属性上属于分类变量，因此需要先将变量转换为虚拟变量再进行多元线性回归分析.又因为这7个变量的取值存在着互斥的关系，同时将所有虚拟变量引入模型会产生完全共线性问题.因此，只引入6个虚拟变量（A1～A6），剩下的一个分类变量作为参照组.由于小叶章作为优势种的区域活动层厚度平均值为0.854m，仅次于兴安杜鹃为优势种区域的活动层厚度，且小叶章的分布范围广于兴安杜鹃，故将小叶章作为此次分析的参照组.

由表2 可知，调整过的R2说明不同的植被类型能解释冻土活动层厚度变化的26.8%，表明不同的植被覆盖类型与冻土活动层厚度变化存在着线性关系，但不是影响冻土活动层厚度变化的主要因素.其中德宾－沃森（DW）检验是推断残差是否存在自相关的统计检验方法，根据DW检验表可得本分析dL、dU 值分别为1.404 和1.805，即dL＜DW＜dU，说明本次分析残差独立性检验基本符合，样本间独立性检验基本符合，但回归关系不确定.

以小叶章作为标准变量进行分析，杜香和笃斯越桔对冻土活动层厚度的影响程度要高与小叶章，且与冻土活动层厚度变化呈显著相关（P ＝0.001／0.012＜0.05）.白桦、薹草、落叶松和兴安杜鹃与冻土活动层厚度变化无显著相关性（显著性均大于0.05），且以上4 种植被覆盖类型与小叶章对冻土活动层厚度的影响差距较大，但落叶松和薹草对冻土活动层厚度影响效果较为相似.由此可知，杜香和笃斯越桔对冻土活动层厚度变化产生的影响较大，呈显著负相关，杜香对冻土活动层厚度影响最大，而其余植被覆盖类型与冻土活动层厚度变化无显著性，见表3.

模型 R R2 调整后R2 标准估算的错误德宾－沃森1 0.583a 0.340 0.268 23.83160 1.632 a.预测变量：（常量），A6，A4，A5，A3，A2，A1 b.因变量：活动层

2.2.2 乌伊岭地区土壤温湿度和高程对冻土活动层变化影响分析

该文选择土壤湿度、土壤温度和高程［4，12，13］作为影响因子，分析其对冻土活动层厚度变化的影响.由表4 可知，调整后的R2为53.6%，说明所选环境因子土壤温湿度和高程可以解释冻土活动层厚度变化的53.6%，是影响活动层厚度的变化的主要因素，且呈线性关系.德宾－沃森（DW）检验值从DW检验表可知dU ＝1.689＜DW＜4－dU，即残差序列不存在自相关，该回归方程模型可以被充分解释.由表5 可知，海拔会影响冻土活动层厚度的变化，且与冻土活动层厚度变化呈正比；而土壤温度和土壤湿度则不会影响冻土活动层厚度变化，土壤温度和土壤湿度的显著性均大于0.05.共线性统计包括方差膨胀因子（VIF）和容差两个指标，事实上，VIF ＝容差的倒数（1／容差），只需要判断其中一个指标即可.由图3 可知，在本次分析中，所有容忍度值都大于0.1（最小值为0.632），说明该研究自变量多重共线不严重.该次分析残差直方图服从正态分布，标准差接近于1（标准正态分布），说明该次线性回归符合正态性条件.

图3 土壤温湿度和高程与冻土活动层厚度线性关系标准化残差直方图

通过上述分析，可以得到海拔与冻土活动层厚度的多元线性回归方程为：活动层＝0.987×海拔－316.061，其关系图如图4所示.

模型 R R2 调整后R2 标准估算的错误德宾－沃森1 0.747a 0.559 0.536 18.98063 1.811 a.预测变量：（常量），湿度，海拔，温度b.因变量：活动层

图4 活动层厚度与海拔线性关系图

2.2.3 乌伊岭地区不同植被类型和土壤温湿度与活动层厚度的关系

由2.2.2的结论可知，土壤温湿度与活动层厚度变化无显著相关性，但根据研究土壤温湿度皆是影响冻土活动层变化的重要因素［3，14－18］，不同植被类型的分布也与土壤温湿度的变化息息相关［19－20］，因此该文试图将植被类型作为控制变量，探究土壤温湿度与冻土活动层厚度的关系，运用分层线性回归的方式，对三者进行分析，由于植被类型属于分类变量，因此将其转换为虚拟变量后代入方程进行分析，分析结果见表6.

变量模型1 模型2（常量）85.4 74.522 A1－17－15.601 A2－28.511*－24.682*A3－22.025－29.793**A4－40.114***－37.913***A5－20.9－21.862 A6 11.6 9.587温度 —－0.25湿度 —1.125*R2 0.34 0.422 ΔR2 0.34 0.082 F 4.724*** 4.84***

由表6可知，模型1 是控制变量即植被类型对因变量冻土活动层厚度的影响；模型2 是在控制变量（植被类型）的基础上，加入因变量土壤温湿度对冻土活动层厚度的影响.其中模型1 的拟合度为0.34，说明植被类型作为控制变量对作为因变量的冻土活动层厚度的解释度为34%，F 值是4.724，在0.001水平上显著，说明控制变量中有一个变量与冻土活动层厚度之间存在影响关系.模型2是在模型1 的基础上加入了土壤温湿度作为自变量，以反应土壤温湿度对冻土活动层厚度的影响.模型2的拟合度为0.442，说明在植被类型作为控制变量的条件下，土壤温湿度对冻土活动层厚度的解释度为44.2%，F 值为4.84，在0.001 水平上显著，说明该模型有意义，R2的变化量为0.082则说明该模型有效；由变量的回归系数的显著性可看出控制变量中的笃斯越桔、薹草和杜香对模型起到了干扰作用，因此在排除了这三种植被的干扰之后，自变量土壤湿度与冻土活动层厚度变化呈正相关（B ＝1.125；P ＜0.05），而土壤温度与冻土活动层厚度变化无显著相关性（P＞0.05）.

3 讨论

3.1 植被类型与冻土活动层影响关系分析

通过对不同植被类型的分析表明，不同植被类型对冻土活动层厚度变化有较大影响，尤其是杜香和笃斯越桔，且杜香作为优势种的区域，其冻土活动层厚度明显小于笃斯越桔.杜香和笃斯越桔分别作为优势种的区域，活动层厚度均小于其他与冻土活动层厚度变化无显著相关性的植被区域.而现有研究多为植被NDVI 或植被群落类型与冻土活动层厚度变化之间的关系，少有将具体植被种类与冻土活动层厚度变化情况进行分析［21－22］.因此，白桦、薹草以及兴安杜鹃等冻土区指示植物与冻土活动层厚度变化无显著相关性的原因还需进一步探究.具体原因有可能是未将植被的叶面积指数、积雪厚度、苔藓层厚度、土壤导热系数等因素纳入分析.

3.2 土壤温湿度和高程对冻土活动层厚度影响分析

研究表明，非地形因子土壤水分和温度［23］和地形因子高程共同作用于冻土活动层，令活动层厚度发生改变.该文分析表明，高程与冻土活动层厚度呈显著正相关.这与学者基于整个东北的区域尺度上得出的小兴安岭高海拔有利于多年冻土的发育和保存［24］.两种研究结果不同，可能是由于研究的尺度不同所造成的.相较于整个东北地区，乌伊岭区受到全球变暖以及其他因素的影响更为剧烈.

研究证实，土壤湿度越高会导致活动层厚度越浅，也有研究证实土壤湿度越高会导致活动层厚度越深.两种结果均表明土壤湿度是导致活动层变化的重要因素.该文将土壤温湿度与高程作为影响因子进行相关性分析时，土壤温湿度均与活动层厚度变化无显著相关性，而植被类型与活动层厚度具有显著相关性，故而将植被类型作为控制变量，对土壤温湿度进行分析.得出结论：土壤湿度与活动层厚度呈显著正相关，土壤温度与活动层厚度无显著相关性.这与杜二计的研究结果不同，可能是由于研究地区不同导致的.青藏高原由于地处中低纬度且平均海拔在4000 m 以上，有强烈的地表辐射［25－26］.乌伊岭区地处小兴安岭，纬度高且植被种类繁多，所以土壤湿度对活动层厚度加深有促进作用.