新疆中天山北坡断裂带不同海拔高度土壤温度分布特征

宫恒瑞，郑玉萍，苗运玲

（乌鲁木齐市气象局，乌鲁木齐 830002）

0 引言

新疆处于干旱地区，生态环境脆弱，其基本地貌轮廓是三大山系包围两大盆地。天山是影响新疆天气、气候最重要的地形之一。土壤温度作为衡量土壤环境状况的重要指标之一，不仅影响土壤形成发育，也影响地表植被生长状况[1]，甚至影响土壤碳收支过程，进而对气候变化产生影响[2-3]。研究中天山断裂带从高山帯到准噶尔盆地边缘整个过渡带的土壤温度分布特征不仅有助于理解干旱区土壤环境特征，也有助于监测干旱脆弱生态系统的环境状况。目前国内外对土壤温度的研究，多涉及土壤温度对植被变化、气温变化的响应，以及土壤温度与土壤湿度、土壤冻融的关系等主题[4-8]，同时也关注土壤温度在不同时空尺度的变化特征[9-16]。但是中国的地温研究主要集中在农业和林业比较优势的地区[17-25]。而对于山脉—绿洲—盆地边缘过渡带土壤温度的分布规律研究较少。缑倩倩等[25]利用临泽内陆河流域站11 年的土壤温度与气象要素数据，分析了河西走廊中部荒漠-绿洲过渡带土壤温度年内和年际变化规律及主要影响因素。并建立了气象指标与各层土壤温度之间经验预报方程。天山高山帯海拔3500 m 以上至山前冲积扇平原再至准噶尔盆地南缘接近戈壁沙漠整个过渡带的地温分布规律未见相关文献。本研究利用分布在中天山断裂处6个不同海拔高度的气象观测站多年对地温的观测资料进行分析，找出随着海拔高度的变化，不同深度地温的分布规律，从而对该区域土地利用、生态环境和农业生产等方面提供参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

天山山脉呈东西走向，在新疆中部有断裂。断裂带正好是首府乌鲁木齐所在地，也是人口和经济活动最为密集的区域。受此特殊地形的影响，中天山北坡从南到北海拔高度差异达3000 m以上，该区域范围各区、县无论是气候背景还是天气现象均有很大差异。本文选取新疆中天山断裂带海拔高度呈梯度分布的6个气象站，分别为：大西沟站、小渠子站、乌鲁木齐站、米泉站、阜康站和蔡家湖站（图1所示）。

图1 研究区地形及气象站点分布图

大西沟气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带，地貌以森林草甸为主；乌鲁木齐市北部平原开阔，海拔南高北低，乌鲁木齐站位于南城区；米泉站位于乌鲁木齐市北城区，以上两个区域是本研究区内人口最为密集的区域；阜康和蔡家湖为农业区，海拔高度逐渐降低，表1列出6个气象站海拔高度及地貌特征。

表1 研究区海拔高度及地貌特征

1.2 数据来源与处理方法

文中研究数据均来自于新疆气象局。根据《中华人民共和国国家标准GB/T35233—2017，地面气象观测规范》，气象观测土壤温度的深度主要有地面0、5、10、15、20、40、80、160、320 cm 共9 个层次土壤温度。本研究选取小渠子、乌鲁木齐、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层深度逐日平均土壤温度观测资料进行分析。由于大西沟站地处天山高山帯无人区，地温观测开始较晚，自2009年开始，且2019、2020年由于数据传输问题，缺测数据较多，故大西沟站选取2009 年1 月1 日至2018年12月31日共10年的各层土壤温度数据。

本研究将试验区按照高山帯（大西沟站）、中山带（小渠子站）、冲积扇平原（乌鲁木齐站和米泉站均值）和准噶尔盆地边缘（阜康和蔡家湖均值）4个地貌类型进行分析。根据土壤温度随深度变化的规律将上述9层深度的土壤温度序列分别处理为0～20（0、5、10、15、20 cm均值）、40、80～160（80、160 cm均值）、320 cm共4个层次，分别形成日、月、季和年的平均土壤温度序列，利用EXCEL和SPSS软件软件进行数据的统计分析及图表制作。

2 结果与分析

2.1 年内不同地形土壤温度分布基本特征

由图2a 可知，天山北坡高山带0～20 cm 的年平均土壤温度为-1.4℃。年内土壤温度最高为10.1℃，最低为-14.2℃，年平均土壤温差为24.3℃；40 cm 年平均土壤温度为-1.2℃，土壤温度最高为7.7℃，最低为-10.7℃，土壤温差为18.4℃；80～160 cm 年平均土壤温度为-1.3℃，土壤温度最高为3.0℃，最低为-6.6℃，年温差为9.6℃；320 cm年平均土壤温度为-1.3℃，年内最高为-0.4℃，最低为-3.2℃，年温差为2.8℃。从以上数据可看出高山帯年内的浅层、中层和深层的土壤平均温度在-1.4～-1.2℃之间，相差较小，但年内土壤温度的年温差随着深度增加逐渐减小，从0～20 cm 的24.3℃减小至320 cm的2.8℃。

图2 天山北坡不同地形年内日平均土壤温度分布曲线

由图2b 可知，天山北坡中山带0～20 cm 的年平均土壤温度为6.9℃，年温差为23.9℃，40 cm年平均土壤温度为5.7℃，年温差为17.8℃，80～160 cm年平均土壤温度为5.7℃，年温差为12.1℃，最高出现在8 月中旬，最低出现在2月底，较0～20 cm和40 cm偏晚近1个月；320 cm年平均土壤温度为5.9℃，年温差为6.3℃；图2c和2d可知，冲积扇平原和盆地边缘0～20 cm的年平均土壤温度为11.6、11.4℃，年温差为32.2、36.2℃；40 cm年平均土壤温度为11.7℃和11.0℃，年温差为28.4、28.9℃；80～160 cm 年平均土壤温度为12.2、11.2℃，年温差为19.5、17.9℃；320 cm 年平均土壤温度为12.7、11.3℃，年温差为8.8、7.1℃。综合来看，高山带各层土壤温度基本在-15～10℃范围内，随着海拔高度的下降，土壤温度的范围逐渐扩大，至盆地边缘各层土壤温度基本在-10～30℃，土壤温度随海拔降低而呈升高趋势，且土壤温度变幅随海拔高度的降低而增大。4种不同地形的土壤最高温和最低温的年温差浅层大于深层，即土壤深度越深，温度起伏越小，由浅至深年最高温度和年最低温度出现的时间逐渐推迟。

上图曲线分析可见年内中天山北坡不同海拔高度0～20 cm 的土壤日平均温度曲线大致呈余弦函数曲线。0～20 cm的土壤最高温度出现在7月，最低温度出现在1月。320 cm深度的土壤温度基本呈正弦函数分布，最高出现在10 月底，最低出现在4 月，较0～20 cm地温的最高和最低晚3个月左右。

2.2 不同深度土壤温度随海拔高度的变化

2.2.1 不同深度土壤温度年平均值随海拔高度的变化趋势分析由图3 可看出土壤温度随海拔高度降低呈现先升高后降低的趋势。深度为0～20、40、80～160 cm 3个层次的年平均土壤温度随海拔高度下降先呈现快速上升趋势，至海拔高度为935 m的乌鲁木齐站，上升速率开始变缓，直至海拔高度为600 m的米泉站，之后随着海拔高度进一步下降，土壤温度呈下降趋势。深度为320 cm 的土壤温度也随着海拔高度的变化趋势与上面3层的趋势相近，之后随海拔下降，土壤温度下降的幅度变缓。研究区同一站点的4层土壤温度年平均值相差不大，如高山带0～20 cm 的土壤温度最低，为-1.5℃，其他3个层次的年平均值为-1.3℃，温差只有0.2℃；不同深度年均土壤温度相差最大的为乌鲁木齐站，最高为深度为320 cm的12.7℃，最低为0～20 cm的11.5℃，相差1.2℃。

图3 天山北坡不同深度土壤温度随海拔高度的变化

为了进一步说明不同深度土壤温度与海拔高度变化的相关性，下表列出海拔高度与土壤温度的相关系数。

由表2可看出：中天山北坡4个不同深度的土壤温度均和海拔高度呈显著的负相关，其中0～20 cm 深度的土壤温度与海拔高度的相关系数最为显著，深度增加相关性水平下降，但都达到0.01的显著水平。

表2 天山北坡不同深度土壤温度与海拔高度的相关性及显著性水平

2.2.2 土壤温度随海拔高度的垂直变化率分析为了进一步说明土壤温度随海拔高度变化的规律，表3 列出了天山北坡代表站不同深度土壤温度随海拔高度的垂直变化率。由于研究区各站年平均土壤温度随海拔高度下降先快速上升至海拔600 m 的米泉气象站，然后随海拔继续下降，土壤温度开始上升，所以作者将土壤温度随海拔的垂直变化率分为高山帯至冲积扇平原的米泉站(3539～600 m)和冲积扇平原至盆地边缘(600～441 m) 2 段进行分析。在中天山北坡海拔为3539～600 m 高度范围，不同深度的各季（年）土壤温度的垂直变化率均为负，即土壤温度随着海拔的下降而上升。其中0～20、40 cm、80～160 cm 3 的层次的负值的最大值出现在夏季6 至8 月，分别为-0.73℃/100 m、-0.70℃/100 m、-0.66℃/100 m，负值的最小值出现在冬季12月至翌年2月；320 cm深度的土壤温度随海拔的变化率最大出现在秋季为-0.59℃/100 m，最小出现在春季为0.38℃/100 m。在中天山北坡海拔为600～441 m高度范围，不同深度的各季（年）土壤温度的垂直变化率大部分为正，即土壤温度随着海拔的下降而下降。在此海拔高度范围内土壤温度的垂直变化率变幅较大，普遍大于3539～600 m 高度范围的垂直变化率绝对值。

表3 天山北坡代表站不同深度土壤温度随海拔高度垂直变化率 ℃/100 m

2.3 土壤温度随深度的变化特征

地表土壤热量主要源于太阳辐射，土壤吸收热量后，再在土壤内部产生热传导，导致土壤温度在不同的深度层次间产生差异。

图4可见：天山北坡高山帯土壤温度在地表至40 cm深度范围随着深度土壤温度有起伏。地表温度最低，这可能是由于高山帯地表为冰川覆盖，冰川温度低从而造成地表温度最低。40～80 cm 土壤温度呈小幅降低趋势，80 cm 以下基本稳定；中山带、冲积扇平原和盆地边缘土壤温度随深度的变化趋势较为相似，在0～40 cm之间随深度加深，土壤温度降低，降低幅度为1～2℃，40～80 cm 之间略有升高或降低，80 cm 以下土壤温度变化很小，基本呈垂直状态。

图4 天山北坡不同地形土壤温度随深度的变化

3 讨论与结论

（1）中天山北坡各层土壤温度随着海拔高度的下降，土壤温度的范围逐渐扩大，即土壤温度变幅随海拔高度的降低而增大。4种不同地形的土壤最高温和最低温的年温差浅层大于深层，即土壤深度越深，温度起伏越小，由浅至深年最高温度和年最低温度出现的时间逐渐推迟。

（2）年内中天山北坡不同海拔高度0～20 cm 的土壤日平均温度曲线大致呈余弦函数曲线，这与前人在拉萨灌丛草甸区土壤温度变化特征一文中的研究结果一致。0～20 cm的土壤最高温度出现在7月，最低温度出现在1 月，这与一年中气温的分布规律呈同步变化。同时也说明浅层20 cm以内的土壤温度受到气温热量传导的速度较快，与气温变化较为同步且相关性高。320 cm深度的土壤温度却基本呈正弦函数分布，最高出现在10月底，最低出现在4月，较0～20 cm地温的最高和最低晚3 个月左右，这主要是因为气温和太阳照射的热量传导至深层的时间滞后于浅层土壤，同时也说明深层320 cm 的土壤温度仍受地表气温变化的影响，并且地表热量传导至320 cm 深度大约滞后3个月时间。

（3）土壤温度随海拔高度降低呈现先升高后降低的趋势。在中天山北坡海拔为3539～600 m高度范围，不同深度的各季（年）土壤温度的垂直变化率均为负，即土壤温度随着海拔的升高而降低；在中天山北坡海拔为600～441 m 高度范围，不同深度的各季（年）土壤温度的垂直变化率大部分为正，即土壤温度随着海拔的下降而下降。海拔最低的盆地边缘土壤温度开始下降主要因为盆地边缘植被稀少，昼夜温差极大，日平均气温较低，使地温下降并低于海拔高度为600 m 的米泉站。在此海拔高度范围内土壤温度的垂直变化率变幅较大，普遍大于3539～600 m高度范围的垂直变化率绝对值，这可能与盆地边缘冬夏季温差大及样本数量等因素有关。

（4）研究表明0～20 cm 深度的土壤温度变化较为剧烈，受气温和降水等气象因子的影响较为明显，为土壤温度变化的活跃层；40 cm 深度的土壤温度处于剧烈变化和少变的中间层，可称之为过渡层，320 cm 深度称为土壤温度的稳定层，80～160 cm 称为土壤温度的次稳定层。