陳珊珊, 臧淑英, 孫 麗

(哈爾濱師范大學(xué) 寒區(qū)地理環(huán)境監(jiān)測(cè)與空間信息服務(wù)黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150025)

多年凍土是地—?dú)鉄崃拷粨Q的產(chǎn)物，對(duì)氣候變化具有高度敏感性[1-3]。自20世紀(jì)80年代初以來(lái)，大多數(shù)地區(qū)多年凍土溫度已升高[4]。東北多年凍土區(qū)氣溫顯著升高[5]，且氣候具有暖干化趨勢(shì)[6]。多年凍土是寒區(qū)生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分[7-8]。多年凍土退化及冰—水相變劇烈，多年凍土水熱遷移發(fā)生變化，對(duì)寒區(qū)生態(tài)、水熱過(guò)程等產(chǎn)生深刻影響，使其成為寒區(qū)植被生態(tài)系統(tǒng)研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

活動(dòng)層(夏季融化，冬季凍結(jié))土壤水文過(guò)程是物質(zhì)和能量在寒區(qū)地表各圈層之間遷移轉(zhuǎn)化的重要載體[9]。研究顯示多年凍土退化會(huì)對(duì)水分運(yùn)移過(guò)程產(chǎn)生直接或間接的影響[10-11]，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化[12]。在東北多年凍土區(qū)，圍繞多年凍土退化主題的研究，其內(nèi)容主要涉及積雪、植被等地表因素對(duì)凍土水熱變化的影響[13-14]，凍融作用對(duì)多年凍土碳效應(yīng)的反饋[15-17]。更多關(guān)注的是多年凍土退化的水熱過(guò)程變化所導(dǎo)致的碳循環(huán)變化，而對(duì)多年凍土退化直接引起的水文變化關(guān)注不足?？傮w而言，當(dāng)前已有研究集中在東北多年凍土區(qū)不同下墊面條件下凍土活動(dòng)層水熱時(shí)空規(guī)律上，土壤溫濕度變化可以印證土壤水熱之間的相互關(guān)系，土壤濕度是氣候系統(tǒng)的關(guān)鍵變量，是植物蒸騰作用和光合作用的限制因子，從而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。目前從土壤濕度的角度研究東北多年凍土區(qū)土壤水分的空間差異性的不多。

多年凍土退化會(huì)使土壤水發(fā)生劇烈的相變(固態(tài)—液態(tài))，多年凍土上限下降，作為天然弱透水層的作用被削弱，及活動(dòng)層厚度加深，水下滲能力增強(qiáng)，使不同土壤深處土壤濕度發(fā)生變化。另外，多年凍土退化導(dǎo)致凍土區(qū)融區(qū)增多，使地下水和地表水之間補(bǔ)給發(fā)生變化，造成區(qū)域土壤濕度的變化。為認(rèn)識(shí)多年凍土退化對(duì)土壤濕度的動(dòng)態(tài)影響，以東北多年凍土區(qū)為例，分析多年凍土土壤濕度的時(shí)空變化規(guī)律、影響因子和對(duì)植被生產(chǎn)力和水文的影響，對(duì)研究寒區(qū)多年凍土退化對(duì)水文過(guò)程影響及生態(tài)系統(tǒng)具有重大意義。

1 研究區(qū)概況

東北地區(qū)分布著多年凍土和季節(jié)凍土兩大凍土，東北多年凍土屬高緯度多年凍土，是歐亞大陸多年凍土的最南緣，面積為3.9 ×105km2(46°30′—53°30′N(xiāo)，115°52′—135°09′E)。多年凍土厚度從幾米到上百米，多年凍土面積連續(xù)率由5%～20%增加到60%～75%，多年凍土年平均地溫由-1～0℃到-2.5～-1.5℃[18-19]。東北多年凍土區(qū)，冬季受西伯利亞高壓控制，逆溫層分布廣泛，逆溫層效應(yīng)向南逐漸變?nèi)?。東北多年凍土區(qū)是我國(guó)森林資源豐富地區(qū)(大、小興安嶺林區(qū))，有著我國(guó)重要的森林和濕地沼澤兩大生態(tài)系統(tǒng)，且是東北主要河流的發(fā)源地(圖1)。

圖1 東北地區(qū)多年和季節(jié)凍土分布

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

2.1.1 土壤濕度數(shù)據(jù) 與傳統(tǒng)的土壤濕度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相比，再分析土壤濕度數(shù)據(jù)具有長(zhǎng)時(shí)間序列和空間連續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)。ERA-Interim是一套比較成熟的再分析資料，在中國(guó)區(qū)域的數(shù)據(jù)質(zhì)量比較高。馬思源評(píng)估了ERA-Interim土壤濕度數(shù)據(jù)在中國(guó)區(qū)域的可靠性，表明該數(shù)據(jù)集與觀(guān)測(cè)土壤濕度的年際變化有很好的一致性[20]。朱智等也對(duì)ERA-Interim土壤濕度數(shù)據(jù)集在中國(guó)區(qū)域的適用性進(jìn)行了評(píng)估，兩者結(jié)論一致，表明它可以模擬出土壤濕度的季節(jié)變化狀況[21]。

所以本文采用ERA-Interim月平均不同深度土壤濕度數(shù)據(jù)(http:∥apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-moda/levtype=sfc/)，該數(shù)據(jù)集土壤濕度為體積相對(duì)濕度(單位：m3/m3)，數(shù)據(jù)從1979年開(kāi)始，本文選擇了空間分辨率為0.125°×0.125°的7 cm和28 cm的土壤濕度數(shù)據(jù)，分析東北多年凍土區(qū)1979—2017年土壤濕度的時(shí)空變化規(guī)律。由于凍土區(qū)深層土壤長(zhǎng)時(shí)期處于凍結(jié)狀態(tài)，土壤水分變化不大，但隨著氣候變暖，凍土區(qū)淺層土壤的凍結(jié)和融化期發(fā)生變化，使得表層土壤濕度發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，所以本文選取淺層深度為7 cm和28 cm的土壤濕度數(shù)據(jù)來(lái)分析凍土區(qū)土壤水分狀況。

2.1.2 氣象數(shù)據(jù) 采用英國(guó)東安格利亞大學(xué)的Climatic Research Unit(CRU)的氣象要素?cái)?shù)據(jù)(氣溫、降水、蒸發(fā))。本文選擇氣候變量數(shù)據(jù)集為CRU-TSv.4.01版，在該(http:∥www.cru.uea.ac.uk/data)網(wǎng)站注冊(cè)下載了1979—2016年研究區(qū)月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)，并利用Matlab軟件計(jì)算區(qū)域年平均值，用來(lái)分析土壤濕度時(shí)空變化的原因。

2.2 研究方法

本文采用一元線(xiàn)性回歸計(jì)算1979—2017年?yáng)|北多年凍土區(qū)土壤濕度的氣候傾向率并檢驗(yàn)其是否具有顯著性?？臻g上，對(duì)土壤濕度傾向率進(jìn)行克里金插值，分析土壤濕度的空間變化規(guī)律，并利用Pearson相關(guān)分析法分析土壤濕度變化的原因。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤濕度的時(shí)間變化

3.1.1 土壤濕度年際變化 通過(guò)分析土壤濕度的年際變化，了解土壤濕度1979—2017年總體變化趨勢(shì)。圖2是1979—2017年?yáng)|北多年凍土區(qū)不同深度年平均土壤濕度的年際變化趨勢(shì)。1979年以來(lái)東北多年凍土區(qū)7 cm和28 cm土層深度的年平均土壤濕度值分別為0.280 5 m3/m3，0.277 6 m3/m3(圖2)，不同深度土壤濕度變化傾向率都表現(xiàn)出微弱下降趨勢(shì)，平均每10 a下降0.000 3 m3/m3。不同年代年土壤濕度變化存在一定差異：20世紀(jì)70年代末到20世紀(jì)90年代末期，年土壤濕度變化趨勢(shì)比較平穩(wěn)，大部分都在平均值附近波動(dòng)；21世紀(jì)初期以來(lái)，年土壤濕度呈現(xiàn)出顯著下降趨勢(shì)，說(shuō)明了東北多年凍土區(qū)土壤含水量明顯減少。

1979—2017年，東北多年凍土區(qū)7 cm和28 cm深度的土壤濕度年際變化趨勢(shì)大體相同，都呈下降趨勢(shì)，土壤濕度變化大致可以分為4個(gè)階段：20世紀(jì)70年代到80年代為第1階段，表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢(shì)，且大部分以正距平為主，1984年年土壤濕度達(dá)到最大值約為0.30 m3/m3；90年代為第2階段，表現(xiàn)為微弱上升趨勢(shì)；21世紀(jì)初期到中期以來(lái)表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，且大部分以負(fù)距平為主；21世紀(jì)中期以來(lái)為第4階段，表現(xiàn)為先上升后下降趨勢(shì)，且2008年以后呈上升趨勢(shì)顯著。即近39 a來(lái)表現(xiàn)為“上升—下降—上升—下降—上升—下降”趨勢(shì)，且土壤濕度在21世紀(jì)初期變化最大，說(shuō)明東北多年凍土區(qū)土壤含水量波動(dòng)大。

圖2 1979-2017年?yáng)|北多年凍土區(qū)不同深度年土壤濕度年際變化趨勢(shì)

3.1.2 土壤濕度季節(jié)變化 根據(jù)東北多年凍土凍融過(guò)程，定性分析了東北多年凍土區(qū)土壤濕度季節(jié)變化特征。圖3顯示了每十年?yáng)|北多年凍土區(qū)不同深度土壤濕度的季節(jié)變化。在季節(jié)變化上，7 cm和28 cm深度的土壤濕度呈現(xiàn)“M”型的季節(jié)變化趨勢(shì)，土壤濕度出現(xiàn)雙峰值，分別是4月份和8月份。為便于分析，以?xún)鋈跁r(shí)間為劃分依據(jù)，結(jié)合多年凍土土壤濕度變化的明顯拐點(diǎn)將東北多年凍土區(qū)土壤濕度在年內(nèi)分布變化過(guò)程明顯地劃分為2個(gè)階段：(1)凍結(jié)階段(10月份到第二年3月末)：氣溫下降，融化土壤開(kāi)始凍結(jié)，凍土層上水位快速降低并達(dá)到最小值；(2) 融化階段(4月份初和10月份初)：氣溫回升，凍結(jié)土壤開(kāi)始融化，凍土層上水位快速上升并達(dá)到最大值。

3.1.3 土壤濕度時(shí)間變化分析 根據(jù)土壤濕度年際變化、月變化和多年凍土活動(dòng)層凍融期，定性分析了多年凍土區(qū)土壤濕度變化過(guò)程。(1) 1979—2017年不同深度土壤濕度總體上呈下降趨勢(shì)。東北地區(qū)近五十年來(lái)年平均氣溫顯著上升[22-23]，氣候呈暖干化趨勢(shì)[8]，且近百年來(lái)降水顯著下降[24]。氣溫升高，多年凍土退化，蒸發(fā)加劇，加上降水減少，使補(bǔ)給減少，導(dǎo)致東北多年凍土土壤濕度呈下降趨勢(shì)。(2) 峰值：土壤濕度呈現(xiàn)雙峰值：4月份、8月份。這與東北地區(qū)河流汛期情況相似，一年兩汛：春汛、夏汛。東北地區(qū)緯度高，冬季積雪深度和覆蓋面大，受氣溫慢慢回升的影響，積雪在3月份左右開(kāi)始融化，此時(shí)地溫高于氣溫，土壤吸收水分，達(dá)到飽和狀態(tài)，形成地表水開(kāi)始下滲，土壤含水量增大，達(dá)到第一個(gè)駝峰值；隨著氣溫快速的回升，8月份氣溫達(dá)到最大值，活動(dòng)層也隨之達(dá)到一年的最大融化深度，活動(dòng)層土壤水發(fā)生相變(由固體轉(zhuǎn)為液體)，且夏季是東北地區(qū)的雨季，淺層土壤含水量達(dá)到飽和，剩余的水分向下滲并補(bǔ)給兩側(cè)，此時(shí)，土壤濕度都達(dá)到一年的高峰值。(3) 融化階段：融化期，大片連續(xù)多年凍土?xí)霈F(xiàn)自上而下的單向融化，島狀多年凍土?xí)霈F(xiàn)自上而下和自下而上的雙向融化。該階段活動(dòng)層凍結(jié)土壤開(kāi)始自上而下融化，表層土壤在這一時(shí)期開(kāi)始融化，加之，淺層土壤受降水補(bǔ)給作用，土壤濕度逐漸上升，并達(dá)到最大值。(4) 凍結(jié)階段：凍結(jié)時(shí)期，大片連續(xù)多年凍土出現(xiàn)自上而下和自下而上的雙向凍結(jié)[19,25]，由于土壤凍結(jié)作用，表層水分難以下滲，加上冬季降水主要以降雪的形式出現(xiàn)，從而使得土壤淺層土壤濕度低。

圖3 1979-2017年?yáng)|北多年凍土區(qū)不同深度年平均土壤濕度季節(jié)變化趨勢(shì)

3.2 土壤濕度空間分布與變化分析

3.2.1 土壤濕度的空間分布 通過(guò)分析土壤濕度的空間分布，了解土壤濕度1979—2017年空間分布特征。圖4是1979—2017年?yáng)|北多年凍土區(qū)土層深度7 cm和28 cm總年平均土壤濕度的空間分布特點(diǎn)。可以看出，大片連續(xù)多年凍土區(qū)的土壤最為濕潤(rùn)，較為濕潤(rùn)的是大片—島狀凍土和稀疏—島狀多年凍土的東部地區(qū)，稀疏—島狀多年凍土的西部地區(qū)土壤干旱。1979—2017年?yáng)|北多年凍土土壤濕度的空間變化表現(xiàn)為：緯向上，自北向南土壤濕度值越來(lái)越低；經(jīng)向上，自西向東，土壤濕度值越來(lái)越高，土壤濕度經(jīng)向上變化和東北地區(qū)由沿海向內(nèi)陸遞減的降水分布規(guī)律一致。

圖4 1979-2017年?yáng)|北多年凍土區(qū)土壤濕度空間分布

3.2.2 土壤濕度空間變化分析 近39 a來(lái)，東北多年凍土區(qū)土壤濕度年際變化表現(xiàn)出不同的空間差異(圖5)，總體上東北多年凍土的中部大部分地區(qū)土壤濕度年際變化趨勢(shì)呈下降趨勢(shì)，但2個(gè)土壤層之間土壤濕度的空間變化差異不大。根據(jù)東北多年凍土區(qū)年平均土壤濕度變化的空間差異，可將研究區(qū)劃分為3種類(lèi)型區(qū)域，即(1) 增加區(qū)：土壤濕度增加趨勢(shì)明顯地區(qū)?？傮w上，近39 a來(lái)，該區(qū)主要包括大片連續(xù)多年凍土區(qū)，稀疏—島狀多年凍土的東南部和西南部，土壤濕度每10 a變化傾向率在0～0.007 9 m3/m3。(2) 輕度減少區(qū)：土壤濕度減少趨勢(shì)緩慢的地區(qū)。總體上，該區(qū)域主要在大片島狀凍土區(qū)，土壤濕度每10 a變化傾向率在-0.023 9～0 m3/m3。(3) 明顯減少區(qū)：土壤濕度減少趨勢(shì)明顯區(qū)域?？傮w上該區(qū)域主要是稀疏—島狀多年凍土的中部地區(qū)，土壤濕度每10 a變化傾向率在-0.089 3～-0.023 9 m3/m3。

7 cm和28 cm深度土壤濕度的空間變化差異表現(xiàn)為：在大片多年凍土內(nèi)，土壤濕度的上升趨勢(shì)隨著土層深度的增加而加強(qiáng)，另外表層土壤濕度上升趨勢(shì)較深層土壤濕度上升趨勢(shì)弱一些。土壤凍融過(guò)程的變化，融化期延長(zhǎng)，凍結(jié)期縮短，多年凍土上層隔水作用的減弱，使得下滲作用加強(qiáng)，從而使深層的土壤層土壤濕度上升；加之表層土壤受氣溫和蒸發(fā)作用比深層土壤作用強(qiáng)，從而使得表層土壤濕度上升趨勢(shì)比深層土壤濕度上升趨勢(shì)小些。

不同類(lèi)型凍土的土壤濕度變化具有差異性：稀疏島狀多年凍土土壤濕度呈顯著下降趨勢(shì)，大片連續(xù)多年凍土土壤濕度呈增加態(tài)勢(shì)，而大片—島狀多年凍土土壤濕度變化介于上述兩者之間。這種差異的出現(xiàn)可能是由于多年凍土的退化，首先，緯度相對(duì)較低的稀疏島狀多年凍土開(kāi)始退化，其退化速率比大片連續(xù)多年凍土速率快，且稀疏島狀多年凍土含冰量少于其他兩種類(lèi)型的多年凍土。另外，土壤濕度增長(zhǎng)速率小于減少速率，由于土壤溫度和地溫對(duì)氣溫的反映具有相對(duì)滯后性，而氣溫升高會(huì)增強(qiáng)蒸發(fā)效應(yīng)，多年凍土區(qū)土壤濕度的這種變化對(duì)多年凍土區(qū)水文過(guò)程、植被系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。

圖5 1979-2017年?yáng)|北多年凍土區(qū)年土壤濕度傾向率的空間變化

3.3 土壤濕度變化的相關(guān)分析

由于土壤水分主要來(lái)源于大氣降水和積雪融水，所以選取降水、蒸發(fā)和氣溫作為研究土壤濕度變化的因子。采用SPSS 19.0軟件中的Pearson相關(guān)分析，對(duì)降水、蒸發(fā)、氣溫與對(duì)應(yīng)的不同深度處的土壤濕度分別做相關(guān)分析。

土壤濕度與氣候要素Pearson相關(guān)分析結(jié)果(表2)顯示：不同深度的土壤濕度與降水呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，與蒸發(fā)呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)，與氣溫沒(méi)有顯著相關(guān)性，印證了多年凍土區(qū)土壤水熱之間的相互關(guān)系。土壤濕度與氣溫沒(méi)有相關(guān)關(guān)系，可能是由于東北多年凍土區(qū)氣溫日較差大，年平均氣溫表示的是一種平均狀態(tài)，抹去了極端氣溫的消息信號(hào)。從圖6可知東北多年凍土區(qū)氣溫和蒸發(fā)量呈上升趨勢(shì)。氣溫升高造成活動(dòng)層融化深度加深[25-26]。季節(jié)融化深度加深會(huì)使土壤水下滲能力增強(qiáng)，使得表層土壤水分流向深處；此外，氣溫升高蒸發(fā)加強(qiáng)，進(jìn)一步加劇表層土壤水分的流失，使得表層土壤濕度下降。另外，東北多年凍土區(qū)每10 a降水呈下降趨勢(shì)(0.069 5 m3/m3)，這意味著降水對(duì)土壤水分的補(bǔ)給在減少，進(jìn)一步促使土壤濕度下降，所以蒸散發(fā)和降水是導(dǎo)致東北多年凍土區(qū)土壤濕度減少的主要原因。但在蒸發(fā)加強(qiáng)和降水減少的雙重作用下，該區(qū)土壤濕度每10 a下降速率并不大(0.000 3 m3/m3)，可能是由于多年凍土退化(冰—水相變)，弱化了降水和蒸發(fā)對(duì)該區(qū)土壤濕度的影響。隨著多年凍土退化加劇甚至消失，在降水減少的情況下，該區(qū)未來(lái)土壤濕度會(huì)繼續(xù)下降。土壤“旱化”可能會(huì)導(dǎo)致東北植被生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化。

3.4 土壤濕度變化帶來(lái)的影響

土壤水分是植物水分主要來(lái)源及重要的補(bǔ)給源。地表的水熱狀況對(duì)植被生態(tài)系統(tǒng)具有重要影響。研究表明降水是影響東北多年凍土區(qū)植被NDVI的主要控制因子[27]。氣溫升高加速蒸散發(fā)過(guò)程，潛在的加劇土壤水分流失，且降水量減少，意味著土壤對(duì)植物水分的補(bǔ)給減少，會(huì)導(dǎo)致植被類(lèi)型發(fā)生變化。隨著多年凍土退化的加劇，土壤水流失嚴(yán)重化，蒸發(fā)加強(qiáng)，土壤水分可能限制植被的生長(zhǎng)。在氣溫升高，降水和土壤濕度減少的情況下，降水和土壤濕度會(huì)成為影響東北多年凍土區(qū)植被生長(zhǎng)的主要因子，導(dǎo)致東北多年凍土區(qū)植被生物量、生態(tài)類(lèi)型、物種組成等發(fā)生變化。

表2 土壤濕度與氣候要素相關(guān)分析

注：*表示在0.05水平上顯著相關(guān)，**表示在0.01水平上顯著。

圖6 1979-2017年?yáng)|北多年凍土區(qū)年平均氣溫、降水和蒸發(fā)變化趨勢(shì)

土壤水分的減少不僅對(duì)植被生產(chǎn)力有影響，還會(huì)導(dǎo)致濕地資源減少。多年凍土退化其作為弱透水層的作用被削弱，導(dǎo)致濕地土壤水分通過(guò)徑流的形式不斷的減少，造成濕地資源的萎縮。東北多年凍土區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)濕地向草地轉(zhuǎn)化、濕地灌叢化等現(xiàn)象[12]。多年凍土區(qū)土壤水分變化會(huì)帶來(lái)生態(tài)系統(tǒng)的變化。

4 結(jié) 論

(1) 1979—2017年，東北多年凍土區(qū)不同深度土壤濕度總體呈下降趨勢(shì)，該區(qū)降水也表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，近39 a表現(xiàn)為“上升—下降—上升—下降—上升—下降”趨勢(shì)。土壤濕度季節(jié)變化特征為：根據(jù)凍土凍融期將其分為凍結(jié)階段和融化階段，7 cm和28 cm的深度土壤濕度，在季節(jié)上呈現(xiàn)“M”型的季節(jié)變化趨勢(shì)，土壤濕度出現(xiàn)雙峰值，分別出現(xiàn)在融化早期的是4月份和融化后期的8月份；氣溫回升和積雪融化是土壤濕度4月份達(dá)到峰值主要的原因，而8月份峰值的出現(xiàn)主要受氣溫和降水的影響。

(2) 近39 a來(lái)，東北多年凍土區(qū)7 cm和28 cm深度土壤濕度年際變化表現(xiàn)出不同的空間差異性，總體上稀疏—島狀多年凍土的中部地區(qū)土壤濕度年際變化趨勢(shì)呈下降趨勢(shì)。

(3) 7 cm和28 c m深度處土壤濕度與蒸發(fā)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；與氣溫沒(méi)有顯著相關(guān)性；而與降水呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。蒸散發(fā)和降水是導(dǎo)致東北多年凍土區(qū)土壤濕度減少的主要原因。

(4) 土壤水分是影響植被生長(zhǎng)的主要因子，長(zhǎng)期來(lái)看，東北多年凍土退化，會(huì)減少凍土退化區(qū)的土壤水分，植物生長(zhǎng)所需的水分受到限制，阻礙植被生長(zhǎng)。未來(lái)，土壤水分可能成為控制東北多年凍土區(qū)植被生長(zhǎng)的主要因子，氣候變暖背景下，降水持續(xù)減少，東北多年凍土區(qū)的植被生態(tài)系統(tǒng)將發(fā)生變化，濕地資源也會(huì)減少。