寒区土壤水热变化及其对气候时空变化的响应研究

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土壤水热变化是研究土壤的主要因素,在全球变化的大背景下,气候变化在土壤水热变化过程中发挥着重要作用。尤其在季节性冻土区,积雪的累积和消融过程,温度的不断上升和降雨变化严重影响了陆气间能量交换。松嫩平原黑土区作为我国东北地区典型黑土聚集地,积雪分布较为广泛,土壤水热变化会受到气候变化影响较为显著。因此,探究该地区土壤水热变化及其与气候变化的关系显得尤为重要,研究结果可为该地区土壤春墒预报、调节土壤水热平衡、合理安排播种时间等提供支持。鉴于此,本文利用松嫩平原黑土区近30多年来站点数据、遥感数据和模拟同化数据资料,通过相关分析、回归分析、数理统计和贡献率等多种方法,探讨了松嫩平原黑土区气温、降雨、积雪和总降水等因素的变化情况,揭示了土壤温度和湿度与气候因子变化的关系。研究结果表明:(1)GLDAS模拟数据集和气象站点数据在年际年内尺度上均具有较好的一致性,因此,GLDAS模拟气温和降雨数据集在研究区适用性较好。就整个研究区融雪期气温和降雨时空变化特征而言,研究区气温在各个时期均呈现上升趋势,降雨在融雪后期也表现为上升趋势。受空间异质性影响,松嫩平原黑土区气温和降雨多年均值主要表现为南高北低的分布特征,主要与季风气候有较大关系;由多年变化趋势可知,温度多年变化在整个研究区均呈现上升趋势,而降雨则呈现南增北减趋势。(2)积雪作为季节性冻土区主要气候因子,通过对积雪参数的分析研究发现。多年来降雪初日主要集中在历年11月份,而降雪终日在历年4月份。受全球气候变暖的显著影响,多年来积雪在松嫩平原黑土区覆盖日数出现缩短迹象,主要表现为降雪初日出现推迟,而降雪终日出现提前现象,多年积雪覆盖日数均值变化特征发现,其在松嫩平原黑土区最北部嫩江地区最长覆盖天数达153 d。32年来,研究区最大积雪深度以0.53 cm·10a-1速率呈下降趋势,受空间异质性的影响,多年积雪深度均值分布主要表现为由南向北依次递增,而多年变化趋势上表现为西南部增加,而东北部减小趋势。由多年降雪强度指标变化可知,多年来降雪强度变化主要呈增加趋势,其多年变化范围主要在0.09-0.49 cm/次。(3)受全球变暖的显著影响,多年土壤温度变化趋势表现为增加趋势,尤其在冬季土壤温度升温速率相对较快,其多年趋势变化范围主要集中在0.3℃·10a-1-0.5℃·10a-1之间;受积雪覆盖的影响,积雪累积期气温和地温存在明显差异,而融化期气温和地温接近重合。在气候因子变化过程中,气温和积雪是影响土壤温度的决定性因子,气温与土壤温度呈显著正相关关系,而积雪与土壤温度呈负相关关系。受空间异质性影响,积雪深度差异性和地理位置导致气温和土壤温度出现不对称增温现象。在融雪后期融雪水入渗土壤使其出现昼融夜冻现象,导致土壤温度受到一定影响。(4)32年来,松嫩平原黑土区春季融雪前期表层土壤湿度总体表现为下降趋势,而后期则呈现先下降后上升趋势。整个研究区而言,融雪前期土壤湿度全部表现为下降趋势,但融雪后期土壤湿度则出现南部升高、北部下降的特征,主要是由于研究区南部融雪前期土壤湿度主要受积雪影响,融雪后期主要受降雨影响;而研究区北部融雪前期积雪和降雨对其影响较弱,融雪后期主要受积雪和少量降雨综合影响;但由于温度是影响土壤湿度的主要因子,因而,在整个研究区只有在积雪和降雨较少的地区,温度的蒸发作用才会凸显,反之会被降雨所掩盖。融雪前期土壤湿度变化趋势主要由温度变化决定,而积雪变化对土壤湿度的干旱化过程起到一定的限制作用。从贡献率计算结果可知,温度的增加趋势和积雪的降低趋势导致融雪前期土壤湿度干旱化程度放大了一倍;而融雪后期土壤湿度变化趋势主要由降雨和总降水变化趋势驱动,两种因素对融雪后期土壤湿度的积极作用影响了其暖干化的反馈过程,对播种前期土壤湿度产生积极影响。
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