黑龍江省近47年生長季淺層地溫變化特征

王會，劉濱輝

(東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

黑龍江省近47年生長季淺層地溫變化特征

王會，劉濱輝

(東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

利用黑龍江省15個國家氣象站1965—2011年生長季(5—9月)0、5、10、15、20 cm處逐日平均地溫資料，計算黑龍江省各站點生長季平均地溫的氣候傾向率和年際變化，分析黑龍江省47年來生長季平均地溫隨緯度和土層深度的變化特征。結果表明：生長季各月份平均地溫的垂直變化形式基本一致，且隨著土層深度增加地溫逐漸降低，在0～5 cm熱量衰減較快，而在5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm的熱量衰減速率基本相同,衰減相對較慢；生長季各月份各層平均地溫均呈升高趨勢，0 cm處平均地溫氣候傾向率在5個深度中最高，5 cm、10 cm、15 cm、20 cm平均地溫升溫率相差不大；5—7月平均地溫的升溫趨勢比8—9月明顯，8—9月的升溫對整個生長季的升溫趨勢貢獻較小；地溫與空氣溫度呈正相關，與降水呈負相關。

黑龍江省；生長季；淺層地溫；變化特征

近幾十年來全球氣候變化已成為世界各國研究的熱點，地表溫度與人類的生存息息相關，是氣候變化研究的重要內(nèi)容之一。IPCC報告指出在1906—2005年100年間，地表溫度升高了0.74 ℃，且這種升溫主要集中在近50年，在中高緯度地區(qū)尤為突出[1]。氣候和氣候變化與人類社會、經(jīng)濟生活息息相關，全球變暖對世界和我國的各類生態(tài)系統(tǒng)及社會經(jīng)濟產(chǎn)生了并將持續(xù)產(chǎn)生重大影響[2]。相對比其他的生態(tài)系統(tǒng)，森林生態(tài)系統(tǒng)受全球氣候變暖的影響更加明顯[3]，且其對土壤溫度和水分變化的響應敏感[4]。 闊葉紅松林土壤呼吸對土壤溫度的反應敏感, 不論何種土壤含水量, 土壤呼吸速率均隨溫度的增加而增高，土壤的呼吸速率升高促進植物根部生長加速[5]。土壤溫度主要通過下墊面反射率、土壤濕度及土壤熱儲量三個方面來影響森林生態(tài)系統(tǒng)的變化。因此,地溫變化規(guī)律的研究有助于全面了解氣候變化、生態(tài)系統(tǒng)演替、植物生長、土壤碳吸收等多方面的影響。部分學者對氣候變化的分析主要集中于對氣溫和降水變化規(guī)律的研究，對于地溫的研究相對較少。Hu等分析了美國北部和西北部10 cm地溫的變化，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)站點地溫均呈現(xiàn)升溫趨勢[6]。我國有關地溫方面的研究始于20世紀90年代, 杜軍等對我國淺層地溫進行了研究，結果表明淺層地溫呈現(xiàn)明顯升高趨勢[7，8]。

本文主要研究黑龍江省淺層地溫的變化特征，黑龍江省地處中高緯度，是氣候變化的敏感區(qū)域，有自己的氣候變化特點，季節(jié)性凍融更增加了本區(qū)地溫研究的復雜性[9]。黑龍江省森林覆蓋率達43.6%，地溫變化規(guī)律的研究對深入研究森林的土壤呼吸和植物初級生產(chǎn)力變化以及碳循環(huán)過程均有意義[10]。筆者基于黑龍江省1965—2011年5—9月0 cm、5 cm、10 cm、15 cm、20 cm處逐日平均地溫資料，分析生長季各層地溫的空間分布和時間演變規(guī)律，以期揭示地溫對森林生態(tài)環(huán)境及植物生長的影響。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與處理

研究數(shù)據(jù)選取黑龍江省15個國家基準氣象觀測站1965—2011年0、5、10、15和20 cm處生長季逐日平均地溫資料。大部分氣象站是從1950年初期開始觀測的，由于觀測初期檢測的數(shù)據(jù)缺失較嚴重，因此該研究僅采用1965—2011年的氣象數(shù)據(jù)進行研究，又由于黑龍江省冬半年為凍土，5 cm、10 cm、15 cm、20 cm地溫資料從10月到次年4月幾乎全部缺失，所以統(tǒng)一采用5—9月的地溫數(shù)據(jù)。另外在本研究中，如果一個站點數(shù)據(jù)連續(xù)缺失超過30 d，則刪除該站點，如漠河站10 cm和15 cm的地溫數(shù)據(jù)在1960—1961年全部缺失，因此本研究排除漠河站。剩下15個站點5—9月的地溫數(shù)據(jù)從1965年開始比較完整，缺失數(shù)據(jù)占總觀測值的0.02%。所選取的15個氣象站點在黑龍江省的空間分布合理，有較好的代表性(圖1)。由于檢測數(shù)據(jù)較全，只是在連續(xù)缺失在7d以內(nèi)的情況則使用簡單的線性插補法，且將插補過的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的計算結果進行了比對，差異不顯著[11]。

1.2 研究方法

為了揭示黑龍江省生長季淺層地溫的平均狀態(tài)，根據(jù)日平均地溫資料，得到黑龍江省各個站點各層深度1965—2011年的多年生長季平均溫度，用ARCVIEW空間分析功能插入等值線，插入等值線有助于對地溫空間變化的分析與評價。

將黑龍江省所有站點的地溫月平均值進行月份平均，X軸月平均溫度，Y軸不同深度土層用來述地溫在生長季垂直變化趨勢。運用多年淺層地溫數(shù)據(jù)進行距平，對時間序列進行了九點二次平滑處理，以分析整個黑龍江省生長季地溫的年際變化，揭示黑龍江省區(qū)域地溫隨時間的變化特征，然后應用氣候傾向率和相關分析來尋找地溫與大氣溫度和降水的關系。

2 結果與分析

2.1 地溫的空間分布特征

2.1.1 地溫隨緯度的變化特征 黑龍江省位于我國最北部，南北跨越中溫帶和寒溫帶，地形復雜，溫差較大，緯度位置是造成溫度差異的主要原因[9]。由于排除漠河站，黑龍江省最北部的地溫分布趨勢并不準確。因此本文重點討論呼瑪站以南黑龍江省大部分地區(qū)地溫的空間分布。之前的學者對黑龍江省1965—2011年地表溫度的分析得出，隨著緯度的升高，由南至北多年平均地溫逐漸降低，等溫線基本與緯線平行，南部地區(qū)等溫線產(chǎn)生沿經(jīng)線方向的分布特征[11]。本文通過對0、5、10、15、20 cm生長季平均地溫的空間分布分析，得出相似的結果：黑龍江省各層生長季平均地溫的空間分布模式基本一致，隨著緯度升高地溫降低，大部分地區(qū)等溫線與緯線平行，而東部等溫線也產(chǎn)生沿經(jīng)線方向分布的特點，東部地區(qū)地溫要低于中部和西部。0、5、10、15、20 cm地溫最低的站點都是黑河站，分別為18.29 ℃、16.55 ℃、15.84 ℃、15.11 ℃、14.47 ℃；溫度最高的站點都是哈爾濱站，分別為22.00 ℃、20.17 ℃、19.52 ℃、18.93 ℃、18.45 ℃；南北溫差分別為3.71 ℃、3.62 ℃、3.68 ℃、3.82 ℃和3.98 ℃。可見，整個黑龍江各層生長季平均地溫的南北溫度差異并不大。因此，緯度不是影響黑龍江省地溫空間差異的唯一因素。

2.1.2 地溫的垂直變化特征 由于土壤熱量衰減的性質(zhì)，在土壤淺層，隨著深度增加地溫逐漸降低。圖2給出0 cm、5 cm、10 cm、15 cm、20 cm的黑龍江省生長季月平均地溫的垂直分布圖。各個站點生長季月平均地溫的垂直變化形式基本一致，0 cm的溫度最高，20 cm的溫度最低。圖中相鄰兩層之間線段斜率的大小可以顯示出熱量衰減的快慢，在0～5 cm熱量衰減較快，因此0 cm地溫和5 cm地溫的溫差較大。這是因為土壤表層接近大氣，土壤與大氣之間熱量交換頻繁，有一部分熱量散發(fā)到大氣中。5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm的熱量衰減速率基本相同，說明5 cm以下地溫受大氣的影響較小。在5月熱量衰減的幅度較大，0 cm與20 cm相差6.12度，地表的熱量迅速向下傳遞，6—8月份每層溫度變化不大，9月份每層溫度幾乎沒有變化，甚至到20 cm時溫度還有上升的趨勢，主要是因為天氣轉(zhuǎn)涼、日照時數(shù)減少，地表的熱量降低，深層的熱量有向上傳遞的趨勢。

2.2 生長季地溫的年際變化特征

圖4為黑龍江省各層生長季平均地溫的年際變化。為了更好地了解數(shù)據(jù)的規(guī)律性，將多年淺層地溫數(shù)據(jù)進行距平，對時間序列進行了九點二次平滑處理。每層地溫的升溫幅度依次為0.048、0.040、0.041、0.044、0.043 ℃a-1。淺層地溫年際變化規(guī)律圖中可以看出，在1965—2011年期間都呈升溫趨勢，在1965—1995年之間地溫的上升幅度較平穩(wěn)，在1995—2011年之間溫度迅速上升，由此可以將淺層土壤溫度的變化劃分為兩個時期：平穩(wěn)期和上升期。在五個深度的地溫中0 cm地溫緊靠大氣層，受溫度影響最強，升溫幅度最大，變化最慢的是20 cm。各層地溫的年際變化均具有很好的一致性，這說明地溫變化主要受地表熱量條件控制，隨著深度加深并沒有其他熱量來源。因此任何深度的地溫都能用來印證及推測地表的氣候條件。

2.3 不同深度地溫與氣溫、降水的關系特征

表1 不同層次土壤溫度氣溫、降水相關分析

注：★表示通過90%的顯著性檢驗

據(jù)對黑龍江省1965—2011年地表溫度年及其季節(jié)空間變化的分析，季風環(huán)流對黑龍江省氣候有重要的影響。冬季風加劇了空氣降溫，使冬季氣候嚴寒，降水稀少；夏季風使黑龍江省氣溫普遍升高，降水主要來源于夏季風[11]。由表1可知，不同層次的土壤溫度之間的相關性較好，所有土壤溫度相關性檢驗均通過90%的顯著性檢驗。5～20 cm各級土層的相關系數(shù)均超過0.96。氣溫與各層地溫之間均是正相關，在其中0cm與氣溫的相關性最強，是因為在5—9月太陽光直射到地表，地表折射到大氣中的熱量較多，土壤下層受太陽輻射逐漸減少與氣溫的相關性也逐漸降低。表中所示降水與各層地溫均是負相關，而且相關系數(shù)較低，也未通過90%的顯著性檢驗。黑龍江5—9月主要受夏季風所影響。緯度和氣溫升高的雙重影響，是生長季平均地溫隨緯度升高而降低但南北溫差不大的主要原因。至于東部地區(qū)地溫低于中部和西部，是因為夏季風使得降水量自東向西逐漸減少，而降水和地溫呈負相關關系，東部地區(qū)較多的降水使得地溫較低。

2.4 各站點地溫變化特征

表2 按緯度排列的各站點1965～2011年生長季平均地溫的氣候傾向率 ℃a-1

表2 按緯度排列的各站點1965～2011年生長季平均地溫的氣候傾向率 ℃a-1

站點緯度0cm5cm10cm15cm20cm呼瑪51.430.069★0.044★0.041★0.037★0.040★黑河50.150.077★0.064★0.061★0.060★0.057★嫩江49.10.073★0.058★0.057★0.059★0.062★克山48.030.060★0.065★0.062★0.064★0.059★海倫47.260.061★0.052★0.055★0.059★0.057★齊齊哈爾47.230.065★0.067★0.063★0.073★0.072★富錦47.140.0490.031★0.036★0.039★0.038★佳木斯46.490.072★0.052★0.049★0.050★0.045★安達46.230.053★0.040★0.039★0.038★0.026通河45.580.049★0.054★0.049★0.052★0.056★哈爾濱45.450.050★0.044★0.043★0.043★0.040★雞西45.170.073★0.051★0.055★0.058★0.055★尚志45.130.066★0.046★0.050★0.053★0.049★牡丹江44.340.064★0.050★0.049★0.046★0.043★綏芬河44.230.047★0.0280.0240.0220.019

注：★表示通過90%的顯著性檢驗

由表2可知， 15個站點5個深度的生長季平均地溫都呈現(xiàn)升高趨勢，升幅為0.019～0.077 ℃a-1，大部分通過90%顯著性檢驗，且北部站點的升溫率要高于南部站點。0 cm生長季平均地溫變化趨勢，富錦、通河、哈爾濱及綏芬河的升溫趨勢不明顯，氣候傾向率在0.047～0.050 ℃a-1之間，其余11個站的升溫趨勢顯著，增溫幅度為0.053～0.077 ℃a-1；5 cm生長季平均地溫以黑河、嫩江、克山、齊齊哈爾和通河的增幅最大，為0.054～0.067 ℃a-1，其余站點氣候傾向率在0.028～0.052 ℃a-1之間；10 cm生長季平均地溫，除安達、富錦及綏芬河外，其余各站點均表現(xiàn)顯著的升溫趨勢，升溫率為0.041～0.063 ℃a-1；15 cm生長季平均地溫在富錦、呼瑪及綏芬河升溫趨勢不明顯，其余站點升溫趨勢顯著，氣候傾向率為0.043～0.073 ℃a-1；20 cm生長季平均地溫除富錦、安達和綏芬河升溫趨勢不明顯外，其他站點以0.040～0.072 ℃a-1的幅度升高。

可見，5個深度的大部分站點均出現(xiàn)顯著的升溫趨勢。其中黑河、嫩江、海倫、安達、通河、哈爾濱、雞西、尚志、牡丹江9個站，在5個深度均出現(xiàn)顯著升溫趨勢，綏芬河和富錦站5個深度升溫率都比較低，呼瑪和佳木斯站只有0 cm地溫升高趨勢明顯，而齊齊哈爾和克山站分別是0 cm和5 cm平均地溫的升高趨勢不顯著。

3 討論與結論

3.1 討論

本項研究表明，地溫的年際變化具有很強的一致性，其主要受地表熱量控制。在過去的47年中，黑龍江省生長季5—9月地溫隨氣溫升高而下降，東部地區(qū)比中部和西部地區(qū)下降的快，但其上升較快，降低較慢，整體呈上升趨勢。王連喜等研究結果顯示地溫升高對氣候變暖有直接影響[12]。而肖輝的研究表明森林的進化與衰退東部比西部快，特別是黑河地區(qū)，這可能是地溫東西部變化不一致導致的[13]。地溫上升會影響林地植物殘體的分解量、分解強度和泥炭物質(zhì)聚集，地溫越高，越有利于有機物質(zhì)分解，土壤中有機物質(zhì)含量增高，促進樹木根系的生長，提高產(chǎn)量[10]。

3.2 結論

利用黑龍江省1965—2011年15個國家氣象站淺層逐日地溫、大氣溫度及降水資料，分析黑龍江省近47年來淺層地溫的時空變化特征，初步得出如下結論：

(1)生長季不同深度平均地溫均隨著緯度的升高而降低，大部分地區(qū)等溫線與緯線平行，東部地區(qū)等溫線產(chǎn)生沿經(jīng)線方向分布的特點，但整個黑龍江省生長季平均地溫的南北差異不大。

(2)各個站點生長季平均地溫的垂直變化形式基本一致，在0～5 cm深度熱量衰減較快，5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm的熱量衰減速率基本相同。在47年的地溫年際變化趨勢中看出，整體呈上升趨勢，在1995年前地溫平穩(wěn)上升，在1995年后迅速上升。

(3)黑龍江省地溫在7月份達到最大，5月到7月升溫過程較快，而7月到9月的降溫過程緩慢。

(4)黑龍江省淺層地溫之間的相關性較好，與大氣溫度呈正相關，與降水呈負相關。

(5)在1965—2011年47年間，黑龍江省15個站生長季5個深度的平均地溫都呈現(xiàn)升高趨勢，且大部分站點的升溫趨勢明顯，有9個站在5個深度均出現(xiàn)顯著的升溫。其中0 cm地溫氣候傾向率在5個深度中最高，為0.077 ℃y-1；5 cm、10 cm、15 cm、20 cm深度平均地溫升溫率相差不大。全省各層地溫月平均地溫都呈現(xiàn)升溫趨勢，整體升溫趨勢為5月>7月>6月>9月>8月， 8月、9月的升溫對整個生長季升溫趨勢的貢獻較小。

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Change Characteristics of Surface Temperature in Growing Season in Heilongjiang Province in Recent 47 Years

Wang Hui , Liu Binhui

(Northeast Forestry University, Harbin 150040,China)

Inclination rate & interannual variation of the climate of the average earth temperature in the growing season of the weather stations in Heilongjiang Province were calculated by using data of daily mean earth temperature at 0, 5, 10, 15 & 20 cm in growing season (from May to September) from 1965 to 2011 in 15 national weather stations of Heilongjiang Province;the change characteristics of the mean earth temperature in the growing season with latitude and depth in the past 47 years in Heilongjiang Province were analyzed.Result shows that the form of various levels for the mean earth temperature in the growing season in every month is basically identical, and the earth temperature decrease with the increase of the soil depth;heat decay faster at 0-5 cm layer;heat decay rate are basically the same at 5-10, 10-15,15-20 cm. The decay is relatively slow;the mean earth temperature shows rising trend in every month ;the inclination rate of climate at 0 cm is the highest among the five depth; temperature rise rate of the mean earth temperature is little at 5,10,15 &20 cm layer;temperature rise trend in May, June & July is significant than that in August & September;temperature rise in August and September contributes little to the temperature rise trend in the whole growing season;the earth temperature is positively correlated with the air temperature and negatively correlated with precipitation.

Heilongjiang Province;growth season; shallow earth temperature; change characteristics

1005-5215(2016)12-0013-05

2016-11-01

黑龍江省科技攻關項目(GA06B302-7)；北京林業(yè)大學985平臺建設項目(2011BAD32B05)

王會(1987- )，女，碩士研究生，現(xiàn)從事水土保持與荒漠化防治及氣候變化研究.

劉濱輝(1970- )，男，副教授，現(xiàn)從事水土保持與荒漠化防治及氣候變化研究，Email:947441282@qq.com

P468.021

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2016.12.004