季节性冻土变化特征及对气候因子的响应

收稿日期：2020-04-26

基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFC1502804）；新疆石河子市气象局管课题（sky201702）作者简介：贾

超（1985-），男，河北蔚县人，工程师，主要从事综合性气象监测研究，（电话）131****5577（）*****************；通信

作者，向

导（1985-），男，四川资阳人，高级工程师，主要从事综合性气象监测研究，（电话）150****1501（）****************。

贾

超，向

导，郭凤娟，等.季节性冻土变化特征及对气候因子的响应［J ］.湖北农业科学，2021，60（2）：56-60．

冻土是在气温下降到0℃或以下时的自然现象，是土壤性状的一个重要表现形态，季节性冻土深度随着气候环境变化而变化［1-3］；冻土是含冰的负温

地质体，季节性冻土的冻融过程、冻结深度、冻结始期、解冻时间对土木工程建设、公路修建、桥涵和铁路设计、农业生产及水利工程建设等有着较大的影

季节性冻土变化特征及对气候因子的响应

贾

超1，向

导2，郭凤娟1，李红英2

（1.新疆石河子莫索湾气象站，新疆石河子

832000；2.石河子乌兰乌苏农业气象试验站，新疆石河子

832000）

摘要：利用新疆生产建设兵团第八师当地1962—2018年气候资料，分析冻土冻结始期、融通期、持续期和冻土最大深度变化趋势及和气候因子的关系。结果表明，新疆农八师垦区季节性冻土稳定期在11月至翌年3月，最深冻土出现在2月中上旬；冻结始期倾向率为1.12d/10年，线性推后约6d ；融通期倾向率为-1.42d/10年，线性提前约8d ；持续期倾向率为-1.36cm/10年，线性缩短约8d ；冻土最大深度倾向率为-8.09cm/10年，线性变浅46cm 。冻土最大深度变化与同期气温、降水、积雪深度显著相关，11月至翌年3月气温每升高1℃，冻土层变浅4.0cm 左右；降水量每增加10mm ，冻土层变浅约2.5cm ；1月积雪深度每增加1cm ，冻土层变浅约0.7cm 。季节性冻土层逐渐变浅、冻土期缩短与气候变暖有直接关系。关键词：季节性冻土；变化特征；气候因子；新疆生产建设兵团第八师中图分类号：P461

文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2021）02-0056-05DOI:10.14088/jki.issn0439-8114.2021.02.010

开放科学（资源服务）标识码（OSID ）：

Change characteristics of seasonally frozen soil and its response to climatic factor

JIA Chao 1，XIANG Dao 2，GUO Feng-juan 1，LI Hong-ying 2

（1.Xinjiang Shihezi Mosuowan Meteorological Station ，Shihezi 832000，Xinjiang ，China ；2.Shihezi Wulanwusu Agrometeorological Experimental Station ，Shihezi 832000，Xinjiang ，China ）

Abstract ：The local climatic data from 1962to 2018in the Eighth Agricultural Division of Xinjiang was used to analyze the freezing beginning period ，thawing period and persistent period of frozen earth ，and the relationship between the maximum depth variation trend of the frozen earth and the climatic factors.The results indicated that seasonally frozen soil of reclamation area in the Eighth Agri⁃cultural Division of Xinjiang was stable from November to March of the next year ，and the frozen earth was the deepest in the first and middle ten-day of February ；The inclination rate at the freezing beginning period was 1.12d/10years ，with the linear backward about 6d ；The inclination rate at the thawing period was -1.42d/10years ，with the linear forward about 8d ；The inclination rate at the per⁃

sistent period was -1.36cm/10years ，with the linear shortening about 8d ；The inclination rate of the maximum depth of frozen soil was -8.09cm/10years ，with the linear decreased by 46cm.The maximum depth change of frozen soil was significantly correlated with air temperature ，rainfall ，and snow depth at the same period.For every 1℃increase in air temperature from November to March of the

next year ，the layer of frozen soil became about 4.0cm shallower ；For every 10mm increase in precipitation ，the layer of frozen soil became about 2.5cm shallower ；For every 1cm increase in snow depth in January ，the layer of frozen soil became about 0.7cm shal⁃

lower.The layer of seasonally frozen soil became shallow gradually ，and the shortening of the frozen soil period had a direct relation with the climate warming.

Key words ：seasonally frozen soil ；change characteristics ；climatic factor ；Eighth Agricultural Division of Xinjiang

第2期

响［4-8］；季节性冻土最大深度变化与气候变化具有直接的关系［9-11］，因而研究季节性冻土深度变化具有重要意义和实用价值。陈博等［12］、蒋复初等［13］、刘小宁等［14］从中国较大范围研究了冻土分布特征及冻土的变化状况，认为在气候变暖的环境下，冻土区域在缩减，冻融时间段也在缩短，而冻土层在变薄，季节性冻土最大深度的变化也与土壤特性、地形、地理位置有着密切的关系，并存在明显的区域性。元恩城等［15］、王志坚等［16］研究了中国西部青藏铁路修建中的冻土问题，认为气候变化和人类活动对冻土环境影响很大，由于受认知水平的限制，冻土环境的扰动和破坏对铁路设计工程建设产生不良效应。张洪芬等［17］、李海花等［18］、费晓玲等［19］研究了冻土深度变化对冬、

春小麦生长发育期的影响，认为随着冻土深度变浅，冬、春小麦全发育期天数呈减少趋势。李韧等［20］研究表明总辐射变化与青藏高原季节冻土冻结深度呈正相关。李红英等［21］研究了热量资源变化对石河子垦区棉花产量的贡献。张伟等［22］研究表明积雪和有机质土对青藏高原冻土活动层影响显著。中国北方地区大地冻融区域广阔，冻结持续时间随着纬度和海拔高度的增加而延长，且区域性差异十分明显，因此，本研究选用新疆生产建设兵团第八师1962—2018年季节性冻土资料，运用气候诊断分析方法，研究冻结深度、冻结始期、融通时间、冻土期在变暖气候环境下季节性冻土变化规律，并分析季节性冻土变化与气象要素的关系。揭示新疆农八师地区季节性最大冻土深度的时空变化特征及季节性最大冻土深度随气温变化的定量化关系，以期为地方土木工程建设、公路、桥涵、铁路设计、农业生产以及水利工程建设等行业提供参考。

1材料与方法

1.1研究区地理概况

新疆生产建设兵团第八师垦区位于自治区北部的天山北麓中部，古尔班通古特大沙漠南缘地带［21］，北纬43°26′—45°20′，东经84°58′—86°24′，平均海拔450m。土质多系砾质土、黏质土、沙质土等。属于温带大陆性气候的干旱气候区，夏季短而炎热，冬季长而严寒，年平均气温4.5~9.1℃，日照2489~2997h，年蒸发量995~1800mm，无霜期147~191d。大气降水量很少，年降雨量仅104~367 mm，而地表水和地下水较为丰富，地下水可采量3

亿m3，河水年径流量15.3亿m3，大中小型水库蓄水总量4.33亿m3。

1.2资料来源

选择新疆生产建设兵团第八师垦区莫索湾、炮

台、乌兰乌苏及石河子气象站1962—2018年9月至翌年4月各旬冻土深度、冻土初始日期、冻土结冻稳定日期、冻土融通日期，以及同时间段的旬平均气温、旬平均最低气温、旬平均最高气温、同期降水量和最大积雪深度等资料。此外，为便于作图与分析，冻土初始日期、冻土融通日期将转换成日序。为了分析影响冻土的主要气象要素，分时间段分别统计了10、11、12、1、2、3月以及10月至翌年3月、11月至翌年3月、11月至翌年2月、12月至翌年2月平均气温（T）、平均最高气温（T G）、平均最低气温（T D）、降水量（R）和积雪最大深度（R M）等作为影响因子。

1.3方法

1.3.1标准偏差用标准偏差方法衡量冻土要素偏离算术平均值的程度，即分散程度，从而可计算出极端事件发生几率［22］。计算公式如下：环境变化

=（1）

式中，S为冻土变量标准偏差；y

-y为冻土变量历年值减总体平均数；N为变量样本数。

1.3.2相关系数为了检验历年冻土要素随时间变化的显著性以及冻土要素受气象要素影响的相关程度，运用相关系数［23］法，计算公式如下：

Σ()X i--X()Y i--Y

Σ()X i--X2×Σ()Y i--Y2（2）式中，r为相关系数；

Y为冻土要素平均值；

X为时间（或气象要素）平均值。相关系数的显著性检验水平定为r=0.05。

1.3.3一元线性回归为了分析冻土变化规律，采用一元线性方程y=ax+b表征变量的变化趋势特征［23］。一次项系数a可反映冻土要素历年变化趋势，也称之为倾向率；y为冻土要素；x为时间序列号（或气象要素）；b为常数项。

2结果与分析

2.1冻土年变化分布特征

1962—2018年冻土资料分析（图1）表明，新疆生产建设兵团第八师垦区季节性冻土非稳定冻土层（日融夜结）始于9月中旬，冻土日融夜结融通于4月中旬，历时22个旬，占全年的61.1%。稳定冻土层（冻土层稳定10cm）始于11月上旬，冻土期历时16个旬，稳定冻土时间占全年的44.4%。从图1冻土时间分布可以看出，冻土最大深度从冻结到融通过程随时间变化呈偏正态分布，最大值出现在立春之后的2月上、中旬，而同时段气温最低值出现在1月中下旬，由此可见，冻土最大深度较气温最低出现时间

贾超等：季节性冻土变化特征及对气候因子的响应57

湖北农业科学2021年

位相晚2

个旬。图1冻土最大深度和同期平均气温年变化特征

2.2

冻土年际变化特征

2.2.1

冻结始期与融通日期随着深秋气温下降，

地面温度达0℃以下，土壤中的水分出现冻结，此时为冻土初始日期。新疆生产建设兵团第八师垦区

1962—2018年冻土初日1981年最早出现在9月7日，1989年最晚出现在12月14日，近57年变化幅度为98d ，离散度较大。冻土初始阶段由于气温白昼在0℃以上，夜晚气温在0℃以下，冻土层随着气温变化呈日消夜结状态，当冻土层冻结10cm 时气象部门确定为稳定封冻日期。由图2可以看出，稳定封冻日期1976年最早，在11月1日；2011年最晚，在11月30日，均分布在11月之内，而历年平均在11月16日。经统计标准偏差为±6d ，稳定封冻日期离散

度较小，其中，偏早结冻有8年，概率为14.0%；偏晚结冻有9年，概率为15.8%。稳定封冻日期呈明显后推趋势，序列相关系数（R ）为0.289（P ＜0.05），达显著水平，倾向率为1.12d/10年，线性后推约6d 。2001年之后稳定封冻日期较之前明显偏晚，相对比平均晚冻结5d

。

封冻日序将11月1日设定为1

图2稳定封冻日期（日序）历年变化趋势当冻土达最大深度之后冻土开始进入融化解冻阶段，新疆生产建设兵团第八师垦区从2月下旬深层开始出现融化，地表也相应出现日融夜冻现象，进入3月冻土层逐渐

融通。在1962—2018年冻土层融通日期平均在3月17日。由图3可以看出，2017年最早，在3月4日融通；1979年最晚，在4月10日融通，融通日期变化在37d 之内。经计算，冻土层融通日期标准偏差为±7d ，较为离散，其中，偏晚有8年，概率为14.0%；偏早有6年，概率为10.5%。冻土层融通日期呈明显提前趋势，序列相关系数（R ）为-0.331（P ＜0.01）达极显著水平，倾向率为-1.42d/10年，线性提前约8d 。2001年之后较之前融通日期平均提前5d

。

冻土融通日序将3月1日设定为1

图3

冻土融通日期（日序）历年变化趋势

2.2.2

冻土最大深度新疆生产建设兵团第八师垦

区1962—2018年冻土最大深度历年平均为94cm ，最大值出现在1968—1969年冬季，为140cm ；最小值出现在2016—2017年冬季，为49cm 。由图4可以看出，标准偏差为±20cm ，冻土层偏深出现10年，

占17.5%；偏浅出现6年，占10.5%。冻土最大深度随着年度变化逐渐变浅趋势明显，序列相关系数（R ）为0.666（P ＜0.01），达到极显著水平，倾向率为-8.09cm/10年，线性变浅46cm 。从历年波动变化可以看出，在1987—1988年冬季出现转折。经统计，转折点之前（1961—1962年冬季至1987—

1988

图4冻土最大深度年际变化特征

第2期年冬季）冻土最大深度平均为108cm ，转折点之后（1988—1989年冬季至2017—2018年冬季）平均为82cm ，相对平均变浅26cm 。尤其近5年（2013—2014年冬季至2017—2018年冬季）冻土层变浅更为

明显，平均值仅为64cm 。2.2.3

稳定冻土持续期

从稳定冻土日至冻土融通

日为稳定冻土持续期。新疆生产建设兵团第八师垦区1962—2018年冻土持续时间历年平均为123d ，最长持续时间出现在1974—1975年冬季，为146d ，最短持续时间出现在2016—2017年冬季，为107d 。由图5可以看出，标准偏差为±8d ，冻土持续时间偏长有5年，占8.8%；偏短有8年，占14.0%。冻土持续期随着年度变化存在逐渐变短趋势，序列相关系数（R ）为0.292（P ＜0.05），达到显著水平，倾向率为-1.36d/10年，线性缩短约8d 。从历年波动变化可

以看出，在1988—1989年冬季出现转折。经统计，转折点之前（1961—1962年冬季至1988—1989年冬季）冻土持续期平均为125d ，转折点之后（1989—1990年冬季、2017—2018年冬季）平均为121d ，相对平均缩短4d 。2.3

冻土与气象因子相关及线性分析

新疆生产建设兵团第八师垦区稳定冻土期在11月至翌年3月，而同期气象要素对其影响最大。从表1、表2、表3相关分析可以看出，影响冻土最大深度的气象因子主要是同期的平均气温、平均最低气温、降水量及积雪最大深度，其中，2月、12月至翌年2月、11月至翌年3月的平均气温及平均最低气温与冻土最大深度呈显著负相关，11月至翌年3月降水量、1月及12月至翌年2月积雪最大深度与冻土最大深度之间呈显著负相关。冻土融通时间的早晚与11月至翌年3月平均气温呈显著负相关，与积雪最大深度呈正相关但不显著。冻土期与11月至翌年3月平均气温，与12月至翌年2月、11月至翌年3月平均最低气温均呈显著负相关。2月气温变化对冻土最大深度影响明显，当2月平均气温或平均

最低气温每升高1℃，冻土深度减少约2.0cm ；11月至翌年3月平均气温或平均最低气温每变化1℃，冻土最大深度变化约4.0cm ；11月至翌年3月平均气温越高，冻土融通日期越提前，而冻土期越短。从降水量（雪量）和积雪最大深度来看，表现出11月至翌

表1

冻土最大深度、融通日、冻土期与同期气温的线性相关分析

项目平均气温

平均最低气温

时间段2月

12月至翌年2月11月至翌年3月2月平均

12月至翌年2月11月至翌年3月

最大深度

相关0.0580.033

线性变化率

//d/cm

图5稳定冻土持续期年际变化特征

贾超等：季节性冻土变化特征及对气候因子的响应59

湖北农业科学2021年

年3月降水量越多、1月积雪越深冻土层越浅的特点；11月至翌年3月降水量越多，冻土融通的时间越晚。

3小结与讨论

1）新疆生产建设兵团第八师垦区冻土稳定冻结平均在11月17日，冻土融通时间在3月16日，冻土冻结持续期历时5个月，平均为123d。而非稳定冻土结冻日期在1962—2018年最早出现在9月上旬，日融夜结最晚出现在4月中旬。这种非稳定冻土阶段可造成灾害，在农业上将影响农作物（小麦等）幼苗的正常生长和正常成熟（大田作物），使作物苗期受冻致死甚至减产或绝收［17，18］；还将影响土木工程建设、路基、桥涵等工程质量，对墙体、基础具有破坏作用［6，8］。2001年之后稳定封冻日期较1962—2000年平均推后5d，而2001年之后融通时间较1962—2000年平均提前5d；冻土稳定冻结持续期明显缩短。

2）新疆生产建设兵团第八师垦区冻土最大深度出现的时间比同期最低气温出现时间滞后约20d，一般出现在2月上、中旬，比北部的阿勒泰地区［18］冻土最大深度出现（3月上旬）时间早两旬。历年冻土最大深度平均为94cm，逐渐变浅的趋势十分明显，倾向率为-8.09cm/10年，1988—1989年之后相比总平均值变浅26cm，而近5年（2013—2014年至2017—2018年）冻土层平均仅有64cm，相比总平均值变浅30cm。

3）新疆生产建设兵团第八师垦区气候变暖明显［21］，冬半年气候要素的变化导致了冻土各项指标的变化。受11月至翌年3月平均气温、平均最低气温升高的影响，气温每升高1℃，冻土最大深度变浅约4.0cm，冻土融通日期提前约1.4d，而冻土期缩短1.7d。11月至翌年3月降水量（雪量）增加可使冻土深度变浅，而此时段的降水量对冻土融通时间起到了推后作用。1月积雪加厚可使冻土层变浅。4）季节性冻土层逐渐变浅有利有弊，对土木工程、公路、桥涵建筑以及霜期设施农业生产十分有利，可延长工作、生产时间，节约能耗，降低成本提高效益，这是有利的一面。冻土层变浅也是地面辐射热增强的反映，地面辐射热对气候形成反作用，使气温升高；在这种情况下，从小环境来说，正常在冬季能够冻灭的细菌、病毒、虫害等得不到应有的控制，使之大流行，病虫灾害加重、界限北移；从大环境来说，可改变地球的生物圈，使地球上的生物重组，严重威胁现存生物的生存，甚至可能导致物种灭绝。

因此，气候变暖冻土层变浅弊大于利。

本研究结果可为新疆生产建设兵团第八师垦区土木工程、公路、桥涵建筑以及霜期设施农业生产、农业结构调整提供参考。

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