朱賓賓滿秀玲王樹力俞正祥( 東北林業(yè)大學，哈爾濱， 150040)

我國大興安嶺地處高緯度凍土區(qū)［1］，負溫期長達5 個月之久［2-3］，冬季降水以雪的形式為主，由于植被的攔截和遮擋作用，形成了獨特的森林積雪分布特征和林下微氣象［4-5］。相關研究表明:雪層溫度是影響季節(jié)性積雪變質的主要因素［6］，趙哈林［7］等得出雪層溫度梯度決定雪密度及雪層內水汽遷移。冬季土壤在較低的環(huán)境溫度下致使土壤空隙被冰晶填充，形成一層不透水的季節(jié)性凍土層［8］，不同層土壤的凍結過程對植物根系吸收水分和養(yǎng)分以及對土壤微生物［9］的活動等均有較大的影響。積雪可延滯氣溫對地表熱狀況的影響從而緩沖土壤的凍結速度［10］，劉宗超［11］等研究表明太陽輻射和雪面反射率是影響雪層溫度的主要因素。大興安嶺地區(qū)由于遭受火燒或采伐等干擾，大量興安落葉松林遭到破壞，衍生出大面積的白樺次生林，其對該地區(qū)的涵養(yǎng)水源，保持水土，調節(jié)氣候及保護生態(tài)平衡等方面具有重要意義［12-13］。本文正是以大興安嶺北部白樺次生林為研究對象，對林下積雪溫度及不同土層溫度分布特征進行研究，初步探討林內積雪在大氣和土壤熱交換中所起的作用，期望能為森林積雪物理特性及冬季森林水文深入研究提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選在黑龍江漠河森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，屬于漠河縣漠河林場施業(yè)區(qū)范圍。漠河林場位于黑龍江省最北端，地理坐標為東經(jīng)122°06′～122°27′，北緯53°17′～53°30′。地形以低山丘陵為主，坡度多在12°～25°。屬寒溫帶大陸性季風氣候，冬季漫長、嚴寒，夏季短促、涼爽，秋季降溫迅速，常有凍害發(fā)生。年平均氣溫-4．90 ℃，年降水量350 ～500 mm，多集中于7—8 月份。降雪量占年降水量的10%～20%，集中在11 月—豎年2 月。土壤以棕色針葉林土為主，局部地帶有草甸土和沼澤土，并有永凍層存在。植被系歐亞大陸寒溫帶針葉林，典型植被為以興安落葉松(Larix gmelini)為主的明亮針葉林，還有白樺(Betula platyphlla)林、樟子松(Pinus sylvestris var． mongolica)林、山楊(Pobulus davidiana)林等。

2 材料與方法

本研究經(jīng)過實地考察，選擇本區(qū)具有代表性的白樺次生林設置樣地，樣地面積20 m×20 m，樣地位于大興安嶺北部老爺嶺流域的陽坡，白樺平均樹高14．22 m、平均胸徑14．81 cm、密度1 350 株/hm2。在2014 年10 月初降雪前預埋由美國Campbell 公司生產的109 土壤溫度傳感器，每層土壤布設3 個探頭，每10 cm 土層布設一組，縱向共布設4 組，同時于土表預埋1 臺HFP01 型土壤熱通量傳感器。在土壤未凍結前預先將20 把積雪深度尺均勻插入樣地土壤中，用于后期觀測積雪深度。待11 月份氣溫降低，經(jīng)過逐次的自然降雪形成穩(wěn)定積雪時，每日早08:00 與17:00 調整積雪溫度探頭使之處在雪蓋的表層和中層，15 個傳感器統(tǒng)一連接在Campbell 公司所產的低溫型CR1000 數(shù)據(jù)采集器，每隔30 min 記錄一次數(shù)據(jù)。同期架設林內小氣象站，同步獲取地表以上1．50 m 處的氣溫、地表的長波輻射和林內風速。2014 年11、12 月兩個月連續(xù)數(shù)據(jù)的日均值經(jīng)由SPSS18、Excel 分析制圖。

3 結果與分析

3．1 林內氣溫及雪深變化

由圖1 知，大興安嶺地區(qū)白樺次生林林內平均氣溫-20．10 ℃，最低氣溫達-34．20 ℃，最高氣溫為-3．00 ℃。降溫過程伴隨著10 次降雪，主要集中在11 月份，2014 年冬季大興安嶺地區(qū)漠河觀測區(qū)第一場雪降始于10 月11 日，但很快融化，地面沒有積雪保存，10 月19 日降雪后才出現(xiàn)積雪。由于10 月29日至11 月18 日期間有3 場降雪的輸入導致白樺林林內積雪深度逐漸增加，達11．44 cm，11 月21 日一場暴雪之后，積雪深度急劇上升，白樺林內積雪深度增加量為16．81 cm，之后至12 月3 日的3 場累計降雪量為5．91 cm 的降雪輸入使積雪深度達到觀測期內的最高值為34．16 cm 左右。至12 月28 日觀測期結束，僅有兩場小雪輸入，對積雪深度影響較小。研究期間氣溫波動式降低，林內風速較小，較低的氣溫及較小的風速對積雪深度影響較小，有利于林內雪的保存。

圖1 白樺次生林林內氣溫與雪深變化

3．2 積雪內部溫度分布特征

在氣溫整體呈波動式下降過程中，積雪深度逐漸累積，雪層溫度在氣溫驅動下呈不同程度的下降趨勢，雪表直接應力于氣溫，溫度動態(tài)變化較大，其波動過程與氣溫大致相同，即波峰、波谷變化規(guī)律一致，雪表溫度與空氣溫度呈顯著的線性相關，R2=0．91。由于太陽輻射對雪層不均勻加熱及積雪的低導熱性［14］，同時各雪層吸收短波輻射能力不同等限制因素［15］，致使雪中溫度的變化過程與氣溫略有不同，即波峰(谷)值滯后于氣溫極值1～2 d，與氣溫的相關性次之，R2=0．70，雪底溫度對氣溫變化響應最弱，R2=0．51。由圖1、2 見，在11 月21 日之前，白樺林林內積雪深度變化區(qū)間為11．36～17．00 cm，雪表、雪中和雪底溫度在氣溫的作用下表現(xiàn)出較相似的波動性，但是積雪深度維持在26．89 ～34．16 cm(11 月23 日—12 月29 日)期間，雪表及雪中層溫度變化過程呈相似的規(guī)律性，而積雪底部溫度波動性較小。由此看出積雪內越近地表的雪層對氣溫響應越緩慢，溫度變化越平穩(wěn)。

由圖1 和圖2 看出，積雪深度在氣溫波動降低過程中以3 個明顯不同的階段逐步累積，由11 月4日—21 日的13．25 cm 穩(wěn)步增加到11 月21 日—12月8 日的30．55 cm，后因較小的降雪量無法抵消積雪自然沉降與風吹對積雪的影響，積雪深度降到12月8 日—22 日的28．31 cm。在上述3 個階段中氣溫由-13．10 ℃降到-22．10 ℃，最后達到觀測期內最低溫-30．20 ℃，在氣溫大幅度下降、積雪深度穩(wěn)步增加的過程中，積雪底部溫度變化較小，雪底與雪表溫差逐漸加大，由6．89 ℃經(jīng)14．57 ℃，最終高達18．87℃。由此看出積雪對土壤有明顯的保溫作用，且積雪越深其保溫性越強。

圖2 觀測期林內積雪溫度變化特征

3．3 積雪內部溫度均勻性

由上述分析得出冷空氣對厚度在0 ～14 cm 范圍內的積雪幾乎同時進行冷卻，致使該范圍內的積雪溫度梯度隨著氣溫的波動逐漸趨于0 ℃，而冷空氣對厚度大于14 cm 的積雪的冷卻過程存在滯時，致使下層積雪溫度梯度逐漸升高(圖3)。11 月4日—21 日積雪深度在11．36～14 cm，積雪溫度變化過程較為相似，積雪上層和下層的溫度梯度相差-0．17 ℃/cm，12 月8 日—22 日積雪深度在27．5 ～30 cm，積雪上層和下層的溫度梯度相差-0．65 ℃/cm，徑SPPSS 統(tǒng)計分析得出當積雪深度在27．2 ～30 cm 時，積雪上層和下層的溫度梯度存在顯著性差異P=0．04(P＜0．05)，說明冷空氣穿透0 ～14 cm 范圍內的上層積雪后對下層積雪的降溫作用變緩。由于下層積雪溫度梯度變化速率大于上層，從而導致研究期間下層積雪平均溫度梯度(0．67 ℃/cm)為上層積雪平均溫度梯度(0．46 ℃/cm)的1．44 倍，較大的溫度梯度更有利于水汽的遷移與熱量交換促進深霜層的發(fā)展。

圖3 積雪內部溫度梯度

3．4 積雪覆蓋下不同土層溫度對比

由圖4 知，淺層土壤溫度縱向呈逐漸增高趨勢，即表層土壤溫度最低，30 cm 處溫度最高，在整個研究期間氣溫日變幅高達3．04 ℃/d，而淺層土壤3 處溫度日變幅依次減小，分別為0．29、0．18 和0．13 ℃/d，12 月6—22 日氣溫大幅度下降期間，淺層土壤20、30 cm 處溫度曲線較平滑，表明土層越深其溫度波動性越弱。積雪深度維持在13．25 cm 的11 月4日—13 日與11 月14 日—21 日前后兩個階段，平均氣溫由-10．4 ℃降到-16．4 ℃，降幅6 ℃，淺層土壤10、20 及30 cm 處溫度降幅分別為3．19、2．62 和1．96℃，而積雪深度維持在30．51 cm 的11 月22 日—12月7 日與12 月8 日—12 月22 日的前后兩個階段，平均氣溫由-22．2 ℃降到-30．2 ℃，降幅8 ℃，淺層土壤3 處溫度降幅分別為3．40、2．52 和1．95 ℃，在積雪累積過程中，隨著氣溫降幅的增大，土壤中溫度降幅并不明顯，由此說明積雪越深對土壤的保溫作用越強，再次驗證上文分析的合理性。

積雪作為一種傳導介質，在氣溫下降過程中阻隔了冷空氣對土壤溫度的直接影響，同時阻礙土壤以長波輻射向外散熱，起到了保溫絕熱作用。由圖1、4 可知，在積雪深度逐漸變化過程中，不同土層溫度變化滯后于氣溫的變化。在暴雪降臨之前，11 月7 日氣溫驟降，土壤溫度于11 月8 日或9 日開始降溫，11 月19 日氣溫明顯回升過程土壤溫度于11 月20 日或21 日明顯回升，分析得出淺層積雪(13 cm左右)條件下土壤溫度變化平均滯后于氣溫變化1．25 日。11 月21 日暴雪之后的11 月21 日氣溫驟降，土溫于11 月22 之后開始降溫，暴雪后的11 月24 日氣溫明顯回升，土溫于11 月25、26 日顯著升高，厚層積雪(30 cm 左右)條件下土層溫度平均滯后于氣溫變化1．75 日，說明積雪的存在延緩了外界對土壤熱狀況的改變速度，積雪越厚其阻擋冷空氣的能力越強。

圖4 積雪覆蓋下淺層土壤溫度變化特征

3．5 積雪覆蓋下土層內部溫度均勻性

從上圖4 淺層土壤溫度分布特征曲線看出，土壤溫度呈不均勻的分布，因土層越深其熱量散失越小，儲存能力越強，致使由土表0 cm 至30 cm 處溫度不均勻地增大。為分析土層溫度的不均勻性繪淺層土壤溫度梯度見圖5，由土表0 cm 至30 cm 處，溫度均以正梯度發(fā)展。雪深條件一定時，淺層土壤由土表0 cm 至30 cm 處其溫度梯度呈減小的趨勢，11月5 日—19 日平均氣溫-13．10 ℃，雪深變化不大，均值12．46 cm，0～10 cm 的梯度為0．26 ℃/cm，10 ～20 cm 的梯度為0．19 ℃/cm，20 ～30 cm 的梯度為0．13 ℃/cm。11 月23 日—12 月22 日期間雪深維持在30．22 cm 左右，氣溫降到-26．41 ℃，0 ～10 cm 之間的梯度為0．31 ℃/cm，10 ～20 cm 之間的梯度為0．16 ℃/cm，20 ～30 cm 之間的梯度為0．12 ℃/cm。由此說明土層越深其溫度分布越均勻，積雪的累積促進著深層土溫均勻分布。

圖5 淺層土壤內部溫度梯度

3．6 積雪及淺層土壤溫度回歸分析

冬季下墊面溫度不但受積雪內部熱傳導的影響，而且在不考慮水平湍流熱交換的情況下［17］，氣溫、雪面反照率與地熱通量同樣影響著不同深度雪層、土層的溫度。本文節(jié)選了2014 年11 月22 日至12 月18 日的1．5 m 處氣溫、林下長波輻射、土壤熱通量以及雪層內部溫度、土壤淺層溫度連續(xù)數(shù)據(jù)進行相關回歸分析，雪表接壤大氣，其溫度變化受氣溫影響最為顯著R=0．93，同時積雪又是良好的長波輻射體，其溫度變化受長波輻射的影響近似等同于氣溫R=0．91，隨著雪層的深入，土壤熱通量對其溫度的影響占主導優(yōu)勢，對雪中、雪底溫度的相關系數(shù)R分別為0．97、0．89。由于積雪的存在，阻礙空氣溫度對土層的影響致使相關性較小，土壤層熱量分布的不均勻性，致使隨著土層的深入，氣溫、長波輻射及土壤熱通量對其溫度的影響逐漸減小。

分別基于3 種影響因子建立積雪及淺層土壤溫度回歸方程，分別進行線性、二次多項式回歸模擬(表1)，從其確定性系數(shù)上看，對雪表及中間層的線性回歸較理想，而對雪底和土壤淺層的線性與二次多項式的確定性系數(shù)差異不大，對兩種回歸方式進行檢驗以確定其精度。節(jié)選2014 年12 月19 日至12 月23 日的連續(xù)數(shù)據(jù)對回歸方程的模擬值與真實值進行檢驗。利用模擬值和真實值計算標準誤差［16］、模擬值與真實值擬合斜率［18］兩個指標看出，對土表、20 及30 cm 土層處而言，二次多項式的模擬精度優(yōu)于多元線性模型，積雪表層、中層及10 cm土層多元線性回歸模擬效果高達99．01%、95．24%及80．00%，土表、20 及30 cm 土層非線性回歸模擬效果分別為86．96%、73．53%、68．03%，說明模擬結果與實測值具有較高的一致性，模擬的數(shù)值較穩(wěn)定。

表1 不同深度雪層和土層溫度回歸分析及精度檢驗

4 結論

冬季隨著積雪深度的增加，積雪內部溫度差異逐漸增大，積雪厚度在11．36～14 cm 時，雪表與雪底溫度相關系數(shù)R=0．95，積雪厚度增到27．5 ～30 cm，兩者相關系數(shù)R=0．15。淺層土壤溫度縱向呈逐漸增高趨勢，且土層越深其溫度波動性越弱，研究期間淺層土壤10、20、30 cm 處溫度日變幅分別為0．29、0．18 和0．13 ℃/d。積雪的保溫性隨著積雪厚度的增大而增強，由積雪厚度11．36 ～14．00 cm、氣溫-13．10℃，過渡到積雪厚度27．5～30．00 cm、氣溫-30．20 ℃時，雪底與雪表溫差由6．89 ℃增到18．87 ℃，雪表溫度相差17．31 ℃，雪底溫度僅相差5．34 ℃。積雪的保溫絕熱性導致冷空氣穿透上層一定厚度積雪后對下層積雪的降溫作用變緩，當積雪厚度在13．25 cm時，積雪上層和下層的溫度梯度相差0．17 ℃/cm，而當積雪厚度在29．80 cm 時，溫度梯度相差達0．65℃/cm。積雪越厚緩解冷空氣對土壤的冷卻程度越大，積雪深度11．36～14．00 cm 時，氣溫降低6 ℃，淺層土壤溫度降低2．59 ℃，而當積雪深度在26 ～34．8 cm 時，氣溫降低8 ℃，而淺層土壤溫度僅降低2．63℃。積雪越厚淺層土壤溫度梯度相差越大，積雪厚度為12．46 cm 時，0 ～10 cm 土層溫度梯度為0．26℃/cm，20～30 cm 土層是0．13 ℃/cm;積雪厚度達到30．22 cm 時，0～10 cm 土層溫度梯度為0．31 ℃/cm，而20～30 cm 土層僅為0．12 ℃/cm。大興安嶺冬季持續(xù)性低溫對積雪以及下伏淺層土壤產生影響，借助1．5 m 處氣溫、長波輻射及土壤熱通量模擬預估積雪內部及土壤淺層溫度時表現(xiàn)出縱向的深入模擬精度逐漸降低，由雪表的99．01%降到淺層土壤30 cm 處的68．03%。

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