王一菲， 鄭粉莉,2， 周秀杰， 覃 超，富 涵， 左小鋒， 劉 剛， 張加瓊

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所， 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 楊凌 712100；2.中國(guó)科學(xué)院 水利部水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100； 3.黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心， 黑龍江 哈爾濱 150000)

東北黑土區(qū)屬于季節(jié)性凍融區(qū)，冬季凍脹作用和春季凍融日夜循環(huán)加劇了坡面侵蝕和溝蝕的發(fā)生和發(fā)展。已有研究表明，反復(fù)的凍融循環(huán)會(huì)改變土壤結(jié)構(gòu)、影響土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性和抗剪強(qiáng)度等[1-3]，從而造成土壤抗侵蝕性降低，增加了水蝕和風(fēng)蝕物質(zhì)來(lái)源[4]。特別在東北黑土區(qū)土壤解凍期，表層土壤解凍，而深層土壤解凍不完全，從而形成一個(gè)臨時(shí)不透水層，一方面其阻滯土壤水分下滲，易形成壤中流，增加融雪侵蝕強(qiáng)度；另一方面，當(dāng)土壤水分沿這個(gè)凍與不凍接觸面流動(dòng)時(shí)，由于兩層間的摩擦阻力減小，也可能加劇融雪侵蝕的發(fā)生[5]。因此，凍融作用增加了東北黑土區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度。而土壤溫度是土壤熱量傳遞與凍融變化的重要指標(biāo)[6]，也是表征凍融作用強(qiáng)弱的關(guān)鍵指標(biāo)；掌握農(nóng)地土壤溫度變化特征可為量化凍融作用程度和凍融作用對(duì)土壤侵蝕影響提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

目前，對(duì)于東北黑土區(qū)土壤溫度的變化研究主要集中在不同耕作方式、不同覆蓋條件對(duì)黑土土壤溫度的影響[7-10]，而對(duì)于凍融期土壤溫度變化特征的研究較少。張科利等[11]的研究結(jié)果表明，土壤解凍速率與土壤腐殖質(zhì)層厚度有關(guān)，腐殖質(zhì)厚的土壤剖面解凍速率要比腐殖質(zhì)層薄的土壤剖面的解凍速率??；李帥等[12]利用黑龍江省逐日氣溫與表層地溫(0—20 cm深度)數(shù)據(jù)建立了地溫預(yù)報(bào)方程，通過(guò)預(yù)測(cè)表層土壤溫度的變化來(lái)指導(dǎo)當(dāng)?shù)夭シN期以及農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整；趙顯波等[13]將黑土耕層土壤凍結(jié)融化過(guò)程分為5個(gè)階段，并分析了凍融過(guò)程后耕層土壤水分的變化情況。Zhao等[14]對(duì)2009年?yáng)|北克山地區(qū)凍融期土壤溫度變化進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)克山地區(qū)土壤的凍結(jié)時(shí)間在129～155 d，土壤最大凍結(jié)深度為191～229 cm。呂紅玉等[15]對(duì)佳木斯1981—2010年地溫進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，0—80 cm深度土壤存在凍融變化，且80 cm土壤平均凍結(jié)期在118 d左右。此外，氣溫對(duì)土壤最大凍結(jié)深度和土壤凍融循環(huán)次數(shù)有重要影響，隨著年平均氣溫的不斷升高，季節(jié)凍土的冬季最大凍結(jié)深度不斷減小[16]。Frauenfeld等[17]指出歐亞高緯度地區(qū)在1930—2000年來(lái)季節(jié)性凍土的最大凍結(jié)深度減少31.9 cm，平均每10 a減少4.5 cm。高思如等[18]對(duì)1990—2014年西藏季節(jié)凍土進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)西藏地區(qū)平均氣溫升高1 ℃，最大凍結(jié)深度減小約16.1 cm。土壤凍融次數(shù)也與氣溫呈負(fù)相關(guān)，Peng等[19]的研究表明在1967—2013年期間，青?！鞑氐貐^(qū)年平均氣溫顯著升高的同時(shí)，土壤凍融循環(huán)次數(shù)也在顯著下降。近年來(lái)由于平均氣溫的上升，東北地區(qū)土壤有凍結(jié)深度減小、凍結(jié)期變短、融化期變長(zhǎng)的趨勢(shì)，而隨著解凍期(3月)氣溫的上升以及降雪量的增加，土壤融雪侵蝕有加劇的可能[20-21]。然而，目前關(guān)于東北黑土區(qū)農(nóng)地土壤剖面凍融循環(huán)特征以及土壤溫度對(duì)氣溫變化響應(yīng)的研究較少，尤其是針對(duì)不同地區(qū)土壤凍結(jié)與融化過(guò)程中耕層土壤凍融循環(huán)次數(shù)的研究還鮮見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。

為此，本文擬利用2015—2018年11月至翌年4月東北薄層黑土區(qū)農(nóng)地土壤剖面溫度原位觀測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，分析該區(qū)土壤溫度變化特征以及土壤溫度變化對(duì)氣溫變化的響應(yīng)，查清研究區(qū)土壤凍結(jié)與融化過(guò)程中耕層土壤凍融循環(huán)次數(shù)，以期為研究?jī)鋈谧饔脤?duì)土壤侵蝕的影響提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為合理安排當(dāng)?shù)卮杭咀魑锊シN期等農(nóng)事活動(dòng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)觀測(cè)地點(diǎn)位于黑龍江省賓州河流域，其地理坐標(biāo)為127°24′04″E，45°45′13″N。賓州河流域位于松嫩平原東部，流域面積為375 km2，農(nóng)地面積占總面積的60%左右[22]，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫3.9 ℃，年降水量約為548.5 mm，氣溫年較差較大，農(nóng)地冬季封凍，春季解凍，凍融作用強(qiáng)烈。賓州河流域是典型的薄層黑土區(qū)(黑土層厚度小于40 cm)，土壤類型以黑土為主，黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和砂粒(>0.05 mm)的含量分別為和29.4%，61.3%和9.3%；土壤有機(jī)質(zhì)含量約為20.2 g/kg(重鉻酸鉀氧化—外加熱法)，pH值為6.1(水浸提法，水土比2.5∶1)[23]。

1.2 觀測(cè)方法

在賓州河流域典型農(nóng)地布設(shè)土壤溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)L93-1溫度記錄儀(上海發(fā)泰精密儀器儀表有限公司)，該系統(tǒng)設(shè)有8個(gè)溫度傳感器，每隔1 h自動(dòng)記錄一次土壤溫度，測(cè)量精度為0.01 ℃。在土壤剖面各層埋置土壤溫度傳感器時(shí)，先開(kāi)挖土壤剖面，然后根據(jù)土壤剖面各土層的土壤密度從下層至上層回填土壤，在回填土壤過(guò)程中將溫度傳感器按土壤剖面分層埋置。共開(kāi)挖2個(gè)200 cm的土壤剖面，并分別將溫度傳感器埋置于5，20，40，60，80，120，160和190 cm的土層深度，即每個(gè)土層深度的溫度觀測(cè)有2個(gè)重復(fù)。

研究時(shí)段內(nèi)的逐小時(shí)氣溫?cái)?shù)據(jù)由中國(guó)氣象局—黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心提供。研究區(qū)農(nóng)地凍融過(guò)程多發(fā)生在11月至翌年的3月下旬，因此為完整記錄土壤凍融過(guò)程中的溫度變化，本研究采集2015—2018年賓州河流域典型農(nóng)地2 m土壤剖面11月至翌年4月的土壤溫度數(shù)據(jù)，并結(jié)合氣溫?cái)?shù)據(jù)分析東北黑土區(qū)農(nóng)地土壤凍融過(guò)程中土壤剖面溫度變化特征及其對(duì)氣溫變化的響應(yīng)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本文使用 SPSS 23.0 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，使用Excel 2010軟件進(jìn)行繪圖。土壤日均溫和年均溫均為相應(yīng)時(shí)段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍融過(guò)程中土壤溫度對(duì)氣溫變化的響應(yīng)

土壤溫度變化是土壤隨著太陽(yáng)輻射和大氣溫度的變化而吸收或釋放能量的過(guò)程[24]。在11月至翌年4月的整個(gè)凍融過(guò)程中，土壤溫度變化與氣溫的變化趨勢(shì)一致(圖1)，其總體呈先下降后上升的變化趨勢(shì)，且隨著土層深度的增加，土壤溫度波動(dòng)變化受氣溫的影響逐漸減少。

圖1 2015-2018年凍融期大氣溫度與土壤溫度變化關(guān)系

在每年11月份，氣溫迅速下降，各土層溫度隨之下降。當(dāng)土壤進(jìn)入凍結(jié)期后，土壤溫度變化較為平緩，不同監(jiān)測(cè)深度的土壤溫度均高于氣溫。在當(dāng)年3月份，隨著氣溫的快速上升，土壤溫度開(kāi)始快速升高且變化幅度較大。研究區(qū)11月至翌年4月氣溫的變化范圍為-30.40～18.33 ℃，其溫差達(dá)到48.73 ℃。與氣溫相比，土壤溫度的變化幅度較小。土壤溫度最高值和最低值均出現(xiàn)在0—5 cm土層中，其值分別為15.22 ℃和-10.13 ℃，其溫差達(dá)到25.35 ℃；5—20 cm土層的土壤溫度變化于-6.00～10.74 ℃之間，溫差達(dá)到16.74 ℃。隨著土層深度的增加，土壤溫度變化幅度逐漸減小，當(dāng)土層深度達(dá)到40 cm以上時(shí)，土壤溫度的變化范圍為-2.00～14.40 ℃，40 cm以下各層土壤溫差均介于8.28～9.72 ℃的范圍內(nèi)。

與氣溫變化相比，土壤溫度變化出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，且滯后時(shí)間隨土壤深度的增加而增大。例如在2018年1月11日，日均氣溫陡然升高，并在1月14日達(dá)到升溫以來(lái)的峰值(圖1c)，而40 cm以內(nèi)的土壤在1月13日至1月14日開(kāi)始升溫，并在1月18日至1月20日達(dá)到升溫以來(lái)的峰值。40 cm以下土層土壤溫度受氣溫變化影響較小，并未出現(xiàn)明顯的峰值。

利用5日滑動(dòng)平均法來(lái)計(jì)算氣溫與土壤溫度穩(wěn)定超過(guò)0 ℃的時(shí)間，發(fā)現(xiàn)與氣溫穩(wěn)定超過(guò)0℃的日期相比，0—5 cm土層土壤溫度穩(wěn)定超過(guò)0 ℃的日期滯后0～1 d，而5—40 cm土層土壤溫度滯后于氣溫3～11 d。

將2015—2018年11月至翌年4月土壤凍融過(guò)程中各土層土壤溫度與氣溫進(jìn)行相關(guān)分析(表1)，發(fā)現(xiàn)除了60—80 cm土層外，其余各土層土壤溫度均與氣溫呈顯著相關(guān)，其中0—60 cm土壤溫度與氣溫呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，且隨土層深度增加，土壤溫度與氣溫的相關(guān)性減弱；而80 cm土層以下，土壤溫度與氣溫呈顯著或極顯著的負(fù)相關(guān)。這表明土壤溫度變化受到氣溫變化的影響，且隨著土層深度的增加，土壤溫度變化受氣溫變化的影響逐漸減小。

已有研究指出0—5 cm土壤溫度變化與氣溫變化具有很好的一致性，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.8以上(p=0.01)[24-25]。杜軍等[26]通過(guò)對(duì)近45年拉薩氣溫與同期0—40 cm土壤溫度的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，二者相關(guān)系數(shù)均在0.573以上(p=0.01)，這與本文的研究結(jié)果相符。3月份氣溫開(kāi)始回升之后，120—190 cm土壤溫度還在持續(xù)降低，這是深層土壤與氣溫相關(guān)系數(shù)呈負(fù)數(shù)的主要原因。

表1 2015-2018年凍融期不同深度土壤溫度和氣溫的相關(guān)系數(shù)

注：**表示極顯著相關(guān)(p<0.01)，*表示顯著相關(guān)(p<0.05)，-表示負(fù)相關(guān)。

2.2 凍融過(guò)程中農(nóng)地土壤剖面溫度變化特征

地表土壤熱量主要源于太陽(yáng)輻射，土壤吸收熱量后，在土壤內(nèi)部產(chǎn)生熱傳導(dǎo)，導(dǎo)致土壤溫度在不同土層深度間存在差異[27]。這里基于整個(gè)凍結(jié)融化期的土壤溫度實(shí)測(cè)資料，對(duì)2015—2018年凍融過(guò)程中月均土壤溫度進(jìn)行分析，研究農(nóng)地不同深度土壤溫度變化特征。圖2表明，11月至翌年的2月，土壤溫度隨土層深度的增加而增加；3—4月份，表層土壤升溫較快，土壤溫度梯度發(fā)生反向改變；當(dāng)土壤完全消融后，土壤溫度隨著土層深度的增加而遞減，且各土層土壤溫差呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。以2017—2018年為例，在土壤凍結(jié)期的11月到翌年的2月，0—5 cm土層土壤溫度月均值最低為-7.73 ℃，不同土層深度最大土壤溫度差值可達(dá)14.95 ℃；3月份0—80 cm土層土壤升溫明顯，而80—190 cm土層土壤溫度變化較小，不同土層深度土壤溫度差異減小至4.12 ℃；4月份，不同深度土壤溫度差異逐漸增大，溫差達(dá)到7.14 ℃。

2.3 凍融過(guò)程中農(nóng)地土壤凍融循環(huán)特征

2.3.1 土壤凍結(jié)與消融過(guò)程 采用土壤溫度日均值開(kāi)始持續(xù)<0 ℃作為凍結(jié)開(kāi)始時(shí)間，持續(xù)>0 ℃作為消融開(kāi)始時(shí)間[28-29]，分析研究區(qū)2015—2018年不同土層深度土壤凍結(jié)融化發(fā)生日期與持續(xù)時(shí)間。結(jié)果表明(圖3)，土壤凍結(jié)和融化過(guò)程分別為單向凍結(jié)和雙向融化。在凍結(jié)過(guò)程中，觀測(cè)期間農(nóng)田土壤凍結(jié)方式為單向凍結(jié)。在土壤凍結(jié)初期，氣溫在0 ℃上下波動(dòng)，0—5 cm土壤開(kāi)始晝?nèi)谝箖觯?1月中旬，0—5 cm土層形成了白天不能解凍的凍層；此后隨著氣溫的逐漸降低，凍層穩(wěn)定向下發(fā)展，凍結(jié)開(kāi)始日期逐漸滯后；至次年2月上旬，凍結(jié)深度達(dá)到最大，其值為80 cm。研究區(qū)0—80 cm土層內(nèi)存在凍融交替，而80 cm以下土層的土壤溫度始終高于0 ℃，沒(méi)有凍融現(xiàn)象發(fā)生。從土壤開(kāi)始凍結(jié)至土壤達(dá)到最大凍結(jié)深度歷時(shí)81～82 d；其中0—5 cm土層土壤凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)為130～137 d，隨土層深度的增加，土壤凍結(jié)天數(shù)呈減少趨勢(shì)，對(duì)于60—80 cm土層，土壤凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)僅為34～38 d。

圖2 2015-2018年凍融期土壤溫度隨土層深度的變化特征

在土壤消融階段，由于受地表氣溫回升和深層不凍結(jié)土層熱流的雙重影響[30]，土壤融化過(guò)程從地表向下和凍結(jié)層下部向上同時(shí)進(jìn)行，土壤消融過(guò)程受到氣溫和降雪等因素的影響。在2016年，60—80 cm土層最先在3月11日消融，之后，由于氣溫的回升， 0—20 cm土層開(kāi)始出現(xiàn)晝?nèi)谝箖霈F(xiàn)象。至3月24日，5—20 cm土層完全解凍，而0—5 cm土壤仍然處于晝?nèi)谝箖鲞^(guò)程中，白天解凍，在夜晚重又形成凍層，此時(shí)形成“雙凍層”[31]，即0—5 cm的表凍土層與20—60 cm的原凍層，雙凍層之間的解凍土層厚度在15 cm以下。

2017年解凍期土壤解凍模式與2016年相似。在2018年，60—80和40—60 cm土層在3月14日至3月19日依次融化。隨著氣溫的升高，3月22日，0—5 cm土壤出現(xiàn)晝?nèi)谝箖霈F(xiàn)象，隨后5—40 cm土層消融，在3月31日，0—5 cm土層才完全消融。所有土層在3月下旬完全消融，融化時(shí)長(zhǎng)為17～19 d，遠(yuǎn)小于土壤凍結(jié)所需時(shí)間。

圖3 2015-2018年凍融期土壤凍結(jié)深度變化特征

2.3.2 土壤凍融循環(huán)次數(shù) 一般認(rèn)為如果某一深度的土壤溫度存在經(jīng)過(guò)0 ℃的日變化時(shí), 則該層土壤存在凍融現(xiàn)象。因此，這里將土壤日最高溫度(Tmax)大于0 ℃且土壤日最低溫度(Tmin)小于0 ℃作為土壤存在凍融循環(huán)現(xiàn)象的依據(jù)[32-33]。研究結(jié)果表明，不同深度的土壤經(jīng)歷的凍融循環(huán)次數(shù)有較大差別。在11月至翌年4月土壤凍結(jié)與融化過(guò)程中，隨著土層深度的增加，土壤經(jīng)歷的總的凍融循環(huán)次數(shù)減少，凍融循環(huán)現(xiàn)象主要出現(xiàn)在耕層0—20 cm土層。此外凍融循環(huán)的開(kāi)始日期也隨著土層深度的增加而推遲。在2015—2016年，0—5 cm土層深度的土壤在2015年11月15日至11月16日經(jīng)歷2次凍融循環(huán)后完全凍結(jié)，并一直持續(xù)到2016年3月15日；到3月16日0—5 cm土壤開(kāi)始晝?nèi)谝箖觯?月25日土壤完全解凍之前經(jīng)歷了10次晝?nèi)谝箖鲅h(huán)。5—20 cm土壤在2015年11月18日經(jīng)歷1次凍融循環(huán)后完全凍結(jié)，直至2016年3月18日5—20 cm土壤開(kāi)始晝?nèi)谝箖?，?月23日土壤完全解凍之前經(jīng)歷了6次晝?nèi)谝箖鲅h(huán)?？傮w上，0—5 cm土壤在整個(gè)凍結(jié)融化過(guò)程中共經(jīng)歷了12次凍融循環(huán)，即晚秋早冬的2次凍融循環(huán)和春季10次凍融循環(huán)；而5—20 cm土壤共經(jīng)歷7次凍融循環(huán)，即晚秋早冬的1次凍融循環(huán)和春季6次凍融循環(huán)。在2016—2017年，0—5 cm土壤共經(jīng)歷了10次凍融循環(huán)，即晚秋早冬的2次凍融循環(huán)和春季8次凍融循環(huán)，5—20 cm土壤共經(jīng)歷了5融循環(huán)，即晚秋早冬的2凍融循環(huán)和春季3次凍融循環(huán)。在2017—2018年，0—5 cm土壤共經(jīng)歷了12次凍融循環(huán)，即晚秋早冬的3次凍融循環(huán)和春季9次凍融循環(huán)，而5—20 cm土壤共經(jīng)歷了2次凍融循環(huán)，即晚秋早冬的1次凍融循環(huán)和春季1次凍融循環(huán)。綜合多年觀測(cè)，0—5 cm和5—20 cm土壤經(jīng)歷的最大凍融循環(huán)次數(shù)分別為12次和7次。與0—5 cm土壤相比，5—20 cm土壤開(kāi)始經(jīng)歷凍融循環(huán)的日期要推遲1～9 d。

2.4 凍結(jié)期與消融期農(nóng)地耕層土壤溫度的日變化特征

以2016年1月22日(圖4a)和2016年3月25日(圖4b)的日土壤溫度數(shù)據(jù)為代表，分析凍結(jié)期與消融期農(nóng)地耕層土壤溫度日變化特征?？梢钥闯觯趦鼋Y(jié)期(圖4a)，盡管氣溫有明顯的峰值變化，但土壤溫度日變化曲線接近直線，0—5 cm土壤溫度日振幅僅為0.4 ℃。而進(jìn)入消融期后(圖4b)，氣溫日變化大于凍結(jié)期，表層土壤溫度日振幅也明顯增大。0—20 cm土層土壤溫度呈“正弦曲線”形式變化，0—5 cm土層土壤溫度的日振幅最大，土壤最高和最低溫度出現(xiàn)的時(shí)間最早。隨著土層深度的增加，土壤溫度的日振幅逐漸減小，土壤溫度最高和最低出現(xiàn)的時(shí)間逐漸滯后。氣溫在13:00—14:00之間達(dá)到最大值，0—5 cm土層土壤溫度最高值出現(xiàn)在14:00左右，增溫率為1.43 ℃/h，最低值出現(xiàn)在8:00左右，降溫率為0.48 ℃/h，升溫迅速而降溫緩慢。與0—5 cm土層相比，5—20 cm土層的土壤溫度變化幅度明顯減少；在土壤溫度日變化過(guò)程中，5—20 cm土層土壤溫度最高值出現(xiàn)在19:00左右，最低值出現(xiàn)在10:00左右，升溫率和降溫率分別為0.28和0.17 ℃/h ，也是升溫迅速而降溫緩慢，但其變化速率低于0—5 cm土層。

圖4 2016年1月22日凍結(jié)期(a)和2016年3月25日消融期(b)土壤溫度日變化特征

3 討 論

積雪具有高反照率，大熱容量和高絕熱率的特性[34]，能夠阻礙氣象因子對(duì)土壤導(dǎo)熱率和熱通量的影響，改變土壤濕度，進(jìn)而對(duì)土壤凍融過(guò)程產(chǎn)生影響[35]。為此，根據(jù)CLM(community land model)模式的雨-雪判據(jù)，將2.5 ℃作為降雨和降雪的臨界溫度[36]，根據(jù)黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心提供的逐日降水和氣溫得到了日降雪數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)2015—2016年、2017—2018年降雪總量分別為52.7和34.0 mm。在2015—2016年，降雪集中在12月份，降雪量達(dá)到25.6 mm，氣溫也在持續(xù)降低，而5 cm土壤溫度有所回升，與11月5 cm土壤月均溫相比，溫度回升1.21 ℃；在2017—2018年12—1月氣溫持續(xù)降低的情況下，1月份5 cm土壤月均溫度回升0.55 ℃(圖5)。在2018年3月，研究區(qū)降雪量為13.1 mm，占當(dāng)年總降雪量的34%，導(dǎo)致當(dāng)年0—5 cm土壤消融緩慢。這是由于在凍結(jié)期，土壤與大氣間的熱量傳遞主要是由土壤向大氣傳遞，而積雪覆蓋阻隔了土壤和大氣的熱量交換，加之深層土壤向淺層土壤輸送熱量，使得表層土壤溫度升高，減緩?fù)寥纼鼋Y(jié)速度。而在消融期，氣溫逐漸升高，土壤與大氣間的熱量傳遞主要是由大氣向土壤傳遞，積雪覆蓋則導(dǎo)致表層土壤升溫緩慢，使得土壤開(kāi)始消融日期滯后[37-38]。

除了積雪影響外，土壤濕度也對(duì)土壤溫度產(chǎn)生影響，且二者存在著一定的相關(guān)關(guān)系[39]。趙顯波等[40]的研究表明，在土壤凍結(jié)融化期，陽(yáng)坡0—15 cm黑土耕層土壤濕度隨土壤溫度變化呈線性相關(guān)關(guān)系，且線性相關(guān)顯著。在凍融過(guò)程中，土壤水分在土壤溫度梯度的作用下發(fā)生運(yùn)移[41]，而水的比熱容較大，土壤水分在產(chǎn)生相變的過(guò)程中會(huì)釋放或者吸收大量熱量，降低土壤溫度的波動(dòng)幅度，延緩?fù)寥纼鼋Y(jié)與融化進(jìn)程[42-43]。因此土壤含水量的多少會(huì)極大地影響土壤凍融過(guò)程與土壤溫度變化狀況。氣溫、降雪、土壤特性(土壤類型，體積密度、孔隙率和熱和水力傳導(dǎo)率)等因素的差異會(huì)使土壤凍結(jié)融化過(guò)程與土壤凍融特征有所不同[33]，本文僅討論了東北典型薄層黑土區(qū)農(nóng)地土壤溫度對(duì)氣溫的響應(yīng)，有關(guān)氣溫、降雪深度、土壤水分等對(duì)土壤凍融過(guò)程綜合影響將在之后的研究進(jìn)行討論。

圖5 2015-2016年(a)和2017-2018年(b)凍融期降雪量、氣溫與表層土壤溫度變化狀況

4 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)11月至翌年的2月，土壤溫度隨土層深度的增加而增加，且表層土壤溫度變化幅度大于深層土壤；3—4月，表層土壤升溫較快，土壤溫度梯度發(fā)生反向改變；當(dāng)土壤完全消融后，土壤溫度隨著土層深度的增加而減小。研究期內(nèi)氣溫變化范圍為-30.40～18.33 ℃，溫差達(dá)48.73 ℃。與氣溫變化相比，土壤溫度的變化幅度較小，且隨著土壤深度的增加，土壤溫度變化幅度呈減小趨勢(shì)，其中0—20 cm土壤溫度變化幅度較大，其變幅分別為25.35和16.74 ℃；40—190 cm土壤溫度變化介于-2.00～14.40 ℃之間，各土層土壤溫差變化介于8.28～9.72 ℃之間。

(2) 除60—80 cm土層外，其余各土層土壤溫度均與氣溫呈顯著相關(guān)，其中0—60 cm土壤溫度與氣溫呈極顯著正相關(guān)，且隨土層深度增加，土壤溫度與氣溫的相關(guān)性減弱；而80 cm土層以下，土壤溫度與氣溫呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)。

(3) 研究區(qū)土壤凍結(jié)和融化過(guò)程分別呈單向凍結(jié)和雙向融化現(xiàn)象。凍結(jié)期，土壤在2月上旬達(dá)到最大凍結(jié)深度，其值為80 cm。從土壤開(kāi)始凍結(jié)至土壤達(dá)到最大凍結(jié)深度歷時(shí)81～82 d，其中0—5 cm土層土壤凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)為130～137 d；隨土層深度的增加，土壤凍結(jié)天數(shù)呈減少趨勢(shì)，至60—80 cm土層時(shí)土壤凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)僅為34～38 d。土壤融化期，80 cm以內(nèi)土壤在3月下旬完全消融，融化時(shí)長(zhǎng)為17～19 d。在11月至翌年4月土壤凍結(jié)與融化過(guò)程中，凍融循環(huán)現(xiàn)象主要出現(xiàn)在耕層0—5和5—20 cm土層，期間二者經(jīng)歷的最大凍融循環(huán)次數(shù)分別為12和7次。

(4) 凍結(jié)期內(nèi)，土壤溫度日變化曲線接近直線；消融期內(nèi)，0—20 cm土層土壤溫度呈正弦曲線變化；且隨著土層深度的增加，土壤溫度的日振幅逐漸減小，土壤最高和最低溫度出現(xiàn)的時(shí)間逐漸滯后。