賈 超，向 導(dǎo)，郭鳳娟，李紅英

（1.新疆石河子莫索灣氣象站，新疆 石河子 832000；2.石河子烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，新疆 石河子 832000）

凍土是在氣溫下降到0 ℃或以下時(shí)的自然現(xiàn)象，是土壤性狀的一個(gè)重要表現(xiàn)形態(tài)，季節(jié)性凍土深度隨著氣候環(huán)境變化而變化［1-3］；凍土是含冰的負(fù)溫地質(zhì)體，季節(jié)性凍土的凍融過(guò)程、凍結(jié)深度、凍結(jié)始期、解凍時(shí)間對(duì)土木工程建設(shè)、公路修建、橋涵和鐵路設(shè)計(jì)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及水利工程建設(shè)等有著較大的影響［4-8］；季節(jié)性凍土最大深度變化與氣候變化具有直接的關(guān)系［9-11］，因而研究季節(jié)性凍土深度變化具有重要意義和實(shí)用價(jià)值。陳博等［12］、蔣復(fù)初等［13］、劉小寧等［14］從中國(guó)較大范圍研究了凍土分布特征及凍土的變化狀況，認(rèn)為在氣候變暖的環(huán)境下，凍土區(qū)域在縮減，凍融時(shí)間段也在縮短，而凍土層在變薄，季節(jié)性凍土最大深度的變化也與土壤特性、地形、地理位置有著密切的關(guān)系，并存在明顯的區(qū)域性。元恩城等［15］、王志堅(jiān)等［16］研究了中國(guó)西部青藏鐵路修建中的凍土問(wèn)題，認(rèn)為氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)凍土環(huán)境影響很大，由于受認(rèn)知水平的限制，凍土環(huán)境的擾動(dòng)和破壞對(duì)鐵路設(shè)計(jì)工程建設(shè)產(chǎn)生不良效應(yīng)。張洪芬等［17］、李?；ǖ龋?8］、費(fèi)曉玲等［19］研究了凍土深度變化對(duì)冬、春小麥生長(zhǎng)發(fā)育期的影響，認(rèn)為隨著凍土深度變淺，冬、春小麥全發(fā)育期天數(shù)呈減少趨勢(shì)。李韌等［20］研究表明總輻射變化與青藏高原季節(jié)凍土凍結(jié)深度呈正相關(guān)。李紅英等［21］研究了熱量資源變化對(duì)石河子墾區(qū)棉花產(chǎn)量的貢獻(xiàn)。張偉等［22］研究表明積雪和有機(jī)質(zhì)土對(duì)青藏高原凍土活動(dòng)層影響顯著。中國(guó)北方地區(qū)大地凍融區(qū)域廣闊，凍結(jié)持續(xù)時(shí)間隨著緯度和海拔高度的增加而延長(zhǎng)，且區(qū)域性差異十分明顯，因此，本研究選用新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師1962—2018 年季節(jié)性凍土資料，運(yùn)用氣候診斷分析方法，研究?jī)鼋Y(jié)深度、凍結(jié)始期、融通時(shí)間、凍土期在變暖氣候環(huán)境下季節(jié)性凍土變化規(guī)律，并分析季節(jié)性凍土變化與氣象要素的關(guān)系。揭示新疆農(nóng)八師地區(qū)季節(jié)性最大凍土深度的時(shí)空變化特征及季節(jié)性最大凍土深度隨氣溫變化的定量化關(guān)系，以期為地方土木工程建設(shè)、公路、橋涵、鐵路設(shè)計(jì)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及水利工程建設(shè)等行業(yè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)地理概況

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師墾區(qū)位于自治區(qū)北部的天山北麓中部，古爾班通古特大沙漠南緣地帶［21］，北緯 43°26′—45°20′，東經(jīng) 84°58′—86°24′，平均海拔450 m。土質(zhì)多系礫質(zhì)土、黏質(zhì)土、沙質(zhì)土等。屬于溫帶大陸性氣候的干旱氣候區(qū)，夏季短而炎熱，冬季長(zhǎng)而嚴(yán)寒，年平均氣溫4.5～9.1 ℃，日照2 489～2 997 h，年蒸發(fā)量 995～1 800 mm，無(wú)霜期147～191 d。大氣降水量很少，年降雨量?jī)H104～367 mm，而地表水和地下水較為豐富，地下水可采量3億m3，河水年徑流量15.3 億m3，大中小型水庫(kù)蓄水總量 4.33 億 m3。

1.2 資料來(lái)源

選擇新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師墾區(qū)莫索灣、炮臺(tái)、烏蘭烏蘇及石河子氣象站1962—2018 年9 月至翌年4 月各旬凍土深度、凍土初始日期、凍土結(jié)凍穩(wěn)定日期、凍土融通日期，以及同時(shí)間段的旬平均氣溫、旬平均最低氣溫、旬平均最高氣溫、同期降水量和最大積雪深度等資料。此外，為便于作圖與分析，凍土初始日期、凍土融通日期將轉(zhuǎn)換成日序。為了分析影響凍土的主要?dú)庀笠?，分時(shí)間段分別統(tǒng)計(jì)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 月平均氣溫（T）、平均最高氣溫（TG）、平均最低氣溫（TD）、降水量（R）和積雪最大深度（RM）等作為影響因子。

1.3 方法

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)偏差 用標(biāo)準(zhǔn)偏差方法衡量?jī)鐾烈仄x算術(shù)平均值的程度，即分散程度，從而可計(jì)算出極端事件發(fā)生幾率［22］。計(jì)算公式如下：

式中，S為凍土變量標(biāo)準(zhǔn)偏差；yi-y為凍土變量歷年值減總體平均數(shù)；N為變量樣本數(shù)。

1.3.2 相關(guān)系數(shù) 為了檢驗(yàn)歷年凍土要素隨時(shí)間變化的顯著性以及凍土要素受氣象要素影響的相關(guān)程度，運(yùn)用相關(guān)系數(shù)［23］法，計(jì)算公式如下：

式中，r為相關(guān)系數(shù)為凍土要素平均值為時(shí)間（或氣象要素）平均值。相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)水平定為r=0.05。

1.3.3 一元線性回歸 為了分析凍土變化規(guī)律，采用一元線性方程y=ax+b表征變量的變化趨勢(shì)特征［23］。一次項(xiàng)系數(shù)a可反映凍土要素歷年變化趨勢(shì)，也稱之為傾向率；y為凍土要素；x為時(shí)間序列號(hào)（或氣象要素）；b為常數(shù)項(xiàng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍土年變化分布特征

1962—2018 年凍土資料分析（圖1）表明，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師墾區(qū)季節(jié)性凍土非穩(wěn)定凍土層（日融夜結(jié)）始于9 月中旬，凍土日融夜結(jié)融通于4 月中旬，歷時(shí)22 個(gè)旬，占全年的61.1%。穩(wěn)定凍土層（凍土層穩(wěn)定10 cm）始于11 月上旬，凍土期歷時(shí)16個(gè)旬，穩(wěn)定凍土?xí)r間占全年的44.4%。從圖1 凍土?xí)r間分布可以看出，凍土最大深度從凍結(jié)到融通過(guò)程隨時(shí)間變化呈偏正態(tài)分布，最大值出現(xiàn)在立春之后的2 月上、中旬，而同時(shí)段氣溫最低值出現(xiàn)在1 月中下旬，由此可見(jiàn)，凍土最大深度較氣溫最低出現(xiàn)時(shí)間位相晚2 個(gè)旬。

圖1 凍土最大深度和同期平均氣溫年變化特征

2.2 凍土年際變化特征

2.2.1 凍結(jié)始期與融通日期 隨著深秋氣溫下降，地面溫度達(dá)0 ℃以下，土壤中的水分出現(xiàn)凍結(jié)，此時(shí)為凍土初始日期。新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師墾區(qū)1962—2018 年凍土初日1981 年最早出現(xiàn)在9 月7日，1989 年最晚出現(xiàn)在 12 月 14 日，近 57 年變化幅度為98 d，離散度較大。凍土初始階段由于氣溫白晝?cè)? ℃以上，夜晚氣溫在0 ℃以下，凍土層隨著氣溫變化呈日消夜結(jié)狀態(tài)，當(dāng)凍土層凍結(jié)10 cm 時(shí)氣象部門(mén)確定為穩(wěn)定封凍日期。由圖2 可以看出，穩(wěn)定封凍日期 1976 年最早，在 11 月 1 日；2011 年最晚，在11 月 30 日，均分布在 11 月之內(nèi)，而歷年平均在 11 月16 日。經(jīng)統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為±6 d，穩(wěn)定封凍日期離散度較小，其中，偏早結(jié)凍有8 年，概率為14.0%；偏晚結(jié)凍有9 年，概率為15.8%。穩(wěn)定封凍日期呈明顯后推趨勢(shì)，序列相關(guān)系數(shù)（R）為0.289（P＜0.05），達(dá)顯著水平，傾向率為 1.12 d∕10 年，線性后推約 6 d。2001 年之后穩(wěn)定封凍日期較之前明顯偏晚，相對(duì)比平均晚凍結(jié)5 d。

圖2 穩(wěn)定封凍日期（日序）歷年變化趨勢(shì)

當(dāng)凍土達(dá)最大深度之后凍土開(kāi)始進(jìn)入融化解凍階段，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師墾區(qū)從2 月下旬深層開(kāi)始出現(xiàn)融化，地表也相應(yīng)出現(xiàn)日融夜凍現(xiàn)象，進(jìn)入3 月凍土層逐漸融通。在1962—2018 年凍土層融通日期平均在 3 月 17 日。由圖 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，融通日期變化在37 d 之內(nèi)。經(jīng)計(jì)算，凍土層融通日期標(biāo)準(zhǔn)偏差為±7d，較為離散，其中，偏晚有8 年，概率為14.0%；偏早有6 年，概率為10.5%。凍土層融通日期呈明顯提前趨勢(shì)，序列相關(guān)系數(shù)（R）為-0.331（P＜0.01）達(dá)極顯著水平，傾向率為-1.42 d∕10年，線性提前約8 d。2001 年之后較之前融通日期平均提前5 d。

圖3 凍土融通日期（日序）歷年變化趨勢(shì)

2.2.2 凍土最大深度 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師墾區(qū)1962—2018 年凍土最大深度歷年平均為94 cm，最大值出現(xiàn)在1968—1969 年冬季，為140 cm；最小值出現(xiàn)在2016—2017 年冬季，為49 cm。由圖4 可以看出，標(biāo)準(zhǔn)偏差為±20 cm，凍土層偏深出現(xiàn)10 年，占17.5%；偏淺出現(xiàn)6 年，占10.5%。凍土最大深度隨著年度變化逐漸變淺趨勢(shì)明顯，序列相關(guān)系數(shù)（R）為0.666（P＜0.01），達(dá)到極顯著水平，傾向率為-8.09 cm∕10 年，線性變淺46 cm。從歷年波動(dòng)變化可以看出，在1987—1988 年冬季出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)之前（1961—1962 年冬季至1987—1988年冬季）凍土最大深度平均為108 cm，轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后（1988—1989 年冬季至2017—2018 年冬季）平均為82 cm，相對(duì)平均變淺26 cm。尤其近5 年（2013—2014 年冬季至2017—2018 年冬季）凍土層變淺更為明顯，平均值僅為64 cm。

圖4 凍土最大深度年際變化特征

2.2.3 穩(wěn)定凍土持續(xù)期 從穩(wěn)定凍土日至凍土融通日為穩(wěn)定凍土持續(xù)期。新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師墾區(qū)1962—2018 年凍土持續(xù)時(shí)間歷年平均為123 d，最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間出現(xiàn)在1974—1975 年冬季，為146 d，最短持續(xù)時(shí)間出現(xiàn)在2016—2017 年冬季，為107 d。由圖5 可以看出，標(biāo)準(zhǔn)偏差為±8 d，凍土持續(xù)時(shí)間偏長(zhǎng)有5 年，占8.8%；偏短有8 年，占14.0%。凍土持續(xù)期隨著年度變化存在逐漸變短趨勢(shì)，序列相關(guān)系數(shù)（R）為 0.292（P＜0.05），達(dá)到顯著水平，傾向率為-1.36 d∕10 年，線性縮短約8 d。從歷年波動(dòng)變化可以看出，在1988—1989 年冬季出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)之前（1961—1962 年冬季至1988—1989 年冬季）凍土持續(xù)期平均為125 d，轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后（1989—1990 年冬季、2017—2018 年冬季）平均為 121 d，相對(duì)平均縮短4 d。

圖5 穩(wěn)定凍土持續(xù)期年際變化特征

2.3 凍土與氣象因子相關(guān)及線性分析

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師墾區(qū)穩(wěn)定凍土期在11 月至翌年3 月，而同期氣象要素對(duì)其影響最大。從表1、表2、表3 相關(guān)分析可以看出，影響凍土最大深度的氣象因子主要是同期的平均氣溫、平均最低氣溫、降水量及積雪最大深度，其中，2 月、12 月至翌年2 月、11 月至翌年3 月的平均氣溫及平均最低氣溫與凍土最大深度呈顯著負(fù)相關(guān)，11 月至翌年3 月降水量、1 月及12 月至翌年2 月積雪最大深度與凍土最大深度之間呈顯著負(fù)相關(guān)。凍土融通時(shí)間的早晚與11 月至翌年3 月平均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)，與積雪最大深度呈正相關(guān)但不顯著。凍土期與11 月至翌年 3 月平均氣溫，與 12 月至翌年 2 月、11 月至翌年3 月平均最低氣溫均呈顯著負(fù)相關(guān)。2 月氣溫變化對(duì)凍土最大深度影響明顯，當(dāng)2 月平均氣溫或平均最低氣溫每升高1 ℃，凍土深度減少約2.0 cm；11 月至翌年3 月平均氣溫或平均最低氣溫每變化1 ℃，凍土最大深度變化約4.0 cm；11 月至翌年3 月平均氣溫越高，凍土融通日期越提前，而凍土期越短。從降水量（雪量）和積雪最大深度來(lái)看，表現(xiàn)出11 月至翌年3 月降水量越多、1 月積雪越深凍土層越淺的特點(diǎn)；11 月至翌年3 月降水量越多，凍土融通的時(shí)間越晚。

表1 凍土最大深度、融通日、凍土期與同期氣溫的線性相關(guān)分析

表2 凍土最大深度、融通日、凍土期與同期降水量的線性相關(guān)分析

表3 凍土最大深度、融通日、凍土期與同期最大積雪的線性相關(guān)分析

3 小結(jié)與討論

1）新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師墾區(qū)凍土穩(wěn)定凍結(jié)平均在 11 月 17 日，凍土融通時(shí)間在 3 月 16 日，凍土凍結(jié)持續(xù)期歷時(shí)5 個(gè)月，平均為123 d。而非穩(wěn)定凍土結(jié)凍日期在1962—2018 年最早出現(xiàn)在9 月上旬，日融夜結(jié)最晚出現(xiàn)在4 月中旬。這種非穩(wěn)定凍土階段可造成災(zāi)害，在農(nóng)業(yè)上將影響農(nóng)作物（小麥等）幼苗的正常生長(zhǎng)和正常成熟（大田作物），使作物苗期受凍致死甚至減產(chǎn)或絕收［17，18］；還將影響土木工程建設(shè)、路基、橋涵等工程質(zhì)量，對(duì)墻體、基礎(chǔ)具有破壞作用［6，8］。2001 年之后穩(wěn)定封凍日期較 1962—2000年平均推后5 d，而2001 年之后融通時(shí)間較1962—2000 年平均提前5 d；凍土穩(wěn)定凍結(jié)持續(xù)期明顯縮短。

2）新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師墾區(qū)凍土最大深度出現(xiàn)的時(shí)間比同期最低氣溫出現(xiàn)時(shí)間滯后約20 d，一般出現(xiàn)在2 月上、中旬，比北部的阿勒泰地區(qū)［18］凍土最大深度出現(xiàn)（3 月上旬）時(shí)間早兩旬。歷年凍土最大深度平均為94 cm，逐漸變淺的趨勢(shì)十分明顯，傾向率為-8.09 cm∕10 年，1988—1989 年之后相比總平均值變淺26 cm，而近5 年（2013—2014 年至2017—2018 年）凍土層平均僅有64 cm，相比總平均值變淺30 cm。

3）新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師墾區(qū)氣候變暖明顯［21］，冬半年氣候要素的變化導(dǎo)致了凍土各項(xiàng)指標(biāo)的變化。受11 月至翌年3 月平均氣溫、平均最低氣溫升高的影響，氣溫每升高1 ℃，凍土最大深度變淺約4.0 cm，凍土融通日期提前約1.4 d，而凍土期縮短1.7 d。11 月至翌年3 月降水量（雪量）增加可使凍土深度變淺，而此時(shí)段的降水量對(duì)凍土融通時(shí)間起到了推后作用。1 月積雪加厚可使凍土層變淺。

4）季節(jié)性凍土層逐漸變淺有利有弊，對(duì)土木工程、公路、橋涵建筑以及霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)十分有利，可延長(zhǎng)工作、生產(chǎn)時(shí)間，節(jié)約能耗，降低成本提高效益，這是有利的一面。凍土層變淺也是地面輻射熱增強(qiáng)的反映，地面輻射熱對(duì)氣候形成反作用，使氣溫升高；在這種情況下，從小環(huán)境來(lái)說(shuō)，正常在冬季能夠凍滅的細(xì)菌、病毒、蟲(chóng)害等得不到應(yīng)有的控制，使之大流行，病蟲(chóng)災(zāi)害加重、界限北移；從大環(huán)境來(lái)說(shuō)，可改變地球的生物圈，使地球上的生物重組，嚴(yán)重威脅現(xiàn)存生物的生存，甚至可能導(dǎo)致物種滅絕。因此，氣候變暖凍土層變淺弊大于利。

本研究結(jié)果可為新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師墾區(qū)土木工程、公路、橋涵建筑以及霜期設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供參考。