摘 要：為掌握氣候背景下寧夏灌區(qū)季節(jié)性凍土變化及其對農事活動的影響，爭取最大限度地提高光熱資源利用效率，挖掘生產潛力，開展了氣候變化背景下寧夏灌區(qū)凍土變化特征及其對農業(yè)生產的影響研究。利用寧夏灌區(qū)4個代表性站點1961—2020年冬季逐日凍土資料，采用統(tǒng)計方法，分析寧夏灌區(qū)逐年最大凍土深度、土壤凍結日期、解凍日期及凍結日數(shù)變化特征，并分析凍土變化對農業(yè)生產的影響。結果表明，1961—2020年冬季各代表性站點中最大凍土深度均有明顯的變化趨勢，2001年以前各地最大凍土深度明顯變淺，2001年以后惠農、永寧、吳忠整體凍土深度有所增加，永寧、吳忠呈波動性變化，無明顯趨勢性變化；1961—2020年中寧最大凍土深度明顯變淺。土壤凍結日期、完全解凍日期分別有不同程度延后和提前趨勢；各站點凍土持續(xù)日數(shù)年變化呈縮短的趨勢，其中中寧的凍土持續(xù)時間縮短趨勢最明顯。

關鍵詞：寧夏灌區(qū)； 土壤凍結； 凍土深度

中圖分類號：S157.1； P642.1" " " 文獻標識碼：A" " "文章編號：1002-204X（2024）02-0022-10

doi：10.3969/j.issn.1002-204x.2024.02.006

Characteristics of Frozen Soil Change and Its Impact on Agricultural Production in Ningxia Irrigated Area under the Background of Climate Change

Yang Yang1，2， Jia Biao1， Li Yang2

（1.Ningxia University， Yinchuan， Ningxia 750021; 2.Key Laboratory for Meteorological Disaster Monitoring and Early Warning and Risk Management of Characteristic Agriculture in Arid Regions， Yinchuan， Ningxia 750002）

Abstract To understand the change law of seasonal frozen soil under climate background in Ningxia irrigated area and its impact on agricultural activities， the research objective is to improve the utilization efficiency of light and heat resources and excavate production potential. With daily frozen soil data of four sites in the Ningxia irrigated area from 1961 to 2020， the change characteristics of maximum frozen soil depth， soil freezing date， thawing date， and duration of frozen soil in Ningxia irrigated area are analyzed by using statistical methods. The impact of frozen soil on agricultural production is also analyzed. The results showed that the maximum frozen soil depth in each representative site in the winter from 1961 to 2020 has obvious change trends. Before 2001， the maximum frozen soil depth in various places was significantly reduced， and after 2001， the overall frozen soil depth in Huinong， Yongning and Wuzhong increased again. Yongning and Wuzhong changed in a fluctuating manner without obvious trend change; the maximum frozen soil depth in Zhongning continued to decrease significantly from 1961 to 2020. The soil freezing date and complete thawing date were delayed and advanced to different degrees， respectively; the annual variation of the frozen soil duration in each site showed a decreasing trend， among which the shortening trend of the frozen soil duration in Zhongning was the most obvious.

Key words Ningxia irrigation area; Soil freezing; Frozen soil depth

受地形和氣候條件的影響，土壤凍結有獨特的季節(jié)性，同時凍土也能夠表征氣候的變化。相關研究表明，在全球氣候變暖的大背景下，中國自20世紀80年代以來增溫最為顯著，尤其是北方地區(qū)冬季增溫最為明顯[1-2]。凍土對溫度十分敏感，所以氣候變化對凍土圈的影響受到廣泛關注。大量研究表明，最大凍土深度呈明顯變淺趨勢[3-5]。中國有關凍土的研究主要集中在青藏高原地區(qū)[3]，而對于寧夏灌區(qū)凍土的研究相對較少。

凍土的變化也會反作用于氣候系統(tǒng)，并對建立在其上的氣候、生態(tài)環(huán)境及農業(yè)生產產生很大的影響[6]。寧夏灌區(qū)位于寧夏北部和西北部，是黃河上游最大的也是中國歷史最悠久的灌區(qū)之一，農業(yè)經濟發(fā)達，素有“塞上江南”之稱[7]，是我國氣候變化的敏感區(qū)，也是典型的季節(jié)性凍土區(qū)，一般從11月開始隨著氣溫下降，季節(jié)融化層凍結，凍結層加深，土壤凍結期開始；大約從翌年2月下旬開始，隨著氣溫升高，地表凍土層逐漸融化。根據土壤凍結、解凍現(xiàn)象來指示和預報農事活動是物候在農業(yè)生產中的應用之一。寧夏灌區(qū)是重要的商品糧基地，季節(jié)性土壤凍結對農業(yè)生產具有非常大的影響，凍土深度的變化直接關系寧夏灌區(qū)冬灌、越冬作物埋土、備耕春播等農業(yè)生產活動。因此，在寧夏灌區(qū)進行凍土研究意義重大。本文利用1961—2020年冬季寧夏灌區(qū)4個代表性氣象觀測站凍土觀測資料，分析了寧夏灌區(qū)凍土的時空變化特征，旨在掌握寧夏灌區(qū)凍土變化趨勢，為當?shù)氐霓r業(yè)生產提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源

寧夏灌區(qū)凍土出現(xiàn)在10月至翌年4月，因此，將此期間定義為凍土連續(xù)時段。在寧夏灌區(qū)4個市（縣、區(qū)）中各選取一個觀測年代較長且具有代表性的站點，分別是石嘴山市惠農氣象站、銀川市永寧氣象站、吳忠市吳忠氣象站、中衛(wèi)市中寧氣象站，數(shù)據為4個代表站點1961—2020年逐日氣溫、最大凍土深度資料等，上述資料由寧夏氣象局提供。其中永寧氣象站在2004年進行過一次遷站，但其數(shù)據經過檢驗具有均一性，可用于開展氣候變化研究[8]。

1.2 研究方法

最大凍土深度變化、土壤凍結起始日期及完全解凍日期變化特征分析采用趨勢分析法，主要應用線性回歸法對寧夏灌區(qū)的各要素進行線性趨勢分析。假設xi（i=1，2，3，…，n）為一個氣候要素的觀測序列，n為序列長度，以序列i為自變量，氣候要素為因變量，利用最小二乘法建立一元線性回歸方程：y=axi+b，線性方程斜率a為氣候傾向率，表征時間序列的變化趨勢。氣候傾向率的大小表征變化速率，正負則表征變化方向：a＞0表示增加，a＜0表示減小[3，9]。為分析最大凍土深度的穩(wěn)定性，計算了代表氣象站點最大凍土深度的變差系數(shù)。變差系數(shù)表示氣候值偏離其平均值的程度，是均方差和數(shù)學期望的比值，它描述了逐年氣象要素分散的程度。變差系數(shù)越大，表明氣象要素的穩(wěn)定性越差[3，9]。

2 結果與分析

2.1 氣候變化及氣候突變分析

根據1961—2020年氣溫數(shù)據分析，寧夏灌區(qū)惠農、吳忠、永寧、中寧4個代表站點年平均氣溫在波動變化中不斷上升，上升趨勢明顯，年際、年代際變化均較大。4個站點年平均氣溫在20世紀90年代初有突變（圖1），春季平均氣溫在90年代末有明顯升高突變，冬季平均氣溫有線性上升趨勢（圖2）。4個代表站點2001—2010年平均氣溫比20世紀60年代升高了1.4～2.3 ℃，冬季平均溫度升高了2.1～2.8 ℃，春季平均溫度升高了1.5～2.2 ℃，可見氣候變暖形勢嚴峻。多地研究表明，氣候變暖導致最大凍土深度變淺[10]。

2.2 最大凍土深度

2.2.1 年際變化特征

凍土深度隨著氣溫的下降逐漸累積，氣溫升高導致最大凍土深度也出現(xiàn)明顯的變化趨勢。1961—2020年寧夏灌區(qū)4個代表站點最大凍土深度觀測資料顯示，惠農、永寧、吳忠最大凍土深度在2001年出現(xiàn)明顯突變，2001年以前有明顯變淺趨勢。其中：永寧最大凍土深度變淺最明顯，以-9.6 cm·10-1·a-1的速率變淺；其次是吳忠，以-8.7 cm·10-1·a-1的速率變淺；惠農為-5.8 cm·10-1·a-1。2001年以后惠農、永寧、吳忠平均最大凍土深度比2001年以前明顯增大；其中：2002—2020年惠農最大凍土深度變淺趨勢明顯，以-5.8 cm·10-1·a-1的速率變淺；永寧、吳忠呈波動性變化。2001年以后出現(xiàn)明顯的突變上升，主要是由于上述3個站點觀測場地高度調整。1961—2020年中寧最大凍土深度呈持續(xù)變淺趨勢，以-5.3 cm·10-1·a-1的速率變淺；分析凍土觀測資料同期氣溫，結果表明，惠農、永寧、吳忠、中寧平均氣溫分別以0.63 ℃·10-1·a-1、0.67 ℃·10-1·a-1、0.66 ℃·10-1·a-1、0.55 ℃·10-1·a-1的氣候傾向率上升。永寧站凍土深度變淺更明顯，表明其對全球變暖響應更為敏感。從空間變化看，2001年以前永寧、吳忠、中寧最大凍土深度的氣候傾向率呈從北到南逐漸減小態(tài)勢。平均凍土深度變淺導致春小麥發(fā)育期均有提前趨勢[11]。從極值來看，永寧、中寧、吳忠最大凍土深度的極大值均出現(xiàn)在1968年，惠農極大值出現(xiàn)在2008年和2011年。吳忠、永寧凍土深度極小值出現(xiàn)在2001年，惠農極小值出現(xiàn)在1990年，中寧極小值出現(xiàn)在2010年、2017年（圖3）。

1961—2020年寧夏灌區(qū)平均最大凍土深度的變差系數(shù)為0.23，惠農變差系數(shù)最小為0.18，永寧、吳忠、中寧變差系數(shù)，分別為0.25、0.24、0.23，三者間差異較小，說明4個代表站中惠農站穩(wěn)定性相對較好，其他3個站點穩(wěn)定性相對較差。

2.2.2 年代際變化特征

由表1看出，1961—2020年冬季寧夏灌區(qū)4個代表站平均最大凍土深度年代間均呈變淺的趨勢，10年均值最大值集中在60年代，最小值集中在90年代，最大均值在80 cm左右，最小均值在50 cm左右。惠農最大凍土深度在1980—1999年變淺趨勢較明顯，在80年代變淺最多，較60年代變淺了18.8 cm，較60年均值偏淺11.5 cm；吳忠最大凍土深度在1980—1999年變淺趨勢較明顯，在90年代變淺最多，較60年代變淺24.9 cm，較60年均值偏淺14.1 cm，1980—2009年年代均值較60年均值偏淺；永寧最大凍土深度在90年代變淺最多，較60年代變淺了24.2 cm，較60年均值偏淺14.3 cm，1980—2009年年代均值較60年均值均偏淺；中寧最大凍土深度在1980—2020年年代均值持續(xù)變淺，尤其是2000—2020年年代均值明顯變淺，與1961—1969年相比，2010—2020年變淺24.8 cm，較60年均值偏淺13.3 cm。凍土對水文循環(huán)過程具有重要的調節(jié)作用，土壤凍結時抑制了表層土壤的蒸發(fā)，冬灌灌水量只有很小一部分消耗于土壤蒸發(fā)，而大部分則貯存于土壤之中，從而起到涵養(yǎng)水源的作用，因此凍融作用能夠改變土壤墑情。

2.3 凍土起止日期變化

2.3.1 土壤首次凍結日期年變化趨勢

1961—2020年土壤首次凍結觀測資料（圖4）顯示，寧夏灌區(qū)4個代表站點土壤首次凍結日期在11月4日前后，土壤首次凍結最早和最晚時間分別是10月4日和12月12日，二者相差69 d。寧夏灌區(qū)4個代表性站點土壤凍結日期均有不同程度延后趨勢，惠農、永寧、吳忠、中寧趨勢率分別為2.9 d·10-1·a-1、1.0 d·10-1·a-1、2.1 d·10-1·a-1、3.9 d·10-1·a-1，中寧土壤凍結日期延后趨勢最大，永寧土壤凍結日期延后趨勢不明顯。

2.3.2 土壤首次凍結日期年代際變化

由表2可知，2010—2020年寧夏灌區(qū)4個市（縣、區(qū)）土壤首次凍結日期呈推后趨勢，較60年代均值分別推后6 d（永寧）、5 d（吳忠）、25 d（中寧）、16 d（惠農），中寧推后最明顯，其次是惠農。2010—2020年，惠農、吳忠平均土壤凍結日期相對較早，中寧出現(xiàn)較晚（11月20日）。永寧在2000年以后年代均值晚于60年均值，2010—2020年均值推遲較多，為8 d；吳忠在1990年以后年代均值晚于60年均值；中寧土壤首次凍結日期在2000年以后推后較明顯，2000年以后年代均值晚于60年均值，2010—2020年均值晚于60年均值14 d；惠農2000年以后年代均值晚于60均值，2010年以后推后較明顯，2010—2020年均值晚于60年均值11 d。

2.3.3 土壤完全解凍日期年變化趨勢

由圖5可知，1961—2020年春季平均氣溫持續(xù)增加，2000年以后增加明顯，春季氣溫回升迅速，土壤解凍時間提前。1961—2020年土壤解凍資料顯示，寧夏灌區(qū)4個市（縣、區(qū)）土壤完全解凍平均日期分別為3月25日（永寧），3月27日（吳忠），3月21日（中寧），4月1日（惠農）。中寧完全解凍日期最早，惠農最晚。寧夏灌區(qū)4個市（縣、區(qū)）完全解凍最早和最晚時間分別集中在2月下旬和4月下旬。各地土壤完全解凍日期均有不同程度提前趨勢，惠農、永寧、吳忠、中寧趨勢率分別為2.1 d·10-1·a-1、3.7 d·10-1·a-1、3.0 d·10-1·a-1、1.9 d·10-1·a-1，永寧提前趨勢最明顯，中寧提前趨勢最小。由于氣候變暖，土壤解凍時間提前，春潮往往出現(xiàn)起潮早的情況，2008—2010年每年均在2月下旬就開始起潮，且春潮強度非常大，對春播影響較大，易導致土壤濕度過大，無法使用播種機播種，或導致播種期較往年延遲。春潮強度正常的年份，土壤化凍時間越來越早，播種期有所提前，小麥生長發(fā)育時期也相應有所提前[12]。

2.3.4 土壤完全解凍日期年代變化

由表3可知，1961—2020年寧夏灌區(qū)4個市（縣、區(qū)）土壤完全解凍日期呈明顯提前趨勢，2010—2020年較60年代各地分別提前12 d（永寧）、7 d（吳忠）、11 d（中寧）、18 d（惠農），惠農提前最多，吳忠提前最少。2010—2020年，各地土壤完全解凍平均日期相差不大，均在9 d以內。永寧在1981—2020年土壤完全解凍日期的年代均值有提前趨勢，較60年均值提前1～5 d；其他3個市（縣、區(qū)）土壤完全解凍日期在1990年以后有較明顯提前趨勢，吳忠較60年均值提前2～10 d，中寧提前3～7 d，惠農提前4～13 d。

2.4 凍土持續(xù)日數(shù)

2.4.1 際變化特征

凍土持續(xù)時間是指秋季凍土開始日期與翌年凍土結束日期二者相差的日數(shù)[3]。由圖6可知，1961—2020年冬季寧夏灌區(qū)4個市（縣、區(qū)）凍土平均持續(xù)時間分別為140 d（惠農）、141 d（永寧）、135 d（吳忠）、153 d（中寧），惠農1979年凍土持續(xù)時間最長達191 d，永寧1961年最長達180 d，吳忠1981年最長達183 d，中寧1962年最長達為177 d?；蒉r、永寧、吳忠多年平均持續(xù)日數(shù)相差較?。? d以內），中寧多年平均持續(xù)日數(shù)達153 d，與其他3個站點相差達12～18 d。寧夏灌區(qū)冬季土壤凍結時間有推遲趨勢，春季解凍時間有提前趨勢，各站點凍土持續(xù)時間年變化呈縮短的趨勢，其中中寧凍土持續(xù)時間縮短趨勢最明顯，為5.8 d·10-1·a-1，惠農為5.0 d·10-1·a-1，吳忠為5.1 d·10-1·a-1，永寧為4.7 d·10-1·a-1。

2.4.2 年代際變化

由表4可知，1961—2020年冬季寧夏灌區(qū)4個市（縣、區(qū)）凍土持續(xù)時間均有明顯縮短趨勢，尤其在2000年以后縮短較明顯。永寧、吳忠、中寧、惠農2000—2009年均值較20世紀60年代分別縮短18 d、23 d、24 d、5 d，2010—2020年均值較20世紀60年代分別縮短22 d、14 d、31 d、26 d；永寧、吳忠、中寧、惠農2000—2009年均值較60年均值分別縮短10 d、16 d、10 d、1 d；2010—2020年均值較60年代均值分別縮短14 d、7 d、17 d、22 d。

3 結論與討論

3.1 結論

（1）1961—2020年冬季寧夏灌區(qū)4個市（縣、區(qū)）最大凍土深度均有明顯的變淺趨勢。2001年以后惠農、永寧、吳忠最大凍土深度突變性上升。10年均值最大值集中在60年代，最小值集中在90年代。

（2）1961—2020年冬季各地土壤首次凍結日期均有不同程度延后趨勢，中寧延后趨勢最明顯。永寧在2010年以后推遲較明顯，中寧土壤凍結日期在2000年以后推后較明顯，惠農2010年以后推后較明顯。

（3）1961—2020年冬季各地土壤完全解凍日期均有不同程度提前趨勢，永寧提前趨勢最明顯，中寧提前趨勢最小。永寧在1980年以后開始有明顯提前趨勢，其他3個市（縣、區(qū)）在1990年以后有較明顯提前趨勢。

（4）1961—2020年寧夏灌區(qū)4個市（縣、區(qū)）凍土持續(xù)時間呈縮短的趨勢，在1990年以后縮短較明顯。其中中寧的凍土持續(xù)時間縮短趨勢最明顯。

3.2 討論

寧夏季節(jié)性凍土變化對秋季、春季農事活動有一定影響，根據凍土變化，積極采取應對措施，進一步作好農業(yè)氣象服務，爭取最大限度地提高光熱資源利用效率，挖掘生產潛力。本文研究結論與相關研究結果基本一致[11，13-14]，希望通過對寧夏灌區(qū)凍土特征的分析，為當?shù)卮杭?、秋季農事活動工作部署及科學制定方案提供參考。在氣候變化背景下，針對寧夏灌區(qū)凍土變化對農業(yè)生產的影響提出如下建議。

（1）冬季土壤凍結遲早對農田冬灌、葡萄枝條埋土等農事活動影響較大。11月后隨著氣溫逐漸降低，土壤開始逐漸由淺至深凍結，土壤封凍時間是影響冬灌早晚的一個重要因素。一般來說，土壤封凍早，冬灌應適當提前；反之，在氣候變化大背景下，近年來秋末氣溫偏高，土壤封凍推遲，這時如正常灌溉，土壤水分滲漏，蒸發(fā)量加大，浪費水資源，則應適當推后。建議充分掌握土壤凍結特征，結合地下水位高低、土壤性質、種植作物及氣候條件，因地制宜地確定適宜的冬灌時間和灌水量。另外，釀酒葡萄是寧夏賀蘭山東麓的特色產業(yè)之一，葡萄枝干埋土越冬是當?shù)匾豁椫匾姆篮胧嶋H埋土時，只要在主要的作業(yè)時段內葡萄園土壤沒有明顯的凍結現(xiàn)象，埋土工作就能順利進行。各種植戶根據入冬前的土壤凍結特征及變化規(guī)律，作好適宜埋土期預測。

（2）春季土壤解凍早、解凍快，對作物生長也有一定影響，尤其對小麥播種、出苗及后期生長影響較大。土壤逐漸解凍而將水分釋放出來使表層土壤濕度增加，形成春潮。春潮對農業(yè)生產尤其是寧夏灌區(qū)春小麥的播種出苗影響較大[12]。春潮來臨的早、晚、大、小，直接影響著春作物播種前整地質量、播種適期長短、播種質量等春季農業(yè)生產。在土壤保持一定水分的條件下，春季溫度回暖的快、慢、高、低，與其相應的土壤解凍程度和春潮大、小、早、晚呈正相關[12]。由于近年來春播期氣溫偏高，農田起潮快，適播期短，各地要及早做好種子、化肥、農藥等農用物資的準備工作；凡土壤墑情適宜，解凍達到耙地要求深度的，抓緊作好春播備耕，根據土壤解凍及天氣情況，適時早播，保證播種面積和質量。

（3）寧夏灌區(qū)冬季土壤凍結時間有推遲趨勢，春季解凍有提前趨勢，各站點凍土持續(xù)時間年際變化呈縮短趨勢。凍土解凍時間提前，春小麥播種時間相應也有所提前。張亞寧等[15]的研究結果表明，春小麥播種期呈略微提前趨勢，出苗期、生長期呈縮短趨勢，成熟期呈提前趨勢。曹艷芳等[16]的研究結果也表明，氣候變化使春小麥除成熟期外，其他各生育時期隨年代的增加而提早[16]。董其國[17]的研究結果表明，氣候變化造成小麥播種期和成熟期提前，全生育期有縮短趨勢。雷水玲[18]的研究結果表明，氣候變化后小麥揚花期、成熟期提前，全生育期縮短。王志偉[19]的研究結果表明，寧夏春小麥播種期提前，成熟期也有提前趨勢?？梢钥闯龃盒←湶シN期、成熟期及其他發(fā)育時期均有不同程度的提前趨勢。小麥成熟時間提前，麥后復種青貯、蔬菜等作物機會增加，為了最大限度地提高光熱資源利用效率，挖掘生產潛力，可以根據小麥成熟時間及時推動各種能夠實現(xiàn)的復種模式，加大寧夏復種指數(shù)。

（4）溫度是影響土壤凍融最直接最主要的氣象因子，但還受到別的因素影響，例如，冬前灌溉量、降溫過程及土壤持水力等各種因素影響，且在氣候變暖的背景下，近年來極端天氣事件有所增加，未來冬季冷暖情況到底怎么樣還難以預料。因此，要根據實際情況適時制定冬灌、埋土及春播等農事活動方案。對于氣象部門來說，必須加強氣候趨勢預測和凍土凍融預報，準確提供精細化、準確化氣象預報服務信息，指導廣大農戶及時開展農事活動，保障農業(yè)生產健康發(fā)展。

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責任編輯：達海莉