1 引言
冰冻圈是全球气候变化的指示器， 也是对气候系统影响最直接和最敏感的圈层， 冻土作为冰冻圈的重要组成部分， 是连接冰冻圈与其他圈层的重要纽带， 它既对气候变化有着灵敏的感应， 也在气候变化中发挥着重要的作用（秦大河等， 2020）。在气候变暖的大背景下， 多年冻土层温度升高， 活动层厚度增加， 季节性冻土的范围在缩小， Treat and Jones（2018）在阿拉斯加、 加拿大都观测到了多年冻土退化和地表升温的现象。陈博和李建平（2008）发现中国季节性冻土存在最大冻土深度减小的现象。另一方面， 多年冻土的退化， 使储存在其中的甲烷和二氧化碳等温室气体释放出来， 进一步加剧了全球变暖（Zimov et al， 2006； Heffernan et al， 2020）。与此同时， 土壤冻融状态与过程的时空分布及变化对气候变化、 人类日常活动的影响更是不可忽视的， 例如， 土壤的冻融状态会影响土壤的热量及干湿状况， 进而对地气之间能水交换产生重要影响（焦永亮等， 2014； 陈瑞等， 2020）； 土壤在冻结（融化）时产生相变使地温维持在较高（较低）状态， 进而增加地气系统能量的交换（武月月等， 2022； 李述训等， 2002）； 土壤冻融过程的持续时间和冻融深度， 会对植被生长产生影响， 也会影响土地覆盖类型的转换（彭小清， 2017）。土壤冻融也会引起严重的工程病害， 对青藏高原公路和铁路而言， 冻土路基形变引起土壤冻结冻胀和冻土融化下沉， 产生交通运行安全风险（吴青柏等， 2021）。
中国作为中、 低纬度地区冰冻圈最发育的国家， 也是世界第三冻土大国， 冻土面积占我国国土面积的70%以上， 其中位居我国西部的高海拔多年冻土面积达173×104 km2， 占北半球高海拔多年冻土面积的74.5%， 居世界之最（程国栋， 1990； 秦大河等， 2014）。西部地区除了有被誉为“世界第三极”青藏高原、 天山、 祁连山等地区的多年冻土， 其余多数地区还分布着3~6个月的季节性冻土（周幼吾和郭东信， 1982； 程国栋， 1990； 杨小利和王劲松， 2008）。
近年来， 在全球变暖的大背景之下， 西部地区气温也存在变暖趋势， 其中位于西部地区的高山、 高海拔区域变暖趋势尤为明显（徐洪亮等， 2021； 张山清等， 2013）。在气温增加、 降水增多等多种气候因素的影响下， 西部地区冻土状态和冻结深度也会随之发生改变（姚玉璧等， 2009； 赵传成等， 2011）。土壤冻融状态变化对人类日常活动及寒区生态系统稳定和基础建设有着重要的影响。（吴青柏等， 2021； 彭小清， 2017）因此， 对西部地区冻土研究具有极其重要的科学意义。近年来， 人们在冻土气候特征以及对相关行业影响方面做了大量的工作， 并且取得了一些研究成果， 例如， 杜军等（2012）利用西藏1961 -2010年17个站点最大冻土深度、 土壤解冻日期等资料， 得到西藏地区最大冻土深度大都呈减小趋势、 解冻日期大都提前； 赵全宁等（2018）利用玉树地区 5 个气象台站1980 -2017年逐月温度和最大冻土深度资料， 得到玉树地区最大冻土深度以 10 cm·a-1 速率呈显著下降趋势， 年代际间变化则表现出“减-增-减-增”波动特征； 王澄海等（2003）发现冻融对东亚大气环流有显著影响； 吴青柏等（2005）分析了青藏公路沿线多年冻土对气候变化和工程影响发现， 阴阳坡太阳辐射差异， 导致土体热状态和多年冻土上限形态产生较大的差异， 这种差异将会对路基稳定性产生影响。
以上研究显示， 近年来， 中国西部地区多年冻土面积显著减少， 活动层厚度增加， 季节性冻土冻结时间明显缩短， 且这些冻土变化对生态环境、 基础建设都有重要影响。研究冻土面积广阔、 拥有着全世界多数高海拔多年冻土的中国西部地区冻土状况就显得尤为重要。以往的研究都是在特定的区域内， 没有根据中国西部地理特征和气候类型从总体上分析西部地区土壤冻融期和深度的时空分布及其变化特征。为探究近年来西部地区土壤冻融状况及变化规律， 本文利用1981 -2020年ERA-5再分析数据（第五代欧洲中期天气预报中心再分析数据）， 根据中国西部地区的地理特征划分出研究区域， 并分析其土壤冻融状态、 最大冻结深度（活动层厚度）的时空分布特征， 进而给出西部地区土壤冻融状况及变化规律， 为中国西部地区生态环境、 工程建设提供依据。
2 研究区域与资料选取
2.1 研究区域
由于本文研究内容是中国西部土壤冻融过程， 因此定义区间为中国110°E以西且符合1981 -2020年40年冬季（12月、 1月及2月）平均地表土壤温度在0 ℃以下区域。由于此区域经纬度范围较广、 海拔差异较大， 且在不同经纬度、 海拔的区间特征具有明显差异， 为更准确地分析表述， 将研究区域按照海拔和气候类型划分为青藏高原地区、 蒙古高原地区、 黄土高原地区以及西部西北地区四个区域（图1 ）（文中涉及的所有地图是基于中华人民共和国自然资源部地图技术审查中心标准地图服务系统下载的审图号为［GS（2019）1822号］的标准地图制作）。四个区域的气候类型与地理特征分别是： 青藏高原地区地势高， 平均海拔4000 m以上， 多雪山冰川， 无夏季， 冬季约占全年一半， 气温日较差较大。区域气候为辐射强、 气温低、 干湿分明、 多夜雨的高原气候和高山气候。土壤冻结时间早， 融化时间晚， 冻结最长可以持续280天以上（冯松等， 1998； 王劲松等， 2022； 刘闻慧等， 2022； 冯晓莉等， 2022）。蒙古高原地势南高北低， 平均海拔1000 m， 西部多戈壁、 沙漠， 区域气候是温带大陆性气候。内蒙古典型草原季节性冻土冻结初日在 9 -11月， 终日在4 -6月， 年内最大冻土深度出现在2 -3月， 深度在100~280 cm 之间（杨绣娟等， 2022； 李瑞青等， 2021； 苏玥等， 2022）。黄土高原海拔800~3000 m， 雨量较少， 雨季短促， 干湿季节明显， 日光充足， 日照时数多， 植被少， 水土流失严重。冬春季节多大风， 冬干、 春旱现象比较明显是大陆季风型气候。黄土高原在中国北方土壤解冻和开始冻结持续时间相对其他季节性地区冻土长1~3周（陈少勇和董安祥， 2008； Han et al， 2010）。西部西北地区山脉与盆地相间排列， 准噶尔盆地北部与阿尔泰山脉相连， 南部和天山山脉接壤， 天山以南则是塔里木盆地。此地区气温温差较大， 日照时间充足， 降水量少， 气候干燥， 是温带大陆性气候。西部西北地区南部2 -3月冻土深度达到最大， 北部3 -4月冻土深度达到最大， 之后随着温度的回升土壤逐渐解冻， 至仲春， 南部3 -4月， 北部4 -5月土壤完全解冻（姚俊强等， 2022； 江远安等， 2014； 张山清等， 2013）。
2.2 数据及适用性介绍
（1） ERA-5再分析数据
ERA-5（the 5th ECMWF Re-Analysis data）是来源于欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-range Weather Forecasts， ECMWF）的最新一代再分析数据， 它使用了Ensemble-4Dvar同化方案， 是首个能提供不确定信息的再分析数据（Zhao et al， 2021）。本文选用了1981年1月至2021年6月、 空间分辨率为0.25°×0.25°、 逐月气温与时间分辨率为1 h的ERA-5单层小时数据集， 使用了单层小时数据集中的第一层土壤温度数据（0~7 cm）和第一层土壤水体积含量数据（0~7 cm）。研究表明， ERA-5气温数据与站点气温空间偏差在-2.0~2.0 ℃以内， 时间偏差在-0.26~0.16 ℃以内， 相关系数在0.9以上， 均方根误差小于1.803 K， 这表明气温数据在研究区域表现很好（单帅等， 2020； 李瑞辉等， 2021； 刘闻慧等， 2022）。土壤温度与站点地表温度空间偏差-0.34 ℃、 时间偏差在-1.2~0.4 ℃， 相关系数都在0.8以上， 土壤湿度在西部地区与实际数据偏差为0.011， 均方根误差为0.026， 这表明ERA5再分析数据可以很好地揭示土壤温、 湿度的实际分布特征和量值（单帅等， 2020； 刘闻慧等， 2022； Ling et al， 2021）。
（2） 基于世界土壤数据库（Harmonized World Soil Database， HWSD）的中国土壤数据集（version 1.1， v1.1）
数据来源于联合国粮农组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations， FAO）和维也纳国际应用系统研究所（International Institute for Applied Systems Analysis， IIASA）所构建的世界土壤数据库（HWSD）。 中国境内数据源为第二次全国土地调查南京土壤所所提供的1∶100万土壤数据（Fischer et al， 2008）。本文使用了此数据集中的土壤干容重和土壤质地分类数据。
3 研究方法
土壤冻融过程的快慢和土壤温度的时空分布状况和土壤含水量有关。本文基于杨梅学等（2002）划分土壤冻融过程方法， 以冻融过程中的土壤水热变化的变化时间以及速率为依据， 将冻融过程划分为开始冻结、 完全冻结、 开始融化和完全融化四个阶段。
以土壤最低温温度T min<0 ℃、 最高温度T max>0 ℃并且土壤水分开始下降出现拐点时， 作为土壤开始冻结起始日； 以土壤最高温度T max<0 ℃且土壤水分减少到最低值区间， 出现第二个拐点， 作为完全冻结起始日； 以土壤最低温温度T min<0 ℃、 最高温度T max>0 ℃且土壤水分上升出现第三个拐点， 为开始融化起始日期； 以土壤最低温度T min>0 ℃且土壤水分上升到最高值区间， 出现第四个拐点， 此时作为完全融化起始日（满子豪等， 2020）。为避免随机天气的影响以下过程判断条件都需满足持续3天的条件， 才把满足条件的第一天记为这一过程的起始时间（杨淑华等， 2018）。
根据中央气象局《地面气象观测规范》对冻土观测初、 终日的选取标准， 结合西部地区特征， 设定每年8月1日后满足开始冻结条件的第一天判定为开始冻结起始日， 下一年的7月31日前满足冻结条件的最后一天作为冻结结束日。为方便整理， 将文中冻融过程的起止日期以天数表示， 将每年的9月1日记为一年中的第一天， 次年的8月31日记为第365天（闰年则为366天）。
本研究采用了斯蒂芬（Stefan）（王澄海等， 2009； 徐晓明等， 2017）计算最大冻结深度（活动层厚度）， 利用线性回归、 Mann-Kendall（M-K）检验法和滑动t检验分析冻融过程各阶段起始时间及持续时间的时空变化及突变特征， 并使用相关分析法探讨了其与气温和海拔的相关性。
目前， 活动层厚度计算方法主要有库德里亚夫采夫（Kudryavtsev）、 尼尔松（Nelson）和斯蒂芬（Stefan）三种方法（Nelson et al， 2002； 胡桃， 2022； 刘文惠等， 2022）。由于研究区域地势起伏大、 地形地貌复杂多样， 库德里亚夫采夫方法需要参数较多， 难以确定准确参数， 尼尔松与斯蒂芬计算原理一致， 而斯蒂芬方法更加便于计算， 因此本文选用斯蒂芬方法。
以年均地表温度0.8 ℃为界划分多年冻土和季节性冻土， 年均地表温度在0.8 ℃以上的区域为季节性冻土区， 0.8 ℃以下的区域为多年冻土区（庞强强等， 2006）。利用基于融化（冻结）指数的Stenfan公式计算西部地区多年冻土活动层厚度与季节性冻土最大冻结深度（徐晓明等， 2017）：
式中： H表示最大冻结深度或活动层厚度（单位： m）； 表示土的导热系数（单位： W·m-1·℃-1）； 表示冻结和融化季节的平均地表温度（单位： ℃）； t表示冻结或融化持续时间（单位： s）； L=3.3×105 J·kg-1为冰的融化潜热； 表示土的干容重（单位： kg·m-3）； W为土的总水含量（单位： %）； Wu 是未冻水含量（单位： %）。
本研究地表温度、 土壤水含量和持续时间选用ERA-5单层小时数据集， 土的干容重利用HWSD数据库资料， 并结合HWSD数据库资料与《GB50324-2014冻土工程地质勘查规范》确定土的导热系数与未冻水含量。
4 结果与分析
4.1 中国西部土壤冻融情况的空间分布
为揭示西部地区土壤冻融情况， 利用1981 - 2020年西部地区土壤温湿度再分析数据， 对其做时间平均， 得到土壤开始冻结起始时间、 完全冻结起始时间、 开始融化起始时间、 完全融化起始时间的空间分布（图2 ）。
分析得出： 青藏高原冻结日期最早、 融化日期最晚。藏北高原和祁连山脉土壤冻结在8月开始， 10月完成， 融化在5月开始， 6月下旬完成。柴达木盆地与藏西南地区冻结开始发生在10月， 并于12月完成冻结， 融化开始发生在4月， 并于5月完成融化， 整体来看， 青藏高原空间分布呈西北向东南冻结日期推迟、 融化日期提前的趋势。西部西北冻结最晚， 融化最早， 区域“三山夹两盆”的地形特点在冻融起始空间分布图中充分体现（张山清等， 2013）。天山、 阿尔泰山脉与藏北高原冻融时间一致， 而塔里木盆地与准格尔盆地则在10月开始冻结， 3月开始融化， 且由于柴达木盆地纬度低于准噶尔盆地， 使得冻结完成比准噶尔盆地晚一个月， 融化完成早一个月。蒙古高原具有西南向东北冻结提前， 融化推迟的分布趋势。10月开始冻结至12月完成， 融化开始于2月至4月完成。黄土高原内冻融分布基本一致， 11月开始冻结至12月结束， 开始融化于2月开始至3月结束。
为探究西部地区各冻融阶段持续时间空间分布特征， 利用近40年西部地区土壤温湿度再分析数据， 对其做时间平均， 从而得到中国西部1981-2020年平均土壤开始融化持续时间、 完全融化持续时间、 开始冻结持续时间和完全冻结持续时间的分布变化（图3 ）。
结果表明： 西部地区近40年平均冻融持续时间的空间分布中， 青藏高原冻结持续时间最长， 冈底斯山脉开始冻结时间可以维持75天以上， 藏北开始冻结持续约55天， 藏南则在30天左右。藏北高原与祁连山由于其完全冻结最早， 开始融化较晚， 使得完全冻结持续时间可维持180以上， 昆仑山脉上甚至有零星地区可以维持270天以上， 藏南完全冻结可持续80天左右， 柴达木盆地持续时间最短约50天。青藏高原融化持续时间存在西北向东南， 开始融化持续时间缩短， 完全融化持续时间增加的趋势， 藏北开始融化与完全融化的持续时间都约为75天， 藏南和柴达木盆地开始融化时间在25天左右， 完全融化持续时间约为140天。西北西部蒙古高原自西向东完全冻结持续时间增加， 开始融化持续时间减少， 而其完全融化持续时间空间分布都很平均。黄土高原冻融持续时间的空间分布都很平均， 在四个区域中其完全冻结持续最短， 完全融化持续时间最久。
4.2 中国西部最大冻结深度空间分布
在全球变暖大背景下， 多年冻土活动层厚度与季节性冻土最大冻结深度都存在显著变化（Treat and Jones， 2018； 陈博和李建平， 2008）， 为了解西部地区近些年的最大冻结深度空间分布， 本文根据Stenfan公式做出了西部地区最大冻结深度（活动层厚度）空间分布（图4 ）。
结果显示： 西部地区永久冻结冻土存在于青藏高原的昆仑山脉至唐古拉山脉区域、 冈底斯山脉区域、 祁连山区域以及西部西北地区的天山山脉区域。大部分永冻层最大融化深度超过2 m， 只有在喀喇昆仑山脉附近才有大片最大融化厚度会在2 m内的区域。除这些永久冻土区域外， 西部地区还分布着大片的季节性冻土。西部西北地区季节性冻土的最大冻结深度最浅， 尤其是位于塔里木盆地的塔克拉玛干沙漠， 是整个西部地区季节性冻土冻结深度最浅的区域， 其次是天山以北的准噶尔盆地。北部的阿尔泰山脉以及中部天山山脉的零星区域在西部西北中冻结深度最大。西部地区季节性冻土冻结深度最深的地区位于青藏高原， 厚度可以达到2 m以上， 蒙古高原的冻结深度呈从西南向东北递增的趋势， 黄土高原最大冻结深度分布比较均匀， 基本都在1 m左右。
4.3 中国西部不同地貌单元土壤冻融时间变化及其与气温的关系
为探究西部地区土壤冻融过程的年际变化趋势， 本研究将西部地区整体做空间平均， 得到西部地区1981 -2020年间冻结起始时间、 融化起始时间、 完全冻结（完全融化）持续时间与年平均温度变化序列（图5 ）。
从图5 中可以看出， 研究期间西部地区年平均温度呈显著增加的趋势， 上升速率为0.03 ℃·a-1， 冻结起始时间呈上升趋势， 开始冻结与完全冻结起始时间的上升速率分别0.089 d·a-1和0.061 d·a-1。融化起始时间呈下降趋势， 开始融化与完全融化起始时间分别以0.102 d·a-1和0.156 d·a-1的速率下降。在完全冻结起始日上升与开始融化起始日下降的驱使下， 使得完全冻结持续时间以0.164 d·a-1的速率快速下降。完全融化持续时间也在完全融化起始日下降和开始冻结起始日上升的趋势下以0.256 d·a-1的速率快速上升。在整个研究期间， 开始冻结起始日与完全的完全冻结起始日分别推迟了4天和7天左右， 开始融化起始日与完全融化起始日则分别提前约5天和4天， 完全融化持续时间增加了12天左右， 完全冻结时间缩短约11天。
为了判断研究期间土壤冻融状况是否存在突变， 对西部地区土壤冻融时间进行M-K检验（图6 ）， 结合T检验得出结果， 西部地区的开始冻结起始时间在1997年存在一个突变， 1997年以前开始冻结起始时间以0.021 d·a-1的速率推迟， 而1997年之后则以0.065 d·a-1的速率快速推迟。完全融化起始时间于1996年出现突变， （由于本文设置的冻融循环年是指第一年冻结至第二年融化， 因此本文中1996年的完全融化实际发生于1997年）， 这可能与1997年发生强厄尔尼诺现象致使我国西北地区高温、 干旱有关（李晓燕， 1998； 耿淑琴和孟上， 2000）。完全融化持续时间在1997年发生突变， 结合其年际变化图， 可以看到在突变点以前振幅很小， 变化趋势平稳， 突变点之后变化趋势显著上升。
图6 西部地区土壤开始冻结起始时间（a）、 完全冻结起始时间（b）、 开始融化起始时间（c）、 完全融化起始时间（d）、 完全冻结持续时间（ e） 和完全融化持续时间（ f） 的M-K检验结果Fig.6 The M-K test results of the date of soil start freezing （a）， completely frozen （b）， start thawing （c）， completely thawed （d）， duration of completely frozen （e） and duration of completely thawed （f） over the western China |
为区分析西部地区不同地理特征、 气候类型区域的冻融过程差异， 将其分为四个区域并分别给出冻融时间年际变化（图7 ， 表1 ）。
图7 1981 -2020年四个区域开始冻结起始日（a）、 完全冻结起始日（b）、 开始融化起始日（c）、 完全融化起始日（d）的年际变化趋势Fig.7 The inter-annual trends of the dates of the start freezing （a）， completely frozen （b）， start thawing （c）， and completely thawed （d） over the four sub-regions from 1981 to 2020 |
表1 不同区域土壤冻融循环起始时间的年变化率Table 1 The annual change rate of soil freezing and thawing cycle in the different regions |
| 冻融特征量变率 /（d·a-1） | 黄土高原 | 蒙古高原 | 西部西北 | 青藏高原 |
|---|---|---|---|---|
| 开始冻结起始时间 | 0.302 | 0.144 | 0.077 | 0.151 |
| 完全冻结起始时间 | 0.136 | 0.047 | 0.005 | 0.125 |
| 开始融化起始时间 | -0.224 | -0.141 | -0.192 | -0.160 |
| 完全融化起始时间 | -0.117 | -0.252 | -0.227 | -0.098 |
从表1 可以得出， 青藏高原冻结最早， 融化最晚， 黄土高原冻结最晚， 融化最早， 蒙古高原与西部西北地区冻结起始日期相近且时间序列趋势基本一致。四个地区的冻结时间都呈上升趋势， 融化都呈下降趋势。黄土高原开始冻结和完全冻结起始日期分别以0.302 d·a-1和0.136 d·a-1的速率上升最为明显， 其次是分别以0.151 d·a-1和0.125 d·a-1速率上升的青藏高原地区， 西部西北以0.077 d·a-1和0.005 d·a-1的速率上升最慢。整个研究期间， 黄土高原冻结开始冻结时间推迟约12天， 完全冻结推迟5天左右。西部西北开始冻结起始日推迟约3天， 完全冻结起始时间基本不变。黄土高原开始融化起始时间以0.224 d·a-1呈最快下降趋势， 蒙古高原完全融化起始时间以0.252 d·a-1的趋势下降最快。在整个研究期间， 黄土高原开始融化起始日提前9天左右， 蒙古高原完全融化起始提前约10天。
为了探究不同地貌单元土壤冻结持续时间年际变化的差异， 计算出西部地区四个不同区域冻融持续时间的时间序列（图8 ， 表2 ）。
图8 1981 -2020年各子区域开始冻结期持续时间（a）、 完全冻结期持续时间（b）、 开始融化期持续时间（c）、 完全融化期持续时间（d）Fig.8 Duration of start freezing（a）， completely frozen（b）， start thawing（c） completely frozen （d） over the each sub-region from 1981 to 2020 |
表2 中国西部土壤冻融持续时间不同区域的年变化率Table 2 The annual change rates of soil freezing-thawing duration over the different sub-regions |
| 冻融特征量变率 /（d·a-1） | 黄土高原 | 蒙古高原 | 西部西北 | 青藏高原 |
|---|---|---|---|---|
| 开始冻结持续时间 | -0.166 | -0.097 | -0.072 | -0.027 |
| 完全冻结持续时间 | -0.405 | -0.211 | -0.210 | -0.270 |
| 开始融化持续时间 | 0.074 | -0.111 | -0.031 | 0.062 |
| 完全融化持续时间 | 0.435 | 0.429 | 0.317 | 0.243 |
结果显示： 四个区域冻结持续时间都呈下降趋势， 其中， 黄土高原开始冻结与完全冻结分别以0.166 d·a-1和0.405 d·a-1的速率下降最快， 青藏高原的开始冻结持续时间以0.027 d·a-1的速率下降最慢， 西部西北的完全冻结持续时间则0.210 d·a-1的速率下降最慢。整个研究期间， 黄土高原开始冻结期缩短约7天， 完全冻结持续时间减少16天左右。青藏高原开始冻结期缩短最少， 为1天左右， 西部西北完全冻结持续时间缩短约8天。由于蒙古高原和西部西北完全融化起始时间变化速率较开始融化起始时间的速率高， 使蒙古高原与西部西北开始融化持续时间呈下降趋势。蒙古高原以0.111 d·a-1的速率下降， 在整个研究期间， 缩短约4天。黄土高原与青藏高原则呈上升趋势， 黄土高原以0.074 d·a-1的速率在研究期间， 增加3天左右。在四个地区完全融化起始时间序列下降和开始冻结持续时间趋势上升的共同作用下， 各区域的完全融化期持续时间趋势都呈上升趋势， 其中， 黄土高原以0.435 d·a-1的速率呈最快上升趋势， 其次是上升速率为0.429 d·a-1蒙古高原。在1980 -2019年间， 黄土高原和蒙古高原完全融化持续时间增加最多， 约为17天。
为了探究土壤冻融状况对气候因子的响应， 本研究对西部地区开始冻结起始时间、 完全冻结起始时间、 开始融化起始时间、 完全融化起始时间与年平均气温及海拔高度进行相关性分析， 结果如图9 所示。
图9 中国西部地区近地表土壤冻融循环参量与海拔（左）和年均气温（右）的相关性b表示线性斜率， r表示相关系数， **表示通过α= 0.01 的显著水平 Fig.9 The correlationships between the variables of the near-surface soil freezing-thawing cycle with altitude （left） and average temperature （right） over the western China.b is the the linear slop， r is the correlation coefficient， the double asterisk represents the linear slope that past the significance level at α=0.01 respectively |
Li et al（2012）指出土壤温度对大气温度的变化响应敏感。其中浅层土壤受外界影响最大， 交换能量也最多， 在土壤冻融过程中， 浅层土壤对大气温度变化响应最大。对近地表土壤冻融状况与年均气温进行相关分析得出， 年平均气温与所有冻融时间的相关性均超过0.79， 其中完全融化起始时间与年均气温的负相关高达0.963。对冻融起始时间与年均气温做相关系数做置信度检验， 均达到99%的置信水平， 表明气温与土壤冻融状态有很好的相关性。冻结开始时间与年平均气温呈正相关， 融化起始时间与年平均气温呈负相关。气温每升高1.0 ℃， 开始冻结起始时间推迟2.03天， 完全冻结起始时间推迟2.12天， 开始融化起始时间与完全融化起始时间分别提前5.10天和5.17天。
结合西部地区海拔图（图1 ）与冻结状态空间分布图（图2 ）可以看出， 西部地区冻融起始时间空间分布与其海拔的空间分布图存在显著相关性， 对冻融起始时间与海拔进行相关分析， 结果表明： 冻融起始时间与海拔的相关性均通过99%的显著性检验， 说明四个起始阶段与海拔存在显著相关性。海拔每升高1000 m， 开始冻结与完全冻结起始日期分别提前6.1天和4.5天， 开始融化与完全融化起始日期分别推迟14.4天和19.9天。
5 结论
基于中国自然地理特征和冻土特性， 本文选取中国西部地区为研究区域， 利用1981年1月至2020年6月ERA-5单层小时数据集中的地表温度（0~7 cm）、 土壤体积水含量和逐月气温资料， 并将西部地区划分为四个不同地貌单元区域分析其土壤冻融过程变化及季节性冻土最大冻结深度与多年冻土活动层厚度空间分布， 探讨土壤冻融状况与气温、 海拔的相关性， 得出以下结论：
（1） 中国西部地区冻融过程起始时间的空间分布与海拔空间分布明显相关， 高海拔的藏北高原冻结最早， 融化最晚， 冻结持续时间最久昆仑山脉上零星区域冻结最长可持续300天以上。海拔低且土壤含水量低的西部西北塔里木盆地， 冻结最晚， 融化最早， 融化持续时间最长， 塔克拉玛干沙漠区域融化可维持在280天以上。黄土高原与蒙古高原由于其海拔相对较低， 两地区总体呈由低纬到高纬冻结开始时间提前， 融化开始时间推迟的趋势。
（2） 从西部地区活动层厚度及最大冻结深度上看， 大部分多年冻土活动层厚度超过2 m， 只有喀喇昆仑山脉附近的区域才有较大范围活动层厚度低于2 m的区域。塔里木盆地季节性冻土的最大冻结深度最浅， 尤其塔克拉玛干沙漠， 是整个西部地区冻结深度最浅的区域， 季节性冻土冻结最深的地区位于青藏高原， 厚度可以达到2 m以上。
（3） 近40年来西部地区土壤冻融时间有显著变化， 开始冻结和完全冻结起始时间分别以0.089 d·a-1和0.061 d·a-1的速率上升。开始融化与完全融化起始时间分别以0.102 d·a-1和0.156 d·a-1的速率下降。在冻结趋势上升， 融化趋势下降的情形下， 使完全冻结持续时间以0.164 d·a-1的速率快速下降。完全融化持续时间以0.256 d·a-1的速率快速上升。研究期间内， 1996年完全融化起始时间存在突变， 开始冻结起始时间与完全融化持续时间在1997年发生突变。
（4） 西部地区冻融起始时间整体变化趋势一致， 局部地区略有差异。黄土高原开始冻结与完全冻结持续时间分别以0.166 d·a-1和0.405 d·a-1的速率下降最快。整个研究期间， 开始冻结持续时间和完全冻结持续时间分别缩短7天和16天左右。4个区域的完全融化期持续时间趋势都呈上升趋势。黄土高原以0.435 d·a-1的速率呈最快上升趋势， 在1980 -2019年间， 黄土高原完全融化持续时间增加最多， 约为17天。
（5） 西部地区冻融起始时间与年平均气温和海拔高度存在显著相关性， 气温每升高1.0 ℃， 开始冻结起始时间推迟2.03天， 完全冻结起始时间推迟2.12天， 开始融化起始时间与完全融化起始时间分别提前5.10天和5.17天。海拔每升高1000 m， 开始冻结与完全冻结起始日期分别提前6.1天和4.5天， 开始融化与完全融化起始日期分别推迟14.4天和19.9天。