黑龙江省近47年生长季浅层地温变化特征

王会，刘滨辉

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

黑龙江省近47年生长季浅层地温变化特征

王会，刘滨辉

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

利用黑龙江省15个国家气象站1965—2011年生长季(5—9月)0、5、10、15、20 cm处逐日平均地温资料，计算黑龙江省各站点生长季平均地温的气候倾向率和年际变化，分析黑龙江省47年来生长季平均地温随纬度和土层深度的变化特征。结果表明：生长季各月份平均地温的垂直变化形式基本一致，且随着土层深度增加地温逐渐降低，在0～5 cm热量衰减较快，而在5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm的热量衰减速率基本相同,衰减相对较慢；生长季各月份各层平均地温均呈升高趋势，0 cm处平均地温气候倾向率在5个深度中最高，5 cm、10 cm、15 cm、20 cm平均地温升温率相差不大；5—7月平均地温的升温趋势比8—9月明显，8—9月的升温对整个生长季的升温趋势贡献较小；地温与空气温度呈正相关，与降水呈负相关。

黑龙江省；生长季；浅层地温；变化特征

近几十年来全球气候变化已成为世界各国研究的热点，地表温度与人类的生存息息相关，是气候变化研究的重要内容之一。IPCC报告指出在1906—2005年100年间，地表温度升高了0.74 ℃，且这种升温主要集中在近50年，在中高纬度地区尤为突出[1]。气候和气候变化与人类社会、经济生活息息相关，全球变暖对世界和我国的各类生态系统及社会经济产生了并将持续产生重大影响[2]。相对比其他的生态系统，森林生态系统受全球气候变暖的影响更加明显[3]，且其对土壤温度和水分变化的响应敏感[4]。 阔叶红松林土壤呼吸对土壤温度的反应敏感, 不论何种土壤含水量, 土壤呼吸速率均随温度的增加而增高，土壤的呼吸速率升高促进植物根部生长加速[5]。土壤温度主要通过下垫面反射率、土壤湿度及土壤热储量三个方面来影响森林生态系统的变化。因此,地温变化规律的研究有助于全面了解气候变化、生态系统演替、植物生长、土壤碳吸收等多方面的影响。部分学者对气候变化的分析主要集中于对气温和降水变化规律的研究，对于地温的研究相对较少。Hu等分析了美国北部和西北部10 cm地温的变化，发现大多数站点地温均呈现升温趋势[6]。我国有关地温方面的研究始于20世纪90年代, 杜军等对我国浅层地温进行了研究，结果表明浅层地温呈现明显升高趋势[7，8]。

本文主要研究黑龙江省浅层地温的变化特征，黑龙江省地处中高纬度，是气候变化的敏感区域，有自己的气候变化特点，季节性冻融更增加了本区地温研究的复杂性[9]。黑龙江省森林覆盖率达43.6%，地温变化规律的研究对深入研究森林的土壤呼吸和植物初级生产力变化以及碳循环过程均有意义[10]。笔者基于黑龙江省1965—2011年5—9月0 cm、5 cm、10 cm、15 cm、20 cm处逐日平均地温资料，分析生长季各层地温的空间分布和时间演变规律，以期揭示地温对森林生态环境及植物生长的影响。

1 材料与方法

1.1 数据来源与处理

研究数据选取黑龙江省15个国家基准气象观测站1965—2011年0、5、10、15和20 cm处生长季逐日平均地温资料。大部分气象站是从1950年初期开始观测的，由于观测初期检测的数据缺失较严重，因此该研究仅采用1965—2011年的气象数据进行研究，又由于黑龙江省冬半年为冻土，5 cm、10 cm、15 cm、20 cm地温资料从10月到次年4月几乎全部缺失，所以统一采用5—9月的地温数据。另外在本研究中，如果一个站点数据连续缺失超过30 d，则删除该站点，如漠河站10 cm和15 cm的地温数据在1960—1961年全部缺失，因此本研究排除漠河站。剩下15个站点5—9月的地温数据从1965年开始比较完整，缺失数据占总观测值的0.02%。所选取的15个气象站点在黑龙江省的空间分布合理，有较好的代表性(图1)。由于检测数据较全，只是在连续缺失在7d以内的情况则使用简单的线性插补法，且将插补过的数据与原始数据的计算结果进行了比对，差异不显著[11]。

1.2 研究方法

为了揭示黑龙江省生长季浅层地温的平均状态，根据日平均地温资料，得到黑龙江省各个站点各层深度1965—2011年的多年生长季平均温度，用ARCVIEW空间分析功能插入等值线，插入等值线有助于对地温空间变化的分析与评价。

将黑龙江省所有站点的地温月平均值进行月份平均，X轴月平均温度，Y轴不同深度土层用来述地温在生长季垂直变化趋势。运用多年浅层地温数据进行距平，对时间序列进行了九点二次平滑处理，以分析整个黑龙江省生长季地温的年际变化，揭示黑龙江省区域地温随时间的变化特征，然后应用气候倾向率和相关分析来寻找地温与大气温度和降水的关系。

2 结果与分析

2.1 地温的空间分布特征

2.1.1 地温随纬度的变化特征 黑龙江省位于我国最北部，南北跨越中温带和寒温带，地形复杂，温差较大，纬度位置是造成温度差异的主要原因[9]。由于排除漠河站，黑龙江省最北部的地温分布趋势并不准确。因此本文重点讨论呼玛站以南黑龙江省大部分地区地温的空间分布。之前的学者对黑龙江省1965—2011年地表温度的分析得出，随着纬度的升高，由南至北多年平均地温逐渐降低，等温线基本与纬线平行，南部地区等温线产生沿经线方向的分布特征[11]。本文通过对0、5、10、15、20 cm生长季平均地温的空间分布分析，得出相似的结果：黑龙江省各层生长季平均地温的空间分布模式基本一致，随着纬度升高地温降低，大部分地区等温线与纬线平行，而东部等温线也产生沿经线方向分布的特点，东部地区地温要低于中部和西部。0、5、10、15、20 cm地温最低的站点都是黑河站，分别为18.29 ℃、16.55 ℃、15.84 ℃、15.11 ℃、14.47 ℃；温度最高的站点都是哈尔滨站，分别为22.00 ℃、20.17 ℃、19.52 ℃、18.93 ℃、18.45 ℃；南北温差分别为3.71 ℃、3.62 ℃、3.68 ℃、3.82 ℃和3.98 ℃。可见，整个黑龙江各层生长季平均地温的南北温度差异并不大。因此，纬度不是影响黑龙江省地温空间差异的唯一因素。

2.1.2 地温的垂直变化特征 由于土壤热量衰减的性质，在土壤浅层，随着深度增加地温逐渐降低。图2给出0 cm、5 cm、10 cm、15 cm、20 cm的黑龙江省生长季月平均地温的垂直分布图。各个站点生长季月平均地温的垂直变化形式基本一致，0 cm的温度最高，20 cm的温度最低。图中相邻两层之间线段斜率的大小可以显示出热量衰减的快慢，在0～5 cm热量衰减较快，因此0 cm地温和5 cm地温的温差较大。这是因为土壤表层接近大气，土壤与大气之间热量交换频繁，有一部分热量散发到大气中。5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm的热量衰减速率基本相同，说明5 cm以下地温受大气的影响较小。在5月热量衰减的幅度较大，0 cm与20 cm相差6.12度，地表的热量迅速向下传递，6—8月份每层温度变化不大，9月份每层温度几乎没有变化，甚至到20 cm时温度还有上升的趋势，主要是因为天气转凉、日照时数减少，地表的热量降低，深层的热量有向上传递的趋势。

2.2 生长季地温的年际变化特征

图4为黑龙江省各层生长季平均地温的年际变化。为了更好地了解数据的规律性，将多年浅层地温数据进行距平，对时间序列进行了九点二次平滑处理。每层地温的升温幅度依次为0.048、0.040、0.041、0.044、0.043 ℃a-1。浅层地温年际变化规律图中可以看出，在1965—2011年期间都呈升温趋势，在1965—1995年之间地温的上升幅度较平稳，在1995—2011年之间温度迅速上升，由此可以将浅层土壤温度的变化划分为两个时期：平稳期和上升期。在五个深度的地温中0 cm地温紧靠大气层，受温度影响最强，升温幅度最大，变化最慢的是20 cm。各层地温的年际变化均具有很好的一致性，这说明地温变化主要受地表热量条件控制，随着深度加深并没有其他热量来源。因此任何深度的地温都能用来印证及推测地表的气候条件。

2.3 不同深度地温与气温、降水的关系特征

表1 不同层次土壤温度气温、降水相关分析

注：★表示通过90%的显著性检验

据对黑龙江省1965—2011年地表温度年及其季节空间变化的分析，季风环流对黑龙江省气候有重要的影响。冬季风加剧了空气降温，使冬季气候严寒，降水稀少；夏季风使黑龙江省气温普遍升高，降水主要来源于夏季风[11]。由表1可知，不同层次的土壤温度之间的相关性较好，所有土壤温度相关性检验均通过90%的显著性检验。5～20 cm各级土层的相关系数均超过0.96。气温与各层地温之间均是正相关，在其中0cm与气温的相关性最强，是因为在5—9月太阳光直射到地表，地表折射到大气中的热量较多，土壤下层受太阳辐射逐渐减少与气温的相关性也逐渐降低。表中所示降水与各层地温均是负相关，而且相关系数较低，也未通过90%的显著性检验。黑龙江5—9月主要受夏季风所影响。纬度和气温升高的双重影响，是生长季平均地温随纬度升高而降低但南北温差不大的主要原因。至于东部地区地温低于中部和西部，是因为夏季风使得降水量自东向西逐渐减少，而降水和地温呈负相关关系，东部地区较多的降水使得地温较低。

2.4 各站点地温变化特征

表2 按纬度排列的各站点1965～2011年生长季平均地温的气候倾向率 ℃a-1

表2 按纬度排列的各站点1965～2011年生长季平均地温的气候倾向率 ℃a-1

站点纬度0cm5cm10cm15cm20cm呼玛51.430.069★0.044★0.041★0.037★0.040★黑河50.150.077★0.064★0.061★0.060★0.057★嫩江49.10.073★0.058★0.057★0.059★0.062★克山48.030.060★0.065★0.062★0.064★0.059★海伦47.260.061★0.052★0.055★0.059★0.057★齐齐哈尔47.230.065★0.067★0.063★0.073★0.072★富锦47.140.0490.031★0.036★0.039★0.038★佳木斯46.490.072★0.052★0.049★0.050★0.045★安达46.230.053★0.040★0.039★0.038★0.026通河45.580.049★0.054★0.049★0.052★0.056★哈尔滨45.450.050★0.044★0.043★0.043★0.040★鸡西45.170.073★0.051★0.055★0.058★0.055★尚志45.130.066★0.046★0.050★0.053★0.049★牡丹江44.340.064★0.050★0.049★0.046★0.043★绥芬河44.230.047★0.0280.0240.0220.019

注：★表示通过90%的显著性检验

由表2可知， 15个站点5个深度的生长季平均地温都呈现升高趋势，升幅为0.019～0.077 ℃a-1，大部分通过90%显著性检验，且北部站点的升温率要高于南部站点。0 cm生长季平均地温变化趋势，富锦、通河、哈尔滨及绥芬河的升温趋势不明显，气候倾向率在0.047～0.050 ℃a-1之间，其余11个站的升温趋势显著，增温幅度为0.053～0.077 ℃a-1；5 cm生长季平均地温以黑河、嫩江、克山、齐齐哈尔和通河的增幅最大，为0.054～0.067 ℃a-1，其余站点气候倾向率在0.028～0.052 ℃a-1之间；10 cm生长季平均地温，除安达、富锦及绥芬河外，其余各站点均表现显著的升温趋势，升温率为0.041～0.063 ℃a-1；15 cm生长季平均地温在富锦、呼玛及绥芬河升温趋势不明显，其余站点升温趋势显著，气候倾向率为0.043～0.073 ℃a-1；20 cm生长季平均地温除富锦、安达和绥芬河升温趋势不明显外，其他站点以0.040～0.072 ℃a-1的幅度升高。

可见，5个深度的大部分站点均出现显著的升温趋势。其中黑河、嫩江、海伦、安达、通河、哈尔滨、鸡西、尚志、牡丹江9个站，在5个深度均出现显著升温趋势，绥芬河和富锦站5个深度升温率都比较低，呼玛和佳木斯站只有0 cm地温升高趋势明显，而齐齐哈尔和克山站分别是0 cm和5 cm平均地温的升高趋势不显著。

3 讨论与结论

3.1 讨论

本项研究表明，地温的年际变化具有很强的一致性，其主要受地表热量控制。在过去的47年中，黑龙江省生长季5—9月地温随气温升高而下降，东部地区比中部和西部地区下降的快，但其上升较快，降低较慢，整体呈上升趋势。王连喜等研究结果显示地温升高对气候变暖有直接影响[12]。而肖辉的研究表明森林的进化与衰退东部比西部快，特别是黑河地区，这可能是地温东西部变化不一致导致的[13]。地温上升会影响林地植物残体的分解量、分解强度和泥炭物质聚集，地温越高，越有利于有机物质分解，土壤中有机物质含量增高，促进树木根系的生长，提高产量[10]。

3.2 结论

利用黑龙江省1965—2011年15个国家气象站浅层逐日地温、大气温度及降水资料，分析黑龙江省近47年来浅层地温的时空变化特征，初步得出如下结论：

(1)生长季不同深度平均地温均随着纬度的升高而降低，大部分地区等温线与纬线平行，东部地区等温线产生沿经线方向分布的特点，但整个黑龙江省生长季平均地温的南北差异不大。

(2)各个站点生长季平均地温的垂直变化形式基本一致，在0～5 cm深度热量衰减较快，5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm的热量衰减速率基本相同。在47年的地温年际变化趋势中看出，整体呈上升趋势，在1995年前地温平稳上升，在1995年后迅速上升。

(3)黑龙江省地温在7月份达到最大，5月到7月升温过程较快，而7月到9月的降温过程缓慢。

(4)黑龙江省浅层地温之间的相关性较好，与大气温度呈正相关，与降水呈负相关。

(5)在1965—2011年47年间，黑龙江省15个站生长季5个深度的平均地温都呈现升高趋势，且大部分站点的升温趋势明显，有9个站在5个深度均出现显著的升温。其中0 cm地温气候倾向率在5个深度中最高，为0.077 ℃y-1；5 cm、10 cm、15 cm、20 cm深度平均地温升温率相差不大。全省各层地温月平均地温都呈现升温趋势，整体升温趋势为5月>7月>6月>9月>8月， 8月、9月的升温对整个生长季升温趋势的贡献较小。

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Change Characteristics of Surface Temperature in Growing Season in Heilongjiang Province in Recent 47 Years

Wang Hui , Liu Binhui

(Northeast Forestry University, Harbin 150040,China)

Inclination rate & interannual variation of the climate of the average earth temperature in the growing season of the weather stations in Heilongjiang Province were calculated by using data of daily mean earth temperature at 0, 5, 10, 15 & 20 cm in growing season (from May to September) from 1965 to 2011 in 15 national weather stations of Heilongjiang Province;the change characteristics of the mean earth temperature in the growing season with latitude and depth in the past 47 years in Heilongjiang Province were analyzed.Result shows that the form of various levels for the mean earth temperature in the growing season in every month is basically identical, and the earth temperature decrease with the increase of the soil depth;heat decay faster at 0-5 cm layer;heat decay rate are basically the same at 5-10, 10-15,15-20 cm. The decay is relatively slow;the mean earth temperature shows rising trend in every month ;the inclination rate of climate at 0 cm is the highest among the five depth; temperature rise rate of the mean earth temperature is little at 5,10,15 &20 cm layer;temperature rise trend in May, June & July is significant than that in August & September;temperature rise in August and September contributes little to the temperature rise trend in the whole growing season;the earth temperature is positively correlated with the air temperature and negatively correlated with precipitation.

Heilongjiang Province;growth season; shallow earth temperature; change characteristics

1005-5215(2016)12-0013-05

2016-11-01

黑龙江省科技攻关项目(GA06B302-7)；北京林业大学985平台建设项目(2011BAD32B05)

王会(1987- )，女，硕士研究生，现从事水土保持与荒漠化防治及气候变化研究.

刘滨辉(1970- )，男，副教授，现从事水土保持与荒漠化防治及气候变化研究，Email:947441282@qq.com

P468.021

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2016.12.004