天山北坡融雪期林地、草地、裸地积雪特性及其影响因素分析

李吉玫，张毓涛，张云云

天山北坡融雪期林地、草地、裸地积雪特性及其影响因素分析

李吉玫1，张毓涛1*，张云云2

（1.新疆林业科学院 森林生态研究所，乌鲁木齐 830000；2.新疆大学 资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046）

【】对比分析天山北坡不同下垫面融雪期积雪特性（积雪深度、积雪密度、液态含水率、雪层温度）及其影响因素。通过对融雪期林地、草地、裸地积雪特性、气象因子（气温、太阳辐射、空气相对湿度）和土壤因子（土壤含水率、土壤温度）等数据进行实时监测，利用Pearson相关分析方法对比分析气象因子、土壤因子与3种下垫面积雪特性间的相关性。融雪期林地、草地、裸地平均积雪深度分别为8.06、18.67、16.34 cm；林地积雪层平均积雪密度、平均液态含水率均大于草地和裸地，分别为0.48 g/cm3、0.66%；林地平均积雪层温度（-0.032 ℃）均小于草地、裸地；融雪期裸地积雪深度与太阳辐射显著负相关，相关系数为-0.960；草地积雪密度与太阳辐射显著正相关；裸地积雪密度、液态含水率、积雪层温度与气温极显著正相关；融雪期林地积雪密度与10 cm处的土壤层温度、土壤层含水率显著正相关；草地积雪深度与40、50、60 cm处的土壤层温度极显著负相关，与20、30 cm处的土壤含水率显著负相关，草地积雪密度与20、30、40、50、60 cm处土壤层温度极显著正相关；裸地积雪深度与10 cm处土壤层温度显著负相关，裸地雪层温度与20、30 cm处的土壤层含水率极显著正相关。融雪期草地平均积雪深度最大；林地平均积雪层温度最小；林地平均积雪密度、液态含水率均大于草地、裸地；气温、太阳辐射是影响林地、草地、裸地积雪特性的主要气象因子；土壤含水率、土壤温度与林地、草地、裸地积雪深度呈负相关，与积雪密度、液态含水率、雪层温度呈正相关。

积雪特性；气象因子；土壤温度；土壤含水率；天山北坡

0 引言

【研究意义】目前对于天山北坡积雪消融的研究大多数集中在流域尺度，而在坡面尺度的研究鲜有报道[1-3]。在坡面尺度开展不同下垫面积雪消融过程的监测与分析，是准确量化积雪消融过程的基础，可为进一步探讨融雪产流对流域补给过程提供基础研究。【研究进展】冬季积雪融化是一个复杂过程，受多种因素影响，不同研究尺度下，影响积雪消融过程的因素也不相同[4-6]。在较大尺度上，季节变化、海拔高度直接影响整个积雪和融雪过程[7]；在相对较小尺度，太阳辐射、气温、坡度等因素是影响积雪和融雪的主要因素[8-13]。据统计，国内外积雪消融过程大多基于流域尺度，以雪特性、融雪产流机制定性探讨及建立融雪径流模型等方面为主要研究方向，王元[14]在流域尺度对积雪融化期雪密度、液态含水率等进行观测，并分析其对融雪过程的影响；朱宾宾等[15]人通过对森林植被下的流域尺度，采用定点观测试验来获取积雪融化的产流数据，深入分析了流域尺度积雪产生径流量的特征及其关键影响因子；范昊明等[16]指出积雪融化产生的融雪侵蚀是很严重的问题，在坡面尺度尤为突出。周宏飞等[17]通过在天池自然保护区设置径流小区对春季积雪消融过程进行定位观测，得出不同土地类型会影响春季融雪产流。【切入点】前人针对融雪期雪特性的研究，大多集中在流域尺度开展定位监测，而在坡面尺度根据不同下垫面类型（林地、草地、裸地）设置固定径流小区长期监测融雪特征及其影响因素的研究相对较少，为此，在坡面尺度监测林地、草地、裸地3种不同下垫面积雪特性，对比分析其差异性，并探讨其与气象因子、土壤因子间的相关性，为进一步研究不同下垫面积雪消融过程提供理论基础。【拟解决的关键问题】通过监测积雪特性、气象因子和土壤因子，对比分析林地、草地、裸地3种典型样地积雪消融过程中积雪特性的差异性，并探讨气象因子、土壤因子对积雪消融过程的影响，为进一步研究积雪消融过程奠定理论基础和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究在新疆天山森林生态系统定位研究站内进行，本站用于对生态水文数据的长期监测，也是国家林业局用于森林生态系统定位研究网络（CFERN）之一。本研究区位于天山北坡中段，地理坐标为E87°27′28.3″—87°28′47.3″，N43°24′48.2″—43°26′17.4″，定位站海拔约为1 908 m，气候类型为温带大陆性气候，年平均气温为2.1 ℃，平均年降雨量达600 mm，冬季降雪属于季节性降雪，新疆积雪量约占全国积雪总量30%左右，春季积雪融化产生的径流量是河流的主要补给来源。雪岭云杉为森林优势种，其覆盖率达到60%以上。雪岭云杉（）是林地主要树种；草地植被有新疆针茅（）等；裸地为次生裸地，即在人为的破坏下，地表几乎没有植被的存在，仅保存植物的繁殖体。在定位站内海拔1 910～1 930 m处，选取站内典型区设置5 m×3 m的林地、草地、裸地观测小区各2个，样地用混凝土材料围成径流小区，以便进行长期观测，样地具体的信息见表1。观测时间为2018年3—4月底。

表1 样地信息

1.2 数据监测

1.2.1 气象因子测定

利用定位站内的HOBO U30 NRC气象观测站对观测场的气象指标每隔5 min进行自动监测，监测因子有：太阳辐射（W/m）、大气温度（℃）、空气相对湿度（%）等。

1.2.2 土壤因子测定

利用智墒土壤仪在土壤0～60 cm范围内，每隔10 cm安装探头同步测量各层土壤体积含水率和温度，其中土壤温度在20～60 ℃的测量范围内，其测量精度可达±0.5 ℃；土壤体积含水率的测量范围为干土-水分饱和土，测量精度±2.5%。

1.2.3 雪特性测定

积雪深度：降雪之前，在距林地、草地、裸地观测小区右侧水平1 m处的开阔平坦地，架设离地面高约为2 m的超声波雪深传感器，监测时间间隔为1 h，取小时的平均值为1 d的积雪深度，同时通过空气湿度对雪深进行修正[18]。利用毫米尺对积雪深度进行人工观测用来校定超声波雪厚传感器对雪深的实时监测数据[19]。

雪层温度：用2个测量范围为-50～70 ℃的ST-3温度计（精度±0.1 ℃）对林地、草地、裸地积雪层温度进行测量，以3 cm为1层，每隔1 h进行连续观测，每个垂直剖面平行监测3次，每层测量值的平均值为雪层温度值。

雪密度和液态含水率：利用SnowFork雪特性仪（TOIKKAoy）对林地、草地、裸地雪密度和液态含水率每隔1 h进行监测。SnowFork雪特性仪主要由读数表和探头组成，适用于地温和阴雨环境对积雪特性的监测。直接测量的数据有衰减度、带宽（3dB）、共振频率，间接测量的数据有体积含水率、雪密度。使用SnowFork前需对仪器进行校正，使探头在空气中放置15 min左右，观察数据显示屏，看频率值、波段值是否在889～891 MHz、19～21 MHz范围，以及衰减率是否在1 200～1 500范围。

为防止破坏积雪物理结构而干扰观测场中产流情况，在距观测场50 cm处使用不锈钢铲采用连续推进方式挖取长为1 m的积雪剖面，积雪观测剖面根据降雪雪深从积雪底层到表面每5 cm或3 cm分为1层，使用Snow Fork雪特性仪对林地、草地、裸地积雪层雪密度和液态含水率进行监测，每一积雪层观测次数为3次，取3次观测值的平均值即为这一积雪层的雪密度和液态含水率。

1.3 分析方法

利用Origin8.0、SPSS10.0等软件进行数据处理和绘图，采用Pearson法进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 融雪期气象因子变化特征

气温是影响融雪期积雪特性的重要因素[20]。融雪期气温随时间变化趋势如图1所示。由图1可知，融雪期气温随时间呈先减少后增加的变化趋势。融雪初期（3月1—28日）日平均气温均＜0 ℃，且气温随时间上下波动幅度较大，3月5日气温达到最小值，为-2.31 ℃；融雪后期日平均气温均＞0 ℃，3月31日因气温骤升使得日平均气温达到最大值，为3.89 ℃，其他日期内气温均＞0 ℃；融雪期平均气温为-0.32 ℃。

图1 融雪期气温随时间变化

图2 融雪期太阳辐射强度随时间变化

太阳辐射的强弱直接影响积雪的蒸发量[21-22]。融雪过程中，观测场内太阳辐射强度随时间的变化曲线如图2所示，太阳辐射强度随时间呈上下波动变化，3月4—12日，太阳辐射强度日平均值变化幅度相对平稳，其变化范围在160～167 W/m。3月16日太阳辐射强度日平均值达到最小值为18.3 W/m，4月13日太阳辐射强度的日平均值达到最大值，为257.1 W/m，融雪期太阳辐射强度的变化范围为0.6～865.1 W/m。

空气湿度随时间的变化趋势如图3所示。由图3可以看出，融雪期空气湿度随时间上下波动的幅度大，主要因为气温的不稳定，使得降水以降雨或雨夹雪的形式降落在地表，增大了空气中水分，3月16日平均空气湿度达到最大值，为98.49%；4月14日空气湿度日平均值达到最小值，为35.54%，整个融雪期空气湿度平均值为69.44%。

图3 融雪期空气湿度随时间变化

2.2 融雪期土壤因子变化特征

融雪期林地、草地、裸地土壤层温度随时间的变化曲线如图4所示。融雪初期林地土壤层温度随时间的变化幅度大，最小值均出现在10 cm土层处，产生这一现象的原因与同一时期气温不稳定有关（图1），3月30日林地土壤层温度在20 cm处最大；从图4（b）可以看出草地10～30 cm土壤温度值随时间变化相对强烈，说明草地浅层土壤受气温变化的程度比较明显[23]；从图4（c）可以看出，融雪过程中裸地10～30 cm处的土壤温度受气温的影响明显，土壤温度最大值（2.01 ℃）和最小值（-1.91 ℃）均出现在土壤层10 cm处，可见林地、草地、裸地土壤层温度的差异性主要表现在浅层土壤，其主要是因为3种不同下垫面地表植被类型的不同，使得浅层土壤温度对气温响应不同。

图5 土壤含水率变化

融雪期林地、草地、裸地土壤含水率随时间的变化曲线如图5所示。融雪过程中，随着气温的升高林地、草地、裸地土壤含水率均呈增加的变化趋势，融雪后期土壤含水率均大于融雪初期。从图5（a）可知，林地土壤含水率在土壤层20 cm处达到最大值，为34.84%，而由图5（b）、图5（c）可知，草地、裸地土壤含水率的最大值出现在30 cm土层处，分别为32.75%、31.73%，产生这一差异的主要原因是融雪后期气温回升土壤层逐渐解冻，积雪消融产生径流下渗到土壤，使得土壤层中液态水大幅度的增长。裸地地处阳坡，气温和太阳辐射均高于林地和草地，使得土壤含水率随时间的变化幅度大于林地、草地；融雪期林地、草地、裸地平均土壤含水率依次递增分别为14.69%、18.02%、19.93%。

2.3 融雪期积雪特性

林地、草地和裸地积雪深度随时间的变化如图6所示。由图6可知，融雪初期草地、裸地积雪深度均大于林地，主要是因为林地树冠对降雪的截留作用，导致林地地表积雪总量小于草地、裸地。受气温、太阳辐射等气象因素影响，积雪深度随时间上下波动。3月19日，因降雪使得林地、草地、裸地平均积雪深度最大，分别为11.8、25.5、23.44 cm；融雪后期因气温上升使得积雪开始产流，林地、草地、裸地积雪深度总体呈下降趋势，融雪期林地、草地平均积雪深度分别为8.06、18.67、16.34 cm。

图6 林地、草地、裸地积雪深度随时间变化

融雪期各下垫面积雪密度、液态含水率、雪层温度按照实际产流时间进行连续监测。通过野外监测得知，3种下垫面产流的先后顺序依次为裸地、林地、草地，其中裸地、林地产流天数均为5 d，草地产流从3月27日开始监测到4月6日产流结束（其中2018年4月1—3日出现降温天气，没有径流量产生）为8 d。融雪期林地、草地、裸地积雪密度、液态含水率、雪层温度随时间变化的曲线如图7所示。由图7（a）可以看出，林地积雪密度、液态含水率随时间变化的曲线基本一致，均呈先增加后减少的变化趋势，而雪层温度呈先减少后增加的变化趋势，3月24日雪层温度最低，为-0.35 ℃；由图7（b）可知，草地积雪密度、液态含水率、雪层温度随时间上下波动，分别在3月28日、4月5日、3月30日达到最大值；裸地液态含水率在3月6日达到最小值，为0.30%。融雪期林地平均积雪密度和液态含水率均大于草地、裸地，其值分别为0.48 g/cm3、0.66%；林地、草地、裸地雪层温度平均值依次升高，分别为-0.03、0.05、0.14 ℃。

图7 林地、草地、裸地雪密度、液态含水率及雪温度随时间变化

2.4 气象因子对融雪特性的影响

林地、草地、裸地融雪特性与各气象因子相关性分析结果如表2所示。从表2可以看出，裸地积雪深度与太阳辐射（=-0.960，<0.01）极显著负相关，主要因裸地地处阳坡，与林地、草地相比积雪表面接收的光照强度较多，加快积雪蒸发量[24]。林地积雪密度与各气象指标的相关性不大；草地积雪密度与太阳辐射（=0.908，<0.05）显著正相关；裸地雪密度与气温（=0.906，<0.05）显著正相关；裸地积雪液态含水率、雪层温度与太阳辐射、气温显著正相关，同样与裸地处于阳坡有关；林地、草地、裸地雪特性与空气湿度的相关性不大，其中空气湿度与积雪深度、积雪密度、液态含水率呈正相关，与积雪层温度呈负相关。

2.5 土壤因子对融雪特性的影响

由表3可以看出，林地积雪深度、液态含水率、雪层温度与土壤层温度的相关性不大；林地积雪密度与10 cm处的土壤层温度显著正相关（=0.925，<0.05）；草地积雪深度与20、30 cm处的土壤层温度显著负相关，与40、50、60 cm处的土壤层温度极显著负相关；草地雪密度与20、30、40、50、60 cm处土壤层温度极显著正相关，其中30 cm处二者相关性最大，相关系数为0.974；融雪期裸地积雪深度与10 cm处土壤层温度显著负相关（=-0.955，<0.05）；裸地积雪密度、液态含水率、雪层温度与土壤层温度正相关性，其相关性大小随着土壤层深度逐渐增大。

表2 气象因子与积雪特性相关分析

注 **表示在 0.01 水平极显著相关；* 表示在 0.05 水平显著相关，下同。

融雪期土壤层含水率与积雪深度、积雪密度、液态含水率、雪层温度相关性如表4所示。由表4可以看出，林地积雪密度、液态含水率与10 cm处的土壤含水率显著正相关，其主要是因为积雪密度与液态含水率正相关[25]，同时植被覆盖度高的林地地表对积雪消融产生的径流量有较强的蓄水能力，使得林地浅层土壤含水率受积雪密度、液态含水率的影响显著。草地积雪深度与20、30 cm处的土壤含水率显著负相关；草地雪层温度与土壤层含水率相关性不大，但草地积雪密度与土壤层10、20 cm处的土壤含水率极显著正相关；裸地液态含水率与10、20、30 cm处的土壤含水率显著正相关，且与10 cm土壤含水率相关系数最大，为0.909；裸地雪层温度与20、30 cm处的土壤层含水率极显著正相关，相关系数分别为0.961、0.950。

表4 不同土层土壤含水率与融雪特性的相关性

3 讨论

从融雪期气温、太阳辐射、空气相对湿度等气象指标随时间的变化曲线来看，气温随时间增加呈上升趋势，太阳辐射、空气相对湿度随时间变化呈上下波动，且二者曲线变化整体呈“此消彼长”的变化趋势[26-27]，通过对气象指标与雪特性的相关性分析可知，地处阳坡的裸地其积雪深度与太阳辐射显著负相关，这与吴建国等[28]研究结果基本一致；各下垫面积雪密度、液态含水率与积雪深度相关性的大小依次为：裸地>草地>林地，主要是因为林地树冠的遮蔽作用使得林地接受的太阳辐射较少，气温较低[29]；融雪初期林地、草地、裸地土壤含水率均呈逐渐增大趋势，融雪后期随着积雪融化产生径流量对土壤含水率的补给作用使得土壤表层土壤10～30 cm处的含水率最大[27]，融雪过程中裸地平均土壤含水率最大，主要是因为裸地与林地、草地相比，裸地地表无植被和凋落物覆盖，土壤的渗透和蓄水能力降低相对较强[30-32]。草地土壤层温度与积雪深度呈显著负相关，与积雪密度显著正相关，其主要因融雪前期地处阴坡的草地积雪深度最大，积雪的覆盖以及土壤解冻过程对土壤温度的影响作用强[33]以及融化过程中的积雪密实化，改变积雪的孔隙率，进而改变积雪密度。

4 结论

1）林地、裸地、草地的平均积雪深度逐渐增加，其数值分别为8.06、18.67、16.34 cm；林地积雪层平均积雪密度、平均液态含水率均大于草地和裸地，分别为0.48 g/cm3、0.66%；林地平均积雪层温度（-0.032 ℃）均小于草地、裸地。

2）融雪期裸地积雪深度与太阳辐射呈极显著负相关，其相关系数为-0.960，裸地积雪层温度、液态含水率与气温、太阳辐射显著正相关；草地积雪密度与太阳辐射显著正相关（=0.908，<0.05）；林地积雪深度、积雪密度等积雪特性与各气象因子的相关性不大。

3）融雪期林地积雪密度与10 cm处的土壤层温度、土壤层含水率均显著正相关；草地积雪深度与40、50、60 cm处的土壤层温度极显著负相关，与20、30 cm处的土壤含水率显著负相关；草地积雪密度与30 cm处土壤层温度极显著正相关，且相关系数最大，为0.974；裸地积雪深度与10 cm处土壤层温度显著负相关；裸地雪层温度与20、30 cm处的土壤层含水率极显著正相关，相关系数分别为0.961、0.950。

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Impact of Seasonal Snowmelt on Snowpack at Woodland, Grassland and Bare Land in North Slope of Tian Mountain

LI Jimei1, ZHANG Yutao1*, ZHANG Yunyun2

(1.Institute of Forest Ecology, Xinjiang Academy of Forestry, Urumqi 830000, China;2. College of Resources and Environmental Sciences, Xinjiang University, Urumqi 830046, China)

【】Snowfall on the north face of the Tian mountain in Xinjiang is seasonal and how seasonal snowmelt affects the snowpack has been well documented at watershed scale but not at slope scale. Understanding the change in snowpack in areas under different vegetations is crucial to accurately quantifying snow ablation and provide bassline for predicting surface runoff into rivers.【】The overall objective of this paper is to analyze and compare the changes in snowpack traits, including its depth, density, liquid water content, and temperature, in areas with different vegetations at north slope of the Tian mountain, as well as their determinants.【】Snowpack traits, meteorological factors - including temperature, solar radiation, relative air humidity, and edaphic factors - including soil moisture content and temperature, in woodland, grassland and bare land were monitored in real-time during snowmelt season. Pearson correlation analysis method was used to calculate the correlation between the meteorological factors, edaphic factors and snowpack traits in three areas.【】The average depth of the snowpack in woodland, grassland and bare land in snowmelt season was 8.06, 18.67, and 16.34 cm, respectively, and the density and liquid water content in the snowpack in the woodland were 0.48 g/cm3and 0.66%, respectively, higher than those in grassland and bare land. Average snow temperature in the woodland was -0.032 ℃, lower than that in the grassland and bare land. The snowpack depth in the bare land was negatively correlated with solar radiation at significant level with a correlation coefficient of -0.960. The snow density in the grassland was positively correlated with solar radiation at significant level. The density, liquid moisture content and temperature of the snowpack in the bare land were all positively correlated with ambient air temperature at very significant level. Snow density in the woodland was positively correlated with soil temperature and moisture content in the 0~10 cm layer at significant level. The snow depth in the grassland was negatively correlated with soil temperature at depths of 40, 50, and 60 cm at very significant level, and with soil moisture at depths of 20 and 30 cm at significant level. The snow density in grassland was positively correlated with soil temperature at depths of 20, 30, 40, 50 and 60 cm. Snow depth in the bare land was negatively correlated with soil temperature at depth of 10 cm at significant level, and snow temperature was positively correlated with soil moisture at depths of 20 and 30 cm at significant level.【】On average, the snow in the grassland is thickest, and the average snow temperature in the woodland was the lowest; the average density and liquid water content of the snow in the woodland were higher than that in the grassland and the bare land. Ambient air temperature and solar radiation affect the snowpack in all three areas the most. Soil moisture and temperature were negatively correlated with snow depth, while positively correlated with snow density and temperature as well as liquid moisture content.

snow characteristics; meteorological factors; soil temperature; soil moisture content; northern slope of Tianshan

S512.11

A

10.13522/j.cnki.ggps.2019056

1672 - 3317（2021）01 - 0106 - 09

2019-05-14

国家“十二五”农村领域国家科技计划课题（2015BAD07B0303）

李吉玫（1980-），女。副研究员，主要从事森林水文方面的研究。E-mail：jimeili@126.com

张毓涛（1968-），男。研究员，主要从事森林水文方面的研究。E-mail: zyt218@ 163.com

李吉玫, 张毓涛, 张云云. 天山北坡融雪期林地、草地、裸地积雪特性及其影响因素分析[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(1): 106-114.

LI Jimei, ZHANG Yutao, ZHANG Yunyun. Impact of Seasonal Snowmelt on Snowpack at Woodland, Grassland and Bare Land in North Slope of Tian Mountain[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(1): 106-114.

责任编辑：陆红飞