黑龙江省土壤冻融期气象要素变化特征

王 萍， 赵慧颖， 闫 平， 朱海霞， 翟 墨， 李秀芬

（1.黑龙江省气象科学研究所，黑龙江哈尔滨 150030； 2.中国气象局东北地区生态气象创新开放实验室，黑龙江哈尔滨 150030）

0 引言

黑龙江省位于我国最北部，冬季寒冷漫长，9 月开始气温自北向南逐渐低于0 ℃，土壤开始冻结，至11 月全省大部地区土壤冻结，而来年三月随着气温上升，土壤开始融化，一直持续至5 月［1-2］。在全球气候变暖背景下，黑龙江省冬季气温升高，春季回暖期提前，土壤冻结期缩短，融雪期提前，尤其3—5月土壤冻融期间，土壤中的水分反复冻结、融化，土壤抗蚀性降低，冻融次数越多，土壤受侵蚀越严重［3-5］，同时融化的雪水渗入土壤中，易发生融雪侵蚀［6-8］，从而导致土壤含水量及土壤质地和结构发生变化，作为全国重要的商品粮食基地，黑龙江省粮食产量居全国第一，春季播种质量对产量影响重大，3—5 月正是玉米、大豆、水稻等大田作物备耕及播种的重要时期，能否适时播种主要受土壤旱涝和温度影响，其中土壤旱涝受土壤反复冻融影响严重，因此研究土壤冻结期间的气象要素变化及土壤冻融过程中水分和温度的变化具有重要的科学意义和应用价值，可为土壤旱涝预测及播种期预测提供科技支撑，同时为当地适时安排播种期及农事生产活动等提供科学参考。

土壤冻结与融化受多种因素的影响，李楚君等［9-11］认为秋季降水量、冬季气温及降水、春季升温速率等8种因素对土壤冻融的影响较大。而土壤冻融过程中土壤中水分和温度受多种因素的影响，范昊明等［12-14］通过室内人工模拟试验，研究发现春季融化期土壤发生侵蚀主要集中在前15 次冻融循环过程中，赵强等［15-17］认为冻融期表层土壤温度主要受积雪厚度影响，深层土壤温度主要受土壤初始含水率影响。土壤冻结与融化的规律研究中，任景全等［18］认为冻土融化包括下限和上限融化两个过程，具有“两头化”的变化特征；赵显波等［19-20］认为从稳定冻结初日起，冻土深度逐渐加深，在达到最大值后，缓慢变浅；范昊明等、张瑞芳等［21-24］认为在气候变化与环境的影响下，土壤冻结期推后，冻融期缩短。

目前土壤冻融方面的研究多为通过室内人工模拟试验，本研究是在黑龙江省64 个气象站及34个农气观测站多年的温度和土壤水分观测资料基础上，分析土壤冻结期间的气象要素变化规律，深入探讨了黑龙江省春季土壤冻融过程中不同地区水分和温度的变化差异，所得结果可直接应用于黑龙江省大田土壤，为土壤旱涝预测提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

文中采用黑龙江省64 个气象观测站1961—2018 年的逐日最高气温、最低气温、平均气温、降水量、0 cm 地温资料及34 个农气观测站人工观测的1981—2018年的0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土壤湿度（土壤相对湿度，即重量含水率与田间持水量的比值）资料，以上数据均来源于黑龙江省气象数据中心。研究区站点分布见图1。

图1 研究区站点分布示意图Fig.1 Schematic diagram of stations in the study area

1.2 研究方法

土壤冻结期初日为首次土壤表面温度小于0 ℃的日期，终日为土壤表面温度小于0 ℃最后一次日期，初日终日之间为冻结期［25］。在春季，当温度在0 ℃上下波动时，土壤会发生反复的冻结、融化，日较差越大，冻融作用越剧烈。

在春季融化期，如果白天气温高于0 ℃，土壤融化，夜间气温低于0 ℃，土壤冻结，当白昼气温高于0 ℃和夜间气温低于0 ℃出现一次，则视为发生一个冻融循环过程，春季冻融次数为春季3—5月土壤融化期每日最高气温大于0 ℃，最低气温小于0 ℃的天数。土壤中的水分反复冻结、融化，土壤抗蚀性降低，冻融次数越多，土壤受侵蚀越严重。

升温速率在日平均气温连续5 d高于2 ℃，融雪开始，首次高于2 ℃的日期为做融雪开始日期，当日平均气温为融雪开始气温。春季融雪期升温速率为融雪开始日期起10 d的升温速率。

利用ArcGIS 和IDW 方法进行空间插值，制作要素空间分布图。

2 结果与分析

2.1 土壤冻结期气象要素变化特征

2.1.1 土壤冻结期初日

黑龙江省土壤冻结期初日1961—2018 平均为10 月24 日，呈现从北向南延后的趋势，大兴安岭地区 在10 月9 日 至10 月20 日，漠河最早，在10 月9日，松嫩平原北部及小兴安岭在10 月21 日至10 月24 日，其他大部地区在10 月25 日至10 月31 日，东宁最晚，在10 月31 日。从时间分布来看，土壤冻结期初日呈现逐年延后的趋势（图2），初日平均在10月13 日—11 月5 日之间变化，最早出现在1978 年，为10月16日，最晚出现在2013年，为11月5日。

图2 黑龙江省土壤冻结期初日变化趋势Fig.2 Variation of first day of soil freezing in Heilongjiang Province

2.1.2 土壤冻结期终日

黑龙江省土壤冻结期终日1962—2018平均为4月1 日，呈现从北向南提前的趋势，大兴安岭、小兴安岭北部在4月4日至4月18日，漠河最晚在4月18日，其他大部地区在3 月26 日至4 月3 日，泰来和东宁最早，在3 月26 日。从时间分布来看，土壤冻结期终日呈现逐年提前的趋势（图3），终日平均在3月16日—4月13日之间变化，最早出现在2014年，为3月16日，最晚出现在1980年，为4月13日。

图3 黑龙江省土壤冻结期终日变化趋势Fig.3 Variation of last day of soil freezing in Heilongjiang Province

2.1.3 土壤冻结期

黑龙江省土壤冻结期1961—2018 年平均为158 d，从空间分布来看，冻结期从北向南缩短（图4），大兴安岭、松嫩平原北部、小兴安岭在161～190 d，漠河最长，为190 d，其他大部地区在145～160 d，东宁最短，为145 d。从时间分布来看，土壤冻结期终日呈现逐年缩短的趋势，平均在137～176 d 之间变化，最短出现在2008 年，为137 d，最长出现在1980 年，为176 d。

图4 黑龙江省土壤冻结期空间分布图Fig.4 Spatial distribution of soil freezing in Heilongjiang Province

2.1.4 土壤冻结期气温、降水变化

黑龙江省土壤冻结期平均气温1961—2018 年平均为-12.2 ℃，从北向南升高，大兴安岭、松嫩平原北部、小兴安岭在-18.7～-13.0 ℃，漠河最低，为-18.7 ℃，松嫩平原大部、三江平原北部在-12.9～-11.0 ℃，其他大部地区在-10.9～-8.2 ℃，东宁最高，为-8.2 ℃。从时间分布来看，土壤冻结期平均气温呈现逐年上升的趋势（图5），气温平均在-14.9～-8.7 ℃之间变化，最低出现在1969 年，为-14.9 ℃，最高出现在2007年，为-9.5 ℃。

图5 黑龙江省土壤冻结期平均气温变化趋势Fig.5 Variation of temperature of soil freezing in Heilongjiang Province

黑龙江省土壤冻结期降水量1961—2018 年平均为41 mm，从空间分布来看，降水量呈现西部少、东部和北部多的趋势（图6），西部在15～40 mm，泰来和龙江最少，为15 mm，中东大部及北部在41～79 mm，绥芬河最多，为79 mm。从时间分布来看，土壤冻结期降水呈现逐年增加的趋势，降水量平均在18～90 mm 之间变化，最多出现在2010 年，为90 mm，最少出现在1975年，为18 mm。

图6 黑龙江省土壤冻结期降水量变化趋势Fig.6 Variation of precipitation of soil freezing in Heilongjiang Province

2.1.5 春季冻融次数

1961—2018 年春季冻融次数全省平均为35次，从空间分布看呈现平原少、山区多的趋势，松嫩平原、三江平原大部在29～35 次，大、小兴安岭及东南部山区大部地区在36～51 次之间变化。平原地势开阔，气象要素变化相对简单，冻融次数少，土壤受到侵蚀相对偏小；山区地形复杂，气象要素受地形地貌影响大，变化多变，因此冻融次数多，土壤受到侵蚀相对严重。从时间分布来看，春季冻融次数为逐年减少的趋势（图7），说明冻融作用在减弱。冻融次数年均在22～46 次之间变化，1972 年、1993年冻融次数多，分别是46 次和45 次，冻融作用强，1984 年、1999年冻融次数少，为22 次，冻融作用弱。

图7 黑龙江省春季冻融次数变化Fig.7 Changes of freeze-thaw times in spring in Heilongjiang Province

2.1.6 融雪期升温速率

融雪开始日期：全省平均为4 月6 日，从空间分布来看，北部偏晚，南部偏早，由北向南提前，三江平原、松嫩平原大部在3 月30 日至4 月7 日，东宁最早，在3 月30 日；大、小兴安岭在4 月8 日至4 月24日，漠河最晚，在4 月24 日。从时间分布来看（图8），融雪开始日期为逐年提前的趋势，最早年份出现在2014 年，为3 月23 日，最晚出现在2013 年，为4月19 日。南部纬度低，春季升温快于北部，因此积雪融化早于北部，融雪开始日期逐年提前也是对气候变暖的响应。

图8 1961—2018年春季融雪开始日期Fig.8 Date of snowmelt in spring from 1961 to 2018

融雪期升温速率：全省平均为0.87 ℃·d-1，从空间分布来看，北部、东部低，中部、南部高，这与当地的地理位置及地形地貌密切相关，北部纬度高，气温低、升温慢，南部纬度低，升温快，同一纬度，由于东部被小兴安岭阻隔，冷空气自西北向东南传输受到阻碍，因此东部升温慢。松嫩平原大部、小兴安岭、三江平原西部及东南部部分地区高于0.85 ℃·d-1，其他地区则在0.85 ℃·d-1以下，其中虎林最低，为0.66 ℃·d-1，宾县最高，为1.05 ℃·d-1，因此融雪侵蚀北部和东部低于中部的南部。为0.31 ℃·d-1。从时间分布来看，融雪期升温速率是逐年下降的趋势，最低出现在2007 年，为0.48 ℃·d-1，最高出现在1987 年。虽然融雪期升温速率全省总体是逐年下降的趋势，但不同地区趋势不同，因此在北部、南部、西部、东部分别选择代表站对不同地区的历年升温速率进行分析。漠河（北部）、南部（哈尔滨）、西部（泰来）、东部（虎林）融雪期升温速率见（图9），从图中可以看出，不同地区的升温速率的在1961—2018 年逐年变化趋势是不同的，北部的漠河、南部的哈尔滨、东部的虎林是呈现微弱的上升趋势，而西部的泰来是逐年下降的。

图9 1961—2018年融雪期升温速率变化Fig.9 Temperature rise rate of snowmelt in spring from 1961 to 2018：Mohe（a），Harbin（b），Tailai（c），Hulin（d）

2.2 黑土区季节性冻融过程中土壤湿度与热量条件的动态变化规律

2.2.1 春季冻融过程中土壤湿度变化

从不同土壤深度来看，2 月28 日土壤测墒开始至5 月28 日土壤基本融化，土壤湿度各个地区均是0～10 cm土层最低，20～30 cm土层最高，10～20 cm土层居中，说明在春季冻融过程中，各个地区的土壤湿度是随着土壤深度的增加而增大，也可以说土壤水分是随着土壤深度的增加而增多。从不同区域来看：西部土壤湿度0～30 cm 最低，基本在85% 以下，尤其是0～10 cm 深度3—4 月不足70%，东部最高，20～30 cm 土壤湿度甚至超过100%，处于饱和状态，说明这期间土壤融化、积雪融化，土壤湿度急剧增加，达到饱和，甚至在3 月0～10 cm 土层也达到饱和，在地表形成径流，因此可以得出在3月东部土壤湿度受土壤融冻影响最大；中部和北部居中，各层次土壤湿度在70%～95%之间（表1）。

表1 1981—2018年平均土壤湿度（%）Table 1 Average humidity of the soil from 1961 to 2018（%）

0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 土层从2 月28 日至5 月28 日期间，北部、西部、中部和东部土壤湿度均是先增加后减少的趋势（图10），3 月土壤湿度是增加的，0～10 cm 土层在3 月中旬达到最高，而10～20 cm 及20～30 cm 土层在3 月下旬达到最高，4—5月土壤湿度是总体下降的，且无论是上升还是下降过程中，东部的土壤湿度始终最高，北部次之，中部再次之，西部最低。说明在春季土壤融冻期间，土壤湿度随着时间的推移，先增大后减小，即土壤水分是随着时间的推移，先增加后减少，且深层土壤水分达到峰值的时间比浅层土壤延迟，分别在3 月中旬、下旬，进入4月随着气温升高，春风加大，土壤水分蒸发加快，土壤水分逐渐减少。

图10 1981—2018年不同层次平均土壤湿度Fig.10 Average humidity of the soil at different levels from 1961 to 2018：0～10 cm（a），10～20 cm（b）and 20～30 cm（c）

2.2.2 冬季土壤冻结前后土壤水分变化

将1981—2018 年春季第一次（2 月28 日）土壤测墒0～30 cm 土壤湿度与上一年冻结前11月8日土壤测墒结果相比较，分析土壤冻结期间土壤中水分的变化。

从历年平均土壤湿度（表2）来看：北部、中部、东部是正值，且0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 土层，差值逐层递增，从区域来看，北部增幅大，而中部和东部相当；西部是负值，且逐层递减。1981—1987年各层次差值年际间变化相对较大，1988—2018 年年际间变化相对较小。

表2 1981—2018年2月28日土壤湿度与上一年11月8日比较（%）Table 2 Comparison of humidity of the soil on 28 February and 8 November of the previous year from 1961 to 2018（%）

总的来说在整个冬季土壤冻结期间，北部、中部及东部土壤湿度是增加的，且随着土壤深度的增加，土壤湿度增加的越多，而西部土壤湿度是减少的，且减幅较小，20～30 cm 土层仅仅减少0.3%，且随着土壤深度的增加，土壤湿度减少的越少，这是由于北部、中部和东部积雪厚，土壤蒸发少，而西部积雪少，甚至无积雪，土壤裸露，土壤中水分有一部分蒸发。

2.2.3 春季冻融过程中0 cm地温变化

由于黑龙江省冻融时间南北差异较大，因此在分析0 cm 地温时将全省分为南部和北部，北部包括大、小兴安岭，南部包括松嫩平原、三江平原及东南部半山区。

1961—2018年2月1日至5月31日0 cm 平均地温（图11）全省平均在-17.3～22.1 ℃之间，北部在-21.8～19.8 ℃之间，南部在-16.5～22.5 ℃之间。全省平均在3 月23 日地温高于0 ℃，南部的升温速度相对较快，升温趋势明显，与全省变化趋势基本一致，0 cm 地温到达0 ℃的时间相对偏早，在3月22日左右，与全省平均接近；而北部纬度高，升温速度明显慢于南部，0 cm地温到达0 ℃的时间相对偏晚，在3月30日，比南部延迟8 d。

图11 2月1日至5月31日0 cm地温变化Fig.11 Change of temperature at 0 cm from February 1 to May 31

3 结论

黑龙江省冬季寒冷漫长，土壤冻结时间长，土壤冻结期初日北部早，南部晚，随着时间推移逐年延后；土壤冻结期终日与初日相反，北部晚、南部早，且逐年提前；土壤冻结期平均为158 d，北部长、南部短，随着时间推移逐年缩短。土壤冻结期间气温和降水不同地区年际间变化较大，全省多年平均气温为-12.2 ℃，北部低南部高，随着纬度降低气温升高，年代之间呈现逐年上升的趋势。降水量多年平均为41 mm，呈现西部少、东部和北部多，且逐年增加的趋势。随着温度升高，土壤开始融化，由于昼夜温差大，白天高于0 ℃，夜晚低于0 ℃，土壤反复冻结融化，冻融次数是这种土壤状态的直接反映，黑龙江省春季冻融次数呈现平原少、山区多，且逐年减少的趋势，平原地势开阔，气象要素变化相对简单，平原冻融次数少，土壤受到侵蚀相对偏小；山区地形复杂，气象要素受地形地貌影响大，变化多变，因此冻融次数多，土壤受到侵蚀相对严重。春季各地积雪融化时间早晚不一，融雪开始时间北部晚，南部早，且呈现逐年提前的趋势，升温速率是反映积雪融化的快慢的直接因子，升温速率越高，融雪越迅速，融雪期升温速率呈现北部、东部低，中部、南部高且逐年下降的趋势，即融雪侵蚀北部和东部低于中部和南部。

春季土壤反复冻融，对土壤湿度、温度影响巨大，土壤的旱涝及温度受其影响严重，进而影响作物备耕生产及适时播种，不同地区不同年份土壤湿度和温度不同，东部土壤湿度最高，中部和北部居中，西部最低，土壤中的水分含量是随着时间的推移，先增加后减少，且深层土壤中水分达到峰值的时间比浅层土壤延迟，分别在3月中旬、下旬，进入4月土壤中水分含量减少。随着土壤深度的增加，北部、西部、中部及东部土壤湿度均增大。在整个冬季土壤冻结期间，北部、中部及东部土壤湿度是增加的，西部土壤湿度是减少的，这是由于北部、中部和东部积雪厚，土壤蒸发少，而西部积雪少，甚至无积雪，土壤裸露，土壤中水分有一部分蒸发。土壤冻融期间南部0 cm 地温到达0 ℃的时间相对偏早，与全省平均接近；而北部升温速度明显慢于南部，0 cm地温到达0 ℃的时间相对偏晚。