气候变化对东北黑土冻融作用与冻融侵蚀发生的影响分析_范昊明.pdf

第 23卷 第 6期干 旱 区 资 源 与 环 境V o l.23N o.62009年 6月J o u r n a l o f A r i dL a n d R e s o u r c e s a n dE n v i r o n m e n tJ u n e.2009文章编号:1003-7578(2009)06-048-06气候变化对东北黑土冻融作用与冻融侵蚀发生的影响分析范昊明,张瑞芳,周丽丽,武敏,刘艳华(沈阳农业大学水利学院,沈阳 110161)提要:文中对气候变化与东北黑土冻融作用及冻融侵蚀发生的影响关系进行了分析,探讨黑土冻融作用发生的气候环境,以及气候环境变化对黑土冻融作用的影响问题。结果表明:东北黑土区年平均气温的波动上升十分显著,而降水呈波动下降趋势。在气温和降水变化的情况下,东北黑土冻结层和融化层的深度趋于减小,发生冻融作用的程度趋于减小。在空间变化上,黑土区由北到南冻结层和融化层的深度逐渐减小,发生冻融作用的程度也逐渐减小;土壤有迟冻结,早融化的趋势;初春(3月)温度的上升,冬季降雪量的增加,使春季解冻期融雪侵蚀有加剧的可能。关键词:气候变化;冻融作用;冻融侵蚀;东北黑土中图分类号:P 467文献标识码:A 中国东北黑土是我国,也是世界上肥力较高、土壤性状良好的耕作土壤类型之一,在我国,更有人将其称为 土中之王。由于黑土肥力高,耕作性好,黑土分布区域已经发展成为我国重要的粮食生产基地。但是,由于自然与人类不合理的生产活动等诸多因素的综合影响,目前,东北黑土侵蚀比较严重 1。作用于东北黑土的侵蚀类型主要有水力侵蚀、风力侵蚀、重力侵蚀与冻融侵蚀等。目前,相对于其它侵蚀类型而言,有关冻融侵蚀,以及由于冻融作用与冻融侵蚀诱发的其它类型侵蚀的相关研究较少,这也在很大程度上,限制了人们对冻融作用与冻融侵蚀表现突出的东北黑土侵蚀过程的认识与侵蚀治理的研究。据第 2次全国土壤侵蚀遥感调查资料统计,我国可发生冻融侵蚀的面积超过 126.98 104k m2,约占全国国土总面积的 13.4%。绝大部分的冻融侵蚀主要分布在东北地区、西北高山区、青藏高原地区 2。对于东北黑土冻融侵蚀问题,目前也有一定深度的认识。刘绪军等对黑龙江克拜黑土区沟壑冻融侵蚀主要形态特征进行了探索,指出克拜黑土区沟壑冻融侵蚀尤为严重,可使耕地中的沟壑每年扩张 50 100c m 3。景国臣等将冻融侵蚀分为融雪径流侵蚀、沟壑冻融侵蚀、寒冻石流、冻融风蚀、冻融泥流、冰川侵蚀等类型 4。景国臣对黑龙江省冻融侵蚀形式及其危害进行了调查研究,认为冻融侵蚀加快了土壤流失速度,使大量农、林、草地被破坏,降低了土地生产力 5。在国内其他地区有关冻融侵蚀的主要研究有,王随继对黄河中游冻融侵蚀的表现方式及其产沙能力进行了评估,认为黄河中游多沙区的侵蚀产沙中冻融侵蚀的贡献是巨大的 6。张建国等对四川省及西藏地区的冻融侵蚀进行了界定与评价。研究认为,冻融侵蚀区是指具有以强烈的冻融作用为特征的寒冷气候条件,冻融作用是最普遍、最主要的外力侵蚀过程,同时应有相应的冻融侵蚀地貌形态表现的区域 7,8。杨具瑞等 9对砒砂岩区沟道冻融风化侵蚀进行了较为深入的研究,建立起了小流域单位长度沟沿线沟角线冻融风化侵蚀量比例模型和冻融风化侵蚀模数比例模型。以上国内研究除杨具瑞等人、张建国等人的研究外,均属定性分析与概念探讨,定量研究较少。对冻融作用与冻融侵蚀发生条件的探讨也不多见。文中将针对东北黑土区气候环境对黑土冻融作用与冻融侵蚀的影响关系,以及气候变化对黑土冻融作用与冻融侵蚀发生的影响关系进行分析,探讨黑土冻融发生的气候环境,以及气候环境变化对黑土冻融的影响问题。收稿日期:2008-4-22。基金项目:国家自然科学基金资助项目(40601054);辽宁省教育厅高等学校科学研究青年基金资助项目(05L 403)作者简介:范昊明(1972.),男,吉林白山人,博士,主要从事流域侵蚀、产沙与水土保持规划方面的研究。E-m a i l:f a n h a o m i n g 163.c o m1 东北黑土冻融环境 东北黑土分布区属于北温带半湿润大陆季风性气候,冬季寒冷,春秋两季干旱多风,干燥度一般1,年平均气温为 0.5 6,年降雨量一般在 500 600m m。黑土区日温差、年温差较大,冻融交替明显、作用时间长。春季解冻后的土壤疏松,抗蚀能力明显降低。影响土壤冻结与融解的最主要因子为土壤水分情况与气温。土壤含水量越大,在冻结过程中冻胀率越高,融解过程中融沉率也越高。冻胀、融沉的程度越高,土壤的抗蚀稳定性越差。温度的变化,尤其是 0上下温度的变化幅度与变化频率,直接影响着土壤冻结与融解的过程,进而影响到了土壤的物理性质与抗蚀稳定性。0上下气温变化幅度越大、变化频率越高,土壤的抗蚀稳定性越差。1.1 黑土区水分条件与冻融作用土壤含水量越高,其冻融作用与冻融侵蚀越为强烈。虽然黑土结构性良好、孔隙度也较高,但由于黑土发生于透水性极差的粘土层之上,且黑土土层较薄,粘土层母质较浅,加之季节性冻土层的存在,因而,有时可形成上层滞水。黑土水分来源于大气降水,由于粘土层母质与季节性冻层的影响,其水分循环方式为大气 土壤,所以黑土水分的运动一般在 1m 左右土层以内,只有在夏秋季节性冻层全部融通,同时降水又比较集中的情况下,才出现临时重力水。从土壤发生学的角度来看,黑土属于半水成土。黑土的高含水量是冻融作用与冻融侵蚀强烈发生的重要条件,尤其是在每年的 3 5月,土壤解冻及融雪过程中,虽然这一时期降水较少,但由于土壤融冻水及融雪影响,含水量较多。这一时期也正是表层黑土 夜冻昼融 频繁时期,高含水率使黑土的冻融作用与冻融侵蚀更为强烈。另外,这一时期土壤水分的动态,除受当年降水和蒸发等因素影响以外,主要取决于前一年夏秋降水和冻结前土壤的含水量。如果前一年秋季降水多,冻结前土壤含水量高,则春季土壤含水量也高,反之则低。按照一般规律,黑土区在 9 11月,主要特点是降水仍然较多,但这一时期植物大部停止生长,作物或已收割,或已到成熟阶段,需水不多,蒸腾减少,土壤水分也相应增加。这一时期,黑龙江 九三 地区 0 50c m 土层的含水率都在 40%以上,吉林榆树地区也到 30%左右 10,为来年春季解冻期土壤高含水率与强烈冻融作用的发生奠定了基础。从每年的 11月到第二年 3月,降水主要为降雪的形式,降水量约占全年 10%左右(九三 地区)10,土壤水分处于冻结状态,由于热毛管运行的影响,土壤表层水分聚集较多,进而也使土壤表层孔隙加大,待来年春天解冻时期,表层冻土融化,留下较大孔隙致使土壤的强度和抗蚀能力降低。1.2 黑土区气温条件与冻融作用温度调节着土壤冻结和融化层的深度,温差越大,其深度越大,持续时间也越长,发生冻融作用的程度也越大,这是冻融侵蚀发生的必要条件。另外,春季冻土初融时,由于温度在 0上下波动,还会发生反复的冻结与融化过程,这些过程会严重改变土壤的物理性质,影响春季解冻期土壤侵蚀的发生与发展过程。从黑土土壤温度年变化来看,在每年的 11月份到次年 3月份,黑土一般处于冻结状态;每年的 3 5月,0 20c m土层内温度变动于 0上下,表现出 昼融夜冻 的特点,20c m 以下土层在这一时期一般处于冻结状态;每年的 5 9月份是黑土一年中最暖的时期,这个时期季节性冻层逐渐融化,地表 0 20c m 土层温度均在 10 15 20以上,到 8月中下旬或更晚一点土壤层可以全部融通;每年 9 11月,土壤温度大部分在 0 以下,开始进入低温期,至 11月初土壤冻结。从黑土土壤温度日变化来看,表层 30c m 以上昼夜温度的变化比较剧烈。据 1957年 7月 19日到 20日一次观测结果显示 10,每日从 6时土温开始上升,地表 5c m及 15c m 土温分别在 12、14、16时达到最高峰,到 3时以后或 5时才下降到最低点。这时除地表特别低外,5、15、30c m 的土温都很接近。30c m 以下土温变化不大。2 气候变化分析2.1 资料来源文中所用的资料来源于中国气象局提供的气象资料,资料时段为 1951-2006年,共 56年,使用的要素有年、月、日平均气温、降水量表 1东北黑土区代表台站基本特征表T a b.1B a s i cf a c t o r so f t y p i c a l s t a t i o n si nb l a c ks o i l r e g i o no f N o r t h e a s t C h i n a地名代号经度纬度年平均气温()年降水量(m m)嫩江1124 44 E48 42 N0.07482.46哈尔滨2125 42 E44 04 N4.09532.38四平3124 20 E43 10 N6.40634.3649第 6期范昊明等 气候变化对东北黑土冻融作用与冻融侵蚀发生的影响分析等。采用一元回归、趋势系数等方法分析气候变化。选择该区内从北到南的嫩江、哈尔滨、四平 3个代表台站进行分析,代表台站的多年气温降水分布特点如表 1所示,在下文中所提及的站点均以代号替代。2.2降水条件变化分析从黑土区降水变化可以看出(图 1),近 56a 来该区的降水呈波动下降趋势,代表台站降水的线性拟合减少率分别为 9.49m m/10a(1站)、7.56m m/10a(2站)、22.29m m/10a(3站),并且只有 3站通过了 a=0.05的置信度检验,说明近 56a 来黑土区南部降水的减小趋势是显著的。由图 1还可以看出,从空间上降水从北向南逐渐增加,以南部降水最高,从北到南降水空间变化趋势为中部减少趋势小,北部、南部减少幅度较大,以南部减少幅度最大。图 1东北黑土区 1951-2006年降水变化F i g.1A n n u a l p r e c i p i t a t i o ni nb l a c ks o i lr e g i o no f N o r t h e a s t f r o m1951t o2006图 2东北黑土区 1951-2006年 9-11月降水变化F i g.2P r e c i p i t a t i o nv a r i a t i o nf r o mS e p t e m b e r t oN o v e mb e r i nb l a c ks o i l r e g i o no f N o r t h e a s t d u r i n gt h ep e r i o do f 1951-2006 土的冻结与融化过程受到土的含水量影响,土的冻结温度随含水量的增大而升高(含水量大的土相变潜热大),所以在相同的气候条件、土质、温度动态大致相同的情况下,含水量高的土先冻结,迟融化。对秋季降水来说,足够的降水能够下渗到地表内必要的深度,作为冻融作用的驱动主体,为来年春季解冻期土壤高含水率与强烈冻融作用的发生奠定了基础。图 2是对土壤冻结前含水量影响较大的 9 11月降水变化分析,该区在此期间降水量趋于减少,南部减小幅度最大,这会使土壤冻结前含水量减小,致使春季解冻期土壤含水量有减少的趋,因此,土壤有迟冻结,早融化的趋势。随着气温的下降,土壤逐步进入完全冻结状态,据资料统计,黑土完全冻结期大约是 11月到次年 3月,这一时期降水主要为降雪的形式。图 3所示该时段降水有微小的增加,且由北向南逐渐增大。完全冻结期降雪量越大,春季解冻期气温回升越快越高,冰雪融化的会越快,一次性产生的地表径流越大,对表层土壤侵蚀也越严重。图 3东北黑土区 1951-2006年 11-3月降水变化F i g.3 P r e c i p i t a t i o nv a r i a t i o nf r o mN o v e mb e r t oM a r c hi nb l a c ks o i l r e g i o no f N o r t h e a s t d u r i n gt h ep e r i o do f 1951-2006图 4东北黑土区 1951-2006年 3-5月降水变化F i g.4 P r e c i p i t a t i o nv a r i a t i o nf r o mMa r c ht oMa yi nb l a c ks o i l r e g i o no f N o r t h e a s t d u r i n gt h ep e r i o do f 1951-2006 随着气温的逐渐上升,表层土壤一般在 3月开始解冻,解冻期大约在 3 5月,这一时期黑土最明显的特点是 昼融夜冻 ,反复的冻融作用使黑土的抗蚀能力大大降低。随着春季气温回升,冰雪开始融化,积雪和表层土壤也开始融化,而下层冻土传热慢,融化也慢,因此在土壤中形成一个不透水层,随着冰雪融化,不透水层上部的土壤达到饱和状态后,多余的水分就不能及时入渗到下层土壤中,因而产生地表径流,50干 旱 区 资 源 与环境第 23卷而此时解冻的表层土壤在反复的冻融过程中其团聚体大小及稳定被破坏 11,极容易造成土壤侵蚀。图 4是东北黑土区 3 5月解冻期降水变化情况,此时的降水多以雨加雪和降雨的形式发生,总降水量有减少的趋势,这使得春雨侵蚀将有所降低。2.3 气温条件变化分析从黑土区气温变化可以看出(图 5),近 56a 来该区气温呈波动增加趋势,代表台站气温的线性拟合增加率分别为 0.47/10a(1站)、0.41/10a(2站)、0.467/10a(3站),并且通过了 a=0.01的置信度检验,说明近 56a 来该区气温的上升趋势是十分显著的。图 5还可以看出,近 56年温度从北向南逐渐增加,以南部温度最高,从北到南温度空间变化趋势为中部上升趋势小,北部、南部上升幅度较大,以北部幅度最大。图 5东北黑土区 1951-2006年年平均气温变化F i g.5A n n u a l m e a na i r t e mp e r a t u r ei nb l a c ks o i lr e g i o no f N o r t h e a s t f r o m1951 t o2006图 6东北黑土区 1951-2006年气温年较差变化F i g.6A n n u a l d i f f e r e n c eo f a i rt e m p e r a t u r ei nb l a c ks o i l r e g i o no f N o r t h e a s t f r o m1951 t o2006 气温年较差是反映土壤冻结深度的指标,气温年较差越大,冻结层和融化层的深度越大,发生冻融作用的程度就越大。从黑土区气温年较差变化可以发现(图 6),近 56年来该区气温年较差呈减小趋势,代表台站气温年较差的线性拟合减小率分别为 0.39/10a(1站)、0.22/10a(2站)、0.31/10a(3站),并且通过了 a=0.01的置信度检验,说明近 56a 来黑土区气温年较差的减小趋势十分显著。图 6还可以看出,近 56年,从北到南气温年较差空间变化趋势为中部减小趋势小,北部、南部减小幅度较大,以北部减小幅度最大。以上分析可知,随着年平均气温的上升、气温年较差的减小,冻结层和融化层的深度趋于减小,发生冻融作用的程度趋于减小。随着地理纬度的降低,由北到南冻结层和融化层的深度也逐渐在减小,发生冻融作用的程度也逐渐在减小,而中部地区较北部和南部的变化幅度小。图 7东北黑土区 1951-2006年 3月气温日较差变化F i g.7D a i l yd i f f e r e n c eo f a i r t e m p e r a t u r ei nMa r c hi nb l a c ks o i l r e g i o no f N o r t h e a s t f r o m1951t o2006图 8东北黑土区 1951-2006年 4月气温日较差变化F i g.8D a i l yd i f f e r e n c eo f a i r t e m p e r a t u r ei nA p r i l i nb l a c ks o i l r e g i o no f N o r t h e a s t f r o m1951 t o2006 春季冻土初融时,由于温度在 0上下波动,还会发生反复的冻结与融化过程,这些过程会严重改变土壤的物理性质,加剧春季解冻期土壤侵蚀的发生与发展。图 7 9是黑土区春季解冻期(3 5月)气温日较差变化,从图 7看出,初春 3月气温日较差变化呈减小趋势且幅度不大,基本局限于 10 15之间,51第 6期范昊明等 气候变化对东北黑土冻融作用与冻融侵蚀发生的影响分析图 9东北黑土区 1951-2006年 5月气温日较差变化F i g.9D a i l yd i f f e r e n c eo f a i r t e m p e r a t u r ei nMa yi nb l a c ks o i l r e g i o no f N o r t h e a s t f r o m1951 t o2006而且由北向南逐渐减小。进入 4月(图 8),气温日较差变化呈增大趋势且幅度较大、频率较高,处于 9 18之间,而且由北向南逐渐减小。进入 5月(图9),气温日较差变化幅度不大,基本围绕 15上下波动。以上分析可知,随着春季气温的上升,温度在0上下波动,表层土壤会发生反复的冻结和融化。在春季解冻期内,反复的冻结和融化经历了由稳定到剧烈再趋于稳定的过程。另外,随着地理纬度的降低,由北到南反复冻结和融化的剧烈程度逐渐在减小,发生冻融作用的程度也在逐渐减小。3 总结(1)通过对东北黑土区 1951 2006年温度和降水气候因子分析发现:近 56a 来气温呈波动增加的趋势且十分显著,气温年较差的减小趋势是十分显著的;降水变化与气温变化相反,呈波动减少趋势。对年内温度和降水分析发现:春季解冻期(3 5月)气温日较差随时间呈减小到增大最后趋于稳定;冻结前(9 11月)降水量有减少趋势,完全冻结期(11 3月)降水量有微小增加,而春季解冻期(3 5月)降水量有微小的减少。(2)对东北黑土区从北到南气温与降水空间变化进行分析发现:近 56a 降水有减小趋势,从北到南降水减少空间变化趋势为中部减少趋势小,北部、南部减少幅度较大,南部减小幅度最大。气温年较差从北向南逐渐减小,以北部气温年较差减少最高,从北到南气温年较差空间变化趋势为中部减小趋势小,北部、南部减小幅度较大,以北部幅度最大;降水从北向南逐渐增加,以南部降水最高,从北到南降水空间变化趋势为中部减少趋势小,北部、南部减少幅度较大,以南部减少幅度最大。(3)随着气候的变暖,在气温和降水变化的情况下,黑区冻结层和融化层的深度趋于减小,发生冻融作用的程度趋于减小。在空间变化上,由北到南冻结层和融化层的深度逐渐在减小,发生冻融作用的程度也逐渐在减小,土壤有迟冻结,早融化的趋势。此外,随着初春(3月)温度的上升,冬季降雪量的增加,春季解冻期融雪侵蚀有加剧的可能。参考文献 1 范昊明,蔡强国,王红闪.中国东北黑土区土壤侵蚀环境 J .水土保持学报,2004,18(2):66-70.2 陈雷,焦居仁,刘震,等.中国土壤侵蚀图册 M .北京:中国标准出版社,2002.3 刘绪军,景国臣,齐恒玉.黑龙江克拜黑土区沟壑冻融侵蚀主要形态特征初探 J .水土保持科技情报,1999(1):28-30.4 景国臣.冻融侵蚀的类型及其特征研究 J .中国水土保持,2003(1):17-20.5 景国臣,任现平,刘丙友,祁贵国.黑龙江省冻融侵蚀形式及其危害 J .中国水土保持科学,2003,1(3):97-102.6 王随继.黄河中游冻融侵蚀的表现方式及其产沙能力评估 J .水土保持通报,2004,24(6):1-7.7 张建国,刘淑珍,范建容.基于 G I S 的四川省冻融侵蚀界定与评价 J .山地学报,2005,23(2):248-253.8 张建国,刘淑珍.青藏界定西藏冻融侵蚀区分布的一种新方法 J .地理与地理信息科学,2005,21(2):32-35.9 杨具瑞,方铎,毕慈芬.砒砂岩区小流域沟冻融风化侵蚀模型研究 J .中国地质灾害与防治学报,2003,14(2):87-93.10 中国科学院林业土壤研究所.中国东北土壤 M .北京:科学出版社,1980.11 范昊明,蔡强国.冻融侵蚀研究进展 J .中国水土保持科学,2003,1(4):50-54.52干 旱 区 资 源 与环境第 23卷I m p a c t o f c l i m a t e c h a n g eo nf r e e z e-t h a wf u n c t i o na n df r e e z e-t h a we r o s i o ni nb l a c ks o i l r e g i o no f N o r t h e a s t C h i n aF A NH a o m i n g,Z H A N GR u i f a n g,Z H O UL i l i,WUM i n,L I UY a n h u a(C o l l e g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y,S h e n y a n g A g r i c u l t u r e U n i v e r s i t y,S h e n y a n g110161 L i a o n i n g p r o v i n c e,P.R.C h i n a)A b s t r a c t:I nt h i s p a p e r,i m p a c t o f c l i m a t e c h a n g eo nf r e e z e-t h a wf u n c t i o na n df r e e z e-th a we r o s i o ni nb la c ks o i l r e g i o n o f N o r th e a s t w e r e a n a l y z e d t o p r o b e in t o t h e c l i m a t e e n v i r o n m e n t o f f r e e z e-t h a wa n d t h e im p a c t o f c l i-m a t e e n v ir o n m e n ta l c h a n g e o nf r e e z e-t h a wi n b l a c ks o il r e g i o n o f n o r t h e a s t.T h e r e s u l t s s h o w e dt h a t t h e a n n u a lm e a nt e m p e r a t u r e h a di n c r e a s e dd i s ti n c t l y,t o g e t h e r w i t h a d e c l i n e o f p r e c i p i t a ti o n.Wit ht h e v a r i a ti o n o f t e m p e r-a t u r e a n dp r e c i p i ta t i o ni nb la c ks o i l r e g io no f N o r t h e a s t,t h ef r o z e ns o i l d e p t ha n dt h et h a wd e p tho f s o i l d e-c r e a s e d,w h i c hw e r e g r a d u a ll yd e c r e a s i n gfr o mt h en o r t htot h e s o u th.th e f r o z e nd a t e o f s o i l w a s p o s t p o n e da n dt h et h a wd a t e o f s o i l w a s a d v a n c e d.Wi t hth e r i s in g o f t h e a ir t e m p e r a t u r e i n M a r c h a n dth e s n o w f a l l i n c r e a s i n g inw in te r,t h efr e e z e-t h a we r o s i o nw a s a g g r a v a t e d.K e y w o r d s:C l i m a t ec h a n g e;f r e e z e-t h a wf u n c t i o n;f r e e z e-t h a we r o s i o n;b la c ks o i l r e g i o no f n o r t h e a s t C h i n a53第 6期范昊明等 气候变化对东北黑土冻融作用与冻融侵蚀发生的影响分析