土地覆被—积雪对长白山地区季节性冻土的地温影响研究

【摘要】冻土是地球冰冻圈系统中的主要组成部分。其存在、分布受到多种因素的影响，并且存在显著的时空变化。在大陆尺度和区域尺度上，其主要受纬度、海拔、大陆度和干燥度等因素的控制和影响。在局域尺度上，其受土地覆被、积雪、坡向、坡度、土壤、岩性、水分等影响水热平衡的局地因子的控制和影响。其中，土地覆被和积雪对冻土的影响非常显著，也一直是研究的重点和热点。根据周幼吾等《中国冻土》及中国科学院寒区旱区环境工程研究所《1:1000万冻土类型》定义：东北地区季节性冻土为“中深层季节性冻土（Middle-thickseasonallyfrozenground）”，即冻结深度大于1m的季节性冻土。本文所指的季节性冻土为此类。为了研究土地覆被和积雪对季节性冻土地温的影响，本文在长白山牡丹岭（敦化市江源镇南山）地区选取典型地段的三种土地覆被状态，即红松栎林、耕地、沟谷湿地作为研究样地，分3组布设6台HOBO和3台自动气象站，同时配设多部手持式气象仪，对森林、耕地和沟谷湿地的季节性冻土和积雪进行了2个冬季的观测（2010~2011，2011~2012），并进行了植被扰动、积雪扰动条件下地温的变化情况的观测，研究植被和积雪对地表温度造成的影响。此外，本文基于2001年以来长白山30个气象站的地温、积雪以及常规气象数据，并于http://modis.gsfc.nasa.gov/下载了2001~2010年的MODIS影像，在其地表月均温产品的基础上，合成了长白山地区各年份地表年均温等值线图谱。同时也反演了相应年份冬季的积雪深度图谱。然后一同叠加在长白山土地利用图上，依据地表覆被和积雪对地表的温度影响值，将图谱中的各栅格数据进行调整，形成新的地温图谱。依据周幼吾《中国冻土》关于中深层季节季节性冻土（又称稳定性冻结）的季节冻结和融化层地面年平均温度（tξ）与年平均气温（ta）的关系公式：tξ=3.72144+0.72329ta，计算出tξ=10（中深层季节冻土和浅层季节冻土分界线），年平均气温ta=8.68。然后在tξ=10的区域选取6个站点，通过1961~2010年年平均气温数据和地表年均温数据线性回归得到：tair=0.8092tground+0.4339（Adj-R2=0.8717,p=0.000），然后换算出tξ=10的地表温度为tground=10.2，即地表年均温10.2℃所在的线为中深层季节性冻土南界线。最后在调整后的地温图谱中提取地表年均温为10.2℃的线，作为中深层季节性冻土的南界，并分析在2001~2010年其界线的变动情况。通过对所获得的数据和反演结果进行分析，主要结论如下：1）植被的高低和盖度差异对其内气候的影响不同。红松栎林因植被高大、冠层浓密以及层片较多，造成冬季的降温作用明显。分析可见，与植被冠层顶部相比，冠层将吸收和反射约40%左右的太阳辐射，因此导致林内且气温较低，降温幅度在2℃左右。而耕地因作物株行距较大，植株矮小，且冬季时叶子枯落，其对太阳辐射的影响非常小，因此对下伏土壤地温影响不大。沟谷湿地以苔草、莎草、小叶章为主，植物盖度较大，但因高度太小，其对地面的降温作用也不大，但稍高于耕地。2）地表覆被不同对下伏季节性冻土的影响不同。地表覆被因个体形态不同，盖度不同，对下伏土壤的温度影响不同。监测发现，森林在冬季的降温作用明显，可以造成其下伏浅层地温温度位移在2℃左右，并使冻土冻结时间提前，冻结深度加重。而耕地和草地则相对较弱。3）积雪的保温作用对下伏季节性冻土影响在解冻和融化期不同。积雪具有保温作用，不同深度其保温效果不同。在长白山的地区，不足5cm的积雪对下伏浅层地温影响作用不大，但当积雪在15~20cm时，造成的温度位移在2~4.1℃左右。积雪在土壤冻结初期，表现为弱化浅层地温的降低，使冻结深度变浅，但在土壤解冻时，因其需吸收大量相变热，造成浅层地温回升较慢，延长土壤冻结时间。4）植被和积雪扰动对下伏季节性冻土影响很大。清除植被，使地表完全裸露，则去除了植被的降温作用，使下伏土壤冻结时间延后，冻结深度发生变化。同理积雪也对下伏土壤地温产生响应的影响。但是两者之间往往存在交叉影响，即植被清除后，则积雪较未清除的样地要厚，积雪的保温作用就体现出来了。5）长白山地区中深层季节性冻土南界移动幅度较大。2010年因极端高温，中深层冻土南界在研究区以南；2003、2004、2006年中深层季节性冻土南界位置相似，且位于最北端，即丹东-岫岩-海城一线；其余的年份则基本分布在宽甸-盖州一线附近。近十年界限南北最大差距在350公里以上。总的研究表明，植被和积雪对长白山季节性冻土的影响机制较为复杂，不同植被类型和积雪状态对冻土的影响程度也各不相同，且同时可能受气温、坡度坡向、岩性、水分等其它因素的共同影响。本论文基本较为成功地分析和解释了长白山典型地表覆被和积雪对冻土地温以及冻融过程的影响机理，并给出了它们对冻土的影响程度，最后探讨了基于植被和积雪影响下的季节性冻土南界对气候变化的响应，为今后长白山季节性冻土影响因素的研究奠定基础。
【作者】孟祥君；
【导师】吴正方；
【作者基本信息】东北师范大学，自然地理学，2014，博士
【关键词】长白山；地表覆被；积雪；季节性冻土；地温；

【参考文献】
[1]谢琰.氮肥和密度对不同穗型小麦穗粒数形成的影响[D].南京农业大学,作物栽培学与耕作学,2012,硕士.
[2]唐可.制造企业核心竞争力培育及实证研究[D].四川大学,2004.
[3]姜常玖.无机胶植筋式后锚固连接的抗火性能研究[D].山东建筑大学,防灾减灾及防护工程,2013,硕士.
[4]王胜春,罗四维,黄雅平,王亮,戴鹏.移动车载视频的立体全景图生成方法[J].光学学报,2014,12:210-218.
[5]邓来.基于SVM特征选择算法的对等网络流量识别应用研究[D].湖北工业大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[6]赵建楠.旅游目的地文化形象及其传播研究[D].华中师范大学,人文地理学,2013,硕士.
[7]胡晓璐.双电机驱动系统消隙技术研究与实现[D].西安电子科技大学,控制理论与控制工程,2012,硕士.
[8]王武,詹耀清,杨富文.一类网络控制系统的H_2方法[J].自动化学报,2008,02:219-224.
[9]席裕庚,朱红林,李德伟.基于多面体不变集的离线鲁棒预测控制器综合[J].控制与决策,2009,02:187-190+195.
[10]董新培.乌鳢线粒体DNA控制区结构分析及遗传多样性[D].河北大学,细胞生物学,2014,硕士.
[11]崔先文,何展翔,刘雪军,罗延钟,江汶波,刘平生.频谱激电法在大港油田的应用[J].石油地球物理勘探,2004,S1:101-105+169.
[12]王珊珊.弹性车辆系统振动及传递特性研究[D].北京交通大学,2014.
[13]刘宏.血管紧张素转换酶基因多态性与血管性痴呆发病关系的研究[D].青岛大学,病原生物学,2003,硕士.
[14]杨君.W公司培训体系优化设计[D].北京交通大学,2014.
[15]郑燕青.不同穴位和补泻手法的穴位注射对心气虚证模型大鼠心功能的影响[D].浙江中医药大学,针灸推拿学,2013,硕士.
[16]孙龙江.药物配合物修饰Keggin型多酸复合物的组装化学[D].佳木斯大学,药物化学,2014,硕士.
[17]王涛.基于信息理论学习的网络流量预测[D].西安邮电大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[18]于宏涛,高立群,吕勇军.基于混合和声搜索算法求解竞争选址问题[J].控制与决策,2013,07:1083-1086+1093.
[19]雷建勇.通气结构对鼓泡容器内气液两相分布的影响[D].西北大学,化工过程机械,2014,硕士.
[20]徐喜媛.内皮祖细胞移植在脓毒症大鼠中的作用研究[D].内蒙古大学,生物工程,2014,硕士.
[21]韩佳.燃气轮机涡旋管式进气滤清器性能研究[D].哈尔滨工程大学,轮机工程,2012,硕士.
[22]于锦恩.民国时期华文教育本土化探析——以国语文教材的编写为视角[J].华侨华人历史研究,2014,03:51-58.
[23]田瑞雪.碳量子点表面基团调控及性能的研究[D].中北大学,材料学,2014,硕士.
[24]李卫东,高黛陵,吴麒.抽取对象输出响应特征设计控制器的新方法[J].自动化学报,1997,05:90-93.
[25]曾勇,唐小我.购买行为分析与新产品最优广告和价格策略[J].控制与决策,1994,02:136-140.
[26]薛文瑞.高效率LED路灯驱动电源的仿真研究[D].东北石油大学,测试计量技术及仪器,2013,硕士.
[27]安士.我国环境治理中的地方政府职能研究[D].内蒙古大学,公共管理,2014,硕士.
[28]陈岩.一类资源受限项目调度系统的设计与实现[D].北京交通大学,2014.
[29]白世敬.功能性腹泻脾虚证动物模型制作及评价方法研究[D].北京中医药大学,中医诊断学,2014,硕士.
[30]索高盈.基于网络的政民互动模式研究[D].西北大学,公共管理（专业学位）,2014,硕士.
[31]白洁.我国房地产领域贿赂犯罪预防研究[D].贵州民族大学,刑法学,2012,硕士.
[32]孟祥飞.急性冠脉综合征患者择期冠脉介入诊疗术后对比剂肾病的药物干预研究[D].苏州大学,心血管病学,2013,硕士.
[33]代淑媛.贫困县金融发展研究[D].云南财经大学,公共管理,2013,硕士.
[34]苍丽娜.蒙古国留学生汉语“被”字句习得偏误和教学策略研究[D].内蒙古师范大学,汉语国际教育（专业学位）,2012,硕士.
[35]李影.节节草对Cu毒害的响应及耐性机制的初步研究[D].安徽师范大学,生态学,2004,硕士.
[36]王节.甘肃省产业经济系统演化的混沌性分析[D].兰州大学,数量经济学,2013,硕士.
[37]苏宏.数据大集中后的思考[J].华南金融电脑,2004,03:2-4.
[38]郑拥凯.康有为《论语注》研究[D].湖北大学,历史文献学,2011,硕士.
[39]陆宇岑.临港工业产业集群与港口物流的耦合机理及产业优化路径研究[D].浙江大学,国际商务（专业学位）,2013,硕士.
[40]任歆.胰岛素对缺血再灌注脑损伤保护作用的实验研究[D].山西医科大学,神经病学,2002,硕士.
[41]沈杉杉.MRI多模态成像技术对正常人Willis环和大脑中动脉病变组对照研究[D].河北医科大学,影像医学与核医学（专业学位）,2013,硕士.
[42]王华锋.基于视频检测技术的道路卡口系统研究与设计[D].杭州电子科技大学,电路与系统,2013,硕士.
[43]黄霞.环境因子对琼枝麒麟菜氮磷含量的影响[D].海南大学,海洋生物学,2013,硕士.
[44]徐沙能.精确匹配输电线路暂态模型的快速距离保护新原理研究[D].华中科技大学,电力系统及其自动化,2013,硕士.
[45]李宁.进展性脑梗死患者血清炎症细胞因子水平变化及意义[D].山东大学,神经病学,2012,硕士.
[46]王俊生,李海英,曹冬明.±800kV特高压直流保护阀组区测量点配置的探讨[J].电力系统自动化,2006,22:81-84.
[47]李大伟,高修祥.地震勘探技术亦可用于油气运移研究[J].石油地球物理勘探,2001,04:499-507+516.
[48]刘武,柳健,彭复员.一种数字图象滤波算法[J].自动化学报,1987,05:367-370.
[49]应頔.浆细胞性龈炎—附2病例报告[D].吉林大学,口腔医学,2014,硕士.
[50]索南加乐,许庆强,宋国兵,赵文涛,李瑞生,张克元.自适应接地距离继电器[J].电力系统自动化,2005,17:54-58.