烏伊嶺凍土區活動層厚度影響因素分析

呂姝琴

（哈爾濱師范大學）

0 引言

隨著全球氣候變暖，極端氣候事件頻發［1］.IPCC第六次評估報告指出，將在2100 年前全球平均溫升控制在2℃以內［2］.寒區生態系統對氣候變化的響應研究已成為熱點［3］.近地表面的多年凍土是寒區陸地生態系統重要的組成部分，對多年凍土的研究是生態、水文、地質和工程建設研究者關注的重要議題［4］.

全球氣候變暖對冰凍圈的影響巨大，凍土作為冰凍圈的組成部分，也受其影響［5］.季節凍結是指地層年平均地溫高于土壤凍結溫度的地層的凍結，是地層在冬季放出熱量的結果［6］.季節融化則是地層的年平均地溫低于凍結溫度的凍土的融化，是由于熱量暖季進入地層所引起.通常把每年冬季凍結、夏季融化的接近地表的土層稱為活動層，活動層是凍土地層內水熱交換最主要的區域［7］，受經緯度、高程、植被覆蓋度、地表溫度、土壤性質及氣候環境等諸多因素的影響.因此，對于凍土活動層厚度的監測是了解凍土對環境響應的重要基礎.

小興安嶺森林是溫帶、寒溫帶的過渡地帶，屬于針闊葉混交林與北方針葉林的過渡區域，處于中國受氣候變暖影響最顯著的地區對環境變化具有很高的敏感性［8］.而烏伊嶺區作為最典型的、稀有的林間濕地區，其凍土活動層的變化對濕地植被的演替以及植被的保護有著重要的意義.許多專家和學者的研究表明，有關凍土活動層厚度變化及其影響因素的研究多集中于青藏高原，鮮少有涉及到小興安嶺地區.因此，該文以小興安嶺地區烏伊嶺區為例探究凍土活動層厚度與影響因子，土壤濕度、土壤溫度以及高程和經緯度之間的關系.

1 研究區與研究方法

1.1 研究區

烏伊嶺區位于黑龍江省東北部小興安嶺頂峰（128°57′～129°44′E、48°33′～49°08′N）（如圖1所示）.氣候上屬溫帶大陸性季風氣候，由于受海洋環流和西伯利亞冷空氣影響，四季氣候呈明顯特點.冬季漫長而寒冷，多西北風；夏季短促而燥熱；多東南風和大暴雨，降水量大而且集中.年平均氣溫－1.1 ℃，歷年平均最低氣溫－8.5 ℃，最高氣溫6.1 ℃.1 月份氣溫最低，平均氣溫－24.6 ℃.7月份氣溫最高，平均氣溫19.1 ℃.年平均降水量585.7 mm.地形上屬低山丘陵，地勢多東南，西北坡向，山峰沿著支脈兩側呈枝狀分布，頂峰起伏不大，坡勢平緩.最高點在翠峰林場與東克林林場分界處，海拔606 m；最低點在扎克大旗河匯入烏云河的河口處，海拔157 m.有中國北方特有的森林沼澤、灌叢沼澤和泥炭蘚沼澤［9］.此外，還有各種鳥類、魚類及國家重點保護動物，他們共同形成了北方高緯度、多種類、復合型濕地自然生態系統.

圖1 研究區域

1.2 研究方法

凍土活動層厚度主要通過釬探法、坑探法、鉆探法和土壤溫度線性插值法［10］進行測量，該文主要通過金屬釬探法采集活動層厚度數據，并輔以探地雷達數據進行驗證.釬探法運用“T”型金屬探測棒垂直于地面向下插入泥土之中，直至金屬探測棒不再繼續往下深入，記錄當前金屬探測棒深度，得到該點的活動層厚度數據.探地雷達數據采集則使用500 MHz和250 MHz屏蔽天線探地雷達，采用中心頻率分別為500 MHz 和250 MHz的兩組設備.具體數據采集與處理如圖2所示.

土壤溫度和土壤濕度由便攜式土壤參數速測儀進行測定，經緯度及高程由GPS 工具箱進行定位和確定.

1.3 統計方法

多元線性回歸方程是對于給定的實際問題，找出某一個因素及對其有顯著影響的其他若干幾個因素，并通過從一組已知觀測值出發，運用相關理論及統計軟件對其進行方差分析后建立一個數學模型表達關系方式，進而對該模型的顯著性、可信度和擬合優度及標準誤差等進行統計檢驗［11］.

在該文中將凍土活動層厚度作為因變量，土壤溫度、土壤濕度、高程和植被類型作為自變量，對其進行相關性分析.原始方程如下：

式中：b0，b1，b2，…，bn為回歸系數，ω 為隨機誤差.

2 結果與分析

2.1 烏伊嶺區凍土活動層厚度的分布特征

烏伊嶺區凍土活動層厚度的整體變化范圍在0.4 ～6.21 m，最小凍土活動層厚度出現在灌叢草甸中，最大凍土活動層厚度出現在溪流邊.在野外調查采樣的10 組探地雷達樣線，120 個插釬點數據中，灌叢草甸的平均活動層厚度最小為0.59 m，溪邊的平均活動層厚度最深為2.69 m.且不同植被類型活動層厚度差異明顯，以不同植被類型區平均活動層厚度作為標準進行對比，得出：興安杜鵑（0.97 m）＞小葉章（0.854 m）＞白樺（0.684 m）＞落葉松（0.645 m）＞薹草（0.634 m）＞篤斯越桔（0.569 m）＞杜香（0.453 m）.

從整體來看，凍土活動層厚度與土壤濕度以及不同植被類型有著緊密的聯系，土壤濕度最大的區域活動層厚度也是最大，即溪邊凍土活動層厚度最深.而從植被類型來看，白樺林與落葉松林土壤濕度差異不大，因此他們的活動層厚度差異也不太明顯.于此相反的是落葉松和興安杜鵑，兩者生長區域土壤濕度差異不明顯，但他們活動層厚度差異明顯.白樺和薹草生長區域活動層厚度差異不明顯，土壤濕度數據差異明顯，土壤溫度差異不明顯（見表1）.

典型植被 凍土活動層厚度／m 土壤溫度／℃ 土壤濕度／% 高程／m白樺 0.684 20.08 13.87 368.13篤斯越桔 0.569 21.17 10.97 354.53薹草 0.634 19.0 20.79 366.33杜香 0.453 20.49 12.26 350.89落葉松 0.645 17.93 14.5 367.36興安杜鵑 0.97 17.95 15.44 393.57小葉章 0.854 20.29 14.17 376.13

2.2 凍土活動層變化影響因素分析

2.2.1 烏伊嶺地區植被覆蓋類型與凍土活動層變化影響分析

在采樣區域的選擇上根據凍土區優先的原則，根據不同植被類型，選擇凍土分布的地區的典型植被，白樺（A1）、篤斯越桔（A2）、薹草（A3）、杜香（A4）、落葉松（A5）、興安杜鵑（A6）、小葉章作為不同的植被覆蓋類型.由于不同的植被類型在變量的屬性上屬于分類變量，因此需要先將變量轉換為虛擬變量再進行多元線性回歸分析.又因為這7個變量的取值存在著互斥的關系，同時將所有虛擬變量引入模型會產生完全共線性問題.因此，只引入6個虛擬變量（A1～A6），剩下的一個分類變量作為參照組.由于小葉章作為優勢種的區域活動層厚度平均值為0.854m，僅次于興安杜鵑為優勢種區域的活動層厚度，且小葉章的分布范圍廣于興安杜鵑，故將小葉章作為此次分析的參照組.

由表2 可知，調整過的R2說明不同的植被類型能解釋凍土活動層厚度變化的26.8%，表明不同的植被覆蓋類型與凍土活動層厚度變化存在著線性關系，但不是影響凍土活動層厚度變化的主要因素.其中德賓－沃森（DW）檢驗是推斷殘差是否存在自相關的統計檢驗方法，根據DW檢驗表可得本分析dL、dU 值分別為1.404 和1.805，即dL＜DW＜dU，說明本次分析殘差獨立性檢驗基本符合，樣本間獨立性檢驗基本符合，但回歸關系不確定.

以小葉章作為標準變量進行分析，杜香和篤斯越桔對凍土活動層厚度的影響程度要高與小葉章，且與凍土活動層厚度變化呈顯著相關（P ＝0.001／0.012＜0.05）.白樺、薹草、落葉松和興安杜鵑與凍土活動層厚度變化無顯著相關性（顯著性均大于0.05），且以上4 種植被覆蓋類型與小葉章對凍土活動層厚度的影響差距較大，但落葉松和薹草對凍土活動層厚度影響效果較為相似.由此可知，杜香和篤斯越桔對凍土活動層厚度變化產生的影響較大，呈顯著負相關，杜香對凍土活動層厚度影響最大，而其余植被覆蓋類型與凍土活動層厚度變化無顯著性，見表3.

模型 R R2 調整后R2 標準估算的錯誤 德賓－沃森1 0.583a 0.340 0.268 23.83160 1.632 a.預測變量：（常量），A6，A4，A5，A3，A2，A1 b.因變量：活動層

2.2.2 烏伊嶺地區土壤溫濕度和高程對凍土活動層變化影響分析

該文選擇土壤濕度、土壤溫度和高程［4，12，13］作為影響因子，分析其對凍土活動層厚度變化的影響.由表4 可知，調整后的R2為53.6%，說明所選環境因子土壤溫濕度和高程可以解釋凍土活動層厚度變化的53.6%，是影響活動層厚度的變化的主要因素，且呈線性關系.德賓－沃森（DW）檢驗值從DW檢驗表可知dU ＝1.689＜DW＜4－dU，即殘差序列不存在自相關，該回歸方程模型可以被充分解釋.由表5 可知，海拔會影響凍土活動層厚度的變化，且與凍土活動層厚度變化呈正比；而土壤溫度和土壤濕度則不會影響凍土活動層厚度變化，土壤溫度和土壤濕度的顯著性均大于0.05.共線性統計包括方差膨脹因子（VIF）和容差兩個指標，事實上，VIF ＝容差的倒數（1／容差），只需要判斷其中一個指標即可.由圖3 可知，在本次分析中，所有容忍度值都大于0.1（最小值為0.632），說明該研究自變量多重共線不嚴重.該次分析殘差直方圖服從正態分布，標準差接近于1（標準正態分布），說明該次線性回歸符合正態性條件.

圖3 土壤溫濕度和高程與凍土活動層厚度線性關系標準化殘差直方圖

通過上述分析，可以得到海拔與凍土活動層厚度的多元線性回歸方程為：活動層＝0.987×海拔－316.061，其關系圖如圖4所示.

模型 R R2 調整后R2 標準估算的錯誤 德賓－沃森1 0.747a 0.559 0.536 18.98063 1.811 a.預測變量：（常量），濕度，海拔，溫度b.因變量：活動層

圖4 活動層厚度與海拔線性關系圖

2.2.3 烏伊嶺地區不同植被類型和土壤溫濕度與活動層厚度的關系

由2.2.2的結論可知，土壤溫濕度與活動層厚度變化無顯著相關性，但根據研究土壤溫濕度皆是影響凍土活動層變化的重要因素［3，14－18］，不同植被類型的分布也與土壤溫濕度的變化息息相關［19－20］，因此該文試圖將植被類型作為控制變量，探究土壤溫濕度與凍土活動層厚度的關系，運用分層線性回歸的方式，對三者進行分析，由于植被類型屬于分類變量，因此將其轉換為虛擬變量后代入方程進行分析，分析結果見表6.

變量 模型1 模型2（常量）85.4 74.522 A1－17－15.601 A2－28.511*－24.682*A3－22.025－29.793**A4－40.114***－37.913***A5－20.9－21.862 A6 11.6 9.587溫度 —－0.25濕度 —1.125*R2 0.34 0.422 ΔR2 0.34 0.082 F 4.724*** 4.84***

由表6可知，模型1 是控制變量即植被類型對因變量凍土活動層厚度的影響；模型2 是在控制變量（植被類型）的基礎上，加入因變量土壤溫濕度對凍土活動層厚度的影響.其中模型1 的擬合度為0.34，說明植被類型作為控制變量對作為因變量的凍土活動層厚度的解釋度為34%，F 值是4.724，在0.001水平上顯著，說明控制變量中有一個變量與凍土活動層厚度之間存在影響關系.模型2是在模型1 的基礎上加入了土壤溫濕度作為自變量，以反應土壤溫濕度對凍土活動層厚度的影響.模型2的擬合度為0.442，說明在植被類型作為控制變量的條件下，土壤溫濕度對凍土活動層厚度的解釋度為44.2%，F 值為4.84，在0.001 水平上顯著，說明該模型有意義，R2的變化量為0.082則說明該模型有效；由變量的回歸系數的顯著性可看出控制變量中的篤斯越桔、薹草和杜香對模型起到了干擾作用，因此在排除了這三種植被的干擾之后，自變量土壤濕度與凍土活動層厚度變化呈正相關（B ＝1.125；P ＜0.05），而土壤溫度與凍土活動層厚度變化無顯著相關性（P＞0.05）.

3 討論

3.1 植被類型與凍土活動層影響關系分析

通過對不同植被類型的分析表明，不同植被類型對凍土活動層厚度變化有較大影響，尤其是杜香和篤斯越桔，且杜香作為優勢種的區域，其凍土活動層厚度明顯小于篤斯越桔.杜香和篤斯越桔分別作為優勢種的區域，活動層厚度均小于其他與凍土活動層厚度變化無顯著相關性的植被區域.而現有研究多為植被NDVI 或植被群落類型與凍土活動層厚度變化之間的關系，少有將具體植被種類與凍土活動層厚度變化情況進行分析［21－22］.因此，白樺、薹草以及興安杜鵑等凍土區指示植物與凍土活動層厚度變化無顯著相關性的原因還需進一步探究.具體原因有可能是未將植被的葉面積指數、積雪厚度、苔蘚層厚度、土壤導熱系數等因素納入分析.

3.2 土壤溫濕度和高程對凍土活動層厚度影響分析

研究表明，非地形因子土壤水分和溫度［23］和地形因子高程共同作用于凍土活動層，令活動層厚度發生改變.該文分析表明，高程與凍土活動層厚度呈顯著正相關.這與學者基于整個東北的區域尺度上得出的小興安嶺高海拔有利于多年凍土的發育和保存［24］.兩種研究結果不同，可能是由于研究的尺度不同所造成的.相較于整個東北地區，烏伊嶺區受到全球變暖以及其他因素的影響更為劇烈.

研究證實，土壤濕度越高會導致活動層厚度越淺，也有研究證實土壤濕度越高會導致活動層厚度越深.兩種結果均表明土壤濕度是導致活動層變化的重要因素.該文將土壤溫濕度與高程作為影響因子進行相關性分析時，土壤溫濕度均與活動層厚度變化無顯著相關性，而植被類型與活動層厚度具有顯著相關性，故而將植被類型作為控制變量，對土壤溫濕度進行分析.得出結論：土壤濕度與活動層厚度呈顯著正相關，土壤溫度與活動層厚度無顯著相關性.這與杜二計的研究結果不同，可能是由于研究地區不同導致的.青藏高原由于地處中低緯度且平均海拔在4000 m 以上，有強烈的地表輻射［25－26］.烏伊嶺區地處小興安嶺，緯度高且植被種類繁多，所以土壤濕度對活動層厚度加深有促進作用.

4 結論

該文基于伊春市烏伊嶺凍土區的凍土活動層厚度、植被類型、土壤溫濕度以及高程的實測數據，對實測數據進行多元線性回歸和分層線性回歸分析，探究了凍土活動層厚度的影響因素，結論如下：

（1）與小葉章相比，杜香和篤斯越桔對凍土活動層厚度的影響更大，且均為負相關，而其他植被類型對凍土活動層厚度變化無顯著影響；高程與凍土活動層厚度的變化呈極顯著正相關，土壤溫度和土壤濕度與凍土活動層厚度變化無顯著關系.

（2）將植被類型作為控制變量，在植被類型一定的情況下土壤濕度與凍土活動層厚度變化顯著相關.