季节性冻土冻融过程对空间因子的响应关系

6.1.1　冻土冻融变化过程

（1）空间变化特征

冻土冻融包括土壤冻结和冻土消融两个过程，在低温的驱动下，两个过程交替发生。为了研究方便，冻土厚度在一段时间内总体表现为增加，通常称土壤冻结，反之，称冻土消融。从表25可看出，在150 cm深的土壤范围内，冻土冻融的速率对不同的海拔、坡向、坡度等空间因子及植被郁闭度等变化的响应程度不同。如图19所示，土壤冻结速率随海拔升高而呈波动性增大趋势，冻土消融速率则相反。采用相同方法可知，冻土冻融变异系数随海拔升高而均呈波动性增大趋势，土壤冻结结束时间随海拔升高呈波动性提前趋势，而消融结束时间则相反。因此，冻土冻融速率、变异系数、起始时间等空间变化排序中，遇上相同值时，海拔作为次要的评判因子进行参评。土壤冻结速率从小到大排序为海拔3028 m的藓类云杉林＜2579 m的灌丛草地＜2946 m的阳坡草地＜3100 m的灌丛云杉林＜2518 m的藓类云杉林＜2720 m的藓类云杉林＜2701 m的灌丛草地＜2900 m的草类灌丛林＜2923 m的藓类云杉林＜2610 m的藓类云杉林＜2600 m的草类灌丛林＜3195 m的灌丛云杉林＜3300 m的灌丛云杉林＜2840 m的草类云杉林＜3300 m的亚高山灌丛林，平均冻结速率为1.9 cm/d。冻土消融速率从小到大排序为3300 m的灌丛云杉林＜海拔3100 m的灌丛云杉林＜3028 m的藓类云杉林＜3195 m的灌丛云杉林＜2840 m的草类云杉林＜2923 m的藓类云杉林＜3300 m的亚高山灌丛林＜2900 m的草类灌丛林＜2720 m的藓类云杉林＜2701 m的灌丛草地＜2579 m的灌丛草地＜2518 m的藓类云杉林＜2610 m的藓类云杉林＜2600 m的草类灌丛林＜2946 m的阳坡草地，平均消融速率为1.5 cm/d。

表25　祁连山大野口流域冻土冻融速率空间变化特征

变异系数是研究冻土冻融过程变化程度的指标（如表25）。在150 cm深的土壤范围内，土壤冻结变化从小到大排序为海拔2518 m的藓类云杉林＜2701 m的灌丛草地＜2579 m的灌丛草地＜2600的草类灌丛林＜2610 m的藓类云杉林＜2900 m的草类灌丛林＜3195 m的灌丛云杉林＜2720 m的藓类云杉林＜2923 m的藓类云杉林＜3100 m的灌丛云杉林＜2840 m的草类云杉林＜3028 m的藓类云杉林＜3300 m的亚高山灌丛林＜2946 m的阳坡草地＜3300 m的灌丛云杉林，平均为0.4。冻土消融变化从小到大排序为海拔2579 m的灌丛草地＜2701 m的灌丛草地＜2946 m的阳坡草地＜2900 m的草类灌丛林＜2518 m的藓类云杉林＜2600 m的草类灌丛林＜3300 m的亚高山灌丛林＜2610 m的藓类云杉林＜2720 m的藓类云杉林＜3100 m的灌丛云杉林＜3300 m的灌丛云杉林＜2923 m的藓类云杉林＜3028 m的藓类云杉林＜2840 m的草类云杉林＜3195 m的灌丛云杉林，平均为1.2。

图19　祁连山大野口流域冻土冻融速率随海拔变化特征

（2）起始时间变化特征

不同的海拔、坡向、坡度等空间因子及植被郁闭度等变化对冻土冻融的起始时间影响也不同。如图20、图21所示，冻土冻融开始日期差别较小，但冻结到150 cm深土壤层的日期差异较大（本研究简记为土壤冻结时间）。土壤冻结从10月20日左右开始，随着时间向前推移，冻土速率逐渐减少。冻土到达150 cm深的日期从早到迟排序为3300 m的亚高山灌丛林＜2840 m的草类云杉林＜2600 m的草类灌丛林＜3300 m的灌丛云杉林＜2610 m的藓类云杉林＜3028 m的藓类云杉林＜3195 m的灌丛云杉林＜2900 m的草类灌丛林＜2923 m的藓类云杉林＜2701 m的灌丛草地＜2946 m的阳坡草地＜2518 m的藓类云杉林＜2720 m的藓类云杉林＜2579 m的灌丛草地＜3100 m的灌丛云杉林，平均日期为1月12日。冻土消融到150 cm深的日期差异也较小，平均为3月27日。随着时间向前推移，冻土消融速率逐渐增加，图22中用负数表示冻土消融速率。冻土消融结束日期从早到迟排序为2946 m的阳坡草地＜2600 m的草类灌丛林＜2518 m的藓类云杉林＜2579 m的灌丛草地＜2610 m的藓类云杉林＜2720 m的藓类云杉林＜2701 m的灌丛草地＜2900 m的草类灌丛林＜3300 m的亚高山灌丛林＜3195 m的灌丛云杉林＜2923 m的藓类云杉林＜2840 m的草类云杉林＜3028 m的藓类云杉林＜3300 m的灌丛云杉林＜3100 m的灌丛云杉林，平均为7月27日。

图20　祁连山大野口流域冻土冻融起止时间与空间变化特征

图21　祁连山大野口流域冻土冻融过程的时间表征

注：选择较典型的T2、T5、T6三样地数据所制作。

图22　祁连山大野口流域冻土冻融持续时间特征

（3）持续时间变化特征

在150 cm深的土壤范围内，冻土冻融持续时间对海拔、坡向、坡度等空间因子及植被郁闭度等变化的响应也不同。如图22所示，土壤冻结、冻土消融、冻土冻融总持续时间平均分别为77天、121天、199天。(www.xing528.com)

6.1.2　冻土冻融过程与空间因子相关性分析

选择流域内不同空间因子的样地观测值进行相关性分析，a=0.1（P＜0.1）水平上查得临界值F0.1（1，14）为3.102，代入相关系数临界值，求得r0.1为0.441，相关系数大于临界值为相关显著，小于则为相关不显著。如表26所示，冻结天数与坡度显著正相关，与海拔中度负相关，与其他因子极弱相关；消融天数与海拔、郁闭度显著正相关，与坡向显著负相关；冻结速率与海拔显著正相关，与郁闭度中度相关，与其他因子极弱相关；消融速率与坡向显著正相关，与郁闭度显著负相关，与海拔中度相关，与其他因子极弱相关。因此，初步筛选冻结天数与海拔、坡度，消融天数与海拔、坡向、郁闭度，冻结速率与海拔、郁闭度，消融速率与海拔、坡向、郁闭度进行回归分析。

表26　祁连山大野口流域冻土冻融和空间因子相关系数及显性分析

注：＊为相关显著性。

6.1.3　冻土冻融过程与空间因子拟合及方差分析

回归拟合及方差分析的F检验值及显著水平如表27所示，根据复相关系数判读标准，一般地，复相关系数|R|＞0.95，存在显著性相关；0.95≤|R|≥0.8高度相关；0.5≤|R|＜0.8中度相关；0.3≤|R|＜0.5低度相关；|R|＜0.3关系极弱，认为不相关。因此，冻结天数与海拔、坡度拟合，冻结速率与海拔、郁闭度拟合属于中度相关；消融天数与海拔、坡向、郁闭度，消融速率与海拔、坡向、郁闭度属于高度相关：建立的模型通过了R拟合检验，拟合效果均较理想。复测定系数表明，自变量可解释因变量变差的权重，从表28可以看出，海拔、坡向、郁闭度可预测消融持续时间变差的68.8％。调整后复测定系数表明，自变量可解释因变量变化的权重，海拔、坡向、郁闭度可解释消融持续时间变化的60.3％，剩余部分需由其他因素来解释，如陆面的微地形变化等因子。标准误差说明，预测值与实测值之间的平均误差，此值越小，说明拟合程度越理想。表27中F值是方差分析检验值，是回归均方差与剩余均方差的比值，由于我们期望回归均方差越大越理想，剩余均方差越小越理想，所以，F值越大，说明模型预测结果越理想。从表27可以看出，采用a=0.05（P＜0.05）水平再一次进行筛选，消融天数与海拔、坡向、郁闭度，消融速率与海拔、坡向、郁闭度拟合显著（P＜0.05），最后确定消融天数、消融速率模型通过了F方差检验。因此，确定消融天数与海拔、坡向、郁闭度，消融速率与海拔、坡向、郁闭度建立的回归模型可参加偏回归系数分析。

表27　祁连山大野口流域冻土冻融与空间因子拟合分析

6.1.4　冻土冻融过程与空间因子偏回归系数分析

表28、表29中P值表示偏回归系数的显著程度，P值越小，偏回归系数变化越显著。表28、表29中郁闭度的P值均大于0.5，未通过t检验，做剔除处理，采用逐步回归分析方法，再次筛选消融天数与海拔、坡向，消融速率与海拔、坡向，采用上述表28、表29相同的t检验方法，结果显示，消融天数与海拔、坡向模型的P值均小于0.05，消融速率与海拔、坡向模型的P值均小于0.005，回归模型均通过了t检验，且置信度为99％以上。

表28　祁连山大野口流域冻土冻融持续时间与空间因子偏回归系数显性分析

表29　祁连山大野口流域冻土冻融消融速率与空间因子偏回归系数显性分析

综合上述R拟合检验、F方差检验、t回归系数检验，可得出消融持续时间和消融速率回归模型为：

式中，Ta、Va分别为不同海拔和坡向的冻土消融持续时间（d）和消融速率（cm/d），a、e分别为流域海拔（m）和坡向（°）。