1957—2014年翁牛特旗氣候要素和沙丘活化指數(shù)的變化

柳本立, 張 巍

(1.中國科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院, 沙漠與沙漠化重點實驗室/敦煌戈壁荒漠生態(tài)與環(huán)境研究站, 甘肅 蘭州 730000; 2.內(nèi)蒙古赤峰市翁牛特旗林業(yè)局, 內(nèi)蒙古 赤峰024500)

1957—2014年翁牛特旗氣候要素和沙丘活化指數(shù)的變化

柳本立1, 張 巍2

(1.中國科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院, 沙漠與沙漠化重點實驗室/敦煌戈壁荒漠生態(tài)與環(huán)境研究站, 甘肅 蘭州 730000; 2.內(nèi)蒙古赤峰市翁牛特旗林業(yè)局, 內(nèi)蒙古 赤峰024500)

[目的] 研究位于科爾沁沙地的內(nèi)蒙古自治區(qū)翁牛特旗沙丘活化指數(shù)變化，為該區(qū)的沙漠化防治提供依據(jù)。[方法] 根據(jù)翁牛特旗1957—2014年的氣候資料，分析近60 a來該旗影響沙丘活化和沙漠化發(fā)展的主要因子特征，計算多年沙丘活化指數(shù)的變化。[結(jié)果] 該旗氣候呈現(xiàn)降水減少，氣溫升高，風(fēng)速降低的趨勢，且1998年以來變化更為劇烈；多年沙丘活化指數(shù)M值持續(xù)減小，1998年以來相對1997年以前減小了34%，其中春、秋、冬季分別下降了28%，32%和38%，夏季M值上升了7%以上，但絕對值僅為13，影響不顯著。[結(jié)論] 沙丘活化指數(shù)的變化表明該區(qū)氣候有利于沙丘在自然條件下的固定和沙漠化的逆轉(zhuǎn)，但仍然遠高于沙丘固定的閾值，滿足沙丘完全活化的條件，氣候暖干化也將進一步加劇水資源短缺的矛盾，需要人為的沙漠化防治工程的合理干預(yù)，才能實現(xiàn)沙區(qū)治理的目標(biāo)。

翁牛特旗; 沙丘活化指數(shù); 氣候變化; 沙漠化

文獻參數(shù)： 柳本立, 張巍.1957—2014年翁牛特旗氣候要素和沙丘活化指數(shù)的變化[J].水土保持通報，2017,37(1)：270-273.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.047； Liu Benli, Zhang Wei. Changes in climatic factors and dune activity index at Ongniud Banner during 1957—2014[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：270-273.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.047

中國北方廣大的沙漠、沙地以及沙漠化問題，由于其對生態(tài)、大氣、環(huán)境、經(jīng)濟社會等諸多領(lǐng)域的重要影響，已經(jīng)得到了越來越廣泛的關(guān)注[1-2]。在全球氣候變化的大背景下，干旱區(qū)降水可能進一步減少，極端氣候事件的概率將增加，氣溫、風(fēng)力等土壤風(fēng)蝕和沙漠化的控制因素也將持續(xù)變化[3-5]。氣候因素始終是沙漠化發(fā)展的主要驅(qū)動力和控制因素[6]；氣候變化可迅速引起沙丘狀態(tài)的改變，因此對氣候要素進行分析是研究氣候和環(huán)境變化影響的基本方法；沙丘活化是沙漠化發(fā)展的顯著標(biāo)志，對與之毗鄰的農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)和人居環(huán)境形成直接威脅[7]。將影響沙丘活化的氣候指標(biāo)參數(shù)化為沙丘活化指數(shù)，可較為直觀地分析和預(yù)測風(fēng)沙區(qū)沙漠化發(fā)展的趨勢[3]。

科爾沁沙地是中國北方土地沙漠化最嚴重的地區(qū)之一，內(nèi)蒙古自治區(qū)翁牛特旗是科爾沁沙地較嚴重的沙區(qū)[8-9]。開展該區(qū)域的沙漠(地)綜合治理，解決當(dāng)?shù)貒乐氐纳郴瘑栴}，使得林草資源和生態(tài)環(huán)境狀況得到有效改善，不讓沙化成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)經(jīng)濟發(fā)展停滯的因素，從而使當(dāng)?shù)孛癖姅[脫貧困，實現(xiàn)小康，對建立京津和遼沈地區(qū)重要的生態(tài)屏障和改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境有重要的意義，同時也為國家生態(tài)安全做出貢獻。在京津風(fēng)沙源治理、退耕還林兩大生態(tài)基礎(chǔ)工程的推動下，翁牛特全旗沙化土地面積由2005年末的7 178 km2減少到4 849 km2，但尚有超過2 000 km2沙地未得到治理，這些沙地主要分布在距離村莊、公路較遠的偏僻地區(qū)，多為流動沙地，且集中連片，治理難度較大，局部地區(qū)沙化加劇趨勢十分嚴重，防沙治沙形勢依然十分嚴峻。該區(qū)域目前呈現(xiàn)明顯的暖干化趨勢，在中國各沙區(qū)中趨勢最明顯[10]，自然條件可能不利于生態(tài)恢復(fù)工程的開展[11]。掌握全球氣候背景下影響沙丘活化的氣候條件變化特征，是開展沙漠化防治工作的必要前提[12]。本文擬基于對翁牛特旗1957—2014年歷史氣象資料，對該旗年際和年內(nèi)降水、氣溫和風(fēng)速等條件進行分析，使用沙丘活化指數(shù)模型對沙漠化發(fā)展的氣候因素進行評價，以期為該旗以及科爾沁沙地的沙化區(qū)綜合治理規(guī)劃提供依據(jù)。

1 資料來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古赤峰市翁牛特旗位于大興安嶺山脈西南段與七老圖山脈北端結(jié)合地帶，科爾沁沙地西南緣橫貫中東部，地處東經(jīng)117°49′—120°43′，北緯42°26′—43°25′，北隔西拉沐淪河與赤峰市阿魯科爾沁旗、巴林左旗、巴林右旗、林西縣以及通遼市開魯縣相望，西與赤峰市克什克騰旗相連，東南與赤峰市敖漢旗及通遼市奈曼旗毗鄰，南與赤峰市松山區(qū)接壤；西部為中山熔巖臺地區(qū)，海拔1 000～2 000 m，中部為低山丘陵侵蝕區(qū)，海拔500～1 000 m，東部為風(fēng)沙區(qū)，海拔300～500 m。該地屬中緯度溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，大陸性顯著，四季分明。

目前，全旗11 820 km2總土地面積中，沙化土地面積占全旗總土地面積的40.8%，占赤峰市全市沙化土地面積的25.5%，其中流動沙地1 017 km2，半固定沙地837 km2，固定沙地2 949 km2，主要分布在旗中、東部。

1.2 氣象數(shù)據(jù)獲取

獲取了翁牛特旗1957年1月至2014年12月的完整月氣象數(shù)據(jù)，包括月均氣溫T，月降水量P，月均風(fēng)速U。數(shù)據(jù)來源為中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。

1.3 沙丘活化指數(shù)計算

使用Lancaster提出的模型計算翁牛特旗的無量綱沙丘活化指數(shù)(M)[13]。該模型使用參數(shù)直觀且容易獲取，能夠表達地表的抗蝕性和氣候因子的可蝕性，可獲得年際和年內(nèi)的指數(shù)變化[3]。計算出的M值是風(fēng)力、降水、氣溫條件的綜合指標(biāo)，該值小于50代表氣候條件可使沙區(qū)植被增多、沙丘固定，50～100代表半固定沙地氣候，100～200代表半流動沙地氣候，大于200則代表氣候條件可使沙丘完全活化成為流動沙地。

該模型表達方式為：

M=W/(PM/PE)

(1)

式中:W——風(fēng)力因子;PM——降水因子;PE——蒸散發(fā)因子;W——關(guān)于月均風(fēng)速的函數(shù)W∝U3；PM取當(dāng)月與前月降水量的均值，以表達降水對土壤風(fēng)蝕影響的延遲效應(yīng)[6]，即：

PM=(P-1+P0)/2

(2)

式中:P-1——前月降雨量(mm);P0——當(dāng)月降雨量。

PE根據(jù)Thornthwaite公式計算獲得[14]，其表達式為：

PE=1.6(L/12)(N/30)(10T/I)α

(3)

式中:L——各月的平均日照長度(h)；N——各月天數(shù)(d)；T——月均氣溫(℃)，小于0按0計；I——熱量指數(shù)；α——關(guān)于I的系數(shù)。

L是關(guān)于某地維度φ和太陽入射角度δ的函數(shù)，計算方法為：

(4)

I是各月氣溫Ti的函數(shù)，計算方法為：

(5)

系數(shù)α的計算方法為：

α=6.75×10-7I3-(7.71×10-5)I2+ (1.792×10-2)I+0.492 39

(6)

由于研究區(qū)冬半年月均溫低于0 ℃的時間可長達5個月，也有冬季連續(xù)2月無降雨的情況發(fā)生，這將導(dǎo)致PM或PE等于0而M無法計算。因此借鑒聯(lián)合國糧農(nóng)組織和環(huán)境規(guī)劃署依據(jù)P/PE比值提出的干旱區(qū)劃分閾值，將計算中PM/PE的下限設(shè)定為0.2[15]，以保證計算正常進行，同時能夠表達冬季干旱月份將水稀少、M值較高的特征。該改進方法已經(jīng)在有類似氣溫和降水特征的青藏高原得到成功應(yīng)用[16]。

對氣溫、降水、風(fēng)速數(shù)據(jù)和計算獲得的M值進行逐年和分季度統(tǒng)計，并分別進行線性回歸，獲得各要素在過去近60 a的變化率。

2 結(jié)果與討論

2.1 降水變化

結(jié)果表明，翁牛特旗多年平均降水量為353 mm，年內(nèi)集中分布在夏季，占全年降水量的69%，春季和秋季分別為14%和15%，冬季僅占1%(圖1)。多年降水有明顯的減少趨勢，全年降水的10 a變化率為-14.1 mm/10 a；降水減少主要集中在夏季，變化率-16.6 mm/10 a，秋季為-1.3 mm/10 a，冬季基本穩(wěn)定，春季則有增加，變化率為4.0 mm/10 a。

圖1 1957—2014年翁牛特旗降水變化

降水的變化在1997年之后最為顯著，1998—2014年的降水量為295 mm，比多年平均值少57 mm，比1997年之前減少了22%，其中夏季減少達到27%。夏季是該區(qū)域生物量增加最迅速的季節(jié)，而這一時期降水的顯著減少將加劇該區(qū)的水資源短缺問題，不利于植物的生長和防風(fēng)固沙工作的成效。

2.2 氣溫變化

如圖2所示，翁牛特旗多年均溫為6.3 ℃，夏季平均溫度為21.4 ℃，冬季為-10.3 ℃，7與1月均溫差達到34.4 ℃。年均溫呈持續(xù)升高趨勢，變化率為0.23 ℃/10 a，各季節(jié)趨勢與全年相近，春節(jié)略高，為0.26 ℃/10 a，秋季較低，為0.21 ℃/10 a。1997年之后的變化趨勢與多年平均趨勢有所差異，1998—2014年春季均溫相對1997年之前升高了0.13 ℃，升溫明顯，秋季次之，夏季趨于穩(wěn)定，但冬季降低了0.03 ℃，表明近年來春季氣溫升高最為迅速。由于春季干旱，地表物質(zhì)松散干燥，植被稀疏，抗風(fēng)蝕能力最弱，而升溫將導(dǎo)致土壤蒸散發(fā)增加，地表水分進一步流失，不利于自然植被的生長和沙丘的固定。

圖2 1957—2014年翁牛特旗氣溫變化

2.3 風(fēng)速變化

如圖3所示，研究區(qū)年多年平均風(fēng)速為3.0 m/s，春季最強，為3.8 m/s，冬季次之，為3.2 m/s，夏秋季節(jié)最弱。全年和各季度風(fēng)速均呈降低趨勢，平均風(fēng)速變化率為-0.1(m·s-1)/10 a，但低于內(nèi)蒙古自治區(qū)全區(qū)域的平均降幅[17]。冬春季節(jié)降低更顯著，為-0.18和-0.14 (m·s-1)/10 a，夏秋季節(jié)減弱不明顯。1998年以來，冬季風(fēng)速有加速降低的趨勢，相對于1997年之前平均風(fēng)速降低了11%，而夏季則呈現(xiàn)弱的增加趨勢。這表明近年來各季節(jié)風(fēng)速變化趨勢不同，但夏秋季節(jié)由于植被生長狀況好，降水量高，地表穩(wěn)定，微弱的風(fēng)速波動對沙丘活化和沙漠化影響不顯著，而冬春季節(jié)風(fēng)速的明顯降低則有利于沙丘的穩(wěn)定。

2.4 沙丘活化指數(shù)

如圖4所示，研究區(qū)冬春季節(jié)降水稀少、植被蓋度低，風(fēng)能又最集中，風(fēng)蝕和沙塵活動最易發(fā)生，因此M值高，而夏秋季節(jié)低。多年平均M值達到1 100，說明該地區(qū)自然條件下沙丘可完全活化，沙漠化可進一步發(fā)展；M值的季節(jié)分布中，冬季占54%，春季占31%，秋季為14%，夏季僅為1%。

圖3 1957—2014年翁牛特旗風(fēng)速變化

雖然研究區(qū)全年平均降水減少、氣溫升高，但由于風(fēng)速降低，因此多年M值仍表現(xiàn)出持續(xù)下降趨勢，遞減率為-22.2/10 a。這是由于M與風(fēng)速的3次方成正比，對風(fēng)速變化更為敏感。春季由于降水也呈現(xiàn)增加趨勢，因此M值降低顯著，遞減率位-7.7/10 a。夏季雖然降水減少顯著，但風(fēng)速也有降低，且由于這一時期M值原本較低，因此M值絕對變化不大，遞減率為-0.1/10 a。秋季氣候要素變化與夏季相似，但M值基數(shù)較大，減小速率較高，遞減率為-1.8/10 a。冬季由于風(fēng)速降低最顯著，因此M遞減率最高，為-12.6/10 a。

1998年以來的M值由1997年之前的1 222下降為808，降低了34%，其中春、秋、冬季分別下降了28%，32%和38%。夏季由于近年來降水減弱明顯，M值上升了7%以上，但絕對值僅為13，影響不顯著。這表明，雖然研究區(qū)的沙丘活化指數(shù)仍然較高，存在沙漠化發(fā)展的自然條件，尤其是降水減少和溫度升高將對區(qū)域農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)生產(chǎn)帶來不利影，但總體的氣候條件變化有利于沙丘的固定，目前通過實施適當(dāng)?shù)姆里L(fēng)固沙和生態(tài)建設(shè)工程，更容易取得良好的效果。

圖4 1957—2014年翁牛特旗沙丘活化指數(shù)變化

3 結(jié) 論

通過對氣候要素和沙丘活化指數(shù)分析表明，近60 a來翁牛特旗的氣候有降水減少、氣溫升高、風(fēng)速降低的特點，各季節(jié)有差異，1998年以來變化更為劇烈。由于沙丘活化指數(shù)對風(fēng)速更為敏感，因此多年M值持續(xù)減小，1998年以來相對1997年以前減小了34%，有利于沙丘的在自然條件下的固定和沙漠化的逆轉(zhuǎn)。但該區(qū)M值仍然較高，主要集中在春季節(jié)，滿足沙丘完全活化的條件，因此開展防風(fēng)固沙工程建設(shè)、促進沙區(qū)生態(tài)、經(jīng)濟、社會協(xié)調(diào)發(fā)展依然面臨壓力，尤其是存在水資源可利用性不斷減小的問題。應(yīng)尊重自然規(guī)律，強調(diào)協(xié)調(diào)發(fā)展，推動該地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)和京津風(fēng)沙源治理工作。

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Changes in Climatic Factors and Dune Activity Index at Ongniud Banner During 1957—2014

LIU Benli1, ZHANG Wei2

(1.DunhuangGobiDesertEcologicalandEnvironmentalResearchStation,NorthwestInstituteofEco-EnvironmentandResources,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou，Gansu730000,China; 2.ForestryBureauofWengniuteCountry,Chifeng,InnerMongolia024500,China)

[Objective] The historical change of dune activity index of Ongniud Banner in Horqin sandy land in Inner Mongolia was studied, aiming to provide guidance to control desertification in this area. [Methods] The climatic factors influencing dune activity and desertification were analyzed, and the dune activity index was calculated based on historical meteorological records from 1957 to 2014. [Results] The climatic condition had a clear changing trend which was more obvious since the year of 1998 with reducing precipitation, increasing temperature, and declining surface wind speed. The dune activity index after 1998 was 34% less than that before 1997 with seasonal changes of -28%, -32% and -38% during spring, autumn and winter. The summer index increased 7% after 1997 but had limited influence on the yearly trend due to its low absolute average value of 13. [Conclusion] The changes in dune activity index indicated a more appropriate climate for fixing sand dunes and reversing desertification, however, sand dunes could still be fully activated under the current nature environment. The drier and warmer climate will further intensify the water shortage problem. Artificial desertification control measures need to be proposed to improve the natural environment in the Horqin sandy land.

Ongniud Banner; dune activity index; climatic change; desertification

2016-06-21

2016-07-16

國家自然科學(xué)基金青年資助項目“基于復(fù)合指紋法的黨河水庫淤積物來源定量判別研究”(41501008); 中國博士后科學(xué)基金面上項目“青藏高原沙漠化產(chǎn)生的氣候動力過程研究”(2014M550518); 中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)引進計劃“干旱區(qū)水庫泥沙來源的定量判別研究：以黨河水庫為例”

柳本立(1986—),男(漢族),河南省漯河市人,博士,副研究員,主要從事風(fēng)沙地貌和風(fēng)沙工程研究。E-mail:liubenli@lzb.ac.cn。

A

1000-288X(2017)01-0270-04

P931.3