中國農(nóng)牧交錯帶30年響應(yīng)氣候變異趨勢分析

馬雯思， 劉瑋瑋， 趙 寧， 馬 超

(河南理工大學礦山空間信息國家測繪與地理信息局重點實驗室，河南焦作 454000)

我國農(nóng)牧交錯帶是從半干旱區(qū)向干旱區(qū)過渡的廣闊地帶，該地帶具有較強的過渡性和波動性，在一定程度上決定了人類活動方式的不穩(wěn)定性，進而導(dǎo)致該區(qū)域生態(tài)環(huán)境容易受到?jīng)_擊和破壞，而將潛在的自然環(huán)境脆弱性轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實的破壞。農(nóng)牧交錯帶生態(tài)環(huán)境表現(xiàn)出敏感性強、退化趨勢明顯等脆弱特征[1]。因此，開展中國農(nóng)牧交錯帶響應(yīng)全球變化影響研究對于科學合理地利用、管理交錯帶，改善生態(tài)環(huán)境等具有重要的意義。

過去對北方農(nóng)牧交錯帶，從土地利用[2-3]、邊界判定與變化[4-8]、生態(tài)環(huán)境變化[9-13]等單方面進行研究，但對于不同植被類型交錯帶氣候變化對比研究及對川滇農(nóng)牧交錯帶研究比較薄弱。既然農(nóng)牧交錯帶是典型的生態(tài)脆弱區(qū)和環(huán)境變化敏感區(qū)，其對氣候變化的響應(yīng)程度必然與其他地區(qū)有所不同，因此把2個交錯帶統(tǒng)一起來，分析北方、西南生態(tài)脆弱地區(qū)對氣候變化的響應(yīng)更有意義。本研究綜合利用反映氣候變化特點的遙感數(shù)據(jù)信息，通過采用反距離加權(quán)空間插值方法以及變異系數(shù)運算，分析中國農(nóng)牧交錯帶時空分布的氣候變化狀況及30年來研究區(qū)變異系數(shù)動態(tài)趨勢，研究400 mm等雨量線在農(nóng)牧交錯帶區(qū)域動態(tài)變化的地理空間格局特征。為該區(qū)土地利用、生態(tài)恢復(fù)等提供一定的指導(dǎo)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

本研究的研究區(qū)域是依據(jù)楊秀春等所劃分的范圍[14-15]而確定的。農(nóng)牧交錯帶既是地理分區(qū)，也是文化分區(qū)，更是生態(tài)分區(qū)。北方農(nóng)牧交錯帶即北起大興安嶺西麓的呼倫貝爾，向西南延伸，經(jīng)內(nèi)蒙東南、冀北、晉北直到鄂爾多斯陜北，位于華北與內(nèi)蒙的交界區(qū)上，跨越內(nèi)蒙古、黑龍江、吉林、遼寧、河北、山西、陜西、甘肅、寧夏、青海等10個省(區(qū))，共包括177個縣(旗)、4個縣級市、20個市轄區(qū)，總面積72.67萬km2，占國土面積的7.57%，其中草地占研究區(qū)面積的50%左右，分布在400 mm等雨量線的兩側(cè)。川滇農(nóng)牧交錯帶界定在海拔高度2 500～4 500 m之間，位于青藏高原東南緣，年均降水量可以達到700～900 mm。地域劃分與地形垂直變化有直接關(guān)系，行政區(qū)域上包括四川省阿壩藏族自治州、甘孜藏族自治州、涼山彝族自治州和云南省的迪慶藏族自治州、怒江傈僳族自治州和麗江地區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

依據(jù)各省(市、區(qū))氣候資料處理部門逐月上報的《地面氣象記錄月報表》的信息化資料，統(tǒng)計整理出我國752個基本、基準地面氣象觀測站及自動站1982年以來氣候資料年值數(shù)據(jù)集。去除缺測和錯誤數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為Excel文件，最后整理為1982—2012年共30個Excel表格數(shù)據(jù)(站點名、站點經(jīng)緯度、年份、降水量年值、溫度年值)。在ArcGIS中，對年均降水量、溫度插值處理所使用的矢量文件為中國國界和省界線劃圖和面劃圖矢量文件，掩膜處理使用的矢量文件為中國農(nóng)牧交錯帶省級矢量圖以及農(nóng)牧交錯帶草地類型分布矢量圖。

1.3 研究方法

1.3.1 地域分區(qū) 根據(jù)前人研究的結(jié)果，為了定量對比不同產(chǎn)草量區(qū)域氣候時空變化[14]，考慮到研究區(qū)氣候、地形、土壤植被等，對北方農(nóng)牧交錯帶進行分區(qū)，將川滇交錯帶作為獨立研究帶，形成五大區(qū)域：Ⅰ區(qū)為草甸草原區(qū)，Ⅱ區(qū)為灌叢草原區(qū)，Ⅲ區(qū)為荒漠草原區(qū)，Ⅳ區(qū)為丘陵草原區(qū)和Ⅴ區(qū)為山地草原區(qū)(圖1)。

1.3.2 插值掩膜處理 將我國國界、省界和交錯帶省級shp矢量文件和每年的年降水量、溫度Excel表格數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS，以每年降水量(溫度)圖層的降水量(溫度)為插值對象，以中國國界與省界矢量文件中的面文件為插值范圍，采用反距離加權(quán)法(IDW)，插值出中國降水、溫度分布柵格數(shù)據(jù)集，以5區(qū)交錯帶矢量文件為掩膜，進而獲得中國農(nóng)牧交錯帶降水、溫度分布圖(圖2)。

1.3.3 加權(quán)平均值提取 在全國降水量分布圖中提取 400 mm 等值線，因含有多個弧段組成，須將等降水量線進行離散化處理，再執(zhí)行操作，獲取這些離散點的經(jīng)向和緯向坐標求平均值，即可得到400 mm等降水量線加權(quán)平均位置，如圖3所示。

1.3.4 變異系數(shù)運算 變異系數(shù)也稱離均系數(shù)，是均方差(標準差)與平均值之比，可用百分數(shù)表示。與方差、標準差相比，變異系數(shù)既可用來反映某一觀測值的變化程度，又能消除測量尺度和量綱的影響，以便進行客觀比較。一般來說，變量值平均水平高，其離散程度的測度值越大，反之越小。其計算公式為：VC=(SD/MN)×100%。式中：VC表示變異系數(shù)，SD為均方差(標準差)，MN為平均值。該研究中，通過分別計算降水量和溫度變異系數(shù)VCp和VCt，分析氣候變化背景下5區(qū)降水量和氣溫變化程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 五區(qū)降水量對比

結(jié)合農(nóng)牧交錯帶降水分布(圖3)，北方四區(qū)農(nóng)牧交錯帶30年均降水量分別為402、495、379、380 mm，川滇交錯帶30年均降水量在755 mm左右。30年間，Ⅱ灌叢草原區(qū)、Ⅲ荒漠草原區(qū)、Ⅴ山地草原區(qū)降水量呈微弱減少趨勢，而Ⅰ草甸草原區(qū)(減少)和Ⅳ丘陵草原區(qū)(增加)的變化幅度較大。

由中國農(nóng)牧交錯帶地區(qū)年降水量及其變化情況分布(圖4)可知，降水量發(fā)生大于100 mm的突變均為顯著增高：1991—1992 年 Ⅳ 區(qū)為281～428 mm；1997—1998年，Ⅰ區(qū)為370～603 mm，Ⅱ區(qū)為379～547 mm，Ⅴ區(qū)為695～892 mm；2002—2003年Ⅲ區(qū)(390～490 mm)。研究獲得的5次異常降水變化，如1992年的洪澇災(zāi)害，1998年長江流域特大洪水，2003年的颶風、暴雨等，與ENSO或La Nina現(xiàn)象高度相關(guān)[16-17]，說明農(nóng)牧交錯帶作為生態(tài)脆弱區(qū)對于全球的生態(tài)放大鏡的作用是顯著的。

根據(jù)5區(qū)降水量變異系數(shù)變化情況(圖5)可知，5區(qū)降水量變異系數(shù)均呈波動性變化。草甸草原區(qū)(Ⅰ區(qū))、灌叢草原區(qū)(Ⅱ區(qū))和山地草原區(qū)(Ⅴ區(qū))降水變異系數(shù)VCp在20世紀90年代明顯增高，其中Ⅰ區(qū)增加了78%，Ⅱ區(qū)增加45%，Ⅴ區(qū)增加50%，說明3區(qū)域降水量在90年代受氣候變化影響最大。2000年之后，變異系數(shù)有所減小，但3區(qū)域變異系數(shù)仍處于升高趨勢。荒漠草原區(qū)(Ⅲ區(qū))和丘陵草原區(qū)(Ⅳ區(qū))在90年代顯著降低，其中Ⅲ區(qū)降低了16%，Ⅳ區(qū)降低45%，說明在90年代的氣候變化條件下Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)降水量波動較小。近十幾年來，2區(qū)變異系數(shù)又有微弱增加趨勢。

結(jié)合5個區(qū)域30年降水量平均變異系數(shù)(表1)可知，近30年來，5區(qū)降水量受氣候影響的波動性呈現(xiàn)出Ⅰ區(qū)(18%)>Ⅲ區(qū)(14%)>Ⅱ區(qū)(12%)>Ⅳ區(qū)(11%)>Ⅴ區(qū)(7%)。

2.2 5區(qū)溫度變化比較

圖6為農(nóng)牧交錯帶5區(qū)年平均氣溫變化動態(tài)圖，結(jié)合圖3可知，30年5區(qū)平均氣溫分別為4.7、9.0、7.6、5.5、7.8 ℃。1998年，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)氣溫達到最高，其中Ⅱ區(qū)10.1 ℃、Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)都為8.8 ℃；2007年為Ⅰ區(qū)歷史最熱年，溫度達到 6.2 ℃；Ⅴ區(qū)在2009年溫度達到最高，為8.7 ℃。2000—2010年是最暖的10年，平均溫度達7.4 ℃。近30年來，5區(qū)均有明顯的增溫趨勢， 南北農(nóng)牧交錯帶年平均氣溫增長率為0.45 ℃/10年， 明顯高于同期全國和全球的氣溫增長率。雖然近4～5年出現(xiàn)了明顯降溫現(xiàn)象，但總體仍處于升溫狀態(tài)，這與全球平均氣溫變化的趨勢一致[18]。

表1 5區(qū)降水、溫度30年平均變異系數(shù)

從交錯帶溫度變異系數(shù)VCt變化(圖7)中可以看到，1982—2012年間所有區(qū)域的氣溫變異均呈下降趨勢，總體變異系數(shù)下降了29%。Ⅰ區(qū)在90年代氣溫變異系數(shù)下降了50%，說明Ⅰ區(qū)溫度在90年代受氣候影響較小，進入21世紀變異系數(shù)開始回歸；Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)變異系數(shù)呈低—高—低動態(tài)趨勢，近10年與80年代相比分別下降了18%和31%；Ⅳ區(qū)變異系數(shù)呈階梯式下降，30年來下降幅度達到51%，說明近30年，Ⅳ區(qū)受氣候變化的波動性越來越小。Ⅴ區(qū)在90年代氣溫波動性最大，與80年代相比升高了56%。表1顯示，5區(qū)溫度30年平均變異系數(shù)分別為草甸草原區(qū)(Ⅰ區(qū)，14%)>丘陵草原區(qū)(Ⅳ區(qū)，12%)>荒漠草原區(qū)(Ⅲ區(qū)，9%)>灌叢草原區(qū)(Ⅱ區(qū)，7%)>山地草原區(qū)(Ⅴ區(qū)，6%)。

2.3 400 mm等雨量線遷移與農(nóng)牧交錯帶地理相關(guān)性分析

400 mm等雨量線是中國西部干旱半干旱區(qū)與東部濕潤半濕潤區(qū)的分界線，全國90%左右的耕地和人口都分布在該線以東地區(qū)，也是中國北方農(nóng)牧交錯帶區(qū)域的重要劃分標準，因此，400 mm等雨量線的空間位移會對中國北方農(nóng)牧交錯帶產(chǎn)生巨大的資源環(huán)境及社會經(jīng)濟效應(yīng)。

由圖3可知，400 mm等雨量線遷移在空間上與北方農(nóng)牧交錯帶相關(guān)性較大，與川滇農(nóng)牧交錯帶(位于800 mm等雨量線)相關(guān)性不大。北方農(nóng)牧交錯帶地理坐標范圍為105°45′～124°42′E、36°01′～49°36′N[7]。從圖8中可以看出，等雨量線遷移具有方向性：經(jīng)向遷移介于102°～111°E，緯向遷移介于35°～40°N。400 mm等雨量線30年來的遷移范圍一直在北方農(nóng)牧交錯帶內(nèi)，中段與東段甚至覆蓋了整個北方農(nóng)牧交錯帶區(qū)域。且400 mm等雨量線有向東和向北發(fā)生移動的趨勢，緯度變化較大，向北推進了近1 000 km，400 mm等雨量線開始遷移到呼倫貝爾草原、內(nèi)蒙古高原一帶。周期性明顯：1982—1999年周期為5～6年，2000年之后，周期縮短為3～4年。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

農(nóng)牧交錯帶5區(qū)的30年平均降水量分別為：Ⅰ區(qū) 402 mm、Ⅱ區(qū)495 mm、Ⅲ區(qū)379 mm、Ⅳ區(qū)380 mm，Ⅴ區(qū) 755 mm，30年來Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅴ區(qū)年均降水量逐漸減少，而Ⅳ區(qū)呈增加之勢。Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅴ區(qū)降水量變異系數(shù)在90年代分別增加了78%、45%、50%，3區(qū)波動性在90年代達到頂峰；Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)在90年代氣候變化影響下變異系數(shù)降到最低，其中Ⅲ區(qū)降低了16%，Ⅳ區(qū)降低45%；近12年來，5區(qū)降水量變異系數(shù)均有回落(Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅴ區(qū))和回升(Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū))現(xiàn)象。在地域分區(qū)上，30年平均降水變異系數(shù)最大值為Ⅰ區(qū)(18%)，最小值為Ⅴ區(qū)(7%)，說明在近30年的氣候變化下Ⅰ區(qū)為嚴重影響區(qū)，Ⅴ區(qū)波動性最低。

近30年來農(nóng)牧交錯帶5區(qū)氣溫普遍升高，且氣溫變異系數(shù)均呈減少趨勢。中國農(nóng)牧交錯帶30年平均氣溫增長率(0.45 ℃/10年)明顯大于全國同期的平均水平，是一個對全球變化非常敏感的區(qū)域。所有區(qū)域在2000—2012年間為最暖期，1998年為近30年來中國農(nóng)牧交錯帶平均氣溫最高的一年，與全國氣溫變化趨勢一致[18-20]。Ⅰ區(qū)在90年代氣溫變異系數(shù)下降了50%，2000年后有所回升。近10年與80年代相比，Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)變異系數(shù)分別下降了18%、31%、51%，30年來Ⅴ區(qū)變異系數(shù)僅下降了6%，但在90年代變異系數(shù)升高了56%，為30年間氣溫升高最快時期。30年平均變異系數(shù)在空間上表現(xiàn)出一定的區(qū)域差異性，大致呈現(xiàn)為Ⅰ草甸草原區(qū)(14%)>Ⅳ丘陵草原區(qū)(12%)>Ⅲ荒漠草原區(qū)(9%)>Ⅱ灌叢草原區(qū)(7%)>Ⅴ山地草原區(qū)(6%)。Ⅰ草甸草原區(qū)對農(nóng)牧交錯帶增溫貢獻率最大，該結(jié)論與已有的研究[11，21]基本一致。在全球變暖背景下，我國氣候發(fā)生了相應(yīng)變化，受降水量影響的400 mm等雨量線位置發(fā)生了改變，有向東、向北方向遷移之勢，經(jīng)向遷移介于102°～111°E之間，緯向遷移介于 35°～40°N之間。30年間400 mm中、東段遷移范圍與北方農(nóng)牧交錯帶(105°45′～124°42′E、36°01′～ 49°36′N)區(qū)域重合度達89%，且重合度有升高之勢。

3.2 討論

基于前人采用植被指數(shù)和地面草原生物量數(shù)據(jù)建立5種模型進行分區(qū)研究，本研究依據(jù)降水量、溫度的變化對農(nóng)牧交錯帶氣候進行探討，并未考慮風速、蒸發(fā)量及社會人文因素對農(nóng)牧交錯帶的影響。

30年間，五大農(nóng)牧交錯帶溫度明顯升高，但近幾年有明顯降溫現(xiàn)象，除丘陵草原區(qū)(Ⅳ區(qū))降水量有所增加，其他4區(qū)降水量均有減少趨勢。降水量減少，溫度升高，將嚴重影響農(nóng)牧交錯帶的旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[7]，被開墾的農(nóng)田處于一個不穩(wěn)定的狀態(tài)，并造成沙漠化的發(fā)展。草甸草原區(qū)(Ⅰ 區(qū))雨量適中、氣候適宜，適于發(fā)展大牲畜，但是因其受氣候因素影響最大，可能導(dǎo)致該區(qū)域植物生長受到影響，不利于畜牧業(yè)的發(fā)展。受氣候變化影響最小的山地草原區(qū)(Ⅴ區(qū))，生態(tài)空間格局不會有太大變化。

我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大體以400 mm年降水量等值線為界，可分為2個大區(qū)：以東、以南是種植業(yè)為主的農(nóng)區(qū)，以西、以北是畜牧業(yè)為主的牧區(qū)。由于近30年間400 mm等雨量線向東、向北遷移迅速，北方農(nóng)牧交錯帶將大大減少畜牧業(yè)的發(fā)展，避免增加其生態(tài)脆弱性。

考慮針對不同植被區(qū)域類型采用不同的措施，有選擇地對草地實行施肥、灌溉，增強防治風蝕沙化的能力，減輕草地畜牧業(yè)的壓力，提高農(nóng)牧交錯帶經(jīng)濟效益。

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