近50年新疆地區(qū)風蝕氣候侵蝕力時空變化特征分析

王雅琴, 范文波, 許忠宇, 董倩倩, 魏建濤, 李長曉

(1.石河子大學 水利建筑工程學院, 新疆 石河子 832000; 2.石河子大學 現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室,新疆 石河子 832000; 3.石河子大學 理學院, 新疆 石河子 832000)

土壤風蝕引起旱地土地退化及土壤流失[1]，并受到自然條件及人類活動等多重復雜因素的影響，其中干旱多風的氣候條件是致使我國西北干旱區(qū)發(fā)生土壤風蝕的重要因素[2]。目前，在國際上廣泛采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)修訂的風蝕氣候因子指數(shù)(C值)來度量氣候因子對土壤風蝕影響程度的大小[3]，C值可以作為一個最優(yōu)選擇來衡量產(chǎn)生有利于風蝕條件的氣候趨勢[4]，是土地沙漠化及農(nóng)田風蝕的有效評判指標。因此，風蝕氣候侵蝕力對研究干旱半干旱區(qū)土壤風蝕過程、沙漠化防治及風蝕地貌的演化具有一定的指示意義[5]。

繼Chepil等[6]提出風蝕氣候因子的概念后，國外學者對此進行了大量研究，我國學者對風蝕氣候侵蝕力在不同尺度上的分布也有報道。董玉祥等[7]對我國干旱半干旱地區(qū)風蝕氣候侵蝕力的研究顯示，我國干旱地區(qū)年風蝕氣候侵蝕力介于10～100。此后學者們應用風蝕氣候侵蝕力計算模型分別對福建省、青海省、吉林省、內(nèi)蒙古陰山北麓、甘肅省雅丹地貌區(qū)及塔里木盆地等地區(qū)的風蝕氣候侵蝕力進行了不同時間尺度的計算與分析[8-14]，研究了該部分地區(qū)風蝕氣候侵蝕力的潛力、時空演化規(guī)律、突變特征、周期性及其與氣候要素的相關性，但是對新疆全區(qū)風蝕氣候侵蝕力的系統(tǒng)研究還鮮有報道。

新疆地區(qū)是我國風蝕地貌的主要分布區(qū)，而風蝕區(qū)是荒漠化治理、水土保持調(diào)查和規(guī)劃的基本單元。因此，本文擬以C因子為指標，計算與分析新疆地區(qū)的風蝕氣候因子指數(shù)，以揭示近50 a來新疆地區(qū)風蝕氣候侵蝕力的時空演化特征，研究結果以期為更好地認識新疆地區(qū)土壤風蝕潛力，并為新疆地區(qū)環(huán)境保護及沙漠化評價提供一個重要指標值。

1 研究區(qū)概況

新疆地處東經(jīng)73°40′—96°18′，北緯34°25′—48°10′，南北有高山阻隔，天山山脈橫亙其間，以天山為界，可以將全區(qū)劃分為3大區(qū)域，天山以南為南疆，天山為北為北疆，哈密和吐魯番一帶劃分為東疆。全疆境內(nèi)分布有9大風區(qū)，部分地區(qū)如南疆和田、羅布泊、東疆哈密、吐魯番及北疆克拉瑪依等是我國主要風蝕地貌區(qū)。全國土壤侵蝕普查結果顯示，新疆風蝕面積占總侵蝕面積的90%左右，主要以輕度和中度侵蝕為主，風蝕范圍較廣，塔里木盆地、準噶爾盆地及東疆地區(qū)為主要風蝕區(qū)，其中沙漠邊緣區(qū)與大風口地帶極易發(fā)生劇烈風蝕[15]。新疆地區(qū)區(qū)域劃分及站點分布圖見圖1。

圖1 新疆維吾爾自治區(qū)區(qū)域劃分及氣象站點分布

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

2.1.1 數(shù)據(jù)來源 本研究氣象資料為1969—2019年新疆維吾爾自治區(qū)41個氣象站點地面氣候資料逐日/月數(shù)據(jù)集，將全區(qū)劃分為3個研究區(qū)域，分別為東疆地區(qū)(主要包括6個氣象站點)、北疆地區(qū)(主要包括17個氣象站點)和南疆地區(qū)(主要包括18個氣象站點)，選取了平均氣溫(℃)、降水量(mm)、蒸發(fā)量(mm)、平均風速(m/s)、平均相對濕度(%)等氣象指標計算全區(qū)風蝕氣候侵蝕力，數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http：/data.cma.cn/)。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理 原始數(shù)據(jù)中的單位處理為計算統(tǒng)一單位；剔除數(shù)據(jù)嚴重缺失臺站，初始數(shù)據(jù)中存在特征值999999，999998稱為缺失值，對于缺失值處理按照臨近點平均值插補法和臨近時間點數(shù)據(jù)替補的方法補全。

2.2 研究方法

2.2.1 風蝕氣候因子指數(shù)計算方法 本文利用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)訂正的計算公式[16]計算C值，該公式計算方便又具有較高的準確性，見公式(1)：

(1)

ETPi=0.19(20+Ti)2(1-ri)

(2)

u2=u1(z2/z1)1/7

(3)

2.2.2 分析方法 采用氣候傾向率方法[17]分析風蝕氣候侵蝕力的年際變化趨勢，用xi表示樣本量為n的某一氣候變量，用ti表示xi所對應的時間，建立xi與ti之間的一元線性回歸：

xi=a+bti(i=1，2，…，n)

(4)

式中:a和b分別為回歸系數(shù)和回歸常數(shù),均由最小二乘法計算得到；b的大小表示隨時間t的增加x上升或下降的傾向程度；b×10稱為氣候傾向率,本文中表示每10 aC值的傾向程度。

采用ArcGIS的地統(tǒng)計學方法分析新疆地區(qū)1979年、1989年、1999年、2009年、2019年風蝕氣候侵蝕力的空間分布特征及每10 a風蝕氣候傾向率的變化趨勢。采用Mann-Kendall(M-K)突變檢驗[18]的方法對近50 a來新疆地區(qū)風蝕氣候侵蝕力進行突變分析，運用Matlab程序?qū)崿F(xiàn)。

3 結果與分析

3.1 1969-2019年風蝕氣候侵蝕力的時間變化特征

3.1.1 年際變化特征C值是風蝕受各氣象因子影響的綜合反映，其年際變化特征也反映氣象因子的波動特征，年均C值的大小也反映該區(qū)風蝕氣候侵蝕力的潛力。圖2為1969—2019年東疆地區(qū)6個氣象站點平均風蝕氣候因子指數(shù)的年變化特征及年代際變化趨勢。

圖2 1969-2019年東疆地區(qū)風蝕氣候侵蝕因子年際和年代際變化趨勢

從總體看，近50 a東疆地區(qū)的C值呈現(xiàn)波動式下降趨勢(p<0.01)，年遞減速率為1.39，最大值出現(xiàn)在1972年為150.67，2016年達到最小值為43.16，1969—2019年C值的平均值為76.92，1969—1978年C均值均大于100，超過了風蝕氣候侵蝕力“極重”(風蝕氣候因子指數(shù)≥100)的分級標準[16]，說明在1978年以前東疆地區(qū)風蝕強度較大。1988年以后逐年下降至平均值以下。不同時段C值的傾向程度不同，1970s，1980s，1990s及2010s這4個年代的10 a傾向率均為負值，分別為-21.344，-12.988，-26.138，-10.058，其中1970s，1990s和2010s的C值傾向率通過了α=0.01的顯著性檢驗，說明這3個時段C值下降趨勢顯著。2000s的傾向率為非負值，且未能通過顯著性檢驗，說明該時段內(nèi)C值上升趨勢不顯著。

圖3為1969—2019年北疆地區(qū)17個氣象站點風蝕氣候侵蝕因子指數(shù)的年際變化特征及年代際變化趨勢。從圖3可以看出，北疆地區(qū)以每年1.49的速率波動下降(p<0.05)，最大值為106.95(1983年)，2010年出現(xiàn)最小值為-47.02，C值多年平均值為29.85，2005年以后逐年下降至平均值以下。北疆地區(qū)C值的變化過程總體呈現(xiàn)3個階段，第一階段1969—1975年平穩(wěn)上升，第二階段1975—2012年呈現(xiàn)快速下降趨勢(p<0.05)，第三階段2012年以后呈現(xiàn)顯著上升趨勢(p<0.05)。

圖3 1969-2019年北疆地區(qū)風蝕氣候侵蝕因子年際和年代際變化趨勢

數(shù)據(jù)計算得，1970s和2010s兩個年代風蝕10 a氣候傾向率分別為43.091，58.487，均大于0，其中2010s的傾向率通過α=0.05的顯著性檢驗，說明2010s的C值呈現(xiàn)顯著上升趨勢；1980s，1990s，2000s的10年傾向率分別為-9.361，-9.021，-11.175均小于0，其中2000s的傾向率通過了α=0.01的顯著性檢驗，說明2000s的C值呈下降趨勢顯著。

由圖4B可知，1969—2019年南疆地區(qū)風蝕氣候侵蝕力的傾向率呈增大趨勢，說明近50 a來南疆地區(qū)風蝕氣候侵蝕力大小雖然總體呈下降趨勢，但是風蝕氣候侵蝕力上升潛力在逐漸增大。1970s，1980s，2000s這3個年代的10 a傾向率分別為-9.30，-6.12，-0.44均小于0，其中1970s的傾向率通過了α=0.01的顯著性檢驗，說明在1970s的C值下降趨勢最為顯著。1990s和2010s的10 a傾向率均為正值分別為2.489，6.872，僅2010s的C值傾向率通過了顯著性檢驗(α=0.01)，說明2010s的風蝕氣候侵蝕力上升傾向顯著。

圖4 1969-2019年南疆地區(qū)風蝕氣候侵蝕因子年際和年代際變化趨勢

從圖5A可以看出全疆C值整體呈現(xiàn)波動下降趨勢(p<0.01)，遞減速率為每年1.14，最大值為78.79(1975年)，最小值為2.95(2012年)，全疆C值多年平均值為40.54，1985年以前C值大于平均值，1985—1995年在平均值范圍內(nèi)波動，1995年之后逐年下降至平均值以下。從圖5B可以看出，1970s和2010s的傾向率大于0，2010s的10 a傾向率為20.72，通過了α=0.05的顯著性檢驗，說明該時段C值上升傾向顯著。1980s，1990s，2000s這3個時段的10 a傾向率分別為-9.51，-10.89，-0.42均小于0，均未通過顯著性檢驗，說明該時段風蝕氣候侵蝕力有下降傾向但是并不顯著。

圖5 1969-2019年新疆全區(qū)風蝕氣候侵蝕因子年際和年代際變化趨勢

對比圖2—5發(fā)現(xiàn)，新疆全區(qū)及東疆、北疆、南疆3個分區(qū)的風蝕氣候侵蝕力總體呈現(xiàn)波動下降的趨勢，但北疆和南疆地區(qū)在2012年以后C值均有顯著的回升趨勢(p<0.01)其中南疆地區(qū)年均風蝕氣候侵蝕力早在1996年左右已有上升的趨勢。全疆多年平均C值和其遞減速率從小到大排序為南疆<北疆<東疆，究其原因，主要與新疆地區(qū)大風口帶的分布有很大關系，由于新疆境內(nèi)有九大風區(qū)，其中東疆區(qū)內(nèi)就分布有4個大風區(qū)，包括哈密北戈壁風區(qū)、哈密南戈壁風區(qū)、百里風區(qū)及吐魯番西部風區(qū)，常年平均風速偏大，導致東疆地區(qū)哈密站、紅柳河站及吐魯番站點的C值遠高于其他站點，從而致使東疆地區(qū)平均C值高于疆內(nèi)其他地區(qū)。北疆地區(qū)的阿拉山口站和達坂城站同樣處在風區(qū)，C值也遠高于其他站點。

3.1.2 年內(nèi)分配特征 新疆全區(qū)C值的月際及季節(jié)變化特征見圖6。由圖6A可知。新疆地區(qū)風蝕氣候侵蝕力具有明顯的季節(jié)特征，從季節(jié)變化特征來看，C值在季節(jié)上的變化表現(xiàn)為春季>夏季>秋季>冬季。C值的月變化特征顯示為：1—5月C值隨著月份的增大而逐漸上升，其中4月和5月急劇增長，5月達到最大值為9.068；6月開始下降，1月達到最小值為-4.481。

圖6 新疆地區(qū)風蝕氣候因子指數(shù)月際和季節(jié)變化特征

究其原因，由于新疆地區(qū)風蝕氣候侵蝕力的季節(jié)變化特征與地區(qū)特殊的氣候特征有密切的關系。新疆地區(qū)冬季氣溫偏低，積雪較厚，地表受積雪的保護而降低了風蝕的發(fā)生，春季和夏季的平均風速偏高，且由于氣溫回暖，春夏季節(jié)的空氣相對濕度偏低，降雨較少，易發(fā)生土壤風蝕。

3.2 1969-2019年風蝕氣候侵蝕力的空間分布特征

圖7給出了新疆地區(qū)1969—2019年41個氣象站點風蝕氣候因子(A，C，E，G，I)及氣候傾向率(B，D，F(xiàn)，H，J)的空間變化特征，新疆各區(qū)的風蝕情況見表1。從風蝕氣候因子整體的分布狀況可以看出，風蝕氣候因子的空間分布規(guī)律與該區(qū)域風蝕地貌的分布有極大的關聯(lián)性，也與風速的分布規(guī)律密不可分。根據(jù)統(tǒng)計計算得，1969—2019年41個氣象站點的C值的變化范圍為-200～355，從年均C值的空間變化圖中可以看出，風蝕氣候侵蝕力出現(xiàn)明顯的3個高值區(qū)，一是以阿拉山口和克拉瑪依站為中心的博州地區(qū)及塔城南部地區(qū)，二是以達坂城和奇臺站為中心的準東地區(qū)與吐哈盆地交界處，三是以淖毛湖和紅柳河站為中心的東疆東部地區(qū)，其中最大值出現(xiàn)在阿拉山口，超過風蝕氣候侵蝕“極重”的分級標準，屬于極重侵蝕區(qū)，另外，全區(qū)有4個站點C值≥100屬于極重侵蝕區(qū)，占總氣象站點的10%。C值的10 a平均傾向率變化范圍為-6.172～7.631，其中有16個氣象站點的平均傾向率為非負值，占總站點數(shù)的39%，從傾向率的空間分布圖中可以看出，風蝕氣候傾向率的高值區(qū)主要分布在新疆的東北部和南疆西南角地區(qū)，這與韓柳等[19]的研究結果一致，其中以阿勒泰地區(qū)的傾向率最高，說明該區(qū)風蝕氣候侵蝕力的增長趨勢明顯。

圖7 1969-2019年新疆地區(qū)風蝕氣候因子指數(shù)及風蝕氣候傾向率空間分布

對比圖7A，C，E，G，I可以看出，新疆地區(qū)C值總體呈現(xiàn)從東向西遞減，從南向北遞增的空間格局，1999年之前全疆C值的南北分布大致以天山為界，北疆除阿勒泰地區(qū)之外區(qū)域的風蝕氣候因子均值大于30，風蝕等級較高，而南疆地區(qū)的風蝕氣候因子均值在30以內(nèi)，風蝕等級較低。自2000年以后全疆C值明顯降低且不存在明顯的區(qū)域界線，全區(qū)風蝕等級均有所下降，其中C值≥100的極重侵蝕地區(qū)范圍明顯縮小，僅分布在準東地區(qū)與吐哈盆地的交界處及阿拉山口，與Yang[3]、李達凈[20]等的研究結果一致。

由表1可知，全疆風蝕范圍較廣，類型集中，主要以微度及輕度侵蝕為主，從各類風蝕區(qū)的區(qū)域氣候特點可以看出，極重度風蝕區(qū)的風速遠遠高于其他地區(qū)，相對濕度、溫差、降水量和氣溫等值也低于其他區(qū)域，但差異較風速差異小，說明風蝕氣候侵蝕力的大小與風速大小有密切的關系，這與前人的研究結果一致[9-14]。

表1 新疆地區(qū)風蝕氣候因子指數(shù)的分布情況

3.3 風蝕氣候侵蝕力的突變性

大量事實表明氣候不是緩慢變化的，而是從一種穩(wěn)定狀態(tài)跳躍式地轉變到另一種穩(wěn)定狀態(tài)，稱為氣候突變現(xiàn)象[21]，M-K檢驗法是世界氣象組織推薦的用于提取序列變化趨勢的有效工具[22]。圖8為1969—2019年新疆全區(qū)風蝕氣候因子指數(shù)的M-K突變檢驗結果。

圖8 新疆維吾爾自治區(qū)和3個大區(qū)風蝕氣候因子指數(shù)的突變特征

由圖8可以看出，新疆地區(qū)風蝕氣候因子指數(shù)的UF和UB曲線在1993年出現(xiàn)交點，且交點在α=0.01的信度曲線之內(nèi)，說明新疆地區(qū)風蝕氣候侵蝕力在1993年開始突變，同年下降趨勢超過顯著性水平0.01的臨界線，說明新疆地區(qū)C值自1993年開始顯著降低。北疆和南疆地區(qū)風蝕氣候侵蝕力分別在1998年和1975年發(fā)生突變，分別在2006年和1976年進入顯著下降趨勢；東疆地區(qū)風蝕氣候侵蝕力在1979年以后顯著下降，無突變。

從氣候變化的角度看，近50 a來新疆地區(qū)氣候變化狀況與該區(qū)風蝕氣候侵蝕力的突變息息相關。新疆地區(qū)的氣候在向暖濕方向發(fā)展，自1998年起進入顯著暖濕化的發(fā)展趨勢[23]，其中，北疆和東疆地區(qū)的C值突變時間與氣候突變具有同步性，而南疆地區(qū)C值發(fā)生突變的時間則早于氣候濕暖化的突變時間點，說明北疆和東疆地區(qū)風蝕氣候侵蝕力對氣候變化的敏感性大于南疆地區(qū)，此外根據(jù)資料顯示，20世紀末期，南疆地區(qū)的沙漠化正在以年均增加0.93%的速度侵蝕塔克拉瑪干沙漠南緣，從且末至若羌、和田普遍出現(xiàn)了沙漠南移，綠洲后退的情景[24]，而南疆地區(qū)風蝕氣候侵蝕力在1997年左右出現(xiàn)上升趨勢，由此說明對于南疆地區(qū)，土壤風蝕作用已經(jīng)不再是由氣候因素所主導而發(fā)生。

4 結 論

近50 a來新疆地區(qū)風蝕氣候侵蝕力呈顯著的波動式下降趨勢，年遞減速率為1.14。不同區(qū)域C值變化特征不同，東疆地區(qū)為全區(qū)風蝕氣候侵蝕力等級最大且遞減速率最快的區(qū)域，此外南疆和北疆地區(qū)風蝕氣候侵蝕力分別在1996年及2012年左右出現(xiàn)明顯的回升趨勢。風蝕氣候侵蝕力的年內(nèi)分配具有明顯的季節(jié)性，春季最高，冬季最低，最小值出現(xiàn)在1月，隨之逐漸升高，5月達到最大值。新疆地區(qū)風蝕氣候侵蝕力呈現(xiàn)從東向西遞減，從南向北遞增的空間格局，全區(qū)以微輕度侵蝕為主，2000年以后全疆C值等級均有所下降，其中C值≥100的極重侵蝕地區(qū)范圍明顯縮小，僅分布在準東地區(qū)與吐哈盆地的交界處及阿拉山口。阿勒泰地區(qū)風蝕氣候侵蝕力最小，但是該區(qū)風蝕氣候侵蝕力的增長趨勢最明顯。

突變分析顯示：新疆地區(qū)風蝕氣候因子在1993年開始突變同年進入顯著下降趨勢。北疆和南疆地區(qū)分別于1988年和1975年發(fā)生突變，分別在2006年和1976年進入顯著下降趨勢；東疆地區(qū)風蝕氣候侵蝕力在1979年以后顯著下降，無突變。北疆和東疆地區(qū)風蝕氣候侵蝕力對氣候變化的敏感性大于南疆地區(qū)，對于南疆地區(qū)，氣候因素對風蝕作用發(fā)生的主導作用在減弱。