陜西省風蝕氣候侵蝕力時空演變特征

雷楊娜，雷田旺，程 路

(1.陜西省氣候中心，西安 710014；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點實驗室，西安 710016；3.西安交通工程學院，西安 710300)

土壤風蝕[1]是以風力為主的外營力作用于地面所引起塵土、沙的飛揚、跳躍和滾動的侵蝕過程。土壤風蝕是一個全球性的環(huán)境問題。中國是世界上受土壤風蝕危害最嚴重的國家之一。土壤風蝕是中國干旱、半干旱及部分濕潤地區(qū)土地荒漠化的首要過程。土壤風蝕主要受氣候、土壤、地形等因素的影響，而氣候是影響土壤風蝕的一個重要因素，影響土壤風蝕的主要氣候因子包括風、降水、氣溫、濕度等[2-3]。國際上一般用風蝕氣候侵蝕力來描述氣候對土壤風蝕的影響程度，風蝕氣候因子指數(shù)是其定量表示指標，也是土地沙化和農田風蝕的重要評價指標，其研究具有重要的理論意義和應用價值[4-5]。風蝕氣候因子的概念和計算方法最早由Chepil等[6]提出，用來評價美國堪薩斯州加爾登城的風蝕能力和土壤沙化程度。在多次修正的基礎上，1979年經聯(lián)合國糧農組織(FAO)進一步改進，得到了較為成熟的計算公式[7]，隨后被廣泛應用。國內關于風蝕氣候侵蝕力的研究開始較晚，董玉祥等[8]計算得出我國干旱半干旱地區(qū)風蝕氣候侵蝕因子指數(shù)一般為10～100，風蝕氣候侵蝕力主要受降水與風速影響。方祖光等[9]計算了福建沿海地區(qū)的風蝕氣候因子強度，指出沿海地區(qū)秋冬季風蝕氣候因子指數(shù)較大。楊興華等[10]分析了塔里木盆地風蝕氣候侵蝕力的基本特征，得出風蝕氣候因子指數(shù)總體呈減小趨勢，主要受風速影響，與降水關系不顯著。祁棟林[11]和吳承永等[12]分別分析了青海省風蝕氣候侵蝕力的時空演變特征和驅動力，發(fā)現(xiàn)風速是影響風蝕氣候侵蝕力的主導因素，其次是氣溫，降水影響最小。賈蓮蓮等[13]系統(tǒng)分析了北方15省風蝕動力和水蝕動力的時空分布格局，得出風蝕氣候因子指數(shù)北方高南方低，中部高，東西較低。這些成果對我國風蝕氣候侵蝕力的研究具有重要的理論意義。

陜西地跨黃河、長江兩大流域，涉及半干旱、半干旱半濕潤、濕潤半濕潤三個氣候區(qū)，境內山原起伏，有高原、山地、平原和盆地等多種地形，自然條件復雜，生態(tài)環(huán)境脆弱[14]。近年來由于氣候變化和人類活動影響，水土流失較為嚴重，土壤侵蝕面積和強度均高于全國大部分省份[15-16]。本研究通過計算陜西省94個氣象站1981—2020年風蝕氣候因子指數(shù)，分析陜西省不同地區(qū)風蝕氣候侵蝕力的基本特征及時空變化，以期為秦嶺、黃土高原地區(qū)土壤風蝕災害防治與評價提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

陜西省地處北緯31°42′至39°35′，東經105°29′至111°15′，居我國中部內陸。省域南北狹長，地理環(huán)境復雜，可分為陜北黃土高原、關中平原和陜南秦巴山地地貌區(qū)。屬大陸季風性氣候，跨越干旱到半干旱、半干旱到半濕潤、半濕潤到濕潤三個氣候區(qū)，南北氣候差異較大。全省年平均氣溫7～16 ℃，北部低于南部，從北向南1月氣溫-10～3 ℃，7月氣溫21～27 ℃。全省年降水量320～1 258 mm，由南向北遞減。年平均風速1.7 m/s，年均大風日數(shù)60 d，年平均相對濕度67.5%。

1.2 資料來源

所用資料為陜西省97個氣象臺站 1981—2020 年的月氣象觀測資料，主要包括月平均溫度、相對濕度、平均風速、降水量、平均相對濕度等氣象要素，剔除楊凌站、黃陵站和三原站等3個不滿30年觀測的氣象站資料，共使用94個觀測站資料。四季劃分采用氣象季節(jié)劃分方法：春季為每年3—5 月、夏季6—8 月、秋季9—11月、冬季當年12月至次年2月。

文中涉及的陜西省、市行政邊界基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網站下載的審圖號為GS(2019)3333號的標準地圖制作，底圖無修改。

1.3 計算方法

采用聯(lián)合國糧農組織(FAO)訂正的風蝕氣候因子指數(shù)(C)計算公式[7]計算C值：

(1)

(2)

式中，u2為2 m高處風速，u10為10 m高處風速。

月潛在蒸發(fā)量(Ei)，采用中華人民共和國環(huán)境保護部《生態(tài)保護紅線劃定指南》(環(huán)辦生態(tài)〔2017〕48號)文件中提供的計算方法[18]：

Ei=0.19(20+Ti)2(1-ri)。

式中，Ti為月平均氣溫(℃)，ri為月平均相對濕度(%)。

在計算得到陜西各站的風蝕氣候因子指數(shù)的基礎上，采用氣候趨勢分析、空間插值、敏感性分析等方法，分析陜西省風蝕氣候侵蝕力的時間變化趨勢、空間分布特征，并從時間相關性、空間相似度和敏感性三方面分析風蝕氣候侵蝕力對風速變化的響應。

2 結果與分析

2.1 風蝕氣候因子指數(shù)時間變化特征

2.1.1 年際變化 從年均風蝕氣候因子指數(shù)(C)變化曲線圖(圖1)可以看出，陜西省C值年際波動較大，表明年均風蝕氣候侵蝕力年際變化顯著，但變化趨勢不明顯。1981—2020年全省平均C值為3.18，1997年最大(7.24)，1983年最小(-0.83)，極差40.6。除冬季C值呈現(xiàn)略微減小趨勢外，春、夏、秋三個季節(jié)C值年際變化與全年類似，年際波動較大，變化趨勢不顯著(圖略)。全省各區(qū)域年均風蝕氣候因子指數(shù)差異顯著，陜北長城沿線最大，多年平均為13.87，其次為陜北南部和關中，分別為4.09和3.55，陜南地區(qū)最小，多年均值僅為-0.57。各地區(qū)C值年際變化同全省基本一致，年際變化較大，但變化趨勢不明顯。

圖1 1981—2020年陜西省及各區(qū)域風蝕氣候因子年際變化

進一步分析C值年代際變化(圖2)，風蝕氣候侵蝕力近40 a來經歷了先增強后減弱的變化，20世紀80年代C值較小，距平值為-0.47，90年代C值明顯增大，距平值為0.84，之后逐年代下降，2000年代仍為正距平(0.14)，2010年代轉為負距平，距平值為-0.51。陜北長城沿線地區(qū)在20世紀80年代為強的正距平(1.20)，90年代和2000年代距平值較小，2010年代為強的負距平(-1.23)；陜北南部2010年代前均為正距平，且距平逐年代減小，2010年代則轉為負距平；關中地區(qū)除20世紀90年代為正距平外，其余年代均為負距平；陜南地區(qū)20世紀80年代和2010年代為負距平，20世紀90年代至2000年代為正距平。整體來看陜西大部分地區(qū)風蝕氣候侵蝕力在20世紀90年代最強，2010年代為近40 a風蝕氣候侵蝕力最弱的年代。

圖2 1981—2020年陜西省及各區(qū)域風蝕氣候因子指數(shù)年代際變化

2.1.2 月變化 圖3為陜西省風蝕氣候因子指數(shù)月際變化，C值月際變化顯著，1—4月逐漸增大，且在4月達到最大值，之后逐漸減小，9月達到最小值，為-0.46。9月之后又逐漸增大。從各季節(jié)C值分布來看，C值季節(jié)特征主要表現(xiàn)為春季最大(1.94)，冬季次之(1.75)，夏秋季很小(均小于0)。風蝕氣候因子指數(shù)月和季節(jié)變化特征與陜西當?shù)氐臍夂蛱卣麝P系密切。春季陜西氣候干燥，雨水較少，易出現(xiàn)大風天氣；冬季氣溫較低，植被覆蓋度較低，地表多為裸露狀態(tài)。因此冬春兩季更易發(fā)生土壤風蝕現(xiàn)象。

圖3 1981—2020年陜西省風蝕氣候因子指數(shù)月變化

2.2 風蝕氣候因子指數(shù)空間分布特征

從風蝕氣候因子指數(shù)空間分布圖(圖4)可看出，陜西省風蝕氣候侵蝕力呈現(xiàn)出北高南低的空間分布特征，全省94個氣象站C值范圍為-8.96～30.0。漢中和安康地區(qū)C值小于0，屬不易受風蝕區(qū)域；關中、陜北延安和榆林南部地區(qū)C值小于10，風蝕氣候侵蝕力較弱；榆林中部C值在10～20之間，風蝕氣候侵蝕力一般；榆林北部定邊地區(qū)C值在20以上，屬于陜西風蝕氣候侵蝕力最強的地區(qū)。整體上，陜西大部分地區(qū)風蝕氣候侵蝕力較弱，占全省區(qū)域90%以上，僅10%左右的地區(qū)風蝕氣候侵蝕力較強，且主要分布在榆林地區(qū)。風蝕氣候侵蝕力的空間分布特點與陜西省的土壤質地、降水、風速分布規(guī)律關系密切，同時也受當?shù)氐匦蔚孛?、植被覆蓋等因素影響。陜西省年降水量自北向南逐漸增加，年平均風速則是自北向南逐漸降低；因此陜西省風蝕氣候侵蝕力分布呈從北向南逐漸減小的空間分布特征。

全省94個氣象站C值氣候傾向率范圍為-5～4.5(10 a)-1(圖4)，其中負值主要分布在陜北西部、關中東部和陜南中東部地區(qū)，占全省所有站的55%，說明這些地區(qū)風蝕氣候侵蝕力呈減小趨勢。減小最快的是榆林定邊地區(qū)，C值氣候傾向率在-3(10 a)-1以下，主要原因和風速顯著減小有關[19-20]。40 a間，定邊站平均風速從1981年的3.23 m/s減小至2020年的2.20 m/s，風速的顯著減小直接導致了定邊地區(qū)C值總體上呈減小趨勢。與此同時，近40 a榆林東北部、延安東部和安康南部C值隨風速的增加而增加，其中神木站風速增加了0.78 m/s，C值氣候傾向率在1.5(10 a)-1以上，榆林和延安東部風蝕氣候侵蝕力的增加更應引起重視。

圖4 1981—2020年陜西省風蝕氣候因子指數(shù)及氣候傾向率空間分布

通過檢驗各站氣候傾向率并對檢驗值進行空間插值，得到全省風蝕氣候侵蝕力變化顯著區(qū)域(圖5)。年風蝕氣候侵蝕力在榆林東部、延安東北部、漢中和安康南部部分地區(qū)顯著增加，榆林中西部、延安東南部、關中東北部及漢中西部則顯著減小， 且減小區(qū)域大于增加區(qū)域。春季風蝕氣候侵蝕力變化情況在陜北地區(qū)與年分布類似，關中西北部及中部地區(qū)也顯著增加，陜南地區(qū)顯著增加區(qū)域則明顯減少，僅存在于漢中南部小部分區(qū)域，顯著減小區(qū)域主要分布在榆林西部、延安南部與關中北部交界區(qū)域。冬季風蝕氣候侵蝕力變化情況則出現(xiàn)南北兩極化分布，除榆林東部和延安東北部顯著增加外，榆林西部、延安南部、關中大部和陜南東部均顯著減小，且顯著減小區(qū)域明顯大于增加區(qū)域。總的來說，風蝕氣候侵蝕力在全年及風蝕嚴重的冬春季節(jié)，顯著減小區(qū)域均大于顯著增加區(qū)域，且這種分布特征在冬季表現(xiàn)尤為突出。

圖5 1981—2020年陜西省風蝕氣候因子指數(shù)變化情況空間分布

2.3 風速對風蝕氣候侵蝕力的影響

2.3.1 風蝕氣候因子指數(shù)與風速的時空相關性 20世紀80年代至今，中國干旱半干旱地區(qū)風速是風蝕氣候侵蝕力年際變化的主要驅動因子[21]。由于陜南地區(qū)風蝕現(xiàn)象較少，且該地區(qū)風速較小，故側重研究陜北和關中地區(qū)風速與C值的關系。對比多年平均風速(圖6)與C值變化空間分布情況，發(fā)現(xiàn)二者在陜北地區(qū)變化趨勢基本吻合，在榆林東部和延安東北部地區(qū)風速顯著增大，而這兩個區(qū)域C值也顯著增大；榆林西部和延安東南部風速和C值都呈現(xiàn)顯著下降趨勢。

圖6 1981—2020年陜西省多年平均風速變化情況

計算各站年平均風速與C值相關系數(shù)并進行空間插值，得到二者相關系數(shù)空間分布(圖7)，在陜北地區(qū)及關中東部部分地區(qū)二者相關系數(shù)均在0.6以上，榆林地區(qū)相關系數(shù)達到0.8以上，說明風速確實是影響C值演變的重要因子。

圖7 1981—2020年陜西省風速與風蝕氣候因子指數(shù)相關系數(shù)

對全省及陜北、關中的年和春、冬兩季(風蝕氣候侵蝕力較強)C值和對應的平均風速進行空間相似度分析[22](表1)，發(fā)現(xiàn)全省年、春季和冬季風蝕氣候侵蝕力與平均風速空間相似系數(shù)分別為0.675、0.782和0.905，說明風蝕氣候侵蝕力與平均風速的空間分布較為一致，且在風蝕較強的冬、春兩季空間一致性更高。陜北地區(qū)年和春季二者空間相似系數(shù)均高于關中地區(qū)，冬季空間相似系數(shù)略低于關中，但整體來說這兩個地區(qū)C值和平均風速的空間一致性均高于全省平均。

表1 1981—2020年陜西省風蝕氣候因子指數(shù)與平均風速的空間相似系數(shù)

2.3.2 風蝕氣候侵蝕力對風要素的敏感性 為進一步分析風速演變對風蝕氣候侵蝕力的影響，計算了風蝕氣候因子指數(shù)對平均風速的敏感性系數(shù)[23]，并進行敏感性分析(表2)。全省年風蝕氣候因子指數(shù)對平均風速的敏感性系數(shù)為2.149，表明若風速增大(減小)1%，可誘發(fā)風蝕氣候因子指數(shù)增加(減小)2.149%；不同季節(jié)風速對風蝕氣候侵蝕力的影響有所差異，冬季敏感性系數(shù)明顯高于春季。關中地區(qū)風蝕氣候因子指數(shù)對平均風速的敏感性系數(shù)和全省基本一致，均是冬季明顯大于春季，年敏感性系數(shù)也與全省相差不大，為2.664，即該地區(qū)風速變化1%可引起風蝕氣候因子指數(shù)變化2.664%；而陜北地區(qū)則正好相反，春季敏感性系數(shù)略高于冬季，且年敏感性系數(shù)較小，即風速變化1%，風蝕氣候因子指數(shù)可變化1.684%。這可能由于土壤風蝕不僅受氣候因素影響，還受地形地貌、土壤類型、植被覆蓋等因素影響，而在陜北地區(qū)可能其他因素的影響大于氣候因素的影響。

表2 1981—2020年陜西省風蝕氣候因子指數(shù)對平均風速的敏感性系數(shù)

3 結論

(1)1981—2020年全省平均C值為3.18，1997年最大為7.24，1983年最小為-0.83。全省各區(qū)域風蝕氣候侵蝕力差異顯著，陜北長城沿線最大，多年平均為13.87，其次為陜北南部和關中，分別為4.09和3.55，陜南地區(qū)最小，僅為-0.57。各地區(qū)C值年際變化同全省基本一致，年際變化較大，但趨勢不明顯。各地區(qū)風蝕氣候侵蝕力風蝕氣候侵蝕力均經歷了先增強后減弱的變化，除陜南外，全省大部分地區(qū)2010年代均為近40 a最弱的年代。風蝕氣候侵蝕力季節(jié)變化特征為春季最大，冬季次之，夏秋季較小。

(2)陜西省風蝕氣候侵蝕力呈現(xiàn)出北高南低的空間分布特征。全省94個氣象站C值范圍為-8.96～30.0，大部分地區(qū)風蝕氣候侵蝕力較弱，占了全省區(qū)域的90%以上，僅有10%左右的地區(qū)風蝕氣候侵蝕力較強，主要分布在榆林地區(qū)。

(3)年風蝕氣候侵蝕力在榆林東部、延安東北部顯著增加，榆林中西部、延安東南部和關中東北部則顯著減小，且減小區(qū)域大于增加區(qū)域，這種變化特征在冬季表現(xiàn)尤為突出，這與各地區(qū)年及各季節(jié)風速空間分布特征一致性較高。

(4)風蝕氣候侵蝕力與平均風速的相關性分析顯示，風速是影響風蝕氣候侵蝕力演變的重要因素。全省年、春季和冬季風蝕氣候侵蝕力與平均風速空間相似系數(shù)均在0.65以上，表明風蝕氣候侵蝕力與平均風速的空間分布較為一致，且在風蝕較強的冬、春兩季空間一致性更高。敏感性分析顯示，陜北地區(qū)春季風蝕氣候侵蝕力對平均風速的敏感性更高，而關中地區(qū)則是冬季敏感性高于春季。