吉林省西部鹽堿化區熱力景觀特征分析

王德輝，周慧杰 ，王 萌，吳 波，董福湘

(1.廣州中海達衛星導航技術股份有限公司，廣東廣州 511400;2.中國科學院廣州地球化學研究所地球系統科學與可持續發展研究中心，廣東廣州 510640;3.廣西師范學院地理科學與規劃學院，廣西南寧 530001;4.贛南師范學院，江西贛州 341000;5.長春工程學院勘查與測繪學院，吉林長春 130021)

關于吉林省西部鹽堿化的生態問題，學者們已有較多的研究。認為該區域為生態脆弱的農牧交錯帶，其生態退化的主導原因為外部氣候因素，人為擾動加劇了區域生態退化的進程［1－2］。雖然全球的氣候和區域的氣候要素變化曲線能為這種觀點提供支持，但這些退化區域也不乏年降水量達600 mm的地區，這和典型的農牧交錯帶的年降水量并不完全相符，而且該區以農業特征為主，牧業并不占主導。年林豐等的研究顯示，吉林省西部地區的鹽堿化與國內外其他區域鹽堿化形成的原因一致，認為地質條件形成的鹽堿層經過人類對濕地的開發而暴露出來，是引起該區鹽堿化發生的一個重要原因［3－5］。這種內因成因的觀點有地質上的證據支持，如果吉林省西部的鹽堿化均是這種類似潘多拉魔盒的效應，那么隨著氣候的干旱化，大量的鹽堿被風力侵蝕搬運形成鹽塵暴向東部地區輸送，必將使得這種潘多拉魔盒效應影響到更遠的地方，形成更多的鹽堿地。匡耀求等的研究認為，干涸的河流和湖泊形成的熱力洼地牽引下沉氣流，對干涸河湖床上的沉積物進行侵蝕搬運傳輸，使得熱力洼地區成為沙塵暴的源地［6－7］。引發沙塵暴的熱力洼地呈現白天為熱力高地，夜晚為熱力洼地的性質。吉林省西部地區現在是不是熱力洼地?會不會成為沙塵暴的源地?是否有導致吉林省東部甚至黑龍江省的農田鹽堿化的可能，從而造成影響遠超過該區的生態災難?這些問題關乎我國糧倉的安全和區域甚至我國的可持續發展。筆者利用長時間序列的衛星遙感數據，對吉林省西部的生態退化區的熱力景觀特征和成因機制進行了研究，并對防止出現區域性鹽塵暴提出了生態控制思路和建議。

1 研究區概況

吉林省西部位于松嫩平原的中部，遼河平原的北端，屬于半干旱、亞濕潤農牧交錯地帶，是松遼平原農業區向西部草原牧區過渡地帶。該區大部分屬于溫帶半濕潤氣候，西部小部分屬于溫帶半干旱氣候。熱量資源較為豐富，年降水量在370～407 mm，年蒸發量1 500～1 900 mm，≥10℃的年活動積溫總和為2 900～3 200℃，濕潤系數為0.15左右。全區以西北風和西南風為多，一般冬春干燥季節風速最大，平均為4.5 m/s。該區地帶性土壤為黑栗鈣土，但鹽堿化草甸土及風沙土分布廣泛，在植被類型上屬于由草甸草原向真草原過渡的地帶。吉林省西部曾經是水草豐美的大草原，但由于人口劇增和對自然資源的過度開發，人類活動對生態環境的干擾強度日益增大，土地沙漠化、鹽堿化和草場退化面積逐年增加，植被覆蓋面積銳減。

吉林省西部行政上包括白城市洮北、大安、洮南、鎮賚、通榆，松原市寧江、扶余、前郭爾羅斯、乾安、長嶺10個縣(市、區)。土地總面積為4 689 752 hm2，占吉林省總幅員面積的24.54%。2011年該區域總人口494.68萬人，地區生產總值達1 915.54億元，人均生產總值為8 875元，人均產糧食2 080 kg，可為區外提供1 500萬人的口糧。

2 數據與方法

2.1 數據 為了揭示吉林省西部生態環境狀況，該研究從美國國家地質調查局(USGS)的https://mrtweb.cr.usgs.gov/網站獲取研究區2000～2013年MODIS Terra和2002～2013年MODIS Aqua的月值歸一化植被指數(NDVI)數據;為了研究該區的熱力景觀特征，從https://mrtweb.cr.usgs.gov/網站獲取Aqua MODIS 2003～2013年1和3月的8 d合成的白天和晚上地表溫度產品數據;為了探討研究區的地表和大氣的濕度狀況，收集了Aqua MODIS 2002～2013年每年10月～次年3月的8 d合成的雪覆蓋產品(MYD10A2)數據。

2.2 數據處理方法

2.2.1 吉林省西部生態狀況信息提取。為了獲取吉林省西部生態退化區的分布狀況，需要突出每年最好植被覆蓋狀態并且盡量壓制氣候的年變化等因素造成的波動。該研究對MODIS NDVI產品(基于最大值合成算法)進行了每年的最大值合成運算，得到年最大值NDVI，然后對所有年份的年最大值合成的NDVI求均值運算，雙星的產品分別運算，最后將兩個星的多年合成的平均NDVI求算術平均值，得到吉林省西部地區的多年合成NDVI數據。

2.2.2 吉林省西部地區地溫指數提取。對地表物質的儲熱性能影響最大的因素為水分，而水分含量的多少決定著鹽堿化區是否會成為熱力洼地的關鍵因素。因而，需要選擇指標突出反映地表的含水狀況。為此，該研究選取冬春之交季節的Aqua MODIS的白天和夜晚產品，以更好地突出尚未有大量綠色植被影響的夜晚地表本底輻射(不用考慮太陽輻射)和減少植被的影響。而白天(北京時間13:00～15:00)的地表溫度與晚上的溫度差可以反映出地表吸收和釋放太陽輻射的能力，可以通過地表儲熱性能推斷地表的水分狀況。由于這個溫差不是標準的溫度日較差，這里將其稱為表征地表儲熱性能的地溫指數。

2.2.3 吉林省西部地區冬半年積雪和云覆蓋信息提取。積雪和云均是大氣中不同水汽的相變產物，而地表是大氣最主要的熱源和重要的水源。因而，下墊面的積雪狀況和大氣云量狀況可以反映出地表的濕度狀況。該研究對吉林省西部冬半年的Aqua MODIS 2002～2013年8 d合成的雪蓋產品(含云覆蓋產品)進行二值化處理，然后進行時間序列方法中的求和運算，得到兩者的12年間的累積次數，用以研究吉林省西部近年來的下墊面濕度狀況。

3 結果與分析

3.1 生態退化區分布特征 圖1中的NDVI為年最大值的多年平均，體現了水熱狀況最佳期的植被生長狀況。在多年最大值平均狀態下，NDVI在0.38附近是生態退化的臨界點，＜0.38的主要是城市、水域和生態退化區域。吉林省西部地區的植被生態較差的地區主要分布在白城地區，松原相對好。在縣級行政單元上，大安市、鎮賚縣、通榆縣較差。

3.2 熱力景觀分布特征 3月接近吉林省西部的冬春之交，是植被覆蓋度低、積雪覆蓋度也比較低的月份，地表的熱力狀況可以較好地反映出固體地球內部的熱力性狀。另外，3月的地表溫度比較接近當地地下常溫層溫度和當地多年平均氣溫(通常與4月的平均氣溫一致)，此時寒流控制相對弱，控制吉林省西部地區的盛行風西南風發生轉向變為西風。這期間也是垂直氣流開始活躍的時候，是一年中沙塵暴開始頻發的月份。Aqua MODIS記錄的夜晚溫度基本上不受太陽輻射的影響，主要反映地表本身釋放熱輻射的能量虧損過程，主要的能量來自地表覆蓋物儲存的熱量和地下來自地球內部熱流的貢獻。該區有深厚的沉積和沖積物，粘土礦物的導熱性能差，加之地層中有儲油層的影響，來自地下的熱流對表層的影響相對較小。因而，Aqua MODIS記錄的后半夜地表溫度相對于植被生態系統來說接近它的背景輻射。

從圖2吉林省西部地區的地表背景輻射溫度形成的熱力景觀來看，東南部松原地區的溫度相對西部的白城高，呈現為熱力高地的特征;圖2中的熱力高地主要為城鎮、水域、森林、高山冰雪消融帶等含有一定水分的區域;特別值得注意的是鹽堿化的地區沒有呈現典型的熱力洼地，反而呈現了熱力高地的性質。圖2反映出地熱表現出三級臺階的特征，西南部(通榆縣、乾安縣、長嶺縣、前郭爾羅斯和松原市寧江區西部)地熱較高，中部(洮南市南部、大安市和扶余縣)中等，北部(洮南市北部、白城市和鎮賚縣)較低，尤其是鎮賚縣，已經表現出熱力洼地的特征，而且出現了生態退化的跡象，有可能引發沙塵暴。

相比3月的夜晚熱力景觀，白天的熱力景觀與多年平均的NDVI呈現出更好的對應關系(圖3)。濕地及濕地退化區域呈現出熱力洼地景觀，可見，在受白天太陽輻射影響而升溫的過程中，生態退化區的升溫相對周圍裸土農田區和山區并不劇烈，這與導致沙塵暴的熱力洼地特征并不相符。

同時考慮到白天獲取太陽輻射熱流升溫與夜晚放熱虧損過程，利用地溫指數觀察地表的儲熱性能變化形成了熱力景觀圖(圖4)。不難發現，河湖濕地區一級鹽堿化的地區表現出相似的熱力性質，即溫度變化不劇烈，見圖4中藍色區域。這說明鹽堿化區域并非干涸的河湖沉積物，表層具有一定的水分。

由圖2～4可以初步判斷，鹽堿化區域沒有進入干涸狀態，不具備導致沙塵暴啟動的熱力洼地特征，反而呈現了熱力高地性狀。

3.3 雪覆蓋特征 為了進一步確認吉林省西部地區的鹽堿化區域是否仍具有濕地區域的熱力性質，可根據該區域降水分布情況來分析。降水中降雨數據的長時間序列空間連續的數據難以獲取，而降雪可以滯留于地表，可以被衛星遙感獲取。通過記錄2002～2013年的遙感獲取的最大雪覆蓋區域的累積次數分布(圖5)，可以清楚地發現同為夜晚熱力高地的城市區域雪蓋低，這與城市的熱島效應和人為清理有關，而濕地和鹽堿化區域呈現了比較高的積雪覆蓋，即累積圖中白色至綠色的區域。這說明大安市和乾安縣等鹽堿化區域具備相似的雪覆蓋特征。而同樣的受人類影響小的周圍區域呈現了迥然不同的累積次數，這也與降水易發生在下墊面濕潤地區有關。

3.4 云覆蓋特征 大氣的云是水汽的凝結物。對于地形起伏接近，海拔高度接近的區域，云的累積次數數據也是不同的。從吉林省西部地區冬半年云覆蓋累積次數分布圖(圖6)中可知，鹽堿化區域云的累積次數仍然很高，而旱地區域的累計次數最低，面積大的湖泊累積次數也比較低，但是在湖泊邊緣累計次數很高。這可能與大面積水體呈現的熱力性質有關，云多形成在溫度和濕度差異最顯著、切變強、湍流強烈的地方。

從遙感獲取的積雪覆蓋和同期云覆蓋的長時間累積狀況，可以進一步確認吉林省濕地鹽堿化地區沒有呈現干涸熱力洼地的性質，而是有一定水分的熱力高地。

4 結論與建議

通過吉林省西部地區熱力景觀的分析，可以初步確認該區的鹽堿化不同于華北平原干旱狀態的鹽堿化，而是處于濕潤狀態下的鹽堿化。這可能與當地的內源性的地質因素有關，從而導致不同于其他干旱區的鹽堿化階段出現致沙塵暴的熱力洼地特征，反而呈現了熱力高地的一些特性。

吉林省西部鹽堿化地區的熱力高地特征不代表該區域以后就不會發生沙塵暴源的情況;筆者正在進行的研究已發現該區域已有小規模不頻發的區內起沙情況。因而需要在治理鹽堿化的同時，務必控制好地下水的水位，不能過度開采地下水。一旦形成地下漏斗，地表鹽堿化地區會演變為真正的干涸湖床，從而形成誘發沙塵暴的熱力洼地。

［1］張殿發，王世杰.吉林西部土地鹽堿化的生態地質環境研究［J］.土壤通報，2002，33(2):90 －93.

［2］劉志明，晏明，何艷芬.吉林省西部土地鹽堿化研究［J］.資源科學，2004，26(5):111 －118.

［3］林年豐，湯潔.松嫩平原環境演變與土地鹽堿化、荒漠化的成因分析［J］.第四紀究，2005(4):474 －483.

［4］林年豐，湯潔，斯藹，等.松嫩平原荒漠化的EOS－MODIS數據研究［J］.第四紀研究，2006(2):265 －273.

［5］林年豐，BOUNLOM V，湯潔，等.松嫩平原鹽堿土的形成與新構造運動關系的研究［J］.世界地質，2005(3):282 －288，311.

［6］匡耀求，黃寧生.熱力洼地與沙塵暴的形成［J］.科學，2006，58(5):19 －22.

［7］劉宇，匡耀求，吳志峰，等.不同土地利用類型對城市地表溫度的影響——以廣東東莞為例［J］.地理科學，2006(5):5597 －5602.