1981-2010年中國北方風蝕氣候侵蝕力演變與植被動態響應

李達凈, 許端陽, 丁 雪, 王子玉, 宋阿琳

(1.中國科學院 地理科學與資源研究所 陸地表層格局與模擬院重點實驗室, 北京 100101;2.華中師范大學 農村改革發展協同創新中心, 武漢 430079; 3.東北農業大學 資源與環境學院, 哈爾濱 150030;4.北京林業大學 林學院, 北京 100083; 5.中國農業科學院 農業資源與農業區劃研究所, 北京 100081)

土壤風蝕是在以風力為主的外營力作用下[1]，土壤顆粒發生的脫離地表、搬運和沉積的動力學過程，也是我國北方干旱、半干旱及部分半濕潤地區土地退化的重要影響因素[2-3]。我國是受土壤風蝕影響最為嚴重的國家之一。據國家林業局第五次荒漠化調查統計，截至2014年底，風蝕荒漠化(沙漠化)土地面積為182.63 km2，占全國荒漠化總面積的69.93%[4]。土壤風蝕不僅引起本區域土壤層的剝蝕、土壤粗化及土壤肥力降低，而且影響到植被生長并造成大面積的風沙天氣，嚴重威脅著農業、工業、交通和水電工程等方面的安全，不利于風蝕區的人體健康和社會經濟持續穩定發展。

多數陸地植物以土壤為生長基質，土壤風蝕與植被生長有著密切的關系[5-10]。目前，國內外關于風蝕與植被變化的研究取得了較大進展，實現了從定性描述到半定量再到定量研究的發展。20世紀50年代以前，國內外對于土壤風蝕與植被的關系認識較淺，研究方法處于定性描述的階段。20世紀50—70年代，相關研究進入半定量研究階段，如Chepil等[11]提出風蝕會帶走大量富含植被生長所需營養的細顆粒物質，對植被生長造成潛在影響；同時發現直立的小麥殘茬地上的風蝕量僅為裸地風蝕量的17.5%，表明殘茬覆蓋可以減少風蝕的危害。20世紀80年代—20世紀末，風蝕與植被關系的研究向定量風洞試驗與數理分析的方向轉變，如Buckley[12]通過風洞試驗得到區域風蝕、風積強度的變化會影響干旱、半干旱地區植被生長；董治寶等[13]通過風洞試驗發現在干旱、半干旱地區保持一定臨界指標的植被蓋度對于控制土壤風蝕的發生與發展具有重要意義。21世紀以來，隨著3S技術、風洞模擬試驗以及野外長期定位監測等研究方法的不斷進步，風蝕與植被的關系研究正式進入定量研究階段。如Wang等[14]以青藏高原為研究區進行風洞試驗，結果表明在弱風沙活動下土壤中氮、碳、磷等營養物質的損失量分別為100，4 880，120 kg/km2，遠低于強風沙活動的2 540，52 340，910 kg/km2，有利于植被生長。然而，目前相關研究主要集中于植被對土壤風蝕的影響，而對長時間序列風蝕對植被變化影響的研究仍然不足，特別是在植被變化對風蝕氣候侵蝕力演變響應的區域差異以及敏感性方面尚缺乏系統研究。因此，有必要針對我國北方干旱、半干旱及部分半濕潤地區風蝕氣候侵蝕力演變與植被變化的響應展開研究，這對于理解植被的發育機理，改善風蝕環境具有重要意義。

中國北方地區生態環境脆弱，是我國典型風蝕區；同時又是連接絲綢之路經濟帶和中俄蒙經濟走廊的重要通道，是我國向北開放的前沿陣地，具有重要的國土安全和國防戰略地位。基于此，本文以中國北方地區為研究區域，基于柵格尺度，分析1981—2010年該區域的風蝕氣候侵蝕力演變情況；研究風蝕氣候侵蝕力演變對植被變化的影響，旨在為中國北方風蝕防治工作的開展提供參考，以期為中國北方沙區生態安全屏障建設提供支撐。

1　材料與方法

1.1　研究區概況

中國北方地區主要位于內蒙古、新疆、青海、寧夏、甘肅、河北、山西、陜西、四川等省份的干旱、半干旱以及部分半濕潤氣候區，地理位置介于31°—51°N，76°—125°E，呈弧形帶狀分布。全區總面積為3.02×106km2，占全國總面積的31.46%；平均海拔1 720 m，地勢較高；年均降雨量200 mm，自東向西呈遞減趨勢，降雨量少而不勻；平均氣溫6.9℃，四季分明，氣溫偏低，且東西差異顯著；平均年日照時數2 930 h，日照充足，光能資源豐富；春秋風大，年均風速2.5 m/s；土壤以栗鈣土、棕鈣土、風沙土等為主。受氣溫、降雨等氣候因素以及人類活動的影響，本區土壤風蝕危害嚴峻，植被覆蓋度低，土地退化較為嚴重。為了便于統計和分析對比，結合中國北方的地理環境，并參考以往研究[15]，將研究區劃分為圖1所示的20個沙區[涉及中國北方9個省份、222個縣(旗)]。

圖12010年中國北方土地利用/覆被情況

1.2　數據收集與處理

本研究所使用的歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)為GIMMS NDVI3g V1.0數據，來源于美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)全球監測與模型研究組(Global Inventor Modeling and Monitoring group,GIMMS)發布的最新版全球植被指數變化數據(https:∥ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/gimms)，該數據的空間分辨率為0.0833×0.0833度，時間分辨率為半月，時間范圍為1981年7月—2015年12月。本研究使用的氣象數據為國家氣象信息中心下載的國家臺站的風速、降雨、溫度等月值數據，采用反距離權重法(IDW)進行插值。為便于統計分析，同時考慮到所有數據中的最低分辨率，本研究將所有數據統一處理為分辨率為8 km×8 km的柵格數據。

1.3　方 法

1.3.1風蝕氣候侵蝕力的計算方法本文采用風蝕氣候因子指數(以下簡稱C值)作為風蝕氣候侵蝕力的代用指標，該指標主要由風速、降雨、蒸散等因素決定。參考以往研究[16]，本文利用聯合國糧農組織(FAO)修正的計算公式計算C值(公式1)，該公式計算方便又具有較高的準確性，適合分析我國北方沙區風蝕氣候侵蝕力的基本特征。

(1)

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

(2)

式中：ū為2 m高處的月均風速(m/s)；ETPi為月潛在蒸發量(mm)；Pi為月降水量(mm)；d為月天數；Ti為月平均氣溫；ri為月平均相對濕度。

1.3.2風蝕氣候侵蝕力演變對植被動態影響的識別本研究采用多情景分析的方法識別C值變化對植被動態的影響。具體分析方法如下：(1) 以年度NDVI總和(以下仍簡稱“NDVI”)作為反映植被蓋度與生產力的代用指標，在柵格尺度上模擬1981—2010年NDVI值與C值的變化趨勢(公式3，4)，并通過顯著性檢驗(p<0.05)，判斷C值與NDVI值是否發生顯著變化。(2) 分析C值變化與NDVI值變化的相關性(公式5)，并對相關系數進行顯著性檢驗(p<0.05)。(3) 針對已經識別出由風蝕氣候侵蝕力演變引起植被變化的區域，綜合C值變化趨勢及其與NDVI變化的相關性，通過多情景分析，評估C值變化對植被變化的影響。例如，對于一個已經判別為C值顯著減少且NDVI值顯著增加的區域，若C值與NDVI值呈顯著負相關，則認為該區域中C值顯著減少對植被增加有顯著貢獻(表1)。

(3)

(4)

(5)

表1　風蝕氣候侵蝕力演變對植被變化影響的識別方法

1.3.3敏感性分析敏感性系數提供了不明確因素變動率與評價指標變動率之間的比例，本研究引入敏感度系數(SAF)分析植被變化對風蝕氣候侵蝕力演變的敏感程度，計算公式如下：

(6)

式中：ΔNDVI/NDVI代表NDVI值的變化率；ΔC/C代表C值的變化率。SAF>0表示NDVI值對C值正向敏感；SAF<0表示NDVI值對C值反向敏感。當|SAF|>1時，則認為C值是敏感參數；當|SAF|<0.1時，則認為C值是不敏感參數；當0.1<|SAF|<1時，則認為C值屬于一般敏感參數。|SAF|越大，表明植被變化對風蝕氣候侵蝕力演變越敏感；反之則越不敏感。

2　結果與分析

2.1　1981-2010年中國北方風蝕氣候侵蝕力的基本特征

利用聯合國糧農組織(FAO)修正的公式計算出C值，得出1981—2010年30 a平均C值的空間分布(圖2)。結果表明，我國北方風蝕氣候侵蝕力具有典型的空間異質性，C值基本特征為由東至西逐漸減弱，由南至北逐漸減弱。30年C值均值為29.4，多介于10～100，面積占中國北方沙區的74.49%，侵蝕力水平一般。C值小于10的面積為7.18×105km2，占中國北方沙區的23.63%，主要分布在塔里木盆地西部、三江源東南部等沙區。C值大于100的面積為5.70萬km2，占中國北方沙區的1.87%，主要分布于研究區北部的吐哈盆地、準格爾盆地南部、河西走廊北部、阿拉善盟北部、渾沙達克西南部。

2.2　1981-2010年中國北方風蝕氣候侵蝕力的時空變化

1981—2010年，中國北方沙區C值變化存在明顯的空間差異(圖3)。C值顯著減少的面積為2.17×106km2，占C值顯著變化總面積的88.00%，主要分布在伊犁盆地、準格爾盆地、柴達木盆地、三江源、阿拉善盟東部、內蒙后山等17個沙區；其中，C值大于100的極重侵蝕力范圍明顯縮小，從1981年的1.35×105km2減少至2010年的8.72萬km2，主要分布在塔里木盆地與柴達木盆地交界處、準格爾盆地與吐哈盆地交界處、烏蘭察布北部、察哈爾盆地西南部；而C值小于10的侵蝕力范圍則明顯增加，從1981年的4.06×105km2增加到2010年的7.43×105km2，增加了1.83倍，主要分布在塔里木盆地西部、準格爾盆地北部以及呼倫貝爾草原東部等沙區。與此同時，C值顯著增加的面積為2.96×105km2，主要分布在吐哈盆地、塔里木盆地西南部以及寧夏河東沙地；其中，吐哈盆地的增長幅度最大，該沙區C值大于100的極重侵蝕力范圍擴張顯著，由1981年的1.39萬km2擴張至2010年的3.63萬km2，增加了2.61倍。

圖2　1981-2010年多年平均風蝕氣候因子指數分布

圖3　1981-2010年中國北方風蝕氣候因子指數變化空間分布

如圖4所示,通過比較1981—2010年中國北方C值變化趨勢與風速、降雨、溫度等氣候因素的相關關系，可以發現其與風速變化趨勢基本吻合，兩者相關系數均值高達0.95，表明風速是影響C值演變的重要因子。30年間，中國北方的平均風速從1981年的2.83 m/s降低至2010年的2.54 m/s，風速的顯著降低直接導致了北方地區C值總體上呈減少趨勢。與此同時，1981—2010年吐哈盆地與塔里木盆地西南部的C值隨風速的增加而增加，其中吐哈盆地C值與風速的相關系數高達0.98，風速在30年間增加了0.48 m/s，是該區域C值顯著增加的主要原因。

圖4　1981-2010年中國北方風速變化趨勢、風速與風蝕氣候因子指數相關系數空間分布

2.3　風蝕氣候侵蝕力演變與植被變化響應

通過計算1981—2010年C值與NDVI值的線性傾向率以及兩者變化趨勢的相關性，運用多情景分析方法，得出30 a風蝕氣候侵蝕力演變與植被變化的響應情況(表2，圖5)。結果表明，風蝕氣候侵蝕力演變與植被變化顯著相關的面積為3.28×105km2，占植被變化總面積的22.25%。在中國北方干旱、半干旱地區，C值主要受風速影響，北方地區春季因風場強大為主要的風蝕季節，但非風蝕季節植被更多的受降雨、溫度以及人類活動的綜合影響，再加上植被變化對風力侵蝕在內的氣候變化的遲滯響應，從而造成了年際尺度上C值與NDVI值相關程度并不是很高。

表2　風蝕氣候侵蝕力演變與植被變化響應

圖5　1981-2010年風蝕氣候侵蝕力演變與植被變化的響應情況空間分布

C值顯著減少對植被增加的影響較大，作用面積為2.66×105km2，占C值演變引起植被變化總面積的80.95%，主要作用在中國西北地區的伊犁盆地、塔里木盆地西北部與東南部、準格爾盆地西南部、柴達木盆地、河西走廊、銀川平原、河套平原，以及內蒙古中西部的阿拉善西南部、鄂爾多斯草原、土默特平原、晉西北以及科爾沁草原西部；這些地區風蝕氣候侵蝕力的影響更多地體現在與其他氣候因素的交互效應，如同期這些地區水熱環境有明顯改善，降雨量從1981年的216 mm增加至2010年的245 mm，溫度平均每10 a增加0.38℃，導致西部綠洲地區水資源供給的增加。與此同時，C值顯著增加引起植被減少的面積為1.02萬km2，主要體現在吐哈盆地等沙區。此外，部分區域出現風蝕氣候侵蝕力演變與植被增加、減少不同步的現象。例如，呼倫貝爾草原東部和科爾沁西北部的C值呈減少趨勢，侵蝕強度有所減弱，但NDVI值卻呈減少趨勢；而存在同樣問題的區域(含C值顯著增加引起植被增加)共占15.91%，這也表明植被變化并不完全是風蝕氣候侵蝕力作用的產物，還受到其他氣候因子、人類活動以及其他政策因素的影響。例如低溫會限制植被的生長，因此塔里木盆地西南部即使侵蝕加劇，但由于30年間溫度升高了1.5℃，也會導致植被增加等。

2.4　植被變化對風蝕氣候侵蝕力演變的敏感度分析

為進一步分析中國北方地區C值演變對植被的影響，本文引入敏感度系數，結果表明：20個沙區中13個沙區植被變化對C值演變具有一定的敏感性，且不同沙區的敏感強度存在較大差異(表3)。具體表現為，13個沙區中11個沙區表現為反向敏感，即隨C值的增加NDVI值減少或隨C值的減少NDVI值增加；2個沙區表現為同向敏感，即隨C值的增加NDVI值隨之增加或隨C值的減少NDVI值隨之減少。反向敏感中河套平原、塔里木盆地、寧夏河東沙地的植被變化對C值演變較為敏感，敏感度分別為-1.707，-1.489和-1.217；柴達木盆地、晉西北地區、吐哈盆地、河西走廊、呼倫貝爾草原、三江源、鄂爾多斯草原、準格爾盆地等沙區的植被變化對C值演變表現為一般敏感，|SAF|介于0.1～1，且敏感度依次降低。同向敏感中銀川平原和察哈爾草原的植被變化對C值演變表現為一般敏感，敏感度分別為0.218，0.215。而土默特平原、阿拉善高原、伊犁盆地、渾善達克沙地、內蒙古后山、科爾沁草原、烏蘭察布區域的敏感度系數均在0附近徘徊，植被變化對C值演變不敏感。

表3　植被變化對風蝕氣候侵蝕力的敏感度分析

3　結 論

(1) 近30 a，中國北方地區C值多介于10～100，均值為29.4，其基本特征是由東至西逐漸減弱，由南至北逐漸減弱，最大值出現在吐哈盆地。C值的空間分布特征揭示了風蝕防治的重點區域，中國北方風蝕防治的重點在吐哈盆地、河西走廊、阿拉善盟高原等沙區；其次為烏蘭察布、察哈爾草原、渾善達克沙地、柴達木盆地等沙區。

(2) 30年間，中國北方地區C值顯著減少的面積為2.17×106km2，占C值顯著變化總面積的88.00%，主要分布在伊犁盆地、準格爾盆地、柴達木盆地等17個沙區；與此同時，吐哈盆地、塔里木盆地西南部以及寧夏河東沙地的C值顯著增加；C值的變化主要受風速影響，二者相關系數高達0.95。

(3)C值變化對植被動態的影響具有空間異質性，鄂爾多斯草原、柴達木盆地、河套平原等沙區表現為C值顯著減少引起植被增加；呼倫貝爾、科爾沁草原西北部等沙區表現為C值顯著減少引起植被減少；吐哈盆地等沙區表現為C值顯著增加引起植被增加；塔里木盆地等沙區表現為C值顯著增加引起植被減少。

(4) 植被變化對C值演變的敏感性差異顯著，其中河套平原、塔里木盆地、寧夏河東沙地的植被變化對C值演變表現為反向敏感；銀川平原和察哈爾草原等沙區的植被變化對C值演變表現為同向敏感；伊犁盆地、烏蘭察布以及阿拉善高原等沙區則敏感性較小。

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