基于SPI的黑龍江省西部地區荒漠化影響研究

劉琳 陳文龍 周鋒 王永超

摘要 黑龍江省西部地區是我國人口密度較高的沙化區，也是我國重要的商品糧生產基地，受自然地理和氣候條件的影響，是黑龍江省荒漠化嚴重地區和生態脆弱地區。近年來受氣候和氣候變化等因素的影響，該區域的荒漠化程度日趨嚴重，給當地農牧業生產和人民生活帶來了嚴重影響，造成該區域生態性貧困?；诤邶埥∥鞑繀^域1903—2017年的氣候資料，應用標準化降水指數（SPI），采用小波分析和對比分析法分析了黑龍江省西部地區氣候變化的背景和影響其荒漠化的氣象要素變化規律。結果表明：20世紀80年代以來的氣候變暖事件，以及在這一變暖事件下發生的水汽環境變化，是黑龍江省西部地區荒漠化的影響機制;24年左右的降水量周期變化是該區域荒漠化呈明顯波動變化過程的主要原因。該研究揭示了氣候變化對黑龍江省西部地區荒漠化過程的影響機制，提出了應對氣候變化對黑龍江省西部地區荒漠化影響的預防措施。

關鍵詞 氣候變化;荒漠化;影響機制;生態環境

中圖分類號：TP79 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2021）04–0142–05

氣候的干濕狀況是表征區域環境特點的重要指標[1]。氣候變化導致的地表蒸散量、降水、徑流等水環境因子的改變，必然會對氣候的干濕狀況產生重要影響，進而對森林、草原、濕地、農田等生態系統產生重大影響[2-3]。

黑龍江省西部地區是我國人口密度較高的沙化區，也是我國重要的商品糧生產基地，受自然地理和氣候條件的影響，該地是黑龍江省荒漠化嚴重地區和生態脆弱地區。特別是每年春夏季，西南大風肆虐，林木受損嚴重，地表侵蝕和土壤養分流失加劇，農作物歉收，地下水位持續下降，土地沙化和草場退化加劇，嚴重影響了當地經濟社會可持續發展能力，制約了鄉村振興。近年來，因風災、沙害疊加和地下水位快速下降，黑龍江省西部地區生態狀況進一步惡化，給當地農牧業生產和人民生活帶來了嚴重影響，造成該區域生態性貧困。區域性的荒漠化進程是與當地的氣候背景緊密聯系的。該區域的荒漠化進程，在很大程度上是由其水環境狀況決定的，而其水環境狀況變化與該區域的氣候變化直接相關，因此，黑龍江省西部地區的水環境變化也是氣候變化最敏感、最強烈的信號。明確在氣候變化的背景下黑龍江省西部地區的干濕變化特征，為更好地預測氣候變化對黑龍江省西部地區生態環境的影響，以及這種影響對該區域的荒漠化進程的機理研究具有明確的指導意義。

隨著對氣候變化的關注度提高，對典型區域的氣候干濕狀況的變化及由其引起生態變化的敏感性正在受到越來越多的關注。張立杰等[4]利用SPI和SPEI指數探討了西江流域1959—2016年干旱的時空演變特征及干旱指數的表征差異;郭昭濱等[5]采用SPI指數分析了大興安嶺林區1974—2016年氣候干濕狀況的變化規律，指出進入21世紀以來，該區域氣候干濕波動變化趨于劇烈，有利于森林火災發生的方向演變;吳紹飛等[6]采用7種不同的分布函數，擬合了淮海流域30個氣象站1951—2013年的逐月降水資料，計算了最優模擬值在不同尺度下的SPI及其對比偏差。這些氣候干濕狀況的研究多基于SPI在一定區域的時空分布特征及對農業生產的影響，在區域性的荒漠化進程的研究相對較少。

由于標準化降水指數（SPI）具有計算資料需求少，適用于多時間尺度，良好計算穩定性等優點，而越來越多地作為反應典型區域氣候的干濕狀況變化的指標來使用[7-8]。選取標準化降水指數（SPI），利用黑龍江省沙化區北部邊緣區域的齊齊哈爾氣象站1903—2017年間的逐月降水資料，對該區域氣候干濕狀況的歷史變化特征進行分析，以期為該區域生態環境治理與修復提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 研究區域

本研究中的黑龍江省西部地區指位于124°E以西至西部的大興安嶺東麓之間的狹長地帶，涉及黑龍江3?。ㄗ灾螀^）內的2個地級市中的13個縣（旗、市、區），幅員面積3.28 萬km2。

1.2 自然地理概況

1.2.1 地形地貌 研究區域位于東北平原的西北部，呈淺山丘陵沙丘與洼地相間、微波起伏的風沙地貌特征。地勢西高東低，海拔 140～250 m 。沙丘從西向東、從西南向東北，以流動沙丘為主逐漸過渡為半固定、固定沙丘;荒漠化程度循從西向東、從西南向東北方向減輕。部分地區已出現明顯的沙漠化趨勢。

1.2.2 氣候特征 研究區域處于溫帶范圍，位于東亞季風影響區域的最北端，屬于溫帶大陸性季風氣候，是中國濕潤的東部季風區和干旱的內陸之間的過渡帶。主要特點是：冬寒漫長，春干風大，夏熱多雨，秋涼霜早;7月均溫20℃～23℃，1月均溫-24℃～-19℃。10℃以上活動積溫2 500℃·d～2 900℃·d，由南向北遞減;年降水量380～450 mm，由南向北遞增;降水量多集中于暖季（5—10月），雨量高峰在7月、8月，年降水變率不大，為 20%左右;年蒸發量1 500～1 700 mm，為降水量的3～4倍。

1.2.3 土壤條件 研究區域土壤類型較多，主要有暗棕壤、棕壤、黑土、黑鈣土、草甸土、鹽堿土、風沙土、褐土等，其中以風沙土、草甸土、黑鈣土和黑土為主。風沙土分布廣泛，主要分布在嫩江下游高河漫灘一級階地及湖泊邊緣地帶，多為上更新紀和近代的沖擊沙層，質地一般為細沙，含有石英、長石等礦物。在嫩江沙地上的風沙土既是沙區耕地的主要土壤，又是重要的牧業、林業用地。隨著人口增加，農牧業的發展對風沙土整治和開發利用顯得尤為重要。

1.2.4 植被 研究區域為溫帶森林草原、草甸草原和干草原分布區，以耐旱的羊草、貝加爾針茅等為典型植物種。該區域植物種類受水熱條件的綜合控制，具有從東南向西北遞減的趨勢。人工植被分布數量東部明顯多于西部，天然植被和人工植被的質量北部優于南部。農作物主要有玉米、水稻、大豆、花生、雜糧雜豆等。

本區地處農牧交錯區，氣候干旱，風沙危害重，植被稀疏低矮，農田和牧場防護林退化嚴重，加之長期受過度放牧、過度開墾和樵采等不合理人為活動干擾，草場退化、土壤鹽漬化危害嚴重，生態極度脆弱。

1.2.5 水資源及其開發利用狀況 流經研究區域的主要河流有嫩江及其支流，水量豐沛，同時區域內還有大片湖沼濕地和大小不一的小型湖泊分布。雖然區域內的水資源相對豐富，但一年之內流量變化幅度大，汛期（6—8月）流量占全年流量的70%，其中7月、8月的流量約占全年的一半以上。10月—次年5月為枯水期，其中11月—次年3月為封凍期，12月—次年3月的流量占比不到10%。春季（4—5月）流量約占10%。

由于流量小，很多河流成為季節性的時令河，平時水淺或完全干涸，受季節性變化影響大，每到汛期河水暴漲，水流急劇，有時泛濫成災。同時，由于過去濫伐樹木，開墾陡坡，破壞了天然植被，致使河水含沙量逐漸加大。

1.3 資料來源

選取黑龍江省沙化區北部邊緣區域的齊齊哈爾氣象站1903—2017年間的逐月降水資料，以及區域內的泰來、齊齊哈爾、杜爾伯特、富裕、龍江、甘南、龍江氣象站1961—2017年1—12月的氣象要素作為黑龍江省西部荒漠化地區氣候分析的基礎數據。

1.3.1 標準化降水指數（SPI）及干濕等級劃分 考慮到研究區域植被生長的實際情況，將研究時段劃分為兩種情況：一是植被生長階段5—9月;二是年降水量。采用WMO推薦的計算方法，計算5個月和12個月尺度的SPI值，分別記為SPI5和SPI12，由SPI值劃分的干濕等級見表1[9]。

2 黑龍江省西部荒漠化地區干濕變化的時空特征

2.1 黑龍江省西部荒漠化地區115年干濕變化特征

近115年黑龍江省西部荒漠化區域年SPI具有明顯的年際變化（圖1），其中1934年SPI最大，達3.19，1925年降水最小，為-2.14;在1903—2017年間呈增長的趨勢，平均每10年增加0.09，有向濕潤化方向變化的趨勢，但趨勢變化并不顯著。從SPI分布趨勢看（表1）接近于正態分布，但重澇和特澇出現率及嚴重程度明顯高于重旱和特旱。

圖2是黑龍江省西部荒漠化地區年SPI小波系數的實部時頻圖分析，在黑龍江省西部荒漠化地區近115年（1903—2017年）年SPI存在著明顯的年代際尺度的周期變化，以24年左右的周期信號最為明顯，且這個周期貫穿全域，是黑龍江省西部荒漠化地區年SPI的基本背景，在2005年以后這個周期有減弱的趨勢。在1903—1970年中還有1個18年的周期，在1970年以后被1個14年的周期替代。在1903—1960年中還有1個6年左右的短周期，其后的短周期變化在4～8年之間跳躍，呈不穩定特征。另外還有1個56年以上的長周期，但根據功率譜圖顯示，這個周期的貢獻率不大。從總體上說，24年左右的周期變化是黑龍江省西部地區荒漠化過程的主要氣候背景因子。盡管115年來SPI總體上沒有明顯增加或減少的趨勢，黑龍江省西部荒漠化地區的干濕年際變化似乎也不是導致荒漠化加劇的直接原因;但SPI指數存在有階段性特征和突變性特征，極端降水事件的強度和頻率也呈增加趨勢，干濕度在年度內越來越集中或集聚的分布態勢對黑龍江省西部荒漠化地區生態系統產生了很大的沖擊。

2.2 黑龍江省西部荒漠化地區干濕變化的時空特征

黑龍江省西部荒漠化區域的1961—2017年間7個站點的氣候干濕狀況存在一定的差異（圖3）。在年尺度上，杜爾伯特站SPI的傾向率為-0.028/10 a，即1961～2017年杜爾伯特站呈現為不明顯的干旱趨勢。而其余6個站均呈縣趨于弱的濕潤化變化過程。傾向率在空間分布上也具有一定的差異性，即西南部的濕潤性傾向率比東北部的傾向率明顯偏小。

3 黑龍江省西部地區干濕變化對荒漠化影響

黑龍江省西部荒漠化區域的年平均降水量在412～453 mm，處于半干旱地區到半濕潤地區的過渡帶上，荒漠化區域的生態系統極易受到氣候變化及其他人類活動的影響，氣象水文特征的微小變化會導致生態系統的變化?；哪瘏^域的表層是東北地區典型的黑土，厚度在30～70 cm?？紤]到荒漠化區域的特殊環境，單一的年際干旱對于荒漠化過程的影響一般不會很明顯，而持續性干旱和洪澇過程造成的水土流失將給荒漠化的恢復過程造成不可逆的影響。而SPI指數在一定程度上能夠較好地反映出干旱和洪澇的持續時間、烈度和強度。

由于在黑龍江省西部荒漠化區域115年干濕變化特征分析中，有1個6年左右的短周期變化過程，在分析中采用連續3年SPI滑動平均（圖4），反映在不同階段旱澇影響的持續過程。在1961—2017年間連續3年SPI滑動平均有明顯的持續性，在1970—1980年間為1個持續的干旱階段，雖然其干旱強度不是歷史上最強的，但持續性是最明顯的;在1981—1995年間為1個持續的濕潤階段，黑龍江省西部荒漠化區域水環境得到了明顯的改善，但發生了5次流域性洪水;在1996—2004年間也是1個干旱階段，但由于氣候變暖等不確定原因，這一階段干旱與濕潤存在著交替性;在2000—2003年間出現了歷史上最強的干旱，黑龍江省西部荒漠化區域的黑土層形成了明顯的退化;另一個濕潤階段出現在2009—2015年間，是濕潤度最明顯的階段，之后將轉入一個新的干旱階段的趨勢已經顯現。據實地調查，雖然經過了2009—2015年間的濕潤期，黑龍江省西部荒漠化區域黑土層的退化并沒有得到有效的遏制，這其中的主要原因還是人類生產過程的影響遠大于自然的恢復能力。

4 討論與結論

4.1 討論

4.1.1 下沉焚風效應導致區域高溫少雨 項目區以西是呈南-北走向的大興安嶺，在大興安嶺東緣向黑龍江省過渡時，由于中生代時期，侏羅紀后期至白堊紀后期的“燕山運動”，使本區出現強烈的褶皺、斷裂，加之西伯利亞板塊與中國板塊擠壓、相撞，大興安嶺褶皺帶進一步上升，形成新華隆起帶和階梯式斷裂帶，主軸呈北北東向展布。這一斷裂帶使海拔由1 000～1 200 m急劇降為100～150 m。當西風氣流翻越大興安嶺時，在東坡形成了明顯的下沉焚風效應?？諝庀鲁吝^程是干絕熱過程，在干絕熱條件下海拔每下降100 m空氣溫度上升0.98℃，而在正常情況下海拔每下降100 m空氣溫度僅上升0.68℃。大興安嶺脊線到東部的山腳（項目區）大約有1 000～1 200 m的高度差，西風氣流導到項目區出現3℃左右的增溫效應，通過對該區域多年≥10℃·d積溫的分析，使項目區的平均氣溫明顯高于同緯度的其他區域（圖5～圖7），通過對該區域多年≥10℃·d積溫的分析，可知增溫效應大約在大興安嶺東麓山腳向東延申150 km左右。

4.1.2 地形效應導致大風頻發 在地形的作用下，下沉的西風氣流逐漸左偏，導致西南風成為該區域春季的一個主要盛行風向（圖3）。另外，因西部是大興安嶺，東部是長白山脈，東北部是小興安嶺，項目區從南到北呈抬升趨勢，特殊的地形形成狹管效應，導致項目區春季易出現西南大風。以齊齊哈爾市為例，建國初期，8級以上大風年平均達28 d，近30年春季8級以上大風年平均為10.2 d，最大風速達25 m/s（1983年4月29日）。

4.1.3 降水量與蒸發量的極端不平衡導致春旱嚴重 焚風效應、狹管效應等綜合原因引起區域降水量與蒸發量極端不平衡，進而導致春旱嚴重，嚴重影響植物生長發育。根據分解的彭曼公式，一個區域的蒸發量與這個區域的溫度呈正相關，與風速呈正相關，項目區的最大降水量出現在7月、8月，而最大蒸發量出現在5月、6月，而且蒸發量春季比降水量高3倍左右，使項目區出現降水量與蒸發量的不平衡（圖4），而這種不平衡現象在春季表現最為明顯，這是項目區春季干旱形成的主要氣象成因。

4.1.4 農業過渡開發導致生態惡化 項目區是我國人口密度最高的沙化區，也是我國重要的商品糧生產基地，2017年項目區糧食產量占全國糧食產量的5%（項目區面積占全國面積的1.2%）。近年來，項目區農業發展迅速，過度開采地下水發展高耗水農業，導致地下水水位快速下降，防護林過早退化，生態環境惡化。另外，農業的過渡開發，也使土壤的有機質含量快速降低，土壤沙化加劇，土壤含水能力退化，抗旱能力減弱。據調查，齊齊哈爾市的土壤的有機質平均含量由20世紀的60～70年代的5%～6%，下降到目前的不足1%，近幾年每年地下水位下降量都超過0.3 m。例如，泰來縣的自來水2號井監測站的監測數據顯示，2006年枯水期（5月21日）地下水埋深為3.44 m，2018年枯水期（5月21日）地下水埋深為9.57 m。

4.1.5 上游植被退化導致項目區生態惡化 第二次森林資源清數據（1977—1981 年）顯示，黑龍江省平均公頃蓄積約為94 m3;第七次連清數據（2004—2008 年）顯示，黑龍江省平均公頃蓄積不到79 m3。從東北地區衛星遙感圖也可以反映出大興安嶺中部、南部地區森林植被退化嚴重。森林資源質量的下降導致涵養水源能力下降，對發源于該區域的河流水量調節作用顯著減弱，部分河流出現季節性斷流。

4.2 結論

半干旱地區的農業生態系統極易受到氣候變化及其他人類活動的影響，氣象水文特征的變化會導致農業生態系統的變化。通過對黑龍江省西部地區115年的氣象要素分析表明，近50年來，該區的氣溫呈波動式上升趨勢，特別是從20世紀80年代后期以后，這種變暖的趨勢更為顯著，加劇了該區域水平衡的演變;與氣溫變化相比，該地區降水的趨勢變化雖不明顯，但周期性變化過程顯著，持續性的干旱少雨使土壤長期得不到水源補給，土壤蓄水量顯著下降。雖然人類生產活動是影響荒漠化的主要驅動因素，但是氣候變化是影響荒漠化的有力推手，由于氣溫呈波動式上升，黑龍江省西部區域的蒸散量加大，土壤缺水現象將日趨嚴重，導致荒漠化加劇。

特別是氣象要素在中小尺度上時空分配狀態的變化和局地氣候特征的改變也是引起荒漠化的原因和驅動力，盡管115年來年降水量總體上沒有明顯增加或減少的趨勢，降水的年際變化似乎也不是導致荒漠化加劇的直接原因，但降水在年度內越來越集中或集聚分布的態勢對當地的半干旱地區的農業生態系統產生了很大的沖擊。

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責任編輯：黃艷飛