1981-2010年中国北方风蚀气候侵蚀力演变与植被动态响应

李达净, 许端阳, 丁 雪, 王子玉, 宋阿琳

(1.中国科学院 地理科学与资源研究所 陆地表层格局与模拟院重点实验室, 北京 100101;2.华中师范大学 农村改革发展协同创新中心, 武汉 430079; 3.东北农业大学 资源与环境学院, 哈尔滨 150030;4.北京林业大学 林学院, 北京 100083; 5.中国农业科学院 农业资源与农业区划研究所, 北京 100081)

土壤风蚀是在以风力为主的外营力作用下[1]，土壤颗粒发生的脱离地表、搬运和沉积的动力学过程，也是我国北方干旱、半干旱及部分半湿润地区土地退化的重要影响因素[2-3]。我国是受土壤风蚀影响最为严重的国家之一。据国家林业局第五次荒漠化调查统计，截至2014年底，风蚀荒漠化(沙漠化)土地面积为182.63 km2，占全国荒漠化总面积的69.93%[4]。土壤风蚀不仅引起本区域土壤层的剥蚀、土壤粗化及土壤肥力降低，而且影响到植被生长并造成大面积的风沙天气，严重威胁着农业、工业、交通和水电工程等方面的安全，不利于风蚀区的人体健康和社会经济持续稳定发展。

多数陆地植物以土壤为生长基质，土壤风蚀与植被生长有着密切的关系[5-10]。目前，国内外关于风蚀与植被变化的研究取得了较大进展，实现了从定性描述到半定量再到定量研究的发展。20世纪50年代以前，国内外对于土壤风蚀与植被的关系认识较浅，研究方法处于定性描述的阶段。20世纪50—70年代，相关研究进入半定量研究阶段，如Chepil等[11]提出风蚀会带走大量富含植被生长所需营养的细颗粒物质，对植被生长造成潜在影响；同时发现直立的小麦残茬地上的风蚀量仅为裸地风蚀量的17.5%，表明残茬覆盖可以减少风蚀的危害。20世纪80年代—20世纪末，风蚀与植被关系的研究向定量风洞试验与数理分析的方向转变，如Buckley[12]通过风洞试验得到区域风蚀、风积强度的变化会影响干旱、半干旱地区植被生长；董治宝等[13]通过风洞试验发现在干旱、半干旱地区保持一定临界指标的植被盖度对于控制土壤风蚀的发生与发展具有重要意义。21世纪以来，随着3S技术、风洞模拟试验以及野外长期定位监测等研究方法的不断进步，风蚀与植被的关系研究正式进入定量研究阶段。如Wang等[14]以青藏高原为研究区进行风洞试验，结果表明在弱风沙活动下土壤中氮、碳、磷等营养物质的损失量分别为100，4 880，120 kg/km2，远低于强风沙活动的2 540，52 340，910 kg/km2，有利于植被生长。然而，目前相关研究主要集中于植被对土壤风蚀的影响，而对长时间序列风蚀对植被变化影响的研究仍然不足，特别是在植被变化对风蚀气候侵蚀力演变响应的区域差异以及敏感性方面尚缺乏系统研究。因此，有必要针对我国北方干旱、半干旱及部分半湿润地区风蚀气候侵蚀力演变与植被变化的响应展开研究，这对于理解植被的发育机理，改善风蚀环境具有重要意义。

中国北方地区生态环境脆弱，是我国典型风蚀区；同时又是连接丝绸之路经济带和中俄蒙经济走廊的重要通道，是我国向北开放的前沿阵地，具有重要的国土安全和国防战略地位。基于此，本文以中国北方地区为研究区域，基于栅格尺度，分析1981—2010年该区域的风蚀气候侵蚀力演变情况；研究风蚀气候侵蚀力演变对植被变化的影响，旨在为中国北方风蚀防治工作的开展提供参考，以期为中国北方沙区生态安全屏障建设提供支撑。

1　材料与方法

1.1　研究区概况

中国北方地区主要位于内蒙古、新疆、青海、宁夏、甘肃、河北、山西、陕西、四川等省份的干旱、半干旱以及部分半湿润气候区，地理位置介于31°—51°N，76°—125°E，呈弧形带状分布。全区总面积为3.02×106km2，占全国总面积的31.46%；平均海拔1 720 m，地势较高；年均降雨量200 mm，自东向西呈递减趋势，降雨量少而不匀；平均气温6.9℃，四季分明，气温偏低，且东西差异显著；平均年日照时数2 930 h，日照充足，光能资源丰富；春秋风大，年均风速2.5 m/s；土壤以栗钙土、棕钙土、风沙土等为主。受气温、降雨等气候因素以及人类活动的影响，本区土壤风蚀危害严峻，植被覆盖度低，土地退化较为严重。为了便于统计和分析对比，结合中国北方的地理环境，并参考以往研究[15]，将研究区划分为图1所示的20个沙区[涉及中国北方9个省份、222个县(旗)]。

图12010年中国北方土地利用/覆被情况

1.2　数据收集与处理

本研究所使用的归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)为GIMMS NDVI3g V1.0数据，来源于美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)全球监测与模型研究组(Global Inventor Modeling and Monitoring group,GIMMS)发布的最新版全球植被指数变化数据(https:∥ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/gimms)，该数据的空间分辨率为0.0833×0.0833度，时间分辨率为半月，时间范围为1981年7月—2015年12月。本研究使用的气象数据为国家气象信息中心下载的国家台站的风速、降雨、温度等月值数据，采用反距离权重法(IDW)进行插值。为便于统计分析，同时考虑到所有数据中的最低分辨率，本研究将所有数据统一处理为分辨率为8 km×8 km的栅格数据。

1.3　方 法

1.3.1风蚀气候侵蚀力的计算方法本文采用风蚀气候因子指数(以下简称C值)作为风蚀气候侵蚀力的代用指标，该指标主要由风速、降雨、蒸散等因素决定。参考以往研究[16]，本文利用联合国粮农组织(FAO)修正的计算公式计算C值(公式1)，该公式计算方便又具有较高的准确性，适合分析我国北方沙区风蚀气候侵蚀力的基本特征。

(1)

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

(2)

式中：ū为2 m高处的月均风速(m/s)；ETPi为月潜在蒸发量(mm)；Pi为月降水量(mm)；d为月天数；Ti为月平均气温；ri为月平均相对湿度。

1.3.2风蚀气候侵蚀力演变对植被动态影响的识别本研究采用多情景分析的方法识别C值变化对植被动态的影响。具体分析方法如下：(1) 以年度NDVI总和(以下仍简称“NDVI”)作为反映植被盖度与生产力的代用指标，在栅格尺度上模拟1981—2010年NDVI值与C值的变化趋势(公式3，4)，并通过显著性检验(p<0.05)，判断C值与NDVI值是否发生显著变化。(2) 分析C值变化与NDVI值变化的相关性(公式5)，并对相关系数进行显著性检验(p<0.05)。(3) 针对已经识别出由风蚀气候侵蚀力演变引起植被变化的区域，综合C值变化趋势及其与NDVI变化的相关性，通过多情景分析，评估C值变化对植被变化的影响。例如，对于一个已经判别为C值显著减少且NDVI值显著增加的区域，若C值与NDVI值呈显著负相关，则认为该区域中C值显著减少对植被增加有显著贡献(表1)。

(3)

(4)

(5)

表1　风蚀气候侵蚀力演变对植被变化影响的识别方法

1.3.3敏感性分析敏感性系数提供了不明确因素变动率与评价指标变动率之间的比例，本研究引入敏感度系数(SAF)分析植被变化对风蚀气候侵蚀力演变的敏感程度，计算公式如下：

(6)

式中：ΔNDVI/NDVI代表NDVI值的变化率；ΔC/C代表C值的变化率。SAF>0表示NDVI值对C值正向敏感；SAF<0表示NDVI值对C值反向敏感。当|SAF|>1时，则认为C值是敏感参数；当|SAF|<0.1时，则认为C值是不敏感参数；当0.1<|SAF|<1时，则认为C值属于一般敏感参数。|SAF|越大，表明植被变化对风蚀气候侵蚀力演变越敏感；反之则越不敏感。

2　结果与分析

2.1　1981-2010年中国北方风蚀气候侵蚀力的基本特征

利用联合国粮农组织(FAO)修正的公式计算出C值，得出1981—2010年30 a平均C值的空间分布(图2)。结果表明，我国北方风蚀气候侵蚀力具有典型的空间异质性，C值基本特征为由东至西逐渐减弱，由南至北逐渐减弱。30年C值均值为29.4，多介于10～100，面积占中国北方沙区的74.49%，侵蚀力水平一般。C值小于10的面积为7.18×105km2，占中国北方沙区的23.63%，主要分布在塔里木盆地西部、三江源东南部等沙区。C值大于100的面积为5.70万km2，占中国北方沙区的1.87%，主要分布于研究区北部的吐哈盆地、准格尔盆地南部、河西走廊北部、阿拉善盟北部、浑沙达克西南部。

2.2　1981-2010年中国北方风蚀气候侵蚀力的时空变化

1981—2010年，中国北方沙区C值变化存在明显的空间差异(图3)。C值显著减少的面积为2.17×106km2，占C值显著变化总面积的88.00%，主要分布在伊犁盆地、准格尔盆地、柴达木盆地、三江源、阿拉善盟东部、内蒙后山等17个沙区；其中，C值大于100的极重侵蚀力范围明显缩小，从1981年的1.35×105km2减少至2010年的8.72万km2，主要分布在塔里木盆地与柴达木盆地交界处、准格尔盆地与吐哈盆地交界处、乌兰察布北部、察哈尔盆地西南部；而C值小于10的侵蚀力范围则明显增加，从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、准格尔盆地北部以及呼伦贝尔草原东部等沙区。与此同时，C值显著增加的面积为2.96×105km2，主要分布在吐哈盆地、塔里木盆地西南部以及宁夏河东沙地；其中，吐哈盆地的增长幅度最大，该沙区C值大于100的极重侵蚀力范围扩张显著，由1981年的1.39万km2扩张至2010年的3.63万km2，增加了2.61倍。

图2　1981-2010年多年平均风蚀气候因子指数分布

图3　1981-2010年中国北方风蚀气候因子指数变化空间分布

如图4所示,通过比较1981—2010年中国北方C值变化趋势与风速、降雨、温度等气候因素的相关关系，可以发现其与风速变化趋势基本吻合，两者相关系数均值高达0.95，表明风速是影响C值演变的重要因子。30年间，中国北方的平均风速从1981年的2.83 m/s降低至2010年的2.54 m/s，风速的显著降低直接导致了北方地区C值总体上呈减少趋势。与此同时，1981—2010年吐哈盆地与塔里木盆地西南部的C值随风速的增加而增加，其中吐哈盆地C值与风速的相关系数高达0.98，风速在30年间增加了0.48 m/s，是该区域C值显著增加的主要原因。

图4　1981-2010年中国北方风速变化趋势、风速与风蚀气候因子指数相关系数空间分布

2.3　风蚀气候侵蚀力演变与植被变化响应

通过计算1981—2010年C值与NDVI值的线性倾向率以及两者变化趋势的相关性，运用多情景分析方法，得出30 a风蚀气候侵蚀力演变与植被变化的响应情况(表2，图5)。结果表明，风蚀气候侵蚀力演变与植被变化显著相关的面积为3.28×105km2，占植被变化总面积的22.25%。在中国北方干旱、半干旱地区，C值主要受风速影响，北方地区春季因风场强大为主要的风蚀季节，但非风蚀季节植被更多的受降雨、温度以及人类活动的综合影响，再加上植被变化对风力侵蚀在内的气候变化的迟滞响应，从而造成了年际尺度上C值与NDVI值相关程度并不是很高。

表2　风蚀气候侵蚀力演变与植被变化响应

图5　1981-2010年风蚀气候侵蚀力演变与植被变化的响应情况空间分布

C值显著减少对植被增加的影响较大，作用面积为2.66×105km2，占C值演变引起植被变化总面积的80.95%，主要作用在中国西北地区的伊犁盆地、塔里木盆地西北部与东南部、准格尔盆地西南部、柴达木盆地、河西走廊、银川平原、河套平原，以及内蒙古中西部的阿拉善西南部、鄂尔多斯草原、土默特平原、晋西北以及科尔沁草原西部；这些地区风蚀气候侵蚀力的影响更多地体现在与其他气候因素的交互效应，如同期这些地区水热环境有明显改善，降雨量从1981年的216 mm增加至2010年的245 mm，温度平均每10 a增加0.38℃，导致西部绿洲地区水资源供给的增加。与此同时，C值显著增加引起植被减少的面积为1.02万km2，主要体现在吐哈盆地等沙区。此外，部分区域出现风蚀气候侵蚀力演变与植被增加、减少不同步的现象。例如，呼伦贝尔草原东部和科尔沁西北部的C值呈减少趋势，侵蚀强度有所减弱，但NDVI值却呈减少趋势；而存在同样问题的区域(含C值显著增加引起植被增加)共占15.91%，这也表明植被变化并不完全是风蚀气候侵蚀力作用的产物，还受到其他气候因子、人类活动以及其他政策因素的影响。例如低温会限制植被的生长，因此塔里木盆地西南部即使侵蚀加剧，但由于30年间温度升高了1.5℃，也会导致植被增加等。

2.4　植被变化对风蚀气候侵蚀力演变的敏感度分析

为进一步分析中国北方地区C值演变对植被的影响，本文引入敏感度系数，结果表明：20个沙区中13个沙区植被变化对C值演变具有一定的敏感性，且不同沙区的敏感强度存在较大差异(表3)。具体表现为，13个沙区中11个沙区表现为反向敏感，即随C值的增加NDVI值减少或随C值的减少NDVI值增加；2个沙区表现为同向敏感，即随C值的增加NDVI值随之增加或随C值的减少NDVI值随之减少。反向敏感中河套平原、塔里木盆地、宁夏河东沙地的植被变化对C值演变较为敏感，敏感度分别为-1.707，-1.489和-1.217；柴达木盆地、晋西北地区、吐哈盆地、河西走廊、呼伦贝尔草原、三江源、鄂尔多斯草原、准格尔盆地等沙区的植被变化对C值演变表现为一般敏感，|SAF|介于0.1～1，且敏感度依次降低。同向敏感中银川平原和察哈尔草原的植被变化对C值演变表现为一般敏感，敏感度分别为0.218，0.215。而土默特平原、阿拉善高原、伊犁盆地、浑善达克沙地、内蒙古后山、科尔沁草原、乌兰察布区域的敏感度系数均在0附近徘徊，植被变化对C值演变不敏感。

表3　植被变化对风蚀气候侵蚀力的敏感度分析

3　结 论

(1) 近30 a，中国北方地区C值多介于10～100，均值为29.4，其基本特征是由东至西逐渐减弱，由南至北逐渐减弱，最大值出现在吐哈盆地。C值的空间分布特征揭示了风蚀防治的重点区域，中国北方风蚀防治的重点在吐哈盆地、河西走廊、阿拉善盟高原等沙区；其次为乌兰察布、察哈尔草原、浑善达克沙地、柴达木盆地等沙区。

(2) 30年间，中国北方地区C值显著减少的面积为2.17×106km2，占C值显著变化总面积的88.00%，主要分布在伊犁盆地、准格尔盆地、柴达木盆地等17个沙区；与此同时，吐哈盆地、塔里木盆地西南部以及宁夏河东沙地的C值显著增加；C值的变化主要受风速影响，二者相关系数高达0.95。

(3)C值变化对植被动态的影响具有空间异质性，鄂尔多斯草原、柴达木盆地、河套平原等沙区表现为C值显著减少引起植被增加；呼伦贝尔、科尔沁草原西北部等沙区表现为C值显著减少引起植被减少；吐哈盆地等沙区表现为C值显著增加引起植被增加；塔里木盆地等沙区表现为C值显著增加引起植被减少。

(4) 植被变化对C值演变的敏感性差异显著，其中河套平原、塔里木盆地、宁夏河东沙地的植被变化对C值演变表现为反向敏感；银川平原和察哈尔草原等沙区的植被变化对C值演变表现为同向敏感；伊犁盆地、乌兰察布以及阿拉善高原等沙区则敏感性较小。

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