鄂尔多斯高原风蚀气候侵蚀力时空演变
——以1999—2018年为例

黄成 肖作林 刘睿 姜金戈

(重庆师范大学地理信息系统应用研究重庆高校市级重点实验室，重庆 401331)

风力侵蚀指风力剥蚀、搬运和聚积土壤及其松散母质的过程，是土地荒漠化的主要原因。科学探索并明晰风力侵蚀的作用机理和机制，对风蚀所导致荒漠化的预防和治理、践行绿色地球发展理念具有重大的意义[1]。

风蚀模型是土壤风蚀研究的重要方法。20世纪60年代以来，根据影响风蚀量的各个因子参数而建立的风蚀方程(wind erosion equation，WEQ)、打破土壤糙度系数局限性的修正风蚀方程(revised wind erosion equation，RWEQ)和风力侵蚀预报系统(wind erosion prediction system，WEPS)等土壤风蚀模型相继诞生，虽都有成功的应用案例，但对空间尺度变化的适应性不足。Chepil等通过风洞试验，将气候因子单独从风蚀方程中提取出来，研究了地表粗糙度、干土块结构等与土壤风蚀的关系[2]，从而提出了适用于多种空间和时间尺度的风蚀气候侵蚀力计算公式。20世纪70年代末，FAO[3]在Chepil提出的计算公式基础上进行了修正，大大提高了该计算公式的适用性和精确性。

我国水利部发布的水土流失动态监测显示，截至2021年我国风力侵蚀面积占水土流失总面积的58.65%，多年呈现增加趋势。干旱半干旱地区是风力侵蚀发生的主要地区[4]，受到众多国内学者的关注。20世纪90年代，董玉祥等[5]和杨逢渤等[6]先后利用FAO改进的风蚀气候侵蚀力模型计算了我国干旱半干旱区的风力气候侵蚀指数，均发现风蚀力有明显的季节分布特征，春季的风蚀气候侵蚀力最强。李达净等[7]运用多情景和敏感性分析法研究了近30年我国北方植被变迁和风力气候侵蚀指数的相互影响，结果表明，多数沙区的植被面积与风力气候侵蚀指数呈负相关性。除上述大尺度研究外，小尺度上的研究也有相应进展。如牛清河等[8]、刘慧等[9]和马茜茜等[1]分别对甘肃敦煌雅丹地质公园、青海省、雅鲁藏布江流域和阿拉善高原进行了风蚀气候侵蚀力研究，支撑了当地的风蚀灾害预防和评估。在干旱和半干旱区的研究表明，风速是影响土壤风蚀的决定性因子，而在存在风蚀的湿润地区，风力和降雨则可能共同作用，产生风水复合侵蚀。同时，地理位置的不同和局部地形的差异也会通过影响风速的分布间接作用于风力气候侵蚀指数[7，12]。

鄂尔多斯高原是我国干旱半干旱地区的典型区域，同时也是我国生态安全战略格局“北方防沙带”的重点区域。目前尚未有关于鄂尔多斯高原风蚀气候侵蚀力时空演变特征的定量研究。本文通过FAO改进的风蚀气候侵蚀力公式，计算鄂尔多斯市风蚀气候因子指数，再对其时空变化特征进行分析，以期为鄂尔多斯高原“北方防沙带”建设以及落实生态安全战略格局提供一定参考

1 研究区和方法

1.1 研究区概况

鄂尔多斯高原位于黄河流域中游，地理坐标N37°20′～40°50′，E106°24′～111°28′，是我国半干旱区向干旱区的过渡带。西北起贺兰山和桌子山，向东和向南分别延伸至陕北和山西北部黄土丘陵沟壑区，地势从西北向东南微微倾斜且起伏和缓，大部分海拔在1300～1500m。高原集中了毛乌素沙地和库布奇沙漠，充足的沙源再结合强劲且持续的风力，致使其成为中国荒漠化最严重的地区之一。鄂尔多斯市地处鄂尔多斯高原核心地带，全市约占整个高原面积的67%，辖2个市辖区和7个旗。地处温带季风区，年平均气温6～8℃，1月份平均气温-14～-8℃，7月气温最高，平均气温23℃。降水稀少且变率大，1999—2018年的年均降水量在160～470mm，集中于7—9月，整体降水量自东南缘向西北缘依次下降。乌审旗以南的广大沙漠和戈壁年均风速较大，定边站年均风速最大，高达2.1m·s-1；西柳沟以西(如包头市站)是风速的低值区，为1.4m·s-1。

1.2 数据来源

本文共计20个气象站的气象资料，来自于国家地球系统科学数据中心(http：//gre.geodata.cn/)和国家气象科学数据中心(http：//data.cma.cn/)。鄂尔多斯市内9个气象站(临河站、乌拉特前旗站、包头市站、托克托县站、杭锦旗站、东胜站、鄂托克旗站、乌审旗站和鄂托克前旗站)，其时间序列均为1999—2018年，是本文的主要数据来源。本文同时选取了鄂尔多斯市周边站点，如宁夏回族自治区境内的盐池站和惠农站、陕西省境内的神木站、榆林站、横山站、靖边站、定边站以及内蒙古境内的呼和浩特站和五原站等11个站作风蚀力的空间分布等值线图，数据时间跨度均为1999—2018年。另外，在《中国气象灾害年鉴》上获取了1999—2018年的沙尘天气数据。

1.3 研究方法

1.3.1 风蚀气候侵蚀力计算方法

本文风蚀气候因子指数C值的计算选用FAO提出的模型[2]，该模型弥补了原计算模型在干旱地区使用存在的局限性[10-12]，并得到广泛应用。

(1)

式中，C为风蚀气候因子指数值；ū为2m处的月均风速，m·s-1；ETPi为第i月的潜在蒸散量，mm；Pi为第i月的降水量，mm；di为第i月天数，d；降水量接近于0时，风速主导；降水量接近ETP时，基本不发生风蚀[1]。

式(1)中的风速为2m高处的风速，因此从气象站通常所获取的10m风速需转换成2m高处风速，两者之间的换算公式[9]：

(2)

式中，ū为2m高处风速；u10为10m高处风速；z为已知风速的高度，z=10。

月潜在蒸散量计算选择采用程天文等[13]提出的气温相对湿度公式：

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

(3)

式中，Ti为月平均气温，℃；ri为月相对湿度。

1.3.2 敏感度系数

本文通过敏感度系数(SAF)分析植被变化对风蚀气候侵蚀力变化的敏感程度。

(4)

式中，ΔNDVI/NDVI表示NDVI值的变化率；ΔC/C表示C值的变化率。

1.3.3 分析方法

运用非参数方法Mann-Kendall(M-K)，将C值按照季节和年份的不同进行检验，分析C值的年际变化趋势、季节变化趋势以及所存在的突变特征。采用距离倒数乘方法对鄂尔多斯高原所在的气象站C值进行插值，分析其时空分布特征。

2 结果与分析

2.1 风蚀气候侵蚀力空间分布

鄂尔多斯市近20年的平均风蚀气候因子指数介于15～31。正北和西北方向上有2个低值区，毛布拉格孔兑河为2个低值区的分界线。正北部低值区的大致范围在卜尔色太沟以东、哈什拉川流域以西的广大区域，主要地貌为阴山山脉的大青山和乌拉山，以包头市站为中心向四周逐渐增大，范围为15.6～16.4；西北部的低值区在地貌上主要为黄河冲积平原，地面开阔平坦，以临河站为中心向四周递增，C值低至15.6～17.8。东胜站相较于高原的其他区域是强风蚀中心，最高处C值可达30.7，以东胜站为中心向四周递减，在东北方向上进入托克托县范围，C值的递减趋势开始转为递增；以鄂托克旗站为中心的区域也是相对高值区，中心C值可达25.9。乌审旗站以南和鄂托克前旗站以西的区域是大范围低值区，C值低至15.6，见图2。

图2 1999—2018年鄂尔多斯市风蚀气候侵蚀指数空间分布

2.2 风蚀气候侵蚀力时间变化

2.2.1 风蚀气候侵蚀力年代际变化

1999—2018年不同年代际鄂尔多斯市风力侵蚀C值在空间分布上的差异明显，见图3。1999—2003年C值介于8.6～42.3，有东胜站、鄂托克前旗站2个相对高值区，C值分别为40.6和32.6，见图3a。2004—2008年C值介于4.1～30.9，相较于前1周期整体上有明显的减缓趋势，东南部分区域有略微增加的趋势，见图3b。东胜站(30.1)是此期鄂尔多斯市C值的最高点，但相较于前一周期，惠农站的减少量最大(超过30)。包头市站(4.1)是此期鄂尔多斯市C值的最低点，并且鄂尔多斯市南部的大部分地区C值大于20。2009—2013年C值介于8.4～30.1。西北部临河站一带以及中部鄂托克旗站一带相较于前1周期有明显的增加趋势，见图3c，临河站增加量接近15，鄂托克旗站增加量接近10；而西南部鄂托克前旗站一带有明显的减少趋势，减少量超过5。东胜站保持为高值区，相较于前1周期C值没有明显的变化。2014—2018年是鄂尔多斯市平均C值最高的5年，C值介于10.6～56.2。鄂尔多斯市整个北部区域呈明显的增加趋势，见图3d，高值区的中心点由东胜站转移到托克托县站，东胜站的减少量为10，托克托县站的增加量高达34，同时中部鄂托克旗站一带C值也明显增加，增加量超过15。

2.2.2 风蚀气候侵蚀力季节变化

随着季节的更替鄂尔多斯市C值的变化非常明显，总体特征是春季最大，秋季最小，见图4。虽然呼和浩特站春季风蚀气候侵蚀力最强与中国干旱半干旱地区季节风蚀趋势吻合，但是秋季(4.8)和冬季(5.6)都大于夏季(4.4)，与其它站不同。这种情况的可能原因与呼和浩特全年受大型天气系统(如西北太平洋高压、西伯利亚高压等)以及地方性环流(如蒙古地高压等)的控制密切相关，1999—2018年秋冬季节受该控制减弱，夏季受该控制增强，秋冬季风速和起风频次相较于夏季有所增强。

乌拉特前旗站全年、夏季、秋季、冬季的C值都呈增加趋势，增幅分别为2.77/5a、0.73/5a、0.71/5a、0.40/5a，且春季增加趋势不显著，见表1。托克托县站春、夏、秋、冬4季增幅速率较大，增幅分别为4.49/5a、2.73/5a、3.38/5a、2.75/5a，与该站的年变化趋势一致。包头市站的上升速率仅次于托克托县站，和其年变化趋势吻合。鄂托克旗站、临河站、乌拉特前旗站全年、夏季、秋季和冬季C值上升趋势显著且速率依次减小，但鄂托克旗站和乌拉特前旗站的春季C值变化趋势未通过显著性检验，而东胜站和鄂托克前旗站在全年、季节变化上都呈显著下降趋势。从年际变化分析，包头市站、托克托县站C值上升趋势显著，增幅分别为9.94/5a、14.35/5a。

表1 1999—2018年鄂尔多斯市风蚀气候因子指数变化趋势

图3 1999—2018年鄂尔多斯市风蚀气候因子指数年代际空间分布

2.2.3 风蚀气候侵蚀力月际变化

鄂尔多斯市C值月际变化规律明显。1—5月呈增加趋势，大多数台站的最大值发生在4月，而包头市站和定边站发生在5月，见图5。5—9月C值都呈下降的趋势，台站的最小值基本上都出现在9月或10月，但横山站的最小值出现在11月，经分析这可能与横山区从西北向东南，从西向东倾斜的地势有关。毛乌素沙漠南缘朝东南向扩移的流沙自西北部向东南进发，使横山区西北部变为毛乌素沙漠南缘地段，风蚀作用极其强烈，从而导致其风蚀最小值月份与其他站相比推后了2个月。

2.3 突变检验

图6 1999—2018年鄂尔多斯市风蚀气候因子指数突变检验

利用M-K检验方法对鄂尔多斯市风蚀气候侵蚀力指数进行突变检验。根据图6a可知，UF从2004年开始超过信度线y=-1.96，说明鄂尔多斯市的风力侵蚀C值以2004年为起始点开始进入下降阶段，下降趋势十分显著；春夏秋冬4季与年际情况类似，都存在一个显著下降期，显著下降的起点分别为2004年，见图6b，2006年，见图6c，2006年，见图6d和2004年，见图6e。UF和UB交点对应的年份即为突变年份，表明该年份或其对应的季节存在显著的突变特征。从图6可知，春季的突变年份发生在2002年，而夏季有多个突变年份，分别为2001年、2014年和2016年，秋季和冬季的突变年份都发生在2017年。

3 讨论

董玉祥等研究结果表明，中国的干旱半干旱地区的季节变化特征存在差异，但基本上以夏季最弱，秋冬逐渐增强，春季达到最强风蚀气候侵蚀力[5]。鄂尔多斯高原的季节变化特征明显，与整个干旱半干旱地区的基本季节特征略有不同，但与牛清河等[8]所研究的敦煌地区和马茜茜等[1]所研究的阿拉善高原相似，即呈现春夏两季风蚀气候侵蚀力强而秋冬两季弱的特点。其主要原因在于春夏两季鄂尔多斯高原处于西风和北偏西风的主导作用下，由于起风频次较高，导致气流的活跃程度增加。而秋冬两季，鄂尔多斯高原受西伯利亚高压控制，西风和北偏西风的强度明显减弱，从而导致起风频次明显减少。

鄂尔多斯高原发生沙尘暴的频次和扬沙日数年际变化规律性不强，并均与C值的线性拟合度较低，见图7，这与董玉祥[5]在中国干旱半干旱地区的研究结果具有一致性。但也有学者取得了较高的拟合度，如马茜茜研究得到的沙尘暴频次和扬沙日数与C值的拟合决定系数分别为0.64和0.78，相关程度较高；李晋昌等[14]将沙尘暴频次与气象要素进行相关性分析，表明气温、降水和风速等气象要素的综合效应(即风蚀气候侵蚀力)与沙尘暴频次的相关程度远高于单一气候要素。

我国南方地区和北方地区的风力侵蚀情况存在着明显差异，植被覆盖度的不同是重要的影响因素。达拉特旗、鄂托克前旗和准格尔旗的年风蚀气候侵蚀力与植被变化存在极强的相关性，见表2。春季是鄂尔多斯高原的主要风蚀季节，秋冬两季植被更多受日照时数、气温、降水以及人类活动的影响，并且植被动态会对气候变化产生迟滞效应，因此可能造成其他行政区的年C值与NDVI值的相关程度不高。通过敏感度系数(SAF)分析，达拉特旗、准格尔旗和鄂托克前旗的植被变化对风蚀气候侵蚀力的影响为一般敏感。其中达拉特旗和准格尔旗表现为同向敏感，鄂托克前旗则表现为反向敏感，因此植被变化对风蚀气候侵蚀力的影响存在空间异质性。本文所利用的风蚀气候侵蚀力公式没有考虑植被变化的影响，若能进一步将不同自然地区的植被动态纳入模型中，风蚀气候侵蚀力的计算精度将有望进一步得到提高。

表2 植被变化对风蚀气候侵蚀力的相关性分析和敏感度分析

图7 1999—2018年鄂尔多斯市扬尘天气与风蚀气候侵蚀力的关系

4 结论

鄂尔多斯市近20年的平均风力气候侵蚀指数介于15.6～30.7，从整体上看，风力气候侵蚀指数以东盛为中心分别向正北、西北和西南减小。在季节尺度上呈下降趋势，在逐年尺度上呈先下降后上升的趋势。季节的规律变化明显，整体上春季的风力气候侵蚀指数最大，夏季次之，冬季仅次于夏季，秋季最小。

M-K突变检验结果显示，年际与四季的风力气候侵蚀指数都存在一个显著下降期，年际、春季和冬季的显著下降的起点都为2004年，夏秋两季的下降起点为2006年。年C值和春季分别在2001年和2002年发生突变，秋冬季都在2017年、2014年和2016年。

鄂尔多斯高原发生沙尘暴的频次和扬沙日数年际变化规律性不强，并均与C值的线性拟合度较低。植被覆被变化对风蚀气候侵蚀力的影响存在显著空间异质性。