孔祥吉,孫 濤

(國家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設計院,北京 100714)

中國荒漠化地區(qū)干濕狀況分析

孔祥吉,孫 濤

(國家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設計院,北京 100714)

在全球氣候變化的背景下,干濕狀況的變化是影響荒漠化地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的重要因素。利用近15年的靜止氣象衛(wèi)星和地面氣象資料,運用能量水平衡的監(jiān)測方法,得到我國荒漠化15個分區(qū)的干濕狀況及植被生長情況變化。自2002年以來,我國荒漠化地區(qū)平均土壤濕潤指數(shù)呈增加趨勢,植被生長環(huán)境向好。其中,2002—2006年及2012—2016年分別較常年偏高0.7%和2%,說明這兩個時期偏濕潤,有利于減輕荒漠化程度；2007—2011年這一時期土壤濕潤指數(shù)較常年偏低2.6%,有導致荒漠化程度加重的影響。近15年植被生長環(huán)境向好的有北疆、南疆、河西走廊、柴達木盆地、河套、毛烏素沙地和三江源地區(qū),偏差的區(qū)域有內(nèi)蒙古后山、烏珠穆沁、科爾沁沙地地區(qū)。

土壤濕潤指數(shù)；荒漠化地區(qū)；干濕狀況；趨勢

0 引言

我國是受土地荒漠化和沙化危害最嚴重的國家之一,全國荒漠化土地面積261.16km2,沙化土地面積172.12km2,兩者分別占到了國土總面積的27.20%和17.93%[1]?；哪蜕郴沟梦覈?億多人受到威脅,而且有一半的貧困人口生活在這些地區(qū)[2],土地荒漠化已經(jīng)成為中華民族的心腹大患之一。造成土地荒漠化和沙化的原因比較復雜,主要體現(xiàn)在氣候和人為兩個因素上。近年來,我國通過實施各種沙區(qū)生態(tài)治理工程、開展沙化土地封禁保護、打擊破壞沙區(qū)林草植被等措施,很大程度上降低了土地荒漠化發(fā)生的人為因素。但是,受全球氣候變化尤其是全球變暖的影響,氣候越來越成為土地荒漠化和沙化的主要原因[3-5]。例如,在干旱、半干旱地區(qū)隨著年際降水量的大幅度波動變化,土地會呈現(xiàn)出荒漠化發(fā)展或好轉兩種趨勢,說明降水是該區(qū)域土地荒漠化的最敏感因素。因此,在干旱的荒漠化地區(qū),開展對降水量、土壤濕潤指數(shù)等氣候因子的監(jiān)測,研究分析其變化趨勢及相關關系,能較為準確的反應土地荒漠化和沙化情況。

近30年來,我國有不少學者對我國荒漠化地區(qū)的氣候特征及其變化進行了研究,普遍認為20世紀80年代以來我國西北地區(qū)向暖濕轉變,而華北及東北南部仍處于干旱期[6-8]。研究大都是利用氣象觀測站點的氣象數(shù)據(jù),采用各種氣象統(tǒng)計方法對多年降水量和溫度變化進行單純的氣候學分析,具有一定局限性,各研究者的結論也不盡相同。本文所采用的是中荷聯(lián)合開發(fā)的能量水平衡監(jiān)測系統(tǒng)(CEWBMS),運用地面觀測數(shù)據(jù)和遙感監(jiān)測相結合,形成實時全天候面狀數(shù)字化數(shù)據(jù),制作成全國土壤濕潤指數(shù)電子地圖[9-13],從我國荒漠化區(qū)氣候變化著手,分區(qū)域對荒漠化地區(qū)干濕變化趨勢加以分析,不斷完善荒漠化動態(tài)變化監(jiān)測研究,為科學防治荒漠化奠定基礎。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本文所指荒漠化區(qū)是包括主要分布在西北、華北北部和東北西部以及青藏高原北部的區(qū)域,其中,為了對我國荒漠化區(qū)土壤濕潤狀況進行重點分析,根據(jù)地形地貌特征、社會經(jīng)濟情況、干旱程度以及荒漠化防治要求,將荒漠化地區(qū)劃分為北疆、東疆、南疆、阿拉善高原、河西走廊、柴達木盆地、內(nèi)蒙古后山、河套、毛烏素沙地、河北壩上、渾善達克沙地、科爾沁沙地、烏珠穆沁、呼倫貝爾沙地和三江源地區(qū)等十五大區(qū)域進行詳細剖析(圖1)。

圖1 中國荒漠化地區(qū)15個類型區(qū)分布示意圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)由2002—2016年靜止衛(wèi)星GMS和風云2號系列氣象衛(wèi)星各時段云圖,以及世界氣象組織(World Meteorological Organization)的全球遠程通訊系統(tǒng)(Global Telecommunication System)地面站點每日降水數(shù)據(jù)組成。本文的土壤濕潤指數(shù)由能量水平衡監(jiān)測系統(tǒng)計算而得。

1.3 研究方法

聯(lián)合國防治荒漠化公約定義的荒漠化,可以用氣候濕潤指數(shù)(CMI)或干旱指數(shù)(AI)來表征,本文使用的是土壤濕潤指數(shù)(SMI),是實際蒸散與潛在蒸散之比,降雨量是由以能量單位(W/m2)計的總的實際蒸散量替代,該指數(shù)由衛(wèi)星監(jiān)測的凈輻射和水的潛熱來換算。優(yōu)點是反映了地表的植被條件及土壤的實時干旱狀態(tài),可以反演地面荒漠化狀況的動態(tài)變化,即當SMI為1時,表示土壤的濕潤度較高,植被生長環(huán)境較好,值越小,說明該區(qū)荒漠化狀況越嚴重。

SMI=LE/LEp

(1)

LE=In-H-E-G

(2)

其中:LE=潛熱通量 (W/m2)

In=凈輻射(W/m2)

H=顯熱通量(W/m2)

E=光合作用(W/m2)

G=土壤熱流通量 (W/m2)

用于地表水蒸發(fā)的能量(LE)等于提供給地面的凈輻射能(In)減去加熱空氣的顯熱(H)、植被的光合作用的能量(E)和用于加熱土壤的能量(G)。對于一天而言,土壤的熱流通量可以認為是零(G≈0)。

LEp是以能量單位表示的潛在蒸散,它與凈輻射緊密相關。其關系式為:

LEp≈ 0.8×In

(3)

本文數(shù)據(jù)是通過能量水平衡監(jiān)測系統(tǒng)(CEWBMS)來計算,通過輸入數(shù)據(jù)的可見光(VIS)和熱紅外(TIR)繪制出圖像。能量水平衡監(jiān)測系統(tǒng)的目的是求解地表的能量平衡方程。地表的反射率和溫度是求解地表能量平衡算法的主要輸入變量。此系統(tǒng)對于有云和無云條件下以能量通量的形式計算地表的能量平衡組分。

2 結果分析

2.1 荒漠化區(qū)總體情況

荒漠化地區(qū)近15年平均土壤濕潤指數(shù)為32.4%,呈波動式略增加的趨勢,增加速率為每年0.12%(圖2)。其中,2002—2006年及2012—2016年分別較常年偏高0.7%和2%,說明這兩個時期偏濕潤,有利于減輕荒漠化程度；2007—2011年這5年土壤濕潤指數(shù)偏低,較常年偏低2.6%,說明這一時期偏干,會加重荒漠化程度。另外,據(jù)統(tǒng)計,近15年的降水量和植被指數(shù)也呈增長趨勢,從氣象及地面植被情況都印證了土壤濕潤指數(shù)的合理性和科學性(表1)。

總之,隨著全球氣候變暖,降水增多,荒漠化地區(qū)的水循環(huán)也得到加速,從而使土壤濕潤指數(shù)有所增長。

圖2 荒漠化地區(qū)平均土壤濕潤指數(shù)變化曲線

2.2 荒漠化地區(qū)不同區(qū)域的干濕變化

2.2.1 土壤濕潤指數(shù)呈增加趨勢的地區(qū)

南疆、柴達木盆地、河套地區(qū)、毛烏素沙地及三江源地區(qū)近15年土壤濕潤指數(shù)呈波動式增加的趨勢,每年增加速率分別為0.25%,0.41%,0.27%,0.40%,0.40%(圖3)。結合降水量分析(圖4),南疆、柴達木盆地和河套地區(qū)土壤濕潤指數(shù)與降水量趨勢基本一致,僅個別年份土壤濕潤指數(shù)滯后于降水量表現(xiàn)；而毛烏素沙地和三江源地區(qū)降水量呈平穩(wěn)趨勢,可見上述兩個地區(qū)植被生長受降水量影響相對較小,一方面是由于毛烏素沙地和三江源地區(qū)地表水較為豐富,一方面是今年來當?shù)剡M行了有效的植被恢復,生態(tài)環(huán)境明顯改善。

2.2.2 土壤濕潤指數(shù)呈略增加趨勢的地區(qū)

北疆和河西走廊地區(qū)近15年土壤濕潤指數(shù)呈波動式略增加的趨勢,增加速率每年分別為0.11%和0.17%(圖5)。其中,2002—2006年及2012—2016年兩個時期較常年偏高,說明這兩個時期偏濕潤,有利于減輕荒漠化程度；2007—2011年這5年土壤濕潤指數(shù)偏低,較常年分別偏低4%和2%,說明這一時期偏干,不利于減輕荒漠化程度。結合降水量分析(圖6),上述兩個地區(qū)土壤濕潤指數(shù)與降水量總體趨勢一致,但個別年份存在較大差異,尤其是2016年,降水量明顯增加,而土壤濕潤指數(shù)呈下降趨勢,通過氣象數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),由于2016年當?shù)貧鉁仄?且降水多為集中性暴雨,使得降水形成徑流,沒有被植被有效利用。

表1 荒漠化地區(qū)平均土壤濕潤指數(shù)

圖3 平均土壤濕潤指數(shù)變化曲線

圖4 平均降水量變化曲線

2.2.3 土壤濕潤指數(shù)呈平穩(wěn)趨勢的地區(qū)

東疆、阿拉善高原、河北壩上、渾善達克沙地和呼倫貝爾沙地地區(qū)近15年土壤濕潤指數(shù)呈起伏的平穩(wěn)趨勢(圖7)。其中,5個區(qū)域2002—2006年及2012—2016年兩個時期土壤濕潤指數(shù)均較常年偏高,說明這兩個時期偏濕潤,有利于減輕荒漠化程度；2007—2011年這5年土壤濕潤指數(shù)偏低,較常年分別偏低2.2%,2.3%,2.6%,2.9%和3.4%,說明這一時期偏干,不利于減輕荒漠化程度。結合降水量分析(圖9),以上地區(qū)土壤濕潤指數(shù)與降水量趨勢基本一致。

圖6 平均降水量變化曲線

圖7 平均土壤濕潤指數(shù)變化曲線

2.2.4 土壤濕潤指數(shù)呈減少趨勢的地區(qū)

內(nèi)蒙古后山、科爾沁沙地和烏珠穆沁沙地地區(qū)近15年土壤濕潤指數(shù)呈波動減少的趨勢。每年減少速率分別為0.27%,0.27%和0.25%(圖9)。結合降水量分析(圖10),以上區(qū)域除內(nèi)蒙古后山地區(qū)土壤濕潤指數(shù)與降水量趨勢基本一致外,另外兩個地區(qū)趨勢相反,在降水量增多的情況下,土壤濕潤指數(shù)呈減少趨勢,說明但2013年降水量高峰值在土壤濕潤指數(shù)趨勢上表現(xiàn)為2014年,可見2013年當?shù)赝寥赖玫搅诵钏劦男Ч?為2014年植被生長提供了良好條件。

圖8 平均降水量變化曲線

圖9 平均土壤濕潤指數(shù)變化曲線

圖10 平均降水量變化曲線

3 結論與討論

1) 近15年土壤濕潤指數(shù)總體情況。我國荒漠化地區(qū)近15年平均土壤濕潤指數(shù)波動式略增加的趨勢,其中,2002—2006年及2012—2016年分別較常年偏高0.7%和2%,說明這兩個時期偏濕潤,有利于減輕荒漠化程度；2007—2011年這一時期土壤濕潤指數(shù)較常年偏低2.6%,說明這一時期偏干,不利于減輕荒漠化程度。2007年、2009年和2011年土壤濕潤指數(shù)明顯偏低,屬于較干旱的年份,而2005年、2013年和2015年屬于相對濕潤年。

2) 近15年土壤濕潤指數(shù)分區(qū)情況。土壤濕潤指數(shù)趨勢增加的區(qū)域有北疆、南疆、河西走廊、柴達木盆地、河套、毛烏素沙地和三江源地區(qū)；呈平穩(wěn)趨勢的區(qū)域有東疆、阿拉善高原、河北壩上、渾善達克沙地和呼倫貝爾沙地；呈下降趨勢的區(qū)域有內(nèi)蒙古后山、烏珠穆沁、科爾沁沙地地區(qū)。

3) 土壤濕潤指數(shù)與降水量關系。近15年,荒漠化地區(qū)降水量普遍增多,但反映在土壤濕潤指數(shù)上并非全部為增加趨勢,是由于氣候變化是自然界的一種正?，F(xiàn)象,但我國北方荒漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,干旱區(qū)缺水少雨的基本狀況沒有改變,干旱區(qū)生態(tài)脆弱的特征也沒有根本性改變,在自然和人為因素的共同影響下,生態(tài)環(huán)境極易遭到破壞；再加上近年來氣候異常加劇,高溫和暴雨集中,增加的降水量并不全部有利于植被生長,甚至還造成氣象災害,使得土壤濕潤指數(shù)呈下降趨勢。

4) 多因素共同遏制荒漠化蔓延。從自然方面來看,近年來荒漠化地區(qū)總體降水增加,植被長勢增加,減弱了荒漠化擴展的趨勢。從人為因素方面來看,自《防沙治沙法》發(fā)布以來,我國加大了防治荒漠化的政策制定,增加對防沙治沙的資金投入,國家實施的天然林資源保護工程、退耕還林工程、退牧還草工程、三江源生態(tài)保護綜合試驗區(qū)工程、京津風沙源治理工程等一系列生態(tài)保護與建設工程,對促進這些地區(qū)天然植被自然修復和工程治理效果的提高及其成果的鞏固發(fā)揮了明顯作用,有利于植被的恢復和改善,對這些地區(qū)荒漠化趨于好轉起到了積極影響,實現(xiàn)了“沙進人退”的逆轉。可以說“天幫忙、人努力”促進了我國荒漠化好轉。

綜上研究,過去15年,由于土壤濕潤指數(shù)增加的趨勢,有利于荒漠化地區(qū)植被趨于好轉,荒漠化擴展趨勢得到遏制,2004年、2009年、2014年全國荒漠化土地監(jiān)測數(shù)據(jù)分別為263.62,262.37,261.16km2,呈遞減的趨勢。但是,氣候的變化自地球誕生以來就沒有停止過,全球氣候變暖已是不爭的事實,氣候對于荒漠化的影響在未來依然會作用突出。因此,我們?nèi)匀灰宄恼J識到,缺水少雨仍舊是我國荒漠化地區(qū)的常態(tài),荒漠化地區(qū)生態(tài)依然脆弱,防治荒漠化依舊任重道遠。

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Analysis of Arid and Humid Conditions in Desertification Area in China

KONG Xiangji,SUN Tao

(AcademyofForestInventoryandPlanning,StateForestryAdministration,Beijing100714,China)

Under the background of climate change in the world,arid and humid conditions play an important role in keeping desertification area ecosystem stable.Based on the data of nearly 15 years of Geostationary Meteorological Satellite and the ground meteorological data,using the China Energy Water Balance Monitoring System (CEWBMS),this study obtains the changes of arid and humid conditions and vegetation growth situation in 15 desertification zones.Since 2002,the average soil moisture index (SMI) showed a trend of increase in desertification regions,and vegetation growth environment is good.Among them,in 2002—2006 and 2012—2016,the SMI is higher than average at 0.7% and 2% respectively,which illustrates the two periods of partial wetting,and positive to desertification;During the period from 2007 to 2011,the SMI is lower than average at 2.6%,partial dryness during this period,aggravating the desertification.The zones which have a positive vegetation growth environment are northern Xinjiang,southern Xinjiang,Hexi area,Qaidam basin,Hetao area,Mu Us sand land and three river source area,and the zones of negative environment are the mountains behind the Urat in Inner Mongolia,Uzhumchin and Khorchin sand land.

Soil Moisture Index (SMI),desertification regions,arid and humid conditions,trends

2017-04-07；

2017-07-03

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201404202)

孔祥吉(1989-)，女，云南人，助工，主要從事荒漠化監(jiān)測工作。Email：kongxiangji@afip.com.cn

S728.4

A

1002-6622(2017)04-0001-06

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.04.001