馬雯思， 劉瑋瑋， 趙 寧， 馬 超

(河南理工大學(xué)礦山空間信息國(guó)家測(cè)繪與地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南焦作 454000)

我國(guó)農(nóng)牧交錯(cuò)帶是從半干旱區(qū)向干旱區(qū)過(guò)渡的廣闊地帶，該地帶具有較強(qiáng)的過(guò)渡性和波動(dòng)性，在一定程度上決定了人類活動(dòng)方式的不穩(wěn)定性，進(jìn)而導(dǎo)致該區(qū)域生態(tài)環(huán)境容易受到?jīng)_擊和破壞，而將潛在的自然環(huán)境脆弱性轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的破壞。農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)環(huán)境表現(xiàn)出敏感性強(qiáng)、退化趨勢(shì)明顯等脆弱特征[1]。因此，開(kāi)展中國(guó)農(nóng)牧交錯(cuò)帶響應(yīng)全球變化影響研究對(duì)于科學(xué)合理地利用、管理交錯(cuò)帶，改善生態(tài)環(huán)境等具有重要的意義。

過(guò)去對(duì)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶，從土地利用[2-3]、邊界判定與變化[4-8]、生態(tài)環(huán)境變化[9-13]等單方面進(jìn)行研究，但對(duì)于不同植被類型交錯(cuò)帶氣候變化對(duì)比研究及對(duì)川滇農(nóng)牧交錯(cuò)帶研究比較薄弱。既然農(nóng)牧交錯(cuò)帶是典型的生態(tài)脆弱區(qū)和環(huán)境變化敏感區(qū)，其對(duì)氣候變化的響應(yīng)程度必然與其他地區(qū)有所不同，因此把2個(gè)交錯(cuò)帶統(tǒng)一起來(lái)，分析北方、西南生態(tài)脆弱地區(qū)對(duì)氣候變化的響應(yīng)更有意義。本研究綜合利用反映氣候變化特點(diǎn)的遙感數(shù)據(jù)信息，通過(guò)采用反距離加權(quán)空間插值方法以及變異系數(shù)運(yùn)算，分析中國(guó)農(nóng)牧交錯(cuò)帶時(shí)空分布的氣候變化狀況及30年來(lái)研究區(qū)變異系數(shù)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)，研究400 mm等雨量線在農(nóng)牧交錯(cuò)帶區(qū)域動(dòng)態(tài)變化的地理空間格局特征。為該區(qū)土地利用、生態(tài)恢復(fù)等提供一定的指導(dǎo)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

本研究的研究區(qū)域是依據(jù)楊秀春等所劃分的范圍[14-15]而確定的。農(nóng)牧交錯(cuò)帶既是地理分區(qū)，也是文化分區(qū)，更是生態(tài)分區(qū)。北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶即北起大興安嶺西麓的呼倫貝爾，向西南延伸，經(jīng)內(nèi)蒙東南、冀北、晉北直到鄂爾多斯陜北，位于華北與內(nèi)蒙的交界區(qū)上，跨越內(nèi)蒙古、黑龍江、吉林、遼寧、河北、山西、陜西、甘肅、寧夏、青海等10個(gè)省(區(qū))，共包括177個(gè)縣(旗)、4個(gè)縣級(jí)市、20個(gè)市轄區(qū)，總面積72.67萬(wàn)km2，占國(guó)土面積的7.57%，其中草地占研究區(qū)面積的50%左右，分布在400 mm等雨量線的兩側(cè)。川滇農(nóng)牧交錯(cuò)帶界定在海拔高度2 500～4 500 m之間，位于青藏高原東南緣，年均降水量可以達(dá)到700～900 mm。地域劃分與地形垂直變化有直接關(guān)系，行政區(qū)域上包括四川省阿壩藏族自治州、甘孜藏族自治州、涼山彝族自治州和云南省的迪慶藏族自治州、怒江傈僳族自治州和麗江地區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

依據(jù)各省(市、區(qū))氣候資料處理部門(mén)逐月上報(bào)的《地面氣象記錄月報(bào)表》的信息化資料，統(tǒng)計(jì)整理出我國(guó)752個(gè)基本、基準(zhǔn)地面氣象觀測(cè)站及自動(dòng)站1982年以來(lái)氣候資料年值數(shù)據(jù)集。去除缺測(cè)和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為Excel文件，最后整理為1982—2012年共30個(gè)Excel表格數(shù)據(jù)(站點(diǎn)名、站點(diǎn)經(jīng)緯度、年份、降水量年值、溫度年值)。在ArcGIS中，對(duì)年均降水量、溫度插值處理所使用的矢量文件為中國(guó)國(guó)界和省界線劃圖和面劃圖矢量文件，掩膜處理使用的矢量文件為中國(guó)農(nóng)牧交錯(cuò)帶省級(jí)矢量圖以及農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地類型分布矢量圖。

1.3 研究方法

1.3.1 地域分區(qū) 根據(jù)前人研究的結(jié)果，為了定量對(duì)比不同產(chǎn)草量區(qū)域氣候時(shí)空變化[14]，考慮到研究區(qū)氣候、地形、土壤植被等，對(duì)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶進(jìn)行分區(qū)，將川滇交錯(cuò)帶作為獨(dú)立研究帶，形成五大區(qū)域：Ⅰ區(qū)為草甸草原區(qū)，Ⅱ區(qū)為灌叢草原區(qū)，Ⅲ區(qū)為荒漠草原區(qū)，Ⅳ區(qū)為丘陵草原區(qū)和Ⅴ區(qū)為山地草原區(qū)(圖1)。

1.3.2 插值掩膜處理 將我國(guó)國(guó)界、省界和交錯(cuò)帶省級(jí)shp矢量文件和每年的年降水量、溫度Excel表格數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS，以每年降水量(溫度)圖層的降水量(溫度)為插值對(duì)象，以中國(guó)國(guó)界與省界矢量文件中的面文件為插值范圍，采用反距離加權(quán)法(IDW)，插值出中國(guó)降水、溫度分布柵格數(shù)據(jù)集，以5區(qū)交錯(cuò)帶矢量文件為掩膜，進(jìn)而獲得中國(guó)農(nóng)牧交錯(cuò)帶降水、溫度分布圖(圖2)。

1.3.3 加權(quán)平均值提取 在全國(guó)降水量分布圖中提取 400 mm 等值線，因含有多個(gè)弧段組成，須將等降水量線進(jìn)行離散化處理，再執(zhí)行操作，獲取這些離散點(diǎn)的經(jīng)向和緯向坐標(biāo)求平均值，即可得到400 mm等降水量線加權(quán)平均位置，如圖3所示。

1.3.4 變異系數(shù)運(yùn)算 變異系數(shù)也稱離均系數(shù)，是均方差(標(biāo)準(zhǔn)差)與平均值之比，可用百分?jǐn)?shù)表示。與方差、標(biāo)準(zhǔn)差相比，變異系數(shù)既可用來(lái)反映某一觀測(cè)值的變化程度，又能消除測(cè)量尺度和量綱的影響，以便進(jìn)行客觀比較。一般來(lái)說(shuō)，變量值平均水平高，其離散程度的測(cè)度值越大，反之越小。其計(jì)算公式為：VC=(SD/MN)×100%。式中：VC表示變異系數(shù)，SD為均方差(標(biāo)準(zhǔn)差)，MN為平均值。該研究中，通過(guò)分別計(jì)算降水量和溫度變異系數(shù)VCp和VCt，分析氣候變化背景下5區(qū)降水量和氣溫變化程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 五區(qū)降水量對(duì)比

結(jié)合農(nóng)牧交錯(cuò)帶降水分布(圖3)，北方四區(qū)農(nóng)牧交錯(cuò)帶30年均降水量分別為402、495、379、380 mm，川滇交錯(cuò)帶30年均降水量在755 mm左右。30年間，Ⅱ灌叢草原區(qū)、Ⅲ荒漠草原區(qū)、Ⅴ山地草原區(qū)降水量呈微弱減少趨勢(shì)，而Ⅰ草甸草原區(qū)(減少)和Ⅳ丘陵草原區(qū)(增加)的變化幅度較大。

由中國(guó)農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)年降水量及其變化情況分布(圖4)可知，降水量發(fā)生大于100 mm的突變均為顯著增高：1991—1992 年 Ⅳ 區(qū)為281～428 mm；1997—1998年，Ⅰ區(qū)為370～603 mm，Ⅱ區(qū)為379～547 mm，Ⅴ區(qū)為695～892 mm；2002—2003年Ⅲ區(qū)(390～490 mm)。研究獲得的5次異常降水變化，如1992年的洪澇災(zāi)害，1998年長(zhǎng)江流域特大洪水，2003年的颶風(fēng)、暴雨等，與ENSO或La Nina現(xiàn)象高度相關(guān)[16-17]，說(shuō)明農(nóng)牧交錯(cuò)帶作為生態(tài)脆弱區(qū)對(duì)于全球的生態(tài)放大鏡的作用是顯著的。

根據(jù)5區(qū)降水量變異系數(shù)變化情況(圖5)可知，5區(qū)降水量變異系數(shù)均呈波動(dòng)性變化。草甸草原區(qū)(Ⅰ區(qū))、灌叢草原區(qū)(Ⅱ區(qū))和山地草原區(qū)(Ⅴ區(qū))降水變異系數(shù)VCp在20世紀(jì)90年代明顯增高，其中Ⅰ區(qū)增加了78%，Ⅱ區(qū)增加45%，Ⅴ區(qū)增加50%，說(shuō)明3區(qū)域降水量在90年代受氣候變化影響最大。2000年之后，變異系數(shù)有所減小，但3區(qū)域變異系數(shù)仍處于升高趨勢(shì)?；哪菰瓍^(qū)(Ⅲ區(qū))和丘陵草原區(qū)(Ⅳ區(qū))在90年代顯著降低，其中Ⅲ區(qū)降低了16%，Ⅳ區(qū)降低45%，說(shuō)明在90年代的氣候變化條件下Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)降水量波動(dòng)較小。近十幾年來(lái)，2區(qū)變異系數(shù)又有微弱增加趨勢(shì)。

結(jié)合5個(gè)區(qū)域30年降水量平均變異系數(shù)(表1)可知，近30年來(lái)，5區(qū)降水量受氣候影響的波動(dòng)性呈現(xiàn)出Ⅰ區(qū)(18%)>Ⅲ區(qū)(14%)>Ⅱ區(qū)(12%)>Ⅳ區(qū)(11%)>Ⅴ區(qū)(7%)。

2.2 5區(qū)溫度變化比較

圖6為農(nóng)牧交錯(cuò)帶5區(qū)年平均氣溫變化動(dòng)態(tài)圖，結(jié)合圖3可知，30年5區(qū)平均氣溫分別為4.7、9.0、7.6、5.5、7.8 ℃。1998年，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)氣溫達(dá)到最高，其中Ⅱ區(qū)10.1 ℃、Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)都為8.8 ℃；2007年為Ⅰ區(qū)歷史最熱年，溫度達(dá)到 6.2 ℃；Ⅴ區(qū)在2009年溫度達(dá)到最高，為8.7 ℃。2000—2010年是最暖的10年，平均溫度達(dá)7.4 ℃。近30年來(lái)，5區(qū)均有明顯的增溫趨勢(shì)， 南北農(nóng)牧交錯(cuò)帶年平均氣溫增長(zhǎng)率為0.45 ℃/10年， 明顯高于同期全國(guó)和全球的氣溫增長(zhǎng)率。雖然近4～5年出現(xiàn)了明顯降溫現(xiàn)象，但總體仍處于升溫狀態(tài)，這與全球平均氣溫變化的趨勢(shì)一致[18]。

表1 5區(qū)降水、溫度30年平均變異系數(shù)

從交錯(cuò)帶溫度變異系數(shù)VCt變化(圖7)中可以看到，1982—2012年間所有區(qū)域的氣溫變異均呈下降趨勢(shì)，總體變異系數(shù)下降了29%。Ⅰ區(qū)在90年代氣溫變異系數(shù)下降了50%，說(shuō)明Ⅰ區(qū)溫度在90年代受氣候影響較小，進(jìn)入21世紀(jì)變異系數(shù)開(kāi)始回歸；Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)變異系數(shù)呈低—高—低動(dòng)態(tài)趨勢(shì)，近10年與80年代相比分別下降了18%和31%；Ⅳ區(qū)變異系數(shù)呈階梯式下降，30年來(lái)下降幅度達(dá)到51%，說(shuō)明近30年，Ⅳ區(qū)受氣候變化的波動(dòng)性越來(lái)越小。Ⅴ區(qū)在90年代氣溫波動(dòng)性最大，與80年代相比升高了56%。表1顯示，5區(qū)溫度30年平均變異系數(shù)分別為草甸草原區(qū)(Ⅰ區(qū)，14%)>丘陵草原區(qū)(Ⅳ區(qū)，12%)>荒漠草原區(qū)(Ⅲ區(qū)，9%)>灌叢草原區(qū)(Ⅱ區(qū)，7%)>山地草原區(qū)(Ⅴ區(qū)，6%)。

2.3 400 mm等雨量線遷移與農(nóng)牧交錯(cuò)帶地理相關(guān)性分析

400 mm等雨量線是中國(guó)西部干旱半干旱區(qū)與東部濕潤(rùn)半濕潤(rùn)區(qū)的分界線，全國(guó)90%左右的耕地和人口都分布在該線以東地區(qū)，也是中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶區(qū)域的重要?jiǎng)澐謽?biāo)準(zhǔn)，因此，400 mm等雨量線的空間位移會(huì)對(duì)中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶產(chǎn)生巨大的資源環(huán)境及社會(huì)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

由圖3可知，400 mm等雨量線遷移在空間上與北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶相關(guān)性較大，與川滇農(nóng)牧交錯(cuò)帶(位于800 mm等雨量線)相關(guān)性不大。北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶地理坐標(biāo)范圍為105°45′～124°42′E、36°01′～49°36′N[7]。從圖8中可以看出，等雨量線遷移具有方向性：經(jīng)向遷移介于102°～111°E，緯向遷移介于35°～40°N。400 mm等雨量線30年來(lái)的遷移范圍一直在北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶內(nèi)，中段與東段甚至覆蓋了整個(gè)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶區(qū)域。且400 mm等雨量線有向東和向北發(fā)生移動(dòng)的趨勢(shì)，緯度變化較大，向北推進(jìn)了近1 000 km，400 mm等雨量線開(kāi)始遷移到呼倫貝爾草原、內(nèi)蒙古高原一帶。周期性明顯：1982—1999年周期為5～6年，2000年之后，周期縮短為3～4年。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

農(nóng)牧交錯(cuò)帶5區(qū)的30年平均降水量分別為：Ⅰ區(qū) 402 mm、Ⅱ區(qū)495 mm、Ⅲ區(qū)379 mm、Ⅳ區(qū)380 mm，Ⅴ區(qū) 755 mm，30年來(lái)Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅴ區(qū)年均降水量逐漸減少，而Ⅳ區(qū)呈增加之勢(shì)。Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅴ區(qū)降水量變異系數(shù)在90年代分別增加了78%、45%、50%，3區(qū)波動(dòng)性在90年代達(dá)到頂峰；Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)在90年代氣候變化影響下變異系數(shù)降到最低，其中Ⅲ區(qū)降低了16%，Ⅳ區(qū)降低45%；近12年來(lái)，5區(qū)降水量變異系數(shù)均有回落(Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅴ區(qū))和回升(Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū))現(xiàn)象。在地域分區(qū)上，30年平均降水變異系數(shù)最大值為Ⅰ區(qū)(18%)，最小值為Ⅴ區(qū)(7%)，說(shuō)明在近30年的氣候變化下Ⅰ區(qū)為嚴(yán)重影響區(qū)，Ⅴ區(qū)波動(dòng)性最低。

近30年來(lái)農(nóng)牧交錯(cuò)帶5區(qū)氣溫普遍升高，且氣溫變異系數(shù)均呈減少趨勢(shì)。中國(guó)農(nóng)牧交錯(cuò)帶30年平均氣溫增長(zhǎng)率(0.45 ℃/10年)明顯大于全國(guó)同期的平均水平，是一個(gè)對(duì)全球變化非常敏感的區(qū)域。所有區(qū)域在2000—2012年間為最暖期，1998年為近30年來(lái)中國(guó)農(nóng)牧交錯(cuò)帶平均氣溫最高的一年，與全國(guó)氣溫變化趨勢(shì)一致[18-20]。Ⅰ區(qū)在90年代氣溫變異系數(shù)下降了50%，2000年后有所回升。近10年與80年代相比，Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)變異系數(shù)分別下降了18%、31%、51%，30年來(lái)Ⅴ區(qū)變異系數(shù)僅下降了6%，但在90年代變異系數(shù)升高了56%，為30年間氣溫升高最快時(shí)期。30年平均變異系數(shù)在空間上表現(xiàn)出一定的區(qū)域差異性，大致呈現(xiàn)為Ⅰ草甸草原區(qū)(14%)>Ⅳ丘陵草原區(qū)(12%)>Ⅲ荒漠草原區(qū)(9%)>Ⅱ灌叢草原區(qū)(7%)>Ⅴ山地草原區(qū)(6%)。Ⅰ草甸草原區(qū)對(duì)農(nóng)牧交錯(cuò)帶增溫貢獻(xiàn)率最大，該結(jié)論與已有的研究[11，21]基本一致。在全球變暖背景下，我國(guó)氣候發(fā)生了相應(yīng)變化，受降水量影響的400 mm等雨量線位置發(fā)生了改變，有向東、向北方向遷移之勢(shì)，經(jīng)向遷移介于102°～111°E之間，緯向遷移介于 35°～40°N之間。30年間400 mm中、東段遷移范圍與北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶(105°45′～124°42′E、36°01′～ 49°36′N)區(qū)域重合度達(dá)89%，且重合度有升高之勢(shì)。

3.2 討論

基于前人采用植被指數(shù)和地面草原生物量數(shù)據(jù)建立5種模型進(jìn)行分區(qū)研究，本研究依據(jù)降水量、溫度的變化對(duì)農(nóng)牧交錯(cuò)帶氣候進(jìn)行探討，并未考慮風(fēng)速、蒸發(fā)量及社會(huì)人文因素對(duì)農(nóng)牧交錯(cuò)帶的影響。

30年間，五大農(nóng)牧交錯(cuò)帶溫度明顯升高，但近幾年有明顯降溫現(xiàn)象，除丘陵草原區(qū)(Ⅳ區(qū))降水量有所增加，其他4區(qū)降水量均有減少趨勢(shì)。降水量減少，溫度升高，將嚴(yán)重影響農(nóng)牧交錯(cuò)帶的旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[7]，被開(kāi)墾的農(nóng)田處于一個(gè)不穩(wěn)定的狀態(tài)，并造成沙漠化的發(fā)展。草甸草原區(qū)(Ⅰ 區(qū))雨量適中、氣候適宜，適于發(fā)展大牲畜，但是因其受氣候因素影響最大，可能導(dǎo)致該區(qū)域植物生長(zhǎng)受到影響，不利于畜牧業(yè)的發(fā)展。受氣候變化影響最小的山地草原區(qū)(Ⅴ區(qū))，生態(tài)空間格局不會(huì)有太大變化。

我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大體以400 mm年降水量等值線為界，可分為2個(gè)大區(qū)：以東、以南是種植業(yè)為主的農(nóng)區(qū)，以西、以北是畜牧業(yè)為主的牧區(qū)。由于近30年間400 mm等雨量線向東、向北遷移迅速，北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶將大大減少畜牧業(yè)的發(fā)展，避免增加其生態(tài)脆弱性。

考慮針對(duì)不同植被區(qū)域類型采用不同的措施，有選擇地對(duì)草地實(shí)行施肥、灌溉，增強(qiáng)防治風(fēng)蝕沙化的能力，減輕草地畜牧業(yè)的壓力，提高農(nóng)牧交錯(cuò)帶經(jīng)濟(jì)效益。

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