劉琳 陳文龍 周鋒 王永超

摘要 黑龍江省西部地區(qū)是我國人口密度較高的沙化區(qū)，也是我國重要的商品糧生產(chǎn)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(qū)和生態(tài)脆弱地區(qū)。近年來受氣候和氣候變化等因素的影響，該區(qū)域的荒漠化程度日趨嚴重，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來了嚴重影響，造成該區(qū)域生態(tài)性貧困。基于黑龍江省西部區(qū)域1903—2017年的氣候資料，應(yīng)用標準化降水指數(shù)（SPI），采用小波分析和對比分析法分析了黑龍江省西部地區(qū)氣候變化的背景和影響其荒漠化的氣象要素變化規(guī)律。結(jié)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(fā)生的水汽環(huán)境變化，是黑龍江省西部地區(qū)荒漠化的影響機制;24年左右的降水量周期變化是該區(qū)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(qū)荒漠化過程的影響機制，提出了應(yīng)對氣候變化對黑龍江省西部地區(qū)荒漠化影響的預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞 氣候變化;荒漠化;影響機制;生態(tài)環(huán)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(qū)域環(huán)境特點的重要指標[1]。氣候變化導(dǎo)致的地表蒸散量、降水、徑流等水環(huán)境因子的改變，必然會對氣候的干濕狀況產(chǎn)生重要影響，進而對森林、草原、濕地、農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響[2-3]。

黑龍江省西部地區(qū)是我國人口密度較高的沙化區(qū)，也是我國重要的商品糧生產(chǎn)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(qū)和生態(tài)脆弱地區(qū)。特別是每年春夏季，西南大風(fēng)肆虐，林木受損嚴重，地表侵蝕和土壤養(yǎng)分流失加劇，農(nóng)作物歉收，地下水位持續(xù)下降，土地沙化和草場退化加劇，嚴重影響了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展能力，制約了鄉(xiāng)村振興。近年來，因風(fēng)災(zāi)、沙害疊加和地下水位快速下降，黑龍江省西部地區(qū)生態(tài)狀況進一步惡化，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來了嚴重影響，造成該區(qū)域生態(tài)性貧困。區(qū)域性的荒漠化進程是與當(dāng)?shù)氐臍夂虮尘熬o密聯(lián)系的。該區(qū)域的荒漠化進程，在很大程度上是由其水環(huán)境狀況決定的，而其水環(huán)境狀況變化與該區(qū)域的氣候變化直接相關(guān)，因此，黑龍江省西部地區(qū)的水環(huán)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(qū)的干濕變化特征，為更好地預(yù)測氣候變化對黑龍江省西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響，以及這種影響對該區(qū)域的荒漠化進程的機理研究具有明確的指導(dǎo)意義。

隨著對氣候變化的關(guān)注度提高，對典型區(qū)域的氣候干濕狀況的變化及由其引起生態(tài)變化的敏感性正在受到越來越多的關(guān)注。張立杰等[4]利用SPI和SPEI指數(shù)探討了西江流域1959—2016年干旱的時空演變特征及干旱指數(shù)的表征差異;郭昭濱等[5]采用SPI指數(shù)分析了大興安嶺林區(qū)1974—2016年氣候干濕狀況的變化規(guī)律，指出進入21世紀以來，該區(qū)域氣候干濕波動變化趨于劇烈，有利于森林火災(zāi)發(fā)生的方向演變;吳紹飛等[6]采用7種不同的分布函數(shù)，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(yōu)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(qū)域的時空分布特征及對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，在區(qū)域性的荒漠化進程的研究相對較少。

由于標準化降水指數(shù)（SPI）具有計算資料需求少，適用于多時間尺度，良好計算穩(wěn)定性等優(yōu)點，而越來越多地作為反應(yīng)典型區(qū)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(shù)（SPI），利用黑龍江省沙化區(qū)北部邊緣區(qū)域的齊齊哈爾氣象站1903—2017年間的逐月降水資料，對該區(qū)域氣候干濕狀況的歷史變化特征進行分析，以期為該區(qū)域生態(tài)環(huán)境治理與修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域

本研究中的黑龍江省西部地區(qū)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^(qū)）內(nèi)的2個地級市中的13個縣（旗、市、區(qū)），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(qū)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(fēng)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(qū)已出現(xiàn)明顯的沙漠化趨勢。

1.2.2 氣候特征 研究區(qū)域處于溫帶范圍，位于東亞季風(fēng)影響區(qū)域的最北端，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，是中國濕潤的東部季風(fēng)區(qū)和干旱的內(nèi)陸之間的過渡帶。主要特點是：冬寒漫長，春干風(fēng)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(fā)量1 500～1 700 mm，為降水量的3～4倍。

1.2.3 土壤條件 研究區(qū)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(fēng)沙土、褐土等，其中以風(fēng)沙土、草甸土、黑鈣土和黑土為主。風(fēng)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(zhì)地一般為細沙，含有石英、長石等礦物。在嫩江沙地上的風(fēng)沙土既是沙區(qū)耕地的主要土壤，又是重要的牧業(yè)、林業(yè)用地。隨著人口增加，農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展對風(fēng)沙土整治和開發(fā)利用顯得尤為重要。

1.2.4 植被 研究區(qū)域為溫帶森林草原、草甸草原和干草原分布區(qū)，以耐旱的羊草、貝加爾針茅等為典型植物種。該區(qū)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(shù)量東部明顯多于西部，天然植被和人工植被的質(zhì)量北部優(yōu)于南部。農(nóng)作物主要有玉米、水稻、大豆、花生、雜糧雜豆等。

本區(qū)地處農(nóng)牧交錯區(qū)，氣候干旱，風(fēng)沙危害重，植被稀疏低矮，農(nóng)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(tài)極度脆弱。

1.2.5 水資源及其開發(fā)利用狀況 流經(jīng)研究區(qū)域的主要河流有嫩江及其支流，水量豐沛，同時區(qū)域內(nèi)還有大片湖沼濕地和大小不一的小型湖泊分布。雖然區(qū)域內(nèi)的水資源相對豐富，但一年之內(nèi)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(jié)性的時令河，平時水淺或完全干涸，受季節(jié)性變化影響大，每到汛期河水暴漲，水流急劇，有時泛濫成災(zāi)。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(qū)北部邊緣區(qū)域的齊齊哈爾氣象站1903—2017年間的逐月降水資料，以及區(qū)域內(nèi)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(qū)氣候分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.3.1 標準化降水指數(shù)（SPI）及干濕等級劃分 考慮到研究區(qū)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(qū)干濕變化的時空特征

2.1 黑龍江省西部荒漠化地區(qū)115年干濕變化特征

近115年黑龍江省西部荒漠化區(qū)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(tài)分布，但重澇和特澇出現(xiàn)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(qū)年SPI小波系數(shù)的實部時頻圖分析，在黑龍江省西部荒漠化地區(qū)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(qū)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(wěn)定特征。另外還有1個56年以上的長周期，但根據(jù)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(qū)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(qū)的干濕年際變化似乎也不是導(dǎo)致荒漠化加劇的直接原因;但SPI指數(shù)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(nèi)越來越集中或集聚的分布態(tài)勢對黑龍江省西部荒漠化地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了很大的沖擊。

2.2 黑龍江省西部荒漠化地區(qū)干濕變化的時空特征

黑龍江省西部荒漠化區(qū)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(xiàn)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(qū)干濕變化對荒漠化影響

黑龍江省西部荒漠化區(qū)域的年平均降水量在412～453 mm，處于半干旱地區(qū)到半濕潤地區(qū)的過渡帶上，荒漠化區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)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(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的變化?；哪瘏^(qū)域的表層是東北地區(qū)典型的黑土，厚度在30～70 cm?？紤]到荒漠化區(qū)域的特殊環(huán)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(xù)性干旱和洪澇過程造成的水土流失將給荒漠化的恢復(fù)過程造成不可逆的影響。而SPI指數(shù)在一定程度上能夠較好地反映出干旱和洪澇的持續(xù)時間、烈度和強度。

由于在黑龍江省西部荒漠化區(qū)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(xù)3年SPI滑動平均（圖4），反映在不同階段旱澇影響的持續(xù)過程。在1961—2017年間連續(xù)3年SPI滑動平均有明顯的持續(xù)性，在1970—1980年間為1個持續(xù)的干旱階段，雖然其干旱強度不是歷史上最強的，但持續(xù)性是最明顯的;在1981—1995年間為1個持續(xù)的濕潤階段，黑龍江省西部荒漠化區(qū)域水環(huán)境得到了明顯的改善，但發(fā)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(xiàn)了歷史上最強的干旱，黑龍江省西部荒漠化區(qū)域的黑土層形成了明顯的退化;另一個濕潤階段出現(xiàn)在2009—2015年間，是濕潤度最明顯的階段，之后將轉(zhuǎn)入一個新的干旱階段的趨勢已經(jīng)顯現(xiàn)。據(jù)實地調(diào)查，雖然經(jīng)過了2009—2015年間的濕潤期，黑龍江省西部荒漠化區(qū)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(chǎn)過程的影響遠大于自然的恢復(fù)能力。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

4.1.1 下沉焚風(fēng)效應(yīng)導(dǎo)致區(qū)域高溫少雨 項目區(qū)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(qū)出現(xiàn)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(dāng)西風(fēng)氣流翻越大興安嶺時，在東坡形成了明顯的下沉焚風(fēng)效應(yīng)?？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(qū)）大約有1 000～1 200 m的高度差，西風(fēng)氣流導(dǎo)到項目區(qū)出現(xiàn)3℃左右的增溫效應(yīng)，通過對該區(qū)域多年≥10℃·d積溫的分析，使項目區(qū)的平均氣溫明顯高于同緯度的其他區(qū)域（圖5～圖7），通過對該區(qū)域多年≥10℃·d積溫的分析，可知增溫效應(yīng)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(yīng)導(dǎo)致大風(fēng)頻發(fā) 在地形的作用下，下沉的西風(fēng)氣流逐漸左偏，導(dǎo)致西南風(fēng)成為該區(qū)域春季的一個主要盛行風(fēng)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(qū)從南到北呈抬升趨勢，特殊的地形形成狹管效應(yīng)，導(dǎo)致項目區(qū)春季易出現(xiàn)西南大風(fēng)。以齊齊哈爾市為例，建國初期，8級以上大風(fēng)年平均達28 d，近30年春季8級以上大風(fēng)年平均為10.2 d，最大風(fēng)速達25 m/s（1983年4月29日）。

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

4.1.4 農(nóng)業(yè)過渡開發(fā)導(dǎo)致生態(tài)惡化 項目區(qū)是我國人口密度最高的沙化區(qū)，也是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，2017年項目區(qū)糧食產(chǎn)量占全國糧食產(chǎn)量的5%（項目區(qū)面積占全國面積的1.2%）。近年來，項目區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，過度開采地下水發(fā)展高耗水農(nóng)業(yè)，導(dǎo)致地下水水位快速下降，防護林過早退化，生態(tài)環(huán)境惡化。另外，農(nóng)業(yè)的過渡開發(fā)，也使土壤的有機質(zhì)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(jù)調(diào)查，齊齊哈爾市的土壤的有機質(zhì)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(jiān)測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)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(dǎo)致項目區(qū)生態(tài)惡化 第二次森林資源清數(shù)據(jù)（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(shù)據(jù)（2004—2008 年）顯示，黑龍江省平均公頃蓄積不到79 m3。從東北地區(qū)衛(wèi)星遙感圖也可以反映出大興安嶺中部、南部地區(qū)森林植被退化嚴重。森林資源質(zhì)量的下降導(dǎo)致涵養(yǎng)水源能力下降，對發(fā)源于該區(qū)域的河流水量調(diào)節(jié)作用顯著減弱，部分河流出現(xiàn)季節(jié)性斷流。

4.2 結(jié)論

半干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)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(dǎo)致農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的變化。通過對黑龍江省西部地區(qū)115年的氣象要素分析表明，近50年來，該區(qū)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(qū)域水平衡的演變;與氣溫變化相比，該地區(qū)降水的趨勢變化雖不明顯，但周期性變化過程顯著，持續(xù)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(chǎn)活動是影響荒漠化的主要驅(qū)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(qū)域的蒸散量加大，土壤缺水現(xiàn)象將日趨嚴重，導(dǎo)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(tài)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(qū)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(dǎo)致荒漠化加劇的直接原因，但降水在年度內(nèi)越來越集中或集聚分布的態(tài)勢對當(dāng)?shù)氐陌敫珊档貐^(qū)的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了很大的沖擊。

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責(zé)任編輯：黃艷飛