楊婉蓉，劉志娟**，蘇正娥，高偉達(dá)，任圖生，楊曉光

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193）

東北三省是中國(guó)重要糧食生產(chǎn)基地，糧食產(chǎn)量約占全國(guó)的1/5，在保障糧食生產(chǎn)中具有重要地位[1]。東北黑土區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分含量較高，而近年來(lái)表層土壤流失嚴(yán)重，有機(jī)質(zhì)含量下降，已對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)不利影響[2]。其中風(fēng)蝕是東北黑土區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)下降的主要因素之一，第三次水土流失普查數(shù)據(jù)顯示，東北地區(qū)現(xiàn)有風(fēng)蝕面積達(dá)3.4萬(wàn)km2，占黑土區(qū)總土地面積的12.3%[3]。旱風(fēng)同期的氣候特點(diǎn)使東北地區(qū)春冬季大風(fēng)頻發(fā)，同時(shí)近幾十年來(lái)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)強(qiáng)度增強(qiáng)，農(nóng)田保護(hù)措施不足，導(dǎo)致土壤風(fēng)蝕更加嚴(yán)重[4]。

影響東北地區(qū)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕的因子包括風(fēng)速、降水、土壤含水量、土壤質(zhì)地、植被覆蓋以及耕作方式等[5]。風(fēng)是土壤風(fēng)蝕產(chǎn)生的動(dòng)力，風(fēng)蝕速率與風(fēng)速成正相關(guān)關(guān)系[6]。風(fēng)蝕程度與近地層風(fēng)速有著密切的關(guān)聯(lián)，沙粒脫離靜止?fàn)顟B(tài)開始運(yùn)動(dòng)的最小臨界風(fēng)速，即起動(dòng)風(fēng)速的研究對(duì)風(fēng)蝕的研究很有意義[7]。王仁德等研究表明，農(nóng)田土壤風(fēng)蝕量隨風(fēng)速增加呈指數(shù)規(guī)律變化[8]。降水量也是影響風(fēng)蝕的一個(gè)重要?dú)庀笠蛩豙9]。土壤的基本理化性質(zhì)不同，也會(huì)對(duì)風(fēng)蝕特征產(chǎn)生較大影響[10]。黑土有機(jī)質(zhì)含量比風(fēng)沙土高，有利于土壤團(tuán)聚體的形成，從而土壤穩(wěn)定性及抗風(fēng)蝕能力較高[11]。董苗等研究表明，CaCO3含量為5%時(shí)，栗鈣土和暗栗鈣土的起動(dòng)風(fēng)速最大[12]。植被覆蓋也能影響土壤風(fēng)蝕的發(fā)生，研究表明，在其他條件相同時(shí)，裸地的風(fēng)蝕強(qiáng)度最大[13]。除以上自然條件影響土壤風(fēng)蝕外，人為的耕作措施對(duì)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕亦產(chǎn)生影響。秸稈覆蓋能夠降低風(fēng)蝕速率，在不同風(fēng)速下，達(dá)到理想的防風(fēng)效果所需要的秸稈覆蓋度不同[14]。

東北地區(qū)的風(fēng)速呈現(xiàn)出季節(jié)性變化規(guī)律，春季風(fēng)速大，冬季小[15]。楊新等根據(jù)1951-2000年氣象資料對(duì)典型黑土區(qū)6個(gè)站點(diǎn)的風(fēng)蝕環(huán)境進(jìn)行了分析，得出東北地區(qū)氣候條件造成的土壤風(fēng)蝕較嚴(yán)重，特別是春季，降水少，植被覆蓋度低，土壤疏松，是全年最容易發(fā)生風(fēng)蝕的時(shí)期[16]。在全球氣候變化背景下，北半球大部分地區(qū)地面風(fēng)速總體呈下降趨勢(shì)[17]，中國(guó)風(fēng)速以減少趨勢(shì)為主[18]，且存在很強(qiáng)的季節(jié)性。范帥邦等[19]研究表明，1964-2019年遼寧省平均風(fēng)速呈顯著降低趨勢(shì)，春季下降趨勢(shì)最大。地表風(fēng)速的改變將影響土壤風(fēng)蝕發(fā)生的時(shí)空分布特征?，F(xiàn)階段關(guān)于風(fēng)蝕的研究主要集中于干旱和半干旱地區(qū)的風(fēng)蝕因子對(duì)風(fēng)蝕量的影響[20]，而針對(duì)氣候變化對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響研究較少，特別是綜合考慮風(fēng)速和降水變化對(duì)風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)的影響研究報(bào)道較少。本研究擬基于東北地區(qū)的實(shí)測(cè)風(fēng)速資料，綜合考慮風(fēng)速和降水兩個(gè)氣象因素，解析東北三省不同區(qū)域不同耕作階段日最大風(fēng)速的變化規(guī)律，以及土壤風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)的時(shí)空分布特征，以期為東北三省黑土地保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)及其來(lái)源

研究區(qū)域?yàn)闁|北三省即黑龍江、吉林和遼寧省。參照《中國(guó)農(nóng)業(yè)自然資源和農(nóng)業(yè)區(qū)劃》可以分為遼河平原區(qū)（Ⅰ區(qū)）、長(zhǎng)白山區(qū)（Ⅱ區(qū)）、松嫩平原區(qū)（Ⅲ區(qū)）、三江平原區(qū)（Ⅳ區(qū)）和小興安嶺區(qū)（Ⅴ區(qū)）[21]。各區(qū)域站點(diǎn)分布見表1和圖1。

圖1 東北三省5個(gè)分區(qū)和氣象站點(diǎn)的分布Fig.1 Distribution of five regions and meteorological stations in the three provinces of Northeast China

表1 東北三省5個(gè)分區(qū)及各區(qū)域氣象站點(diǎn)分布Table 1 Regionalization of five regions and meteorological stations in each region in the three provinces of Northeast China

遼河平原區(qū)（Ⅰ區(qū)）位于遼寧省西部，包括以遼河流域?yàn)橹黧w的中部沖擊平原，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為7.0～11.0℃，年降水量在600～1100mm。主要種植玉米、水稻和大豆等作物[22]。

長(zhǎng)白山區(qū)（Ⅱ區(qū)）包括吉林省東部、遼寧省東部和黑龍江省東南部，以山地丘陵為主，屬于溫帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為2.5～3.6℃，年降水量在757～930mm。主要種植玉米、大豆和小麥等作物[23]。

松嫩平原區(qū)（Ⅲ區(qū)）位于黑龍江省西南部和吉林省西部，屬溫帶大陸性半濕潤(rùn)、半干旱季風(fēng)氣候，年平均氣溫0.5～6.1℃，年降水量在400～600mm。主要種植玉米、大豆、小麥、馬鈴薯等作物[24]。三江平原區(qū)（Ⅳ區(qū)）位于黑龍江省東北部，屬于寒溫帶濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為1.0～4.0℃，年平均降水量為384～886mm。主要種植玉米、水稻和大豆等作物[25]。

小興安嶺區(qū)（Ⅴ區(qū)）位于黑龍江省東北部，屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為-1.0～1.0℃，年降水量為550～670mm。主要種植作物為大豆[26]。

1981-2017年各氣象站點(diǎn)逐日降水量和日最大風(fēng)速（10min平均最大值）來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://data.cma.cn）。由于日平均風(fēng)速是指某一段時(shí)間內(nèi)各次觀測(cè)風(fēng)速的算術(shù)平均值，無(wú)法體現(xiàn)當(dāng)日的瞬時(shí)風(fēng)速，使用日平均風(fēng)速數(shù)據(jù)會(huì)低估風(fēng)蝕的發(fā)生情況，故風(fēng)速數(shù)據(jù)取日最大風(fēng)速（10min平均最大值）。

1.2 風(fēng)蝕起動(dòng)風(fēng)速

要使靜止的土壤顆粒開始運(yùn)動(dòng)，需要一定的風(fēng)力條件，當(dāng)風(fēng)速增大到某一臨界值時(shí)，地表土壤顆粒開始運(yùn)動(dòng)，這個(gè)臨界風(fēng)速稱為起動(dòng)風(fēng)速[27]。

風(fēng)速和降水是影響風(fēng)蝕發(fā)生的兩個(gè)重要的氣象因子[28]。降水能夠改變沙粒的運(yùn)動(dòng)特性，并顯著提高風(fēng)蝕的起動(dòng)風(fēng)速。因此，綜合考慮風(fēng)速和降水量，確定不同降水情景下的起動(dòng)風(fēng)速指標(biāo)，以判斷風(fēng)蝕是否發(fā)生。當(dāng)日無(wú)降水時(shí)，采用5.7m·s-1作為風(fēng)蝕發(fā)生的起動(dòng)風(fēng)速[29]。當(dāng)降水量為0.1mm、0.2mm和0.3mm時(shí)，起動(dòng)風(fēng)速分別增至10.1m·s-1、16.9m·s-1和25.6m·s-1。當(dāng)降水量超過(guò)0.3mm時(shí)，很難發(fā)生土壤風(fēng)蝕。因此，參照文獻(xiàn)[30]，將10.1m·s-1、16.9m·s-1和25.6m·s-1分別定義為降水0.1mm、0.2mm和0.3mm當(dāng)日的風(fēng)蝕起動(dòng)風(fēng)速。

1.3 風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)

在考慮每日降水量的情況下，確定每日起動(dòng)風(fēng)速，將日最大風(fēng)速與起動(dòng)風(fēng)速進(jìn)行比較，認(rèn)為在日最大風(fēng)速大于起動(dòng)風(fēng)速的情況下，該日存在風(fēng)蝕的發(fā)生。

分階段統(tǒng)計(jì)全年（即1-12月）、休耕期（10月-翌年3月）和播前1個(gè)月（4月）各等級(jí)日最大風(fēng)速發(fā)生天數(shù)和風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)。在作物生長(zhǎng)季內(nèi)，地表覆蓋減小了地表風(fēng)速[31]，降低了風(fēng)蝕，且在植被蓋度超過(guò)70%時(shí)，基本不產(chǎn)生風(fēng)蝕[32]，故作物生長(zhǎng)季（5-9月）暫不考慮。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用最小二乘法計(jì)算日最大風(fēng)速和風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)的時(shí)間變化趨勢(shì)，要素的變化用一次線性方程表示[18]，即

式中，y為樣本，t為時(shí)間，b為線性回歸系數(shù)，b＞0表示y隨時(shí)間變化呈增加趨勢(shì)，b＜0表示呈減少趨勢(shì)。

基于式（2）計(jì)算每個(gè)分區(qū)的站點(diǎn)各時(shí)期風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)占相應(yīng)時(shí)期總天數(shù)的百分比，并基于各年代（即1981-1990年、1991-2000年、2001-2010年和2011-2017年）進(jìn)行分析。

式中，P表示某個(gè)時(shí)期風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)占相應(yīng)時(shí)期總天數(shù)的百分比，dwe表示某個(gè)時(shí)期風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)，dn表示該時(shí)期總天數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作階段日最大風(fēng)速的時(shí)空變化

2.1.1 日最大風(fēng)速分布

從全年（1-12月）來(lái)看（圖2a1、a2、a3），按中國(guó)氣象局風(fēng)速與風(fēng)力等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，東北三省日最大風(fēng)速一般在0-6級(jí)范圍內(nèi)，僅個(gè)別站點(diǎn)個(gè)別年份出現(xiàn)了7級(jí)及以上風(fēng)速。1981-2017年，整個(gè)研究區(qū)域全年日最大風(fēng)速在0-3級(jí)（風(fēng)速為0～5.4m·s-1）、4-6級(jí)（風(fēng)速為5.5～13.8m·s-1）和7級(jí)及以上（風(fēng)速為13.9m·s-1以上）平均出現(xiàn)天數(shù)分別為177d、184d和4d，占全年總天數(shù)的48.5%、50.4%和1.1%。全區(qū)各等級(jí)風(fēng)速出現(xiàn)天數(shù)空間差異大，0-3級(jí)日最大風(fēng)出現(xiàn)天數(shù)為84～298d（占23.0%～81.6%），日最大風(fēng)速出現(xiàn)最多的站點(diǎn)為位于長(zhǎng)白山區(qū)（Ⅱ區(qū)）的吉林省臨江站，最少的站點(diǎn)為位于松嫩平原區(qū)（Ⅲ區(qū)）的黑龍江省通河站。4-6級(jí)日最大風(fēng)出現(xiàn)天數(shù)為66～267d（18.1%～73.2%），日最大風(fēng)速出現(xiàn)最多的站點(diǎn)為位于松嫩平原區(qū)（Ⅲ區(qū)）的黑龍江省通河站，最少的站點(diǎn)為位于長(zhǎng)白山區(qū)（Ⅱ區(qū)）的吉林省臨江站。7級(jí)及以上日最大風(fēng)出現(xiàn)天數(shù)為0～31d（占0～8.5%），日最大風(fēng)速出現(xiàn)最多的站點(diǎn)為位于三江平原區(qū)（Ⅳ區(qū)）的黑龍江省依蘭站。可見，從全年來(lái)看，全年出現(xiàn)0-3級(jí)小風(fēng)天數(shù)與4-6級(jí)大風(fēng)天數(shù)占比相當(dāng)，7級(jí)及以上大風(fēng)僅個(gè)別年份出現(xiàn)。

從休耕期（10月-翌年3月）來(lái)看（圖2b1、b2、b3），1981-2017年，整個(gè)研究區(qū)域休耕期日最大風(fēng)速在0-3級(jí)、4-6級(jí)和7級(jí)及以上平均出現(xiàn)天數(shù)分別為92d、89d和2d，占整個(gè)休耕期的50.3%、48.6%和1.1%。全區(qū)各等級(jí)風(fēng)速出現(xiàn)天數(shù)空間差異大，0-3級(jí)日最大風(fēng)出現(xiàn)天數(shù)在34～158d（占18.7%～86.8%），日最大風(fēng)速出現(xiàn)最多的站點(diǎn)為位于長(zhǎng)白山區(qū)（Ⅱ區(qū)）的吉林省臨江站，最少的站點(diǎn)為松嫩平原區(qū)（Ⅲ區(qū)）的黑龍江省通河站和三江平原區(qū)（Ⅳ區(qū)）的依蘭站。4-6級(jí)日最大風(fēng)出現(xiàn)天數(shù)在24～141d（13.2%～77.5%），日最大風(fēng)速出現(xiàn)最多的站點(diǎn)為位于松嫩平原區(qū)（Ⅲ區(qū)）的黑龍江省通河站，最少的站點(diǎn)為位于長(zhǎng)白山區(qū)（Ⅱ區(qū)）的吉林省臨江站。7級(jí)及以上日最大風(fēng)出現(xiàn)天數(shù)在0～22d（占0～12.1%），日最大風(fēng)速出現(xiàn)最多的站點(diǎn)為位于三江平原區(qū)（Ⅳ區(qū)）的黑龍江省依蘭站?？梢?，從休耕期來(lái)看，休耕期出現(xiàn)0-3級(jí)小風(fēng)天數(shù)與4-6級(jí)大風(fēng)天數(shù)占比相當(dāng)，7級(jí)及以上大風(fēng)僅個(gè)別站點(diǎn)個(gè)別年份出現(xiàn)。

從播前1個(gè)月（4月）來(lái)看（圖2c1、c2、c3），東北三省播前日最大風(fēng)速4-6級(jí)風(fēng)發(fā)生明顯多于0-3級(jí)風(fēng)。1981-2017年，整個(gè)研究區(qū)域播前1個(gè)月日最大風(fēng)速在0-3級(jí)、4-6級(jí)和7級(jí)及以上平均出現(xiàn)天數(shù)分別為7d、22d和1d，占整個(gè)播前1個(gè)月的23.4%、73.3%和3.3%。全區(qū)各等級(jí)風(fēng)速出現(xiàn)天數(shù)空間差異大，0-3級(jí)日最大風(fēng)出現(xiàn)天數(shù)為3～15d（占10.0%～50.0%），日最大風(fēng)速出現(xiàn)最多的站點(diǎn)為位于長(zhǎng)白山區(qū)（Ⅱ區(qū)）的吉林省臨江站。4-6級(jí)日最大風(fēng)出現(xiàn)天數(shù)為15～26d（50.0%～86.7%），日最大風(fēng)速出現(xiàn)最多的站點(diǎn)均在遼河平原區(qū)（Ⅰ區(qū)）的遼寧省，最少的站點(diǎn)為位于長(zhǎng)白山區(qū)（Ⅱ區(qū)）的吉林省臨江站。7級(jí)及以上日最大風(fēng)出現(xiàn)天數(shù)為0～4d（占0～13.3%），日最大風(fēng)速出現(xiàn)最多的站點(diǎn)為位于三江平原區(qū)（Ⅳ區(qū)）的黑龍江省依蘭站?？梢?，從播前1個(gè)月來(lái)看，播前1個(gè)月出現(xiàn)4-6級(jí)大風(fēng)天數(shù)明顯多于0-3級(jí)小風(fēng)天數(shù)，7級(jí)及以上大風(fēng)僅個(gè)別站點(diǎn)個(gè)別年份出現(xiàn)。

2.1.2 日最大風(fēng)速變化趨勢(shì)

從全年（1-12月）來(lái)看（圖3a1、a2、a3），1981-2017年，整個(gè)研究區(qū)全年0-3級(jí)日最大風(fēng)速出現(xiàn)天數(shù)呈增加趨勢(shì)，平均每10年增加20.5d，4-6級(jí)和7級(jí)及以上日最大風(fēng)速出現(xiàn)天數(shù)呈減少趨勢(shì)，平均每10年分別減少18.1d和2.2d。0-3級(jí)、4-6級(jí)和7級(jí)及以上日最大風(fēng)速線性變化趨勢(shì)的變化范圍在全區(qū)內(nèi)差異較大，分別為-26.3～53.0、-49.5～26.2和-17.0～1.4d·10a-1?？梢?，對(duì)于東北三省大部分站點(diǎn)，0-3級(jí)日最大風(fēng)的發(fā)生天數(shù)呈增加趨勢(shì)，4-6級(jí)和7級(jí)及以上的日最大風(fēng)呈減少趨勢(shì)。而遼河平原區(qū)（Ⅰ區(qū)）的阜新站、長(zhǎng)白山區(qū)（Ⅱ區(qū)）的雞西站出現(xiàn)0-3級(jí)風(fēng)速發(fā)生天數(shù)顯著減少，4-6級(jí)風(fēng)速發(fā)生天數(shù)呈顯著增加的趨勢(shì)。

從休耕期（10月-翌年3月）來(lái)看（圖3b1、b2、b3），1981-2017年，整個(gè)研究區(qū)休耕期0-3級(jí)日最大風(fēng)速呈增加趨勢(shì)，平均每10年增加10.3d，4-6級(jí)和7級(jí)及以上日最大風(fēng)速出現(xiàn)天數(shù)呈減少趨勢(shì)，平均每10年分別減少9.3d和0.9d。0-3級(jí)、4-6級(jí)和7級(jí)及以上日最大風(fēng)速線性變化趨勢(shì)的變化范圍在全區(qū)內(nèi)差異較大，分別為-12.7～25.7、-24.9～12.5和-11.4～0.9d·10a-1?？梢姡瑬|北三省大多數(shù)站點(diǎn)0-3級(jí)日最大風(fēng)速發(fā)生天數(shù)呈增加趨勢(shì)，但遼河平原區(qū)（Ⅰ區(qū)）的阜新站、長(zhǎng)白山區(qū)（Ⅱ區(qū)）的雞西站出現(xiàn)0-3級(jí)風(fēng)速發(fā)生天數(shù)呈顯著減少趨勢(shì)。4-6級(jí)和7級(jí)及以上呈減少趨勢(shì)，而遼河平原區(qū)（Ⅰ區(qū)）的阜新、長(zhǎng)白山區(qū)（Ⅱ區(qū)）的雞西、三江平原區(qū)（Ⅳ區(qū)）的富錦和依蘭等站點(diǎn)4-6級(jí)風(fēng)速發(fā)生天數(shù)呈顯著增加趨勢(shì)。

圖3 1981-2017年?yáng)|北三省不同階段不同等級(jí)風(fēng)速發(fā)生天數(shù)的平均線性變化趨勢(shì)Fig.3 Linear trends of occurrence days of wind speed at different levels in different periods(1981-2017) in the three provinces of Northeast China

從播前1個(gè)月（4月）來(lái)看（圖3c1、c2、c3），1981-2017年，整個(gè)研究區(qū)播前一個(gè)月0-3級(jí)日最大風(fēng)速呈增加趨勢(shì)，平均每10年增加1.3d，4-6級(jí)和7級(jí)及以上日最大風(fēng)速出現(xiàn)天數(shù)呈減少趨勢(shì)，平均每10年分別減少0.8d和0.6d。0-3級(jí)、4-6級(jí)和7級(jí)及以上日最大風(fēng)速線性變化趨勢(shì)的變化范圍在全區(qū)內(nèi)差異較大，分別為-2.1～4.9、-4.8～2.0和-2.0～0d·10a-1?？梢?，對(duì)于東北三省大部分地區(qū)站點(diǎn)，0-3級(jí)日最大風(fēng)的發(fā)生天數(shù)呈增加趨勢(shì)，4-6級(jí)和7級(jí)及以上的日最大風(fēng)呈減少趨勢(shì)。而遼河平原區(qū)（Ⅰ區(qū)）的阜新站、長(zhǎng)白山區(qū)（Ⅱ區(qū)）的雞西站出現(xiàn)0-3級(jí)風(fēng)速發(fā)生天數(shù)顯著減少，4-6級(jí)風(fēng)速發(fā)生天數(shù)呈顯著增加趨勢(shì)。

2.1.3 日最大風(fēng)速出現(xiàn)天數(shù)占比

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，1981-2017年各區(qū)不同階段不同等級(jí)風(fēng)速發(fā)生天數(shù)所占百分比見表2。由表中可見，從全年（1-12月）尺度來(lái)看，5個(gè)分區(qū)日最大風(fēng)速在0-3級(jí)、4-6級(jí)和7級(jí)及以上的平均出現(xiàn)天數(shù)差異很大，表現(xiàn)出明顯的區(qū)域特點(diǎn)。0-3級(jí)日最大風(fēng)速出現(xiàn)天數(shù)最多為小興安嶺區(qū)（Ⅴ區(qū)），最少的為三江平原區(qū)（Ⅳ區(qū)）；4-6級(jí)日最大風(fēng)速出現(xiàn)天數(shù)最多的為三江平原區(qū)（Ⅳ區(qū)），最少的為小興安嶺區(qū)（Ⅴ區(qū)）。遼河平原區(qū)（Ⅰ區(qū)）和三江平原區(qū)（Ⅳ區(qū)）0-3級(jí)日最大風(fēng)速出現(xiàn)天數(shù)大于4-6級(jí)，7級(jí)及以上日最大風(fēng)速出現(xiàn)天數(shù)各區(qū)域差異較小?？梢?，從全年來(lái)看，長(zhǎng)白山區(qū)（II區(qū)）和小興安嶺區(qū)（Ⅴ區(qū)）發(fā)生0-3級(jí)小風(fēng)的天數(shù)相對(duì)較多、4-6級(jí)大風(fēng)天數(shù)相對(duì)較少；遼河平原區(qū)（Ⅰ區(qū)）和三江平原區(qū)（Ⅳ區(qū)）則相反，發(fā)生0-3級(jí)小風(fēng)天相對(duì)較少、4-6級(jí)大風(fēng)天相對(duì)較多；松嫩平原區(qū)（III區(qū)）0-3級(jí)和4-6級(jí)發(fā)生天數(shù)占比相當(dāng)。各區(qū)發(fā)生7級(jí)及以上大風(fēng)發(fā)生天數(shù)的差異不大，相對(duì)而言，三江平原區(qū)（Ⅳ區(qū)，2.7%）和遼河平原區(qū)（Ⅰ區(qū)，1.3%）發(fā)生的天數(shù)較多。

表2 各區(qū)不同階段不同等級(jí)風(fēng)速發(fā)生天數(shù)占比(%，1981-2017年統(tǒng)計(jì))Table 2 Proportion of occurrence days of wind speed at different levels in five regions (%，1981-2017 statistics)

從休耕期（10月-翌年3月）來(lái)看，1981-2017年5個(gè)分區(qū)0-3級(jí)日最大風(fēng)速出現(xiàn)天數(shù)最多的為小興安嶺區(qū)（Ⅴ區(qū)），最少的為三江平原區(qū)（Ⅳ區(qū)）。4-6級(jí)日最大風(fēng)速出現(xiàn)天數(shù)最多的為三江平原區(qū)（Ⅳ區(qū)），最少的為小興安嶺區(qū)（Ⅴ區(qū)）。其中遼河平原區(qū)（Ⅰ區(qū)）和三江平原區(qū)（Ⅳ區(qū)）0-3級(jí)日最大風(fēng)速出現(xiàn)天數(shù)大于4-6級(jí)風(fēng)，7級(jí)及以上日最大風(fēng)速出現(xiàn)天數(shù)各區(qū)域差異較小?？梢?，從休耕期來(lái)看，日最大風(fēng)發(fā)生天數(shù)在5個(gè)分區(qū)與全年表現(xiàn)出相似的規(guī)律，即長(zhǎng)白山區(qū)（II區(qū)）和小興安嶺區(qū)（Ⅴ區(qū)）發(fā)生0-3級(jí)小風(fēng)的天數(shù)相對(duì)較多、4-6級(jí)大風(fēng)天數(shù)相對(duì)較少；遼河平原區(qū)（Ⅰ區(qū)）和三江平原區(qū)（Ⅳ區(qū)）則相反，發(fā)生0-3級(jí)小風(fēng)天相對(duì)較少、4-6級(jí)大風(fēng)天相對(duì)較多；松嫩平原區(qū)（III區(qū)）0-3級(jí)和4-6級(jí)發(fā)生天數(shù)占比相當(dāng)。各區(qū)發(fā)生7級(jí)及以上大風(fēng)發(fā)生天數(shù)的差異不大，相對(duì)而言，三江平原區(qū)（Ⅳ區(qū)，3.4%）發(fā)生的天數(shù)較多。

從播前1個(gè)月（4月）來(lái)看，1981-2017年5個(gè)分區(qū)0-3級(jí)日最大風(fēng)速出現(xiàn)天數(shù)最多的分區(qū)為小興安嶺區(qū)（Ⅴ區(qū)），最少的分區(qū)為遼河平原區(qū)（Ⅰ區(qū)）。4-6級(jí)日最大風(fēng)速出現(xiàn)天數(shù)最多的分區(qū)為遼河平原區(qū)（Ⅰ區(qū)），最少的分區(qū)為小興安嶺區(qū)（Ⅴ區(qū)）。5個(gè)分區(qū)播前1個(gè)月0-3級(jí)日最大風(fēng)速出現(xiàn)天數(shù)均明顯小于4-6級(jí)風(fēng)，7級(jí)及以上日最大風(fēng)速出現(xiàn)天數(shù)各區(qū)域差異較小，可見，從播前1個(gè)月來(lái)看，5個(gè)分區(qū)均發(fā)生0-3級(jí)小風(fēng)天數(shù)相對(duì)較少、4-6級(jí)大風(fēng)天相對(duì)較多。各區(qū)發(fā)生7級(jí)及以上大風(fēng)發(fā)生天數(shù)的差異不大，相對(duì)而言，三江平原區(qū)（Ⅳ區(qū)，5.3%）發(fā)生的天數(shù)較多。

2.2 不同耕作階段風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)時(shí)空變化

2.2.1 風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)分布

在綜合考慮風(fēng)速和降水量?jī)蓚€(gè)氣象因子變化條件下，從全年（1-12月）來(lái)看（圖4a），1981-2017年整個(gè)研究區(qū)風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)平均為128d，占全年的35%，全區(qū)變化范圍為32～212d，高值區(qū)（大于200d）集中在遼河平原區(qū)（Ⅰ區(qū)）的遼寧省黑山、瓦房店和大連站。低值區(qū)（低于40d）位于長(zhǎng)白山區(qū)（Ⅱ區(qū)）的吉林省臨江站。從休耕期（10月-翌年3月）來(lái)看（圖4b），整個(gè)研究區(qū)休耕期風(fēng)蝕平均發(fā)生天數(shù)為70d，占休耕期的38%，全區(qū)變化范圍為12～122d，高值區(qū)（大于120d）位于三江平原區(qū)（IV區(qū)）的黑龍江省依蘭站和遼河平原區(qū)（Ⅰ區(qū)）的遼寧省大連站。低值區(qū)（低于12d）位于長(zhǎng)白山區(qū)（Ⅱ區(qū)）的吉林省臨江站。從播前1個(gè)月（4月）來(lái)看（圖4c），整個(gè)研究區(qū)播前風(fēng)蝕平均發(fā)生天數(shù)為17d，占播前的57%，全區(qū)變化范圍為9～22d，高值區(qū)（大于22d）位于遼河平原區(qū)（Ⅰ區(qū)），包括遼寧省的彰武、朝陽(yáng)、黑山、錦州、熊岳和瓦房店站，風(fēng)蝕平均發(fā)生天數(shù)為22d。低值區(qū)（低于9d）位于長(zhǎng)白山區(qū)（Ⅱ區(qū)）的吉林省臨江站?？梢?，東北三省在全年和休耕期風(fēng)蝕發(fā)生情況相當(dāng)，但播前1個(gè)月的風(fēng)蝕發(fā)生相對(duì)較多。

圖4 1981-2017年?yáng)|北三省不同階段平均土壤風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)Fig.4 Average occurrence days of wind erosion in different periods (1981-2017) in the three provinces of Northeast China

2.2.2 風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)變化趨勢(shì)

在綜合考慮日最大風(fēng)速及降水量?jī)蓚€(gè)氣象因子條件下，從全年（1-12月）來(lái)看（圖5a），1981-2017年整個(gè)研究區(qū)大部分站點(diǎn)全年風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)呈減少趨勢(shì)，除遼河平原區(qū)（Ⅰ區(qū)）的阜新和長(zhǎng)白山區(qū)（Ⅱ區(qū)）的雞西呈顯著增加趨勢(shì)。全區(qū)平均每10年減少16d，區(qū)域內(nèi)在-43～22d·10a-1范圍變化。從休耕期（10月-翌年3月）來(lái)看（圖5b），1981-2017年整個(gè)研究區(qū)大部分站點(diǎn)休耕期風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)呈減少趨勢(shì)。全區(qū)平均每10年減少10d，區(qū)域內(nèi)在-24～4d·10a-1范圍變化。從播前1個(gè)月（4月）來(lái)看（圖5c），1981-2017年整個(gè)研究區(qū)大部分站點(diǎn)播前1個(gè)月風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)呈減少趨勢(shì)，除遼河平原區(qū)（Ⅰ區(qū)）的阜新和長(zhǎng)白山區(qū)（Ⅱ區(qū)）的雞西呈顯著增加趨勢(shì)。全區(qū)平均每10年減少1.1d，區(qū)域內(nèi)在-4～2d·10a-1范圍變化?？梢姡瑬|北三省各個(gè)耕作階段風(fēng)蝕的發(fā)生都呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)。

圖5 1981-2017年?yáng)|北三省不同階段土壤風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)的線性變化趨勢(shì)Fig.5 Linear trends of occurrence days of soil wind erosion in different periods (1981-2017) in the three provinces of Northeast China

2.2.3 風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)占比

圖6為東北三省5個(gè)分區(qū)1981-2017年各年代受風(fēng)速和降水綜合影響的土壤風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)占比，表3為各年代平均占比?？梢钥闯?，隨著年代際變化，5個(gè)分區(qū)全年、休耕期和播前1個(gè)月各區(qū)域土壤風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)均呈減少趨勢(shì)。對(duì)比不同的耕作階段，每個(gè)分區(qū)播前1個(gè)月的風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)占比最大。但每個(gè)年代風(fēng)蝕發(fā)生較多的地區(qū)存在差異。5個(gè)分區(qū)全年風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)由多到少的排序?yàn)椋|河平原區(qū)（45.8%）、三江平原區(qū)（41.1%）、松嫩平原區(qū)（34.3%）、長(zhǎng)白山區(qū)（29.2%）和小興安嶺區(qū)（26.7%）。休耕期風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)由多到少的排序?yàn)?，遼河平原區(qū)（50.5%）、三江平原區(qū)（49.9%）、長(zhǎng)白山區(qū)（34.4%）、松嫩平原區(qū)（34.3%）和小興安嶺區(qū)（26.3%）。播前1個(gè)月風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)由多到少的排序?yàn)椋|河平原區(qū)（66.0%）、松嫩平原區(qū)（59.8%）、三江平原區(qū)（56.7%）、長(zhǎng)白山區(qū)（50.1%）和小興安嶺區(qū)（46.7%）。5個(gè)分區(qū)中，遼河平原區(qū)在不同耕作階段風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)均為最大。松嫩平原區(qū)雖然休耕期土壤風(fēng)蝕發(fā)生頻率較低，但播前1個(gè)月土壤風(fēng)蝕發(fā)生嚴(yán)重。

表3 各區(qū)不同階段土壤風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)的年代占比(%,1981-2017年統(tǒng)計(jì))Table 3 Decadal average proportion of occurrence days of soil wind erosion in five regions (%，1981-2017 statistics)

圖6 1981-2017年?yáng)|北三省5個(gè)分區(qū)各年代不同時(shí)期土壤風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)占比Fig.6 Proportion of occurrence days of soil wind erosion in five regions of the three provinces of Northeast China in 1981-2017

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

東北三省全年0-3級(jí)、4-6級(jí)和7級(jí)及以上日最大風(fēng)速年均發(fā)生天數(shù)分別占全年的48.5%、50.4%和1.1%，休耕期分別為50.3%、48.6%和1.1%，播前1個(gè)月分別為23.4%、73.3%和3.3%，全年與休耕期出現(xiàn)0-3級(jí)小風(fēng)天數(shù)與4-6級(jí)大風(fēng)天數(shù)占比相當(dāng)，播前1個(gè)月出現(xiàn)4-6級(jí)大風(fēng)天數(shù)明顯多于0-3級(jí)小風(fēng)天數(shù)。從1981-2017年時(shí)間變化趨勢(shì)上來(lái)看，東北三省大部分區(qū)域0-3級(jí)日最大風(fēng)速呈增加趨勢(shì)，4級(jí)和4級(jí)以上的日最大風(fēng)速呈減少趨勢(shì)，各耕作階段不同風(fēng)速的變化頻率基本保持一致。從5個(gè)分區(qū)來(lái)看，全年和休耕期表現(xiàn)出長(zhǎng)白山區(qū)（II區(qū)）和小興安嶺區(qū)（Ⅴ區(qū)）發(fā)生0-3級(jí)小風(fēng)的天數(shù)相對(duì)較多、4-6級(jí)大風(fēng)天數(shù)相對(duì)較少；遼河平原區(qū)（Ⅰ區(qū)）和三江平原區(qū)（Ⅳ區(qū)）相反；松嫩平原區(qū)（III區(qū)）0-3級(jí)和4-6級(jí)發(fā)生天數(shù)占比相當(dāng)。播前1個(gè)月，5個(gè)分區(qū)均發(fā)生0-3級(jí)小風(fēng)天數(shù)相對(duì)較少、4-6級(jí)大風(fēng)天相對(duì)較多。各耕作階段5個(gè)分區(qū)發(fā)生7級(jí)及以上大風(fēng)發(fā)生天數(shù)的差異不大，相對(duì)而言，三江平原區(qū)（Ⅳ區(qū)）發(fā)生的天數(shù)較多。

綜合考慮日最大風(fēng)速及降水量?jī)蓚€(gè)氣象因子條件下，研究區(qū)域全年風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)為35%，休耕期發(fā)生風(fēng)蝕天數(shù)占該時(shí)期總天數(shù)的38%，播前1個(gè)月發(fā)生風(fēng)蝕天數(shù)占該時(shí)期總天數(shù)的56.7%。播前1個(gè)月風(fēng)蝕發(fā)生較為嚴(yán)重。研究期內(nèi)東北三省大部分地區(qū)各個(gè)耕作階段風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)均呈減少趨勢(shì)。其中，遼河平原區(qū)在不同耕作階段風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)均最大，因此，該地區(qū)應(yīng)更加重視土壤保護(hù)性耕作措施的推廣應(yīng)用。松嫩平原地區(qū)雖然休耕期土壤風(fēng)蝕發(fā)生頻率較低，但播前1個(gè)月土壤風(fēng)蝕發(fā)生嚴(yán)重，因此，在該地區(qū)播前1個(gè)月應(yīng)盡量減少土壤擾動(dòng)，降低土壤風(fēng)蝕以保護(hù)黑土地。

3.2 討論

東北三省全年日最大風(fēng)速整體呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，其中日最大風(fēng)速3級(jí)及以下風(fēng)速呈增加趨勢(shì)，4級(jí)及以上風(fēng)速呈減少趨勢(shì)，該結(jié)果與前人關(guān)于隨著全球氣候變暖平均風(fēng)速下降的結(jié)論相一致[33]，同時(shí)，亦與任景全研究的吉林省大風(fēng)日數(shù)呈下降趨勢(shì)的結(jié)果一致[34]，即5m·s-1以下風(fēng)速呈增加趨勢(shì)。5m·s-1以上風(fēng)速呈減少趨勢(shì)。對(duì)比休耕期（10月-翌年3月），播前1個(gè)月（4月）4級(jí)及以上日最大風(fēng)速發(fā)生較多，風(fēng)速相對(duì)較大。

東北地區(qū)播前1個(gè)月（4月）風(fēng)蝕發(fā)生較為嚴(yán)重，這與賈蓮蓮等關(guān)于北方風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)最大值出現(xiàn)最多的月份為4月的結(jié)果相吻合[35]。同時(shí)發(fā)現(xiàn)遼河平原區(qū)和三江平原區(qū)是風(fēng)蝕發(fā)生較為嚴(yán)重的地區(qū)，除此之外，松嫩平原區(qū)在播前1個(gè)月風(fēng)蝕發(fā)生較為嚴(yán)重，因此，在未來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)該引起高度重視，通過(guò)改進(jìn)耕作方式，如采取免耕減少土壤擾動(dòng)，促進(jìn)土地資源利用的可持續(xù)發(fā)展。

影響土壤風(fēng)蝕的因素包括風(fēng)速、降水、土壤含水量、土壤質(zhì)地以及耕作方式。劉鐵軍等研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)蝕量與土壤表層質(zhì)量含水量的關(guān)系符合對(duì)數(shù)分布[36]。李勝龍等研究表明，同高度下黑土壟作措施輸沙量較免耕高。相同耕作條件下，地表覆蓋對(duì)農(nóng)田土壤侵蝕也存在差異性，即無(wú)覆蓋輸沙量最高，留茬次之，覆蓋最低[37]。除此之外，東北地區(qū)的凍融作用會(huì)改變土壤理化性質(zhì)，從而影響土壤風(fēng)蝕的發(fā)生[38]。本研究重點(diǎn)探究在氣候變化背景下，風(fēng)速變化對(duì)土壤風(fēng)蝕發(fā)生天數(shù)的可能影響，未考慮其他因素對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響，未來(lái)將結(jié)合土壤類型及農(nóng)田耕作措施，深入探討氣候變化背景下東北地區(qū)土壤風(fēng)蝕的發(fā)生發(fā)展規(guī)律及風(fēng)蝕量的變化。

當(dāng)前保護(hù)性耕作的土壤保護(hù)措施已經(jīng)在東北地區(qū)廣泛采用，該措施分為免耕、深松、壟作和覆蓋等，這些措施通過(guò)減少對(duì)土壤的擾動(dòng)，增加土壤表面的作物殘茬覆蓋，起到降低風(fēng)蝕、保護(hù)黑土地的作用[39]。然而由于東北不同氣候區(qū)土壤現(xiàn)狀、風(fēng)蝕發(fā)生特點(diǎn)以及種植模式存在差異，導(dǎo)致不同的保護(hù)性耕作措施在不同區(qū)域的適用性存在差異[40]。未來(lái)還需要綜合考慮東北三省各區(qū)域氣候及氣候變化、土壤和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，篩選并提出適合于東北三省不同區(qū)域的保護(hù)性耕作措施。