郭玉剛 康淑媛

摘要 基于樹輪代用指標(biāo)記錄，重建了1368—2005年黑河流域氣候干濕指數(shù)變化序列。結(jié)果表明，黑河流域中下游地區(qū)多數(shù)時(shí)段處在氣候濕潤期，氣候干旱時(shí)期比較短暫。流域氣候干濕指數(shù)存在3～5年和22年準(zhǔn)周期，主要受ENSO和太陽活動影響。對黑河流域綠洲演化機(jī)制分析得出，歷史時(shí)期綠洲面積變化與氣候干濕變化趨勢以及人口數(shù)量增減存在明顯的對應(yīng)關(guān)系，氣候變干和人口數(shù)量減少是綠洲面積縮小的必要條件;氣候變濕潤時(shí)期和人口數(shù)量增加時(shí)期會限制綠洲面積減少?？梢娮匀灰蛩睾腿藶橐蛩毓餐饔糜绊懥肆饔蚓G洲演變的歷史過程。

關(guān)鍵詞 綠洲化;氣候干濕變化;人口數(shù)量;黑河流域

中圖分類號 X171文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）13-0082-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.13.026

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Analysis on Driving Mechanism of Oasification in Arid Regions

Abstract Based on the treering proxy index records， the drywet index of climate change in Heihe River Basin from 1368 to 2005 was reconstructed. The results showed that most of the time in the middle and lower reaches of the Heihe River Basin were in the wet period， while the dry period is relatively short. There are 3-5 years and 22 years cycles of drywet index over basin regions， which were mainly affected by ENSO and solar activities. Based on the analysis of the evolution mechanism of Heihe River Basin， it was concluded that the change of oasis area in historical period has obvious corresponding relation with the change of climate and population. Climate drying and population reduction were the necessary conditions for oasis area reduction;humid climate and increasing population would restrict the decrease of oasis area. It can be seen that natural and human factors have influenced the historical process of oasification over the basin region.

Key words Oasification;Climate change of dry and wet;Number of population;Heihe River Basin

綠洲是干旱荒漠地帶中的一種獨(dú)具特色的生態(tài)景觀。綠洲主要分布在中低緯度受副熱帶高壓控制的區(qū)域，在我國，綠洲主要分布在賀蘭山以西，青藏高原以北的溫帶和暖溫帶的荒漠區(qū)[1]。歷史時(shí)期以來，在人類活動和氣候變化的影響下，水文過程、生物過程、土地變化和大氣過程及其相互作用決定了綠洲的演化[2]。我國黑河流域中下游發(fā)育著大面積的綠洲，又地處西北內(nèi)陸干旱區(qū)，降水少，水資源供給緊張，生態(tài)環(huán)境脆弱[3]，因此，研究這一區(qū)域綠洲化過程對人類活動和氣候變化的響應(yīng)，對推動黑河流域的可持續(xù)發(fā)展、推進(jìn)國家生態(tài)文明建設(shè)、促進(jìn)全球生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重大意義。

然而目前的研究多是基于近代觀測數(shù)據(jù)的分析，如對近60年來黑河流域的生態(tài)環(huán)境[4]和氣候變化[5-7]進(jìn)行研究，相對較短的時(shí)間尺度制約了人們對更長時(shí)期該區(qū)域綠洲演化過程的完整認(rèn)識。筆者利用樹輪代用記錄指標(biāo)數(shù)據(jù)集，檢測該區(qū)域長尺度氣候變化歷史及其變化規(guī)律。結(jié)合歷史時(shí)期的人類活動，從自然和人為兩方面揭示歷史時(shí)期綠洲化的影響因素和驅(qū)動機(jī)制。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黑河流域是我國西北地區(qū)第二大內(nèi)陸河流域，主要位于祁連山北麓中段和河西走廊中段（37°45′～42° 40′ N、96°42′～102°04′ E），涉及青海省、甘肅省、內(nèi)蒙古自治區(qū)。黑河干流全長821 km，總面積14.29萬km2，共有大小河流41條。出山口鶯落峽以上為上游，是黑河流域的產(chǎn)流區(qū);鶯落峽至正義峽為中游，中游的張掖地區(qū)，人工綠洲面積較大，是黑河流域的主要引水區(qū);正義峽以下為下游，除河流沿岸和居延三角洲外，大部分為沙漠戈壁。黑河流域地處歐亞大陸中部，遠(yuǎn)離海洋，周圍高山環(huán)繞，氣候主要受中高緯度的西風(fēng)帶環(huán)流控制和基地冷氣團(tuán)影響，氣候干燥，降水稀少而集中，多大風(fēng)，日照充足，太陽輻射強(qiáng)烈，晝夜溫差大。流域行政區(qū)劃主要包括張掖市、酒泉市、嘉峪關(guān)市和額濟(jì)納旗。流域人口主要集中在中游地區(qū)，占流域總?cè)丝诘?682%。黑河流域灌溉農(nóng)業(yè)開發(fā)具有悠久的歷史，尤其是中下游地區(qū)經(jīng)歷了2 000多年的開發(fā)，綠洲有了較大的變化。

該研究所選的研究區(qū)主要集中在中游地區(qū)，下游的額濟(jì)納旗地區(qū)，從明朝開始到民國時(shí)期都屬于游牧之地，沒有進(jìn)行過大規(guī)模的農(nóng)業(yè)開發(fā)，因此不在研究范圍內(nèi)。

1.2 研究數(shù)據(jù)

該研究選取的研究時(shí)段從明清時(shí)期開始到2005年結(jié)束（1368—2005年），為流域綠洲演化過程提供了一個(gè)長尺度的自然背景和氣候變化趨勢。自然因素方面的研究資料以Cook等[8]利用327條樹輪序列重建的過去700多年以來的亞洲季風(fēng)區(qū)的干旱指數(shù)為主。其時(shí)間分辨率為1年，空間分辨率為2.5°×2.5°的格點(diǎn)數(shù)據(jù)，正值表示氣候濕潤時(shí)期，負(fù)值表示氣候干旱時(shí)期。這個(gè)數(shù)據(jù)集采用樹輪點(diǎn)對點(diǎn)的重建方法，重建了亞洲區(qū)域夏季季風(fēng)的變化歷史，可以用于分析研究區(qū)過去近千年干旱期和濕潤期的變化趨勢以及空間格局的變化。該研究從Cook等[8]重建的格點(diǎn)數(shù)據(jù)中選取了覆蓋中游地區(qū)的9個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)（38.75°～43.75°N、9625°～101.25°E）進(jìn)行分析，對這些格點(diǎn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果可以代表流域歷史時(shí)期的氣候變化。

人為因素方面的研究資料一般包括人口規(guī)模、戰(zhàn)亂、土地開發(fā)政策、科技裝備、水資源利用制度以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式等。該研究選取人口數(shù)量變化為研究對象，因?yàn)檫@一指標(biāo)不僅在一定程度上決定了綠洲開發(fā)的規(guī)模，而且較易于定量化。石亮[9]利用遙感影像、地方志、歷史遺跡和實(shí)地考察等研究手段，對黑河流域中游地區(qū)明代至民國時(shí)期人口數(shù)量變化以及綠洲面積變化進(jìn)行了定量的重建。其研究分6個(gè)時(shí)段進(jìn)行：明朝前期（1368—1521年），明朝后期（1522—1644年）;清朝早期（1644—1722年），清朝中期（1723—1861年），清朝晚期（1862—1912年）;民國時(shí)期（1912—1949年）。研究范圍大致介于38°～41°N、98°～101°40′E，這些重建具有重要的科學(xué)價(jià)值，也為該研究的分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

用距平法和累積距平法[10]分析流域歷史時(shí)期氣候干濕變化趨勢，累積距平曲線的上升與下降反映了氣候要素隨時(shí)間變化的增加和降低。為了分析年代際和世紀(jì)氣候干濕變化隨時(shí)間的變化特征，進(jìn)行了31年滑動子序列的累計(jì)距平研究。

為了檢驗(yàn)流域氣候干濕變化與全球性異常氣候事件的關(guān)系，對流域氣候干旱指數(shù)時(shí)間序列進(jìn)行了周期分析。常用的周期分析方法有功率譜分析法、多窗口譜分析法、小波分析法等，其中功譜率分析法是應(yīng)用最廣泛的方法[11]。功率譜分析是以傅立葉變換為基礎(chǔ)的頻域分析方法，其意義是將時(shí)間序列的總能量分解到不同頻率上的分量，根據(jù)不同頻率的波的方差貢獻(xiàn)診斷出序列的主要周期，從而確定出周期的主要頻率，即序列隱含的顯著周期。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候干濕變化分析

2.1.1 流域氣候干濕變化趨勢。

歷史時(shí)期氣候干濕變化的累積距平曲線31年滑動平均后顯示（圖1曲線部分，距平以1368—2005年算數(shù)平均值為標(biāo)準(zhǔn)值），在明朝前期氣候經(jīng)歷了由干旱變濕潤又變干旱的過程，波動的幅度最大，其中1449年干旱指數(shù)達(dá)到了近700年來的最高值，而1500年達(dá)到了歷史最低值;1500年為氣候干濕變化的根本性轉(zhuǎn)折點(diǎn)，1500年之后氣候由干向濕轉(zhuǎn)化，到1640年時(shí)達(dá)到了歷史時(shí)期的又一個(gè)高值，這種濕潤的狀態(tài)持續(xù)到1868年，雖然在清朝前期這種濕潤的趨勢有所減少，但是也沒有變得比1500年更干旱;清朝前期的這段時(shí)間，氣候又從濕潤向干旱的趨勢發(fā)展，氣候變干的趨勢比較明顯，從歷史時(shí)期的高值下降到了歷史時(shí)期的低值;1570—2005年，氣候干濕變化經(jīng)歷了4次波動，但振幅相對較小，逐漸從之前的不穩(wěn)定變化過渡到了相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

整體上來看，流域經(jīng)歷的干旱期明顯短于濕潤期，1368—1432年和1460—1570年為較明顯的干旱時(shí)期，干旱持續(xù)時(shí)間最長。1869—1958年也是一個(gè)干旱時(shí)期，但是干旱程度沒有上一個(gè)干旱時(shí)期嚴(yán)重。期間還存在1713—1723年和1749—1755年的短暫的干旱時(shí)期。其他時(shí)段均為濕潤期，在整個(gè)時(shí)間序列上存在多個(gè)濕潤期的波動，明朝前期的波動幅度最大，明朝后期到清朝前期次之，清朝中期到民國時(shí)期的波動幅度較小。

2.1.2 流域氣候干濕變化周期。

為了進(jìn)一步分析流域干濕變化的時(shí)間演變特征，對流域干濕變化時(shí)間序列進(jìn)行了功率譜分析，其結(jié)果見圖2。由圖2可知，通過99%檢驗(yàn)的只有34年周期和4.9年周期;通過95%檢驗(yàn)的還有2年、2.3年、2.9年、5.4年、6.7年和7.7年的周期;通過90%檢驗(yàn)的還有9年和22年周期?？梢钥吹?，準(zhǔn)5年和準(zhǔn)3年周期是最為明顯的。這可能主要與El Nino-Southern Oscillation（ENSO）的2～7年周期[12-15]存在著一定聯(lián)系。這也說明流域氣候干濕變化不但存在顯著的3～5年的年際波動，而且也存在22年的年代際波動。

之前有研究指出黑河鶯落峽出山口徑流量存在3年，6～7年和22～23年的主周期[16]，也有研究指出處于黑河流域中游地區(qū)的張掖市冬季氣溫變化存在22年左右和6年左右較強(qiáng)的震蕩周期[17]。這些研究結(jié)果和該研究揭示的流域氣候干濕變化周期有著很好的一致性。雖然早期的這些研究所依據(jù)的氣候資料時(shí)間長度只有50年左右，但是黑河流域氣候變化周期無論在長時(shí)間尺度下還是在短時(shí)間尺度下都受到ENSO變化的影響，以及太陽活動22年海耳周期[18]的影響。

2.2 綠洲面積變化驅(qū)動因素分析

2.2.1 綠洲面積變化與氣候干濕變化的關(guān)系。

綠洲面積變化與流域氣候干濕變化存在著一個(gè)明顯的對應(yīng)關(guān)系，見圖1，即綠洲面積相對較小的時(shí)期，其氣候干濕變化處于下降的趨勢，也就是偏干的氣候時(shí)期綠洲面積相對較小;而在氣候干濕指數(shù)上升的趨勢下，綠洲面積偏大。如最明顯的清朝前期氣候干濕變化呈下降趨勢，對應(yīng)此時(shí)的綠洲面積最小。明朝后期和清朝中期是2個(gè)氣候干濕指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢的時(shí)期，其綠洲面積較明朝前期和清朝前期都有所增加。然而，在氣候干濕指數(shù)呈下降趨勢的民國時(shí)期，綠洲面積卻沒有減少。這說明，干旱的氣候條件未必會導(dǎo)致綠洲面積的大規(guī)模減少，但干旱的氣候是發(fā)生綠洲面積減少的一個(gè)重要因素。因此，人類活動對綠洲面積變化的干預(yù)，應(yīng)引起足夠的重視。

2.2.2 綠洲面積變化與人口數(shù)量的關(guān)系。

人口數(shù)量在一定程度上決定了流域綠洲開發(fā)的面積，見圖1，可以看出研究區(qū)內(nèi)人口變化趨勢與綠洲面積變化有很好的一致性，最明顯的是在給出的6個(gè)時(shí)段中清朝初期人口數(shù)量最少，對應(yīng)綠洲面積最小;唯一對應(yīng)不好的一個(gè)時(shí)段是，清朝中期是人口數(shù)量最多的時(shí)期，但是綠洲面積卻不是最大的時(shí)期。這說明，人口數(shù)量的增減是綠洲面積增減的一個(gè)必要條件，但是綠洲面積的變化不僅僅由人口數(shù)量決定，是包含其他因素綜合影響而形成的。

3 結(jié)論

通過對上述氣候干濕指數(shù)長期變化趨勢以及綠洲人口數(shù)量的變化分析，對綠洲面積演變的影響因素和驅(qū)動機(jī)制有了以下的認(rèn)識：

（1）1368—2005年，黑河流域多處于氣候濕潤期，存在多個(gè)濕潤期的波動，氣候干旱時(shí)期較短暫。2個(gè)較明顯的氣候干濕指數(shù)下降時(shí)期分別為明朝前期的后半段時(shí)期和清朝前期。周期分析表明流域氣候干濕變化存在顯著的3～5年的年際波動，以及22年的年代際波動。這些周期的波動受ENSO和太陽活動的影響。

（2）研究區(qū)的綠洲演變受自然和人文因素的共同作用。不同時(shí)期綠洲面積變化與氣候變化和人口數(shù)量變化有著很好的對應(yīng)關(guān)系。尤其是在典型的清朝前期，綠洲面積是整個(gè)研究時(shí)段中最小的時(shí)期，對應(yīng)研究區(qū)域氣候干濕指數(shù)下降時(shí)期，以及人口數(shù)量最少時(shí)期。這三者的對應(yīng)關(guān)系還存在于明朝后期、清朝中期以及清朝后期。所以綠洲的演變受控于自然因素和人為因素共同作用，但是具體驅(qū)動力機(jī)制還需今后做大量的定量研究。

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