黃成 肖作林 劉睿 姜金戈

(重慶師范大學(xué)地理信息系統(tǒng)應(yīng)用研究重慶高校市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401331)

風(fēng)力侵蝕指風(fēng)力剝蝕、搬運(yùn)和聚積土壤及其松散母質(zhì)的過程，是土地荒漠化的主要原因?？茖W(xué)探索并明晰風(fēng)力侵蝕的作用機(jī)理和機(jī)制，對(duì)風(fēng)蝕所導(dǎo)致荒漠化的預(yù)防和治理、踐行綠色地球發(fā)展理念具有重大的意義[1]。

風(fēng)蝕模型是土壤風(fēng)蝕研究的重要方法。20世紀(jì)60年代以來，根據(jù)影響風(fēng)蝕量的各個(gè)因子參數(shù)而建立的風(fēng)蝕方程(wind erosion equation，WEQ)、打破土壤糙度系數(shù)局限性的修正風(fēng)蝕方程(revised wind erosion equation，RWEQ)和風(fēng)力侵蝕預(yù)報(bào)系統(tǒng)(wind erosion prediction system，WEPS)等土壤風(fēng)蝕模型相繼誕生，雖都有成功的應(yīng)用案例，但對(duì)空間尺度變化的適應(yīng)性不足。Chepil等通過風(fēng)洞試驗(yàn)，將氣候因子單獨(dú)從風(fēng)蝕方程中提取出來，研究了地表粗糙度、干土塊結(jié)構(gòu)等與土壤風(fēng)蝕的關(guān)系[2]，從而提出了適用于多種空間和時(shí)間尺度的風(fēng)蝕氣候侵蝕力計(jì)算公式。20世紀(jì)70年代末，F(xiàn)AO[3]在Chepil提出的計(jì)算公式基礎(chǔ)上進(jìn)行了修正，大大提高了該計(jì)算公式的適用性和精確性。

我國水利部發(fā)布的水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測顯示，截至2021年我國風(fēng)力侵蝕面積占水土流失總面積的58.65%，多年呈現(xiàn)增加趨勢。干旱半干旱地區(qū)是風(fēng)力侵蝕發(fā)生的主要地區(qū)[4]，受到眾多國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注。20世紀(jì)90年代，董玉祥等[5]和楊逢渤等[6]先后利用FAO改進(jìn)的風(fēng)蝕氣候侵蝕力模型計(jì)算了我國干旱半干旱區(qū)的風(fēng)力氣候侵蝕指數(shù)，均發(fā)現(xiàn)風(fēng)蝕力有明顯的季節(jié)分布特征，春季的風(fēng)蝕氣候侵蝕力最強(qiáng)。李達(dá)凈等[7]運(yùn)用多情景和敏感性分析法研究了近30年我國北方植被變遷和風(fēng)力氣候侵蝕指數(shù)的相互影響，結(jié)果表明，多數(shù)沙區(qū)的植被面積與風(fēng)力氣候侵蝕指數(shù)呈負(fù)相關(guān)性。除上述大尺度研究外，小尺度上的研究也有相應(yīng)進(jìn)展。如牛清河等[8]、劉慧等[9]和馬茜茜等[1]分別對(duì)甘肅敦煌雅丹地質(zhì)公園、青海省、雅魯藏布江流域和阿拉善高原進(jìn)行了風(fēng)蝕氣候侵蝕力研究，支撐了當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)蝕災(zāi)害預(yù)防和評(píng)估。在干旱和半干旱區(qū)的研究表明，風(fēng)速是影響土壤風(fēng)蝕的決定性因子，而在存在風(fēng)蝕的濕潤地區(qū)，風(fēng)力和降雨則可能共同作用，產(chǎn)生風(fēng)水復(fù)合侵蝕。同時(shí)，地理位置的不同和局部地形的差異也會(huì)通過影響風(fēng)速的分布間接作用于風(fēng)力氣候侵蝕指數(shù)[7，12]。

鄂爾多斯高原是我國干旱半干旱地區(qū)的典型區(qū)域，同時(shí)也是我國生態(tài)安全戰(zhàn)略格局“北方防沙帶”的重點(diǎn)區(qū)域。目前尚未有關(guān)于鄂爾多斯高原風(fēng)蝕氣候侵蝕力時(shí)空演變特征的定量研究。本文通過FAO改進(jìn)的風(fēng)蝕氣候侵蝕力公式，計(jì)算鄂爾多斯市風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)，再對(duì)其時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，以期為鄂爾多斯高原“北方防沙帶”建設(shè)以及落實(shí)生態(tài)安全戰(zhàn)略格局提供一定參考

1 研究區(qū)和方法

1.1 研究區(qū)概況

鄂爾多斯高原位于黃河流域中游，地理坐標(biāo)N37°20′～40°50′，E106°24′～111°28′，是我國半干旱區(qū)向干旱區(qū)的過渡帶。西北起賀蘭山和桌子山，向東和向南分別延伸至陜北和山西北部黃土丘陵溝壑區(qū)，地勢從西北向東南微微傾斜且起伏和緩，大部分海拔在1300～1500m。高原集中了毛烏素沙地和庫布奇沙漠，充足的沙源再結(jié)合強(qiáng)勁且持續(xù)的風(fēng)力，致使其成為中國荒漠化最嚴(yán)重的地區(qū)之一。鄂爾多斯市地處鄂爾多斯高原核心地帶，全市約占整個(gè)高原面積的67%，轄2個(gè)市轄區(qū)和7個(gè)旗。地處溫帶季風(fēng)區(qū)，年平均氣溫6～8℃，1月份平均氣溫-14～-8℃，7月氣溫最高，平均氣溫23℃。降水稀少且變率大，1999—2018年的年均降水量在160～470mm，集中于7—9月，整體降水量自東南緣向西北緣依次下降。烏審旗以南的廣大沙漠和戈壁年均風(fēng)速較大，定邊站年均風(fēng)速最大，高達(dá)2.1m·s-1；西柳溝以西(如包頭市站)是風(fēng)速的低值區(qū)，為1.4m·s-1。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文共計(jì)20個(gè)氣象站的氣象資料，來自于國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http：//gre.geodata.cn/)和國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http：//data.cma.cn/)。鄂爾多斯市內(nèi)9個(gè)氣象站(臨河站、烏拉特前旗站、包頭市站、托克托縣站、杭錦旗站、東勝站、鄂托克旗站、烏審旗站和鄂托克前旗站)，其時(shí)間序列均為1999—2018年，是本文的主要數(shù)據(jù)來源。本文同時(shí)選取了鄂爾多斯市周邊站點(diǎn)，如寧夏回族自治區(qū)境內(nèi)的鹽池站和惠農(nóng)站、陜西省境內(nèi)的神木站、榆林站、橫山站、靖邊站、定邊站以及內(nèi)蒙古境內(nèi)的呼和浩特站和五原站等11個(gè)站作風(fēng)蝕力的空間分布等值線圖，數(shù)據(jù)時(shí)間跨度均為1999—2018年。另外，在《中國氣象災(zāi)害年鑒》上獲取了1999—2018年的沙塵天氣數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 風(fēng)蝕氣候侵蝕力計(jì)算方法

本文風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)C值的計(jì)算選用FAO提出的模型[2]，該模型彌補(bǔ)了原計(jì)算模型在干旱地區(qū)使用存在的局限性[10-12]，并得到廣泛應(yīng)用。

(1)

式中，C為風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)值；ū為2m處的月均風(fēng)速，m·s-1；ETPi為第i月的潛在蒸散量，mm；Pi為第i月的降水量，mm；di為第i月天數(shù)，d；降水量接近于0時(shí)，風(fēng)速主導(dǎo)；降水量接近ETP時(shí)，基本不發(fā)生風(fēng)蝕[1]。

式(1)中的風(fēng)速為2m高處的風(fēng)速，因此從氣象站通常所獲取的10m風(fēng)速需轉(zhuǎn)換成2m高處風(fēng)速，兩者之間的換算公式[9]：

(2)

式中，ū為2m高處風(fēng)速；u10為10m高處風(fēng)速；z為已知風(fēng)速的高度，z=10。

月潛在蒸散量計(jì)算選擇采用程天文等[13]提出的氣溫相對(duì)濕度公式：

ETPi=0.19(20+Ti)2(1-ri)

(3)

式中，Ti為月平均氣溫，℃；ri為月相對(duì)濕度。

1.3.2 敏感度系數(shù)

本文通過敏感度系數(shù)(SAF)分析植被變化對(duì)風(fēng)蝕氣候侵蝕力變化的敏感程度。

(4)

式中，ΔNDVI/NDVI表示NDVI值的變化率；ΔC/C表示C值的變化率。

1.3.3 分析方法

運(yùn)用非參數(shù)方法Mann-Kendall(M-K)，將C值按照季節(jié)和年份的不同進(jìn)行檢驗(yàn)，分析C值的年際變化趨勢、季節(jié)變化趨勢以及所存在的突變特征。采用距離倒數(shù)乘方法對(duì)鄂爾多斯高原所在的氣象站C值進(jìn)行插值，分析其時(shí)空分布特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)蝕氣候侵蝕力空間分布

鄂爾多斯市近20年的平均風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)介于15～31。正北和西北方向上有2個(gè)低值區(qū)，毛布拉格孔兌河為2個(gè)低值區(qū)的分界線。正北部低值區(qū)的大致范圍在卜爾色太溝以東、哈什拉川流域以西的廣大區(qū)域，主要地貌為陰山山脈的大青山和烏拉山，以包頭市站為中心向四周逐漸增大，范圍為15.6～16.4；西北部的低值區(qū)在地貌上主要為黃河沖積平原，地面開闊平坦，以臨河站為中心向四周遞增，C值低至15.6～17.8。東勝站相較于高原的其他區(qū)域是強(qiáng)風(fēng)蝕中心，最高處C值可達(dá)30.7，以東勝站為中心向四周遞減，在東北方向上進(jìn)入托克托縣范圍，C值的遞減趨勢開始轉(zhuǎn)為遞增；以鄂托克旗站為中心的區(qū)域也是相對(duì)高值區(qū)，中心C值可達(dá)25.9。烏審旗站以南和鄂托克前旗站以西的區(qū)域是大范圍低值區(qū)，C值低至15.6，見圖2。

圖2 1999—2018年鄂爾多斯市風(fēng)蝕氣候侵蝕指數(shù)空間分布

2.2 風(fēng)蝕氣候侵蝕力時(shí)間變化

2.2.1 風(fēng)蝕氣候侵蝕力年代際變化

1999—2018年不同年代際鄂爾多斯市風(fēng)力侵蝕C值在空間分布上的差異明顯，見圖3。1999—2003年C值介于8.6～42.3，有東勝站、鄂托克前旗站2個(gè)相對(duì)高值區(qū)，C值分別為40.6和32.6，見圖3a。2004—2008年C值介于4.1～30.9，相較于前1周期整體上有明顯的減緩趨勢，東南部分區(qū)域有略微增加的趨勢，見圖3b。東勝站(30.1)是此期鄂爾多斯市C值的最高點(diǎn)，但相較于前一周期，惠農(nóng)站的減少量最大(超過30)。包頭市站(4.1)是此期鄂爾多斯市C值的最低點(diǎn)，并且鄂爾多斯市南部的大部分地區(qū)C值大于20。2009—2013年C值介于8.4～30.1。西北部臨河站一帶以及中部鄂托克旗站一帶相較于前1周期有明顯的增加趨勢，見圖3c，臨河站增加量接近15，鄂托克旗站增加量接近10；而西南部鄂托克前旗站一帶有明顯的減少趨勢，減少量超過5。東勝站保持為高值區(qū)，相較于前1周期C值沒有明顯的變化。2014—2018年是鄂爾多斯市平均C值最高的5年，C值介于10.6～56.2。鄂爾多斯市整個(gè)北部區(qū)域呈明顯的增加趨勢，見圖3d，高值區(qū)的中心點(diǎn)由東勝站轉(zhuǎn)移到托克托縣站，東勝站的減少量為10，托克托縣站的增加量高達(dá)34，同時(shí)中部鄂托克旗站一帶C值也明顯增加，增加量超過15。

2.2.2 風(fēng)蝕氣候侵蝕力季節(jié)變化

隨著季節(jié)的更替鄂爾多斯市C值的變化非常明顯，總體特征是春季最大，秋季最小，見圖4。雖然呼和浩特站春季風(fēng)蝕氣候侵蝕力最強(qiáng)與中國干旱半干旱地區(qū)季節(jié)風(fēng)蝕趨勢吻合，但是秋季(4.8)和冬季(5.6)都大于夏季(4.4)，與其它站不同。這種情況的可能原因與呼和浩特全年受大型天氣系統(tǒng)(如西北太平洋高壓、西伯利亞高壓等)以及地方性環(huán)流(如蒙古地高壓等)的控制密切相關(guān)，1999—2018年秋冬季節(jié)受該控制減弱，夏季受該控制增強(qiáng)，秋冬季風(fēng)速和起風(fēng)頻次相較于夏季有所增強(qiáng)。

烏拉特前旗站全年、夏季、秋季、冬季的C值都呈增加趨勢，增幅分別為2.77/5a、0.73/5a、0.71/5a、0.40/5a，且春季增加趨勢不顯著，見表1。托克托縣站春、夏、秋、冬4季增幅速率較大，增幅分別為4.49/5a、2.73/5a、3.38/5a、2.75/5a，與該站的年變化趨勢一致。包頭市站的上升速率僅次于托克托縣站，和其年變化趨勢吻合。鄂托克旗站、臨河站、烏拉特前旗站全年、夏季、秋季和冬季C值上升趨勢顯著且速率依次減小，但鄂托克旗站和烏拉特前旗站的春季C值變化趨勢未通過顯著性檢驗(yàn)，而東勝站和鄂托克前旗站在全年、季節(jié)變化上都呈顯著下降趨勢。從年際變化分析，包頭市站、托克托縣站C值上升趨勢顯著，增幅分別為9.94/5a、14.35/5a。

表1 1999—2018年鄂爾多斯市風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)變化趨勢

圖3 1999—2018年鄂爾多斯市風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)年代際空間分布

2.2.3 風(fēng)蝕氣候侵蝕力月際變化

鄂爾多斯市C值月際變化規(guī)律明顯。1—5月呈增加趨勢，大多數(shù)臺(tái)站的最大值發(fā)生在4月，而包頭市站和定邊站發(fā)生在5月，見圖5。5—9月C值都呈下降的趨勢，臺(tái)站的最小值基本上都出現(xiàn)在9月或10月，但橫山站的最小值出現(xiàn)在11月，經(jīng)分析這可能與橫山區(qū)從西北向東南，從西向東傾斜的地勢有關(guān)。毛烏素沙漠南緣朝東南向擴(kuò)移的流沙自西北部向東南進(jìn)發(fā)，使橫山區(qū)西北部變?yōu)槊珵跛厣衬暇壍囟?，風(fēng)蝕作用極其強(qiáng)烈，從而導(dǎo)致其風(fēng)蝕最小值月份與其他站相比推后了2個(gè)月。

2.3 突變檢驗(yàn)

圖6 1999—2018年鄂爾多斯市風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)突變檢驗(yàn)

利用M-K檢驗(yàn)方法對(duì)鄂爾多斯市風(fēng)蝕氣候侵蝕力指數(shù)進(jìn)行突變檢驗(yàn)。根據(jù)圖6a可知，UF從2004年開始超過信度線y=-1.96，說明鄂爾多斯市的風(fēng)力侵蝕C值以2004年為起始點(diǎn)開始進(jìn)入下降階段，下降趨勢十分顯著；春夏秋冬4季與年際情況類似，都存在一個(gè)顯著下降期，顯著下降的起點(diǎn)分別為2004年，見圖6b，2006年，見圖6c，2006年，見圖6d和2004年，見圖6e。UF和UB交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的年份即為突變年份，表明該年份或其對(duì)應(yīng)的季節(jié)存在顯著的突變特征。從圖6可知，春季的突變年份發(fā)生在2002年，而夏季有多個(gè)突變年份，分別為2001年、2014年和2016年，秋季和冬季的突變年份都發(fā)生在2017年。

3 討論

董玉祥等研究結(jié)果表明，中國的干旱半干旱地區(qū)的季節(jié)變化特征存在差異，但基本上以夏季最弱，秋冬逐漸增強(qiáng)，春季達(dá)到最強(qiáng)風(fēng)蝕氣候侵蝕力[5]。鄂爾多斯高原的季節(jié)變化特征明顯，與整個(gè)干旱半干旱地區(qū)的基本季節(jié)特征略有不同，但與牛清河等[8]所研究的敦煌地區(qū)和馬茜茜等[1]所研究的阿拉善高原相似，即呈現(xiàn)春夏兩季風(fēng)蝕氣候侵蝕力強(qiáng)而秋冬兩季弱的特點(diǎn)。其主要原因在于春夏兩季鄂爾多斯高原處于西風(fēng)和北偏西風(fēng)的主導(dǎo)作用下，由于起風(fēng)頻次較高，導(dǎo)致氣流的活躍程度增加。而秋冬兩季，鄂爾多斯高原受西伯利亞高壓控制，西風(fēng)和北偏西風(fēng)的強(qiáng)度明顯減弱，從而導(dǎo)致起風(fēng)頻次明顯減少。

鄂爾多斯高原發(fā)生沙塵暴的頻次和揚(yáng)沙日數(shù)年際變化規(guī)律性不強(qiáng)，并均與C值的線性擬合度較低，見圖7，這與董玉祥[5]在中國干旱半干旱地區(qū)的研究結(jié)果具有一致性。但也有學(xué)者取得了較高的擬合度，如馬茜茜研究得到的沙塵暴頻次和揚(yáng)沙日數(shù)與C值的擬合決定系數(shù)分別為0.64和0.78，相關(guān)程度較高；李晉昌等[14]將沙塵暴頻次與氣象要素進(jìn)行相關(guān)性分析，表明氣溫、降水和風(fēng)速等氣象要素的綜合效應(yīng)(即風(fēng)蝕氣候侵蝕力)與沙塵暴頻次的相關(guān)程度遠(yuǎn)高于單一氣候要素。

我國南方地區(qū)和北方地區(qū)的風(fēng)力侵蝕情況存在著明顯差異，植被覆蓋度的不同是重要的影響因素。達(dá)拉特旗、鄂托克前旗和準(zhǔn)格爾旗的年風(fēng)蝕氣候侵蝕力與植被變化存在極強(qiáng)的相關(guān)性，見表2。春季是鄂爾多斯高原的主要風(fēng)蝕季節(jié)，秋冬兩季植被更多受日照時(shí)數(shù)、氣溫、降水以及人類活動(dòng)的影響，并且植被動(dòng)態(tài)會(huì)對(duì)氣候變化產(chǎn)生遲滯效應(yīng)，因此可能造成其他行政區(qū)的年C值與NDVI值的相關(guān)程度不高。通過敏感度系數(shù)(SAF)分析，達(dá)拉特旗、準(zhǔn)格爾旗和鄂托克前旗的植被變化對(duì)風(fēng)蝕氣候侵蝕力的影響為一般敏感。其中達(dá)拉特旗和準(zhǔn)格爾旗表現(xiàn)為同向敏感，鄂托克前旗則表現(xiàn)為反向敏感，因此植被變化對(duì)風(fēng)蝕氣候侵蝕力的影響存在空間異質(zhì)性。本文所利用的風(fēng)蝕氣候侵蝕力公式?jīng)]有考慮植被變化的影響，若能進(jìn)一步將不同自然地區(qū)的植被動(dòng)態(tài)納入模型中，風(fēng)蝕氣候侵蝕力的計(jì)算精度將有望進(jìn)一步得到提高。

表2 植被變化對(duì)風(fēng)蝕氣候侵蝕力的相關(guān)性分析和敏感度分析

圖7 1999—2018年鄂爾多斯市揚(yáng)塵天氣與風(fēng)蝕氣候侵蝕力的關(guān)系

4 結(jié)論

鄂爾多斯市近20年的平均風(fēng)力氣候侵蝕指數(shù)介于15.6～30.7，從整體上看，風(fēng)力氣候侵蝕指數(shù)以東盛為中心分別向正北、西北和西南減小。在季節(jié)尺度上呈下降趨勢，在逐年尺度上呈先下降后上升的趨勢。季節(jié)的規(guī)律變化明顯，整體上春季的風(fēng)力氣候侵蝕指數(shù)最大，夏季次之，冬季僅次于夏季，秋季最小。

M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果顯示，年際與四季的風(fēng)力氣候侵蝕指數(shù)都存在一個(gè)顯著下降期，年際、春季和冬季的顯著下降的起點(diǎn)都為2004年，夏秋兩季的下降起點(diǎn)為2006年。年C值和春季分別在2001年和2002年發(fā)生突變，秋冬季都在2017年、2014年和2016年。

鄂爾多斯高原發(fā)生沙塵暴的頻次和揚(yáng)沙日數(shù)年際變化規(guī)律性不強(qiáng)，并均與C值的線性擬合度較低。植被覆被變化對(duì)風(fēng)蝕氣候侵蝕力的影響存在顯著空間異質(zhì)性。