中国荒漠化地区干湿状况分析

孔祥吉,孙 涛

(国家林业局调查规划设计院,北京 100714)

中国荒漠化地区干湿状况分析

孔祥吉,孙 涛

(国家林业局调查规划设计院,北京 100714)

在全球气候变化的背景下,干湿状况的变化是影响荒漠化地区生态系统稳定的重要因素。利用近15年的静止气象卫星和地面气象资料,运用能量水平衡的监测方法,得到我国荒漠化15个分区的干湿状况及植被生长情况变化。自2002年以来,我国荒漠化地区平均土壤湿润指数呈增加趋势,植被生长环境向好。其中,2002—2006年及2012—2016年分别较常年偏高0.7%和2%,说明这两个时期偏湿润,有利于减轻荒漠化程度；2007—2011年这一时期土壤湿润指数较常年偏低2.6%,有导致荒漠化程度加重的影响。近15年植被生长环境向好的有北疆、南疆、河西走廊、柴达木盆地、河套、毛乌素沙地和三江源地区,偏差的区域有内蒙古后山、乌珠穆沁、科尔沁沙地地区。

土壤湿润指数；荒漠化地区；干湿状况；趋势

0 引言

我国是受土地荒漠化和沙化危害最严重的国家之一,全国荒漠化土地面积261.16km2,沙化土地面积172.12km2,两者分别占到了国土总面积的27.20%和17.93%[1]。荒漠化和沙化使得我国4亿多人受到威胁,而且有一半的贫困人口生活在这些地区[2],土地荒漠化已经成为中华民族的心腹大患之一。造成土地荒漠化和沙化的原因比较复杂,主要体现在气候和人为两个因素上。近年来,我国通过实施各种沙区生态治理工程、开展沙化土地封禁保护、打击破坏沙区林草植被等措施,很大程度上降低了土地荒漠化发生的人为因素。但是,受全球气候变化尤其是全球变暖的影响,气候越来越成为土地荒漠化和沙化的主要原因[3-5]。例如,在干旱、半干旱地区随着年际降水量的大幅度波动变化,土地会呈现出荒漠化发展或好转两种趋势,说明降水是该区域土地荒漠化的最敏感因素。因此,在干旱的荒漠化地区,开展对降水量、土壤湿润指数等气候因子的监测,研究分析其变化趋势及相关关系,能较为准确的反应土地荒漠化和沙化情况。

近30年来,我国有不少学者对我国荒漠化地区的气候特征及其变化进行了研究,普遍认为20世纪80年代以来我国西北地区向暖湿转变,而华北及东北南部仍处于干旱期[6-8]。研究大都是利用气象观测站点的气象数据,采用各种气象统计方法对多年降水量和温度变化进行单纯的气候学分析,具有一定局限性,各研究者的结论也不尽相同。本文所采用的是中荷联合开发的能量水平衡监测系统(CEWBMS),运用地面观测数据和遥感监测相结合,形成实时全天候面状数字化数据,制作成全国土壤湿润指数电子地图[9-13],从我国荒漠化区气候变化着手,分区域对荒漠化地区干湿变化趋势加以分析,不断完善荒漠化动态变化监测研究,为科学防治荒漠化奠定基础。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

本文所指荒漠化区是包括主要分布在西北、华北北部和东北西部以及青藏高原北部的区域,其中,为了对我国荒漠化区土壤湿润状况进行重点分析,根据地形地貌特征、社会经济情况、干旱程度以及荒漠化防治要求,将荒漠化地区划分为北疆、东疆、南疆、阿拉善高原、河西走廊、柴达木盆地、内蒙古后山、河套、毛乌素沙地、河北坝上、浑善达克沙地、科尔沁沙地、乌珠穆沁、呼伦贝尔沙地和三江源地区等十五大区域进行详细剖析(图1)。

图1 中国荒漠化地区15个类型区分布示意图

1.2 数据来源

本文数据由2002—2016年静止卫星GMS和风云2号系列气象卫星各时段云图,以及世界气象组织(World Meteorological Organization)的全球远程通讯系统(Global Telecommunication System)地面站点每日降水数据组成。本文的土壤湿润指数由能量水平衡监测系统计算而得。

1.3 研究方法

联合国防治荒漠化公约定义的荒漠化,可以用气候湿润指数(CMI)或干旱指数(AI)来表征,本文使用的是土壤湿润指数(SMI),是实际蒸散与潜在蒸散之比,降雨量是由以能量单位(W/m2)计的总的实际蒸散量替代,该指数由卫星监测的净辐射和水的潜热来换算。优点是反映了地表的植被条件及土壤的实时干旱状态,可以反演地面荒漠化状况的动态变化,即当SMI为1时,表示土壤的湿润度较高,植被生长环境较好,值越小,说明该区荒漠化状况越严重。

SMI=LE/LEp

(1)

LE=In-H-E-G

(2)

其中:LE=潜热通量 (W/m2)

In=净辐射(W/m2)

H=显热通量(W/m2)

E=光合作用(W/m2)

G=土壤热流通量 (W/m2)

用于地表水蒸发的能量(LE)等于提供给地面的净辐射能(In)减去加热空气的显热(H)、植被的光合作用的能量(E)和用于加热土壤的能量(G)。对于一天而言,土壤的热流通量可以认为是零(G≈0)。

LEp是以能量单位表示的潜在蒸散,它与净辐射紧密相关。其关系式为:

LEp≈ 0.8×In

(3)

本文数据是通过能量水平衡监测系统(CEWBMS)来计算,通过输入数据的可见光(VIS)和热红外(TIR)绘制出图像。能量水平衡监测系统的目的是求解地表的能量平衡方程。地表的反射率和温度是求解地表能量平衡算法的主要输入变量。此系统对于有云和无云条件下以能量通量的形式计算地表的能量平衡组分。

2 结果分析

2.1 荒漠化区总体情况

荒漠化地区近15年平均土壤湿润指数为32.4%,呈波动式略增加的趋势,增加速率为每年0.12%(图2)。其中,2002—2006年及2012—2016年分别较常年偏高0.7%和2%,说明这两个时期偏湿润,有利于减轻荒漠化程度；2007—2011年这5年土壤湿润指数偏低,较常年偏低2.6%,说明这一时期偏干,会加重荒漠化程度。另外,据统计,近15年的降水量和植被指数也呈增长趋势,从气象及地面植被情况都印证了土壤湿润指数的合理性和科学性(表1)。

总之,随着全球气候变暖,降水增多,荒漠化地区的水循环也得到加速,从而使土壤湿润指数有所增长。

图2 荒漠化地区平均土壤湿润指数变化曲线

2.2 荒漠化地区不同区域的干湿变化

2.2.1 土壤湿润指数呈增加趋势的地区

南疆、柴达木盆地、河套地区、毛乌素沙地及三江源地区近15年土壤湿润指数呈波动式增加的趋势,每年增加速率分别为0.25%,0.41%,0.27%,0.40%,0.40%(图3)。结合降水量分析(图4),南疆、柴达木盆地和河套地区土壤湿润指数与降水量趋势基本一致,仅个别年份土壤湿润指数滞后于降水量表现；而毛乌素沙地和三江源地区降水量呈平稳趋势,可见上述两个地区植被生长受降水量影响相对较小,一方面是由于毛乌素沙地和三江源地区地表水较为丰富,一方面是今年来当地进行了有效的植被恢复,生态环境明显改善。

2.2.2 土壤湿润指数呈略增加趋势的地区

北疆和河西走廊地区近15年土壤湿润指数呈波动式略增加的趋势,增加速率每年分别为0.11%和0.17%(图5)。其中,2002—2006年及2012—2016年两个时期较常年偏高,说明这两个时期偏湿润,有利于减轻荒漠化程度；2007—2011年这5年土壤湿润指数偏低,较常年分别偏低4%和2%,说明这一时期偏干,不利于减轻荒漠化程度。结合降水量分析(图6),上述两个地区土壤湿润指数与降水量总体趋势一致,但个别年份存在较大差异,尤其是2016年,降水量明显增加,而土壤湿润指数呈下降趋势,通过气象数据发现,由于2016年当地气温偏高,且降水多为集中性暴雨,使得降水形成径流,没有被植被有效利用。

表1 荒漠化地区平均土壤湿润指数

图3 平均土壤湿润指数变化曲线

图4 平均降水量变化曲线

2.2.3 土壤湿润指数呈平稳趋势的地区

东疆、阿拉善高原、河北坝上、浑善达克沙地和呼伦贝尔沙地地区近15年土壤湿润指数呈起伏的平稳趋势(图7)。其中,5个区域2002—2006年及2012—2016年两个时期土壤湿润指数均较常年偏高,说明这两个时期偏湿润,有利于减轻荒漠化程度；2007—2011年这5年土壤湿润指数偏低,较常年分别偏低2.2%,2.3%,2.6%,2.9%和3.4%,说明这一时期偏干,不利于减轻荒漠化程度。结合降水量分析(图9),以上地区土壤湿润指数与降水量趋势基本一致。

图6 平均降水量变化曲线

图7 平均土壤湿润指数变化曲线

2.2.4 土壤湿润指数呈减少趋势的地区

内蒙古后山、科尔沁沙地和乌珠穆沁沙地地区近15年土壤湿润指数呈波动减少的趋势。每年减少速率分别为0.27%,0.27%和0.25%(图9)。结合降水量分析(图10),以上区域除内蒙古后山地区土壤湿润指数与降水量趋势基本一致外,另外两个地区趋势相反,在降水量增多的情况下,土壤湿润指数呈减少趋势,说明但2013年降水量高峰值在土壤湿润指数趋势上表现为2014年,可见2013年当地土壤得到了蓄水保墒的效果,为2014年植被生长提供了良好条件。

图8 平均降水量变化曲线

图9 平均土壤湿润指数变化曲线

图10 平均降水量变化曲线

3 结论与讨论

1) 近15年土壤湿润指数总体情况。我国荒漠化地区近15年平均土壤湿润指数波动式略增加的趋势,其中,2002—2006年及2012—2016年分别较常年偏高0.7%和2%,说明这两个时期偏湿润,有利于减轻荒漠化程度；2007—2011年这一时期土壤湿润指数较常年偏低2.6%,说明这一时期偏干,不利于减轻荒漠化程度。2007年、2009年和2011年土壤湿润指数明显偏低,属于较干旱的年份,而2005年、2013年和2015年属于相对湿润年。

2) 近15年土壤湿润指数分区情况。土壤湿润指数趋势增加的区域有北疆、南疆、河西走廊、柴达木盆地、河套、毛乌素沙地和三江源地区；呈平稳趋势的区域有东疆、阿拉善高原、河北坝上、浑善达克沙地和呼伦贝尔沙地；呈下降趋势的区域有内蒙古后山、乌珠穆沁、科尔沁沙地地区。

3) 土壤湿润指数与降水量关系。近15年,荒漠化地区降水量普遍增多,但反映在土壤湿润指数上并非全部为增加趋势,是由于气候变化是自然界的一种正常现象,但我国北方荒漠化地区生态环境脆弱,干旱区缺水少雨的基本状况没有改变,干旱区生态脆弱的特征也没有根本性改变,在自然和人为因素的共同影响下,生态环境极易遭到破坏；再加上近年来气候异常加剧,高温和暴雨集中,增加的降水量并不全部有利于植被生长,甚至还造成气象灾害,使得土壤湿润指数呈下降趋势。

4) 多因素共同遏制荒漠化蔓延。从自然方面来看,近年来荒漠化地区总体降水增加,植被长势增加,减弱了荒漠化扩展的趋势。从人为因素方面来看,自《防沙治沙法》发布以来,我国加大了防治荒漠化的政策制定,增加对防沙治沙的资金投入,国家实施的天然林资源保护工程、退耕还林工程、退牧还草工程、三江源生态保护综合试验区工程、京津风沙源治理工程等一系列生态保护与建设工程,对促进这些地区天然植被自然修复和工程治理效果的提高及其成果的巩固发挥了明显作用,有利于植被的恢复和改善,对这些地区荒漠化趋于好转起到了积极影响,实现了“沙进人退”的逆转。可以说“天帮忙、人努力”促进了我国荒漠化好转。

综上研究,过去15年,由于土壤湿润指数增加的趋势,有利于荒漠化地区植被趋于好转,荒漠化扩展趋势得到遏制,2004年、2009年、2014年全国荒漠化土地监测数据分别为263.62,262.37,261.16km2,呈递减的趋势。但是,气候的变化自地球诞生以来就没有停止过,全球气候变暖已是不争的事实,气候对于荒漠化的影响在未来依然会作用突出。因此,我们仍然要清楚的认识到,缺水少雨仍旧是我国荒漠化地区的常态,荒漠化地区生态依然脆弱,防治荒漠化依旧任重道远。

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Analysis of Arid and Humid Conditions in Desertification Area in China

KONG Xiangji,SUN Tao

(AcademyofForestInventoryandPlanning,StateForestryAdministration,Beijing100714,China)

Under the background of climate change in the world,arid and humid conditions play an important role in keeping desertification area ecosystem stable.Based on the data of nearly 15 years of Geostationary Meteorological Satellite and the ground meteorological data,using the China Energy Water Balance Monitoring System (CEWBMS),this study obtains the changes of arid and humid conditions and vegetation growth situation in 15 desertification zones.Since 2002,the average soil moisture index (SMI) showed a trend of increase in desertification regions,and vegetation growth environment is good.Among them,in 2002—2006 and 2012—2016,the SMI is higher than average at 0.7% and 2% respectively,which illustrates the two periods of partial wetting,and positive to desertification;During the period from 2007 to 2011,the SMI is lower than average at 2.6%,partial dryness during this period,aggravating the desertification.The zones which have a positive vegetation growth environment are northern Xinjiang,southern Xinjiang,Hexi area,Qaidam basin,Hetao area,Mu Us sand land and three river source area,and the zones of negative environment are the mountains behind the Urat in Inner Mongolia,Uzhumchin and Khorchin sand land.

Soil Moisture Index (SMI),desertification regions,arid and humid conditions,trends

2017-04-07；

2017-07-03

林业公益性行业科研专项(201404202)

孔祥吉(1989-)，女，云南人，助工，主要从事荒漠化监测工作。Email：kongxiangji@afip.com.cn

S728.4

A

1002-6622(2017)04-0001-06

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.04.001