中国农牧交错带30年响应气候变异趋势分析

2018-01-12马雯思刘玮玮

江苏农业科学 2017年24期

马雯思，刘玮玮，赵宁，马超

(河南理工大学矿山空间信息国家测绘与地理信息局重点实验室，河南焦作 454000)

我国农牧交错带是从半干旱区向干旱区过渡的广阔地带，该地带具有较强的过渡性和波动性，在一定程度上决定了人类活动方式的不稳定性，进而导致该区域生态环境容易受到冲击和破坏，而将潜在的自然环境脆弱性转化为现实的破坏。农牧交错带生态环境表现出敏感性强、退化趋势明显等脆弱特征[1]。因此，开展中国农牧交错带响应全球变化影响研究对于科学合理地利用、管理交错带，改善生态环境等具有重要的意义。

过去对北方农牧交错带，从土地利用[2-3]、边界判定与变化[4-8]、生态环境变化[9-13]等单方面进行研究，但对于不同植被类型交错带气候变化对比研究及对川滇农牧交错带研究比较薄弱。既然农牧交错带是典型的生态脆弱区和环境变化敏感区，其对气候变化的响应程度必然与其他地区有所不同，因此把2个交错带统一起来，分析北方、西南生态脆弱地区对气候变化的响应更有意义。本研究综合利用反映气候变化特点的遥感数据信息，通过采用反距离加权空间插值方法以及变异系数运算，分析中国农牧交错带时空分布的气候变化状况及30年来研究区变异系数动态趋势，研究400 mm等雨量线在农牧交错带区域动态变化的地理空间格局特征。为该区土地利用、生态恢复等提供一定的指导依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

本研究的研究区域是依据杨秀春等所划分的范围[14-15]而确定的。农牧交错带既是地理分区，也是文化分区，更是生态分区。北方农牧交错带即北起大兴安岭西麓的呼伦贝尔，向西南延伸，经内蒙东南、冀北、晋北直到鄂尔多斯陕北，位于华北与内蒙的交界区上，跨越内蒙古、黑龙江、吉林、辽宁、河北、山西、陕西、甘肃、宁夏、青海等10个省(区)，共包括177个县(旗)、4个县级市、20个市辖区，总面积72.67万km2，占国土面积的7.57%，其中草地占研究区面积的50%左右，分布在400 mm等雨量线的两侧。川滇农牧交错带界定在海拔高度2 500～4 500 m之间，位于青藏高原东南缘，年均降水量可以达到700～900 mm。地域划分与地形垂直变化有直接关系，行政区域上包括四川省阿坝藏族自治州、甘孜藏族自治州、凉山彝族自治州和云南省的迪庆藏族自治州、怒江傈僳族自治州和丽江地区。

1.2 数据来源

依据各省(市、区)气候资料处理部门逐月上报的《地面气象记录月报表》的信息化资料，统计整理出我国752个基本、基准地面气象观测站及自动站1982年以来气候资料年值数据集。去除缺测和错误数据，转换为Excel文件，最后整理为1982—2012年共30个Excel表格数据(站点名、站点经纬度、年份、降水量年值、温度年值)。在ArcGIS中，对年均降水量、温度插值处理所使用的矢量文件为中国国界和省界线划图和面划图矢量文件，掩膜处理使用的矢量文件为中国农牧交错带省级矢量图以及农牧交错带草地类型分布矢量图。

1.3 研究方法

1.3.1 地域分区根据前人研究的结果，为了定量对比不同产草量区域气候时空变化[14]，考虑到研究区气候、地形、土壤植被等，对北方农牧交错带进行分区，将川滇交错带作为独立研究带，形成五大区域：Ⅰ区为草甸草原区，Ⅱ区为灌丛草原区，Ⅲ区为荒漠草原区，Ⅳ区为丘陵草原区和Ⅴ区为山地草原区(图1)。

1.3.2 插值掩膜处理将我国国界、省界和交错带省级shp矢量文件和每年的年降水量、温度Excel表格数据导入ArcGIS，以每年降水量(温度)图层的降水量(温度)为插值对象，以中国国界与省界矢量文件中的面文件为插值范围，采用反距离加权法(IDW)，插值出中国降水、温度分布栅格数据集，以5区交错带矢量文件为掩膜，进而获得中国农牧交错带降水、温度分布图(图2)。

1.3.3 加权平均值提取在全国降水量分布图中提取 400 mm 等值线，因含有多个弧段组成，须将等降水量线进行离散化处理，再执行操作，获取这些离散点的经向和纬向坐标求平均值，即可得到400 mm等降水量线加权平均位置，如图3所示。

1.3.4 变异系数运算变异系数也称离均系数，是均方差(标准差)与平均值之比，可用百分数表示。与方差、标准差相比，变异系数既可用来反映某一观测值的变化程度，又能消除测量尺度和量纲的影响，以便进行客观比较。一般来说，变量值平均水平高，其离散程度的测度值越大，反之越小。其计算公式为：VC=(SD/MN)×100%。式中：VC表示变异系数，SD为均方差(标准差)，MN为平均值。该研究中，通过分别计算降水量和温度变异系数VCp和VCt，分析气候变化背景下5区降水量和气温变化程度。

2 结果与分析

2.1 五区降水量对比

结合农牧交错带降水分布(图3)，北方四区农牧交错带30年均降水量分别为402、495、379、380 mm，川滇交错带30年均降水量在755 mm左右。30年间，Ⅱ灌丛草原区、Ⅲ荒漠草原区、Ⅴ山地草原区降水量呈微弱减少趋势，而Ⅰ草甸草原区(减少)和Ⅳ丘陵草原区(增加)的变化幅度较大。

由中国农牧交错带地区年降水量及其变化情况分布(图4)可知，降水量发生大于100 mm的突变均为显著增高：1991—1992 年 Ⅳ 区为281～428 mm；1997—1998年，Ⅰ区为370～603 mm，Ⅱ区为379～547 mm，Ⅴ区为695～892 mm；2002—2003年Ⅲ区(390～490 mm)。研究获得的5次异常降水变化，如1992年的洪涝灾害，1998年长江流域特大洪水，2003年的飓风、暴雨等，与ENSO或La Nina现象高度相关[16-17]，说明农牧交错带作为生态脆弱区对于全球的生态放大镜的作用是显著的。

根据5区降水量变异系数变化情况(图5)可知，5区降水量变异系数均呈波动性变化。草甸草原区(Ⅰ区)、灌丛草原区(Ⅱ区)和山地草原区(Ⅴ区)降水变异系数VCp在20世纪90年代明显增高，其中Ⅰ区增加了78%，Ⅱ区增加45%，Ⅴ区增加50%，说明3区域降水量在90年代受气候变化影响最大。2000年之后，变异系数有所减小，但3区域变异系数仍处于升高趋势。荒漠草原区(Ⅲ区)和丘陵草原区(Ⅳ区)在90年代显著降低，其中Ⅲ区降低了16%，Ⅳ区降低45%，说明在90年代的气候变化条件下Ⅲ区和Ⅳ区降水量波动较小。近十几年来，2区变异系数又有微弱增加趋势。

结合5个区域30年降水量平均变异系数(表1)可知，近30年来，5区降水量受气候影响的波动性呈现出Ⅰ区(18%)>Ⅲ区(14%)>Ⅱ区(12%)>Ⅳ区(11%)>Ⅴ区(7%)。

2.2 5区温度变化比较

图6为农牧交错带5区年平均气温变化动态图，结合图3可知，30年5区平均气温分别为4.7、9.0、7.6、5.5、7.8 ℃。1998年，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区气温达到最高，其中Ⅱ区10.1 ℃、Ⅲ区和Ⅳ区都为8.8 ℃；2007年为Ⅰ区历史最热年，温度达到 6.2 ℃；Ⅴ区在2009年温度达到最高，为8.7 ℃。2000—2010年是最暖的10年，平均温度达7.4 ℃。近30年来，5区均有明显的增温趋势，南北农牧交错带年平均气温增长率为0.45 ℃/10年，明显高于同期全国和全球的气温增长率。虽然近4～5年出现了明显降温现象，但总体仍处于升温状态，这与全球平均气温变化的趋势一致[18]。

表1 5区降水、温度30年平均变异系数

从交错带温度变异系数VCt变化(图7)中可以看到，1982—2012年间所有区域的气温变异均呈下降趋势，总体变异系数下降了29%。Ⅰ区在90年代气温变异系数下降了50%，说明Ⅰ区温度在90年代受气候影响较小，进入21世纪变异系数开始回归；Ⅱ区和Ⅲ区变异系数呈低—高—低动态趋势，近10年与80年代相比分别下降了18%和31%；Ⅳ区变异系数呈阶梯式下降，30年来下降幅度达到51%，说明近30年，Ⅳ区受气候变化的波动性越来越小。Ⅴ区在90年代气温波动性最大，与80年代相比升高了56%。表1显示，5区温度30年平均变异系数分别为草甸草原区(Ⅰ区，14%)>丘陵草原区(Ⅳ区，12%)>荒漠草原区(Ⅲ区，9%)>灌丛草原区(Ⅱ区，7%)>山地草原区(Ⅴ区，6%)。

2.3 400 mm等雨量线迁移与农牧交错带地理相关性分析

400 mm等雨量线是中国西部干旱半干旱区与东部湿润半湿润区的分界线，全国90%左右的耕地和人口都分布在该线以东地区，也是中国北方农牧交错带区域的重要划分标准，因此，400 mm等雨量线的空间位移会对中国北方农牧交错带产生巨大的资源环境及社会经济效应。

由图3可知，400 mm等雨量线迁移在空间上与北方农牧交错带相关性较大，与川滇农牧交错带(位于800 mm等雨量线)相关性不大。北方农牧交错带地理坐标范围为105°45′～124°42′E、36°01′～49°36′N[7]。从图8中可以看出，等雨量线迁移具有方向性：经向迁移介于102°～111°E，纬向迁移介于35°～40°N。400 mm等雨量线30年来的迁移范围一直在北方农牧交错带内，中段与东段甚至覆盖了整个北方农牧交错带区域。且400 mm等雨量线有向东和向北发生移动的趋势，纬度变化较大，向北推进了近1 000 km，400 mm等雨量线开始迁移到呼伦贝尔草原、内蒙古高原一带。周期性明显：1982—1999年周期为5～6年，2000年之后，周期缩短为3～4年。

3 结论与讨论

3.1 结论

农牧交错带5区的30年平均降水量分别为：Ⅰ区 402 mm、Ⅱ区495 mm、Ⅲ区379 mm、Ⅳ区380 mm，Ⅴ区 755 mm，30年来Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅴ区年均降水量逐渐减少，而Ⅳ区呈增加之势。Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅴ区降水量变异系数在90年代分别增加了78%、45%、50%，3区波动性在90年代达到顶峰；Ⅲ区和Ⅳ区在90年代气候变化影响下变异系数降到最低，其中Ⅲ区降低了16%，Ⅳ区降低45%；近12年来，5区降水量变异系数均有回落(Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅴ区)和回升(Ⅲ区、Ⅳ区)现象。在地域分区上，30年平均降水变异系数最大值为Ⅰ区(18%)，最小值为Ⅴ区(7%)，说明在近30年的气候变化下Ⅰ区为严重影响区，Ⅴ区波动性最低。

近30年来农牧交错带5区气温普遍升高，且气温变异系数均呈减少趋势。中国农牧交错带30年平均气温增长率(0.45 ℃/10年)明显大于全国同期的平均水平，是一个对全球变化非常敏感的区域。所有区域在2000—2012年间为最暖期，1998年为近30年来中国农牧交错带平均气温最高的一年，与全国气温变化趋势一致[18-20]。Ⅰ区在90年代气温变异系数下降了50%，2000年后有所回升。近10年与80年代相比，Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区变异系数分别下降了18%、31%、51%，30年来Ⅴ区变异系数仅下降了6%，但在90年代变异系数升高了56%，为30年间气温升高最快时期。30年平均变异系数在空间上表现出一定的区域差异性，大致呈现为Ⅰ草甸草原区(14%)>Ⅳ丘陵草原区(12%)>Ⅲ荒漠草原区(9%)>Ⅱ灌丛草原区(7%)>Ⅴ山地草原区(6%)。Ⅰ草甸草原区对农牧交错带增温贡献率最大，该结论与已有的研究[11，21]基本一致。在全球变暖背景下，我国气候发生了相应变化，受降水量影响的400 mm等雨量线位置发生了改变，有向东、向北方向迁移之势，经向迁移介于102°～111°E之间，纬向迁移介于 35°～40°N之间。30年间400 mm中、东段迁移范围与北方农牧交错带(105°45′～124°42′E、36°01′～ 49°36′N)区域重合度达89%，且重合度有升高之势。

3.2 讨论

基于前人采用植被指数和地面草原生物量数据建立5种模型进行分区研究，本研究依据降水量、温度的变化对农牧交错带气候进行探讨，并未考虑风速、蒸发量及社会人文因素对农牧交错带的影响。

30年间，五大农牧交错带温度明显升高，但近几年有明显降温现象，除丘陵草原区(Ⅳ区)降水量有所增加，其他4区降水量均有减少趋势。降水量减少，温度升高，将严重影响农牧交错带的旱作农业生产[7]，被开垦的农田处于一个不稳定的状态，并造成沙漠化的发展。草甸草原区(Ⅰ 区)雨量适中、气候适宜，适于发展大牲畜，但是因其受气候因素影响最大，可能导致该区域植物生长受到影响，不利于畜牧业的发展。受气候变化影响最小的山地草原区(Ⅴ区)，生态空间格局不会有太大变化。

我国农业生产大体以400 mm年降水量等值线为界，可分为2个大区：以东、以南是种植业为主的农区，以西、以北是畜牧业为主的牧区。由于近30年间400 mm等雨量线向东、向北迁移迅速，北方农牧交错带将大大减少畜牧业的发展，避免增加其生态脆弱性。

考虑针对不同植被区域类型采用不同的措施，有选择地对草地实行施肥、灌溉，增强防治风蚀沙化的能力，减轻草地畜牧业的压力，提高农牧交错带经济效益。

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