全球变化下的浑善达克沙地演化研究

刘美萍 宁小莉 张雪峰 乌云塔娜

摘要：利用1982年、1992年、2002年、2011年、2017年的Landsat TM和Landsat OLI遥感影像与1986—2016年研究区社会经济数据以及1956—2017年研究區气象资料，通过实地考察与室内分析相结合的方法，对浑善达克沙地沙漠化过程及演化机制进行初步研究。结果表明，过去35年来，浑善达克沙地经历了较为强烈的沙漠化发展，20世纪80年代至21世纪初，浑善达克沙地发生了严重的沙漠化，沙漠化土地面积由3.69万km2增长到3.83万km2，特别是极重度和轻度沙漠化土地面积，分别增长了1倍多和减少了48.6%。之后，沙漠化趋势出现大幅逆转，2017年沙漠化土地面积降至3.6万km2。这是气候变化和人为加速过程彼此叠加并相互反馈的结果，各地的土地荒漠化发展程度也存在一定地域差异，整体为西部严重于东部，与沙区暖干化趋势相一致。

关键词：浑善达克沙地;沙漠化;气候变化;人类活动

中图分类号： P931.3;S181文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）18-0277-06

收稿日期：2019-07-01

基金项目：国家自然科学基金（编号：41901009）;内蒙古自治区科学技术厅项目（编号：201605052）;包头师范学院高层次引进人才科研启动基金（编号：01108022/008）。

作者简介：刘美萍（1988—），女，内蒙古呼伦贝尔人，博士，讲师，从事风沙地貌研究。E-mail：12047204@qq.com。

气候变化影响沙漠扩张与收缩，以及沙丘的固定与活化，并主要体现在降水和风况对沙丘植被生长的影响[1-2]。虽然没有证据能够说明植被覆盖度具体低于某个值时，沙丘表面风沙才开始运动，但是基于不同植被覆盖水平发生不同程度的风沙表面过程的原理，可以依据古气候记录来推测沙漠演化，或预测未来气候变化背景下沙地环境的演变趋势。基本上冷干气候驱动沙漠、沙地流沙分布的扩大，如末次盛冰期、新仙女木期、8.2 ka干冷时期和小冰期等对应沙丘活化、沙漠扩展。反之，在气候湿润时期，沙漠、沙地植被发育，土壤形成，活动沙丘面积缩小，沙漠萎缩。关于气候变化对沙漠系统的响应程度究竟有多大，定量预测依然存在巨大挑战[3-4]。

沙地的固定与活化直接影响到人类的生存空间和环境质量。浑善达克沙地生态环境脆弱，处于气候变化的敏感地带，广泛发育着固定-半固定沙丘和风蚀残丘，它们的形成和演化是沙区气候变化过程的直接反映。前人已对浑善达克沙地的时空演化[5-6]、气候变化[7-9]及人类活动[10-11]与沙漠化过程作过研究，取得了许多有意义的成果。本研究将对近35年全球变暖背景下浑善达克沙地演化及其驱动机制进行研究，理解区域沙漠/沙地景观变化对全球变化的响应，为区域生态环境保护、土地沙漠化防治及土地资源的合理利用提供基础数据。

1 研究区概况

浑善达克沙地别称小腾格里沙地，是以牧业利用为主的沙区，位于内蒙古高原东部，东起大兴安岭南段西麓达来诺尔，向西一直延伸到苏尼特右旗集二铁路沿线，在行政区上分属于内蒙古的锡林郭勒盟和赤峰市克什克腾旗（图1）。浑善达克沙地地带性土壤有栗钙土、棕钙土，非地带性土壤有风沙土、草甸土、沼泽土等;地带性植被主要为典型草原，非地带性植被主要为沙化植被[12]。

据锡林郭勒盟阿巴嘎旗、朱日和、苏尼特左旗、多伦、正镶白旗及正蓝旗气象站1956年1月至2017年3月的气象观测资料显示，浑善达克沙地年均气温为2.76 ℃，气温昼夜及年内变化均较大，年较差平均为38.42 ℃。多年平均降水量为293.77 mm，年变率在0.42%～34.21%之间，平均为12.4%。降水年内分配不均，主要集中在6—8月，占全年降水总量的63.5%。降水的区域分配也不均衡，多伦、正镶白旗及正蓝旗3旗（县）的降水量较高（371.51 mm），是阿巴嘎旗、朱日和、苏尼特左旗3旗多年平均降水量（216.03 mm）的1.72倍。研究区多年平均蒸散量为779.77 mm，是多年平均降水量的2.65倍，蒸散量年内变化较大，以5—7月最高，比降水高值出现早1个月。研究区年均风速为3.95 m/s，风季为3—5月，风季平均风速为4.21 m/s（图2）。该区年均日照时数为3 088.9 h，自然区域绝大部分为温带半干旱区，西部为干旱区，已进入荒漠草原和草原化荒漠。

2 资料与方法

2.1 资料来源

本研究使用的1982年、1992年、2002年、2011年和2017年的5期105景LandsatTM和Landsat OLI遥感影像，主要下载自美国地质调查局（https：//glovis.usgs.gov/），选取的单景影像平均云量小于10%，且优先选择植被生长季（7—9月）时段获取的影像，影像分辨率为15 m和30 m。

1986—2016年，浑善达克沙地阿巴嘎旗、苏尼特左旗、朱日和、正镶白旗、正蓝旗、多伦、克什克腾旗7个旗（县）的人口及大小牲畜数量资料主要源于中国统计年鉴网（http：//www.yearbookchina.com）。

1956—2016年，浑善达克沙地阿巴嘎旗、朱日和、苏尼特左旗、多伦4个气象站的月气温、降水量、风速、相对湿度、日照时数、最大日降水量，以及正镶白旗、正蓝旗6个气象站的月气温、降水量等气象资料部分购买自正蓝旗气象站，部分源于中国气象科学数据共享服务网（http：//www.escience.gov.cn）。气象站的主要信息见表1。

2.2 研究方法

对多期影像进行几何校正、边缘增强及乘积变换融合以提高影像的分辨率，之后进行镶嵌处理，采用基于面向对象的分类算法进行沙漠化遥感监测分类，根据沙漠化指数，将沙漠化土地分为轻度、中度、重度、极重度沙化土地4种，得到沙地的沙漠化演化过程和土地利用信息。

利用Excel、Origin软件对研究区气温、降水量、风况进行月、季、年、年际统计分析，对研究区人口及牲畜数量进行年及年际统计分析，选用线性趋势分析、相关分析、滑动平均法、距平法等方法，分析人为及气象因素的变化规律，监测区域降水量、风速和人口变化等异常事件，与风沙活动及植被发育进行关联。

本研究使用联合国粮食与农业组织（FAO）推荐的参考蒸散量（reference evapotranspiration，ETo）计算方法，即优化改进FAO Penman方法后的FAO Penman-Monteith方法对研究区蒸散量进行计算。采用FAO Penman-Monteith公式，利用1956—2016年研究区气象站气温、相对湿度、风速、日照时数等月数据，来估算参考蒸散量（ETo）。

3 结果与分析

3.1 沙漠化进展过程

浑善达克沙地东西长约470 km，南北宽约10～200 km，沙地范围为4.16万km2。监测初期，沙漠化土地面积为3.69万km2，其中极重度、重度、中度、轻度沙漠化土地分别占7%、30.3%、20.6%、42.1%。進入20世纪90年代以后，浑善达克沙地发生了严重的沙漠化。20世纪90年代初沙漠化土地面积为3.73万km2，而21世纪初，沙漠化土地面积达3.83万km2，新增0.1万km2。特别是极重度和轻度沙漠化土地面积，分别增长了1倍多和减少了48.6%。之后，沙漠化趋势出现大幅逆转，2011年沙漠化土地面积降至3.61万km2。至2017年，沙漠化土地面积又减少了165.86 km2，轻度沙漠化土地较21世纪初增加了11.18%，极重度沙漠化土地减少了9.65%。各地的土地荒漠化的发展程度也存在一定地域差异，整体为西部严重于东部，朱日和极重度沙漠化土地扩展最快，正蓝旗中度沙漠化土地变化最大。

居民地面积虽然占比最小，不足研究区面积的0.1%，但是从遥感监测结果来看，居民地面积持续扩张，35年来增加了5.2倍。随居民地面积增加的还有耕地面积，近35年研究区耕地面积波动上升，2017年较1982年耕地面积增加了1.65倍。其中，20世纪80年代初到21世纪初期的上升幅度最大，平均每10年耕地面积扩大约71 km2;在21世纪初的近10年里，耕地面积出现了下降趋势，下降了约43 km2;至2017年又上升了62.2 km2，甚至高出21世纪初期水平（图3）。耕地面积的99.6%集中在沙地东南部的多伦、正镶白旗、正蓝旗及克什克腾旗。

3.2 沙地气候特征

1956—2016年，研究区平均风速逐渐减弱，平均每10年下降0.16 m/s;年均气温波动上升，平均每10年上升0.43 ℃;降水量年际变化较大，但总体呈下降趋势，20世纪50年代末期年均降水量（339.53 mm）较21世纪初（278.46 mm）高61.07 mm;蒸散量也有减弱的趋势，平均每10年下降0.11 mm（图4）。

浑善达克沙地生态环境脆弱，处于气候变化的敏感地带。近百年来，尤其是自20世纪50年代以来，我国干旱半干旱和半湿润区的气候，在一系列波动变化中呈现出明显的变暖、变干趋势。浑善达克沙地也不例外，降水量年际变化总体呈下降趋势（图5）。

研究区极端天气有明显的区域差异，朱日和与苏尼特左旗极端最高气温明显高于阿巴嘎和多伦，且出现的时间前者比后者要早约10年。极端最低气温相反，沙地西部（朱日和与苏尼特左旗）比沙地东部（阿巴嘎和多伦）出现得晚。最大日降水量沙地西部出现在20世纪50年代末和80年代初，时间远早于沙地东部的21世纪初期。表明沙地西部（朱日和与苏尼特左旗）暖干化趋势较东部（阿巴嘎和多伦）明显，且随时间推移越来越明显（表2）。从最大风速出现的年份来看，研究区风速有减弱趋势，且东部最大风速较大。

各地区气候变化程度不同，降水量自西向东递减，6个旗（县）分别出现了不同程度的降水量减弱现象（图6）。阿巴嘎旗、多伦、正镶白旗及正蓝旗4旗（县）的降水量较高（339.93 mm），是朱日和、苏尼特左旗2旗多年平均降水量（201.44 mm）的1.69倍。

3.3 沙地人文经济特征

2016年研究区乡村人口为21.62万人（表3），近30年总体呈先增加后下降再上升的趋势，且下降幅度较上升幅度要大（图7）。研究区乡村人口在1998年骤降，据此大体可将乡村人口分为2个阶段，1992—1997年平均为23.60万人，1998—2016年平均为20.99万人，相差2.61万人。人口密度变化趋势与人均耕地变化趋势大体相同。研究区乡村人口主要分布在东四旗的正蓝旗、正镶白旗、多伦县和克什克腾旗，且各旗（县）的乡村人口年际变化趋势差异较小。

研究区牲畜数量为187.85万头，随着人口的变化，畜牧业也迅速发展。1986—1999年，研究区牲畜数量增加了1.34倍。21世纪初，采取了多种措施，研究区牲畜数量得以有效控制，1999—2011年牲畜数量下降了45.9%。至2016年，牲畜数量为159.25万头，虽有上升，但仍低于20世纪80年代末的水平（图7）。研究区牲畜分布区域性差异比较明显，1986—1999年，正蓝旗牲畜总数量及变化幅度均高于其他旗（县）。

4 讨论

4.1 气候因素

干燥少雨是沙漠形成的必要条件，对沙漠化正逆过程有着重大影响。Hesse等认为，快速降水事件会直接导致短生植被和结皮的发育[13]，1次158 mm的月降水事件发生在库布齐沙漠南缘2012年的生长季，植被生长茂盛，部分沙丘被固定[14]。浑善达克沙地的区域性沙漠化与气候暖干化也呈现一致趋势，研究区降水量自西向东递减，加之沙地西部（朱日和与苏尼特左旗）暖干化趋势较东部（阿巴嘎和多伦）明显，荒漠化的发展程度也整体上表现为西部（朱日和）严重于东部（正蓝旗）。表明各地区气候变化程度不同，荒漠化的发展程度也存在一定地域差异。

1982—1992年，研究区降水量增加了36.2%，沙漠化程度却呈加强趋势，其中极重度沙漠化土地面积增加了77.4%，可知该阶段气候因素并不是研究区沙漠化的原因。1992—2002年，研究区降水量下降了32.1%，气温增高了77.2%，伴随气候的暖干化，沙漠化土地面积不断扩大，极重度与中度沙漠化土地面积分别增加了32.8%和52.4%。2002—2011年，研究区降水量下降了22%，沙漠化程度出现逆转，极重度与重度沙漠化土地面积分别减少了41.8%和22.5%，在气候干旱的时段研究区沙化程度降低，所以，该时段研究区的沙漠化逆转主要是人为因素导致的。2011—2016年，研究区降水量增加了48.9%，在气候好转的情况下，研究区沙漠化程度逐渐减弱，极重度沙漠化土地面积减少了35.7%。

近35年浑善达克沙地气候虽有波动，但总体呈暖干化趋势，然而沙区土地却并未持续沙化，而是先沙化（1982—2002年）后逆转（2002—2017年）。说明浑善达克沙地的沙漠化过程，不仅受气候因素控制，还受人类活动等因素影响。

4.2 人为因素

在人类活动影响下，浑善达克沙地风沙-植被发生了明显变化，其中，过度放牧是导致干旱半干旱及半湿润地区沙质草地沙漠化的重要原因，风洞试验结果表明，重度践踏与啃食强度下的风蚀量是轻度强度下的近20倍[15]。近30年来，浑善达克地区人口总数不断上升，随着人口的增加，研究区畜牧业迅速发展，居民地和耕地面积扩张，草地面积缩减。

1986—1992年，研究区牲畜数量增加了18%，尽管该时段研究区降水量明显上升，沙漠化程度却呈加强趋势，可知该阶段的研究区土地沙化、退化是人类不合理活动造成的。20世纪90年代以后，研究区牲畜数量总体下降，叶笃正等研究发现，1989—1996年年间，浑善达克沙地由于过度放牧，加之畜群点与水井点布局不合理，风沙过程加剧，地表植被严重退化，沙漠化土地增加[16]。丁国栋也监测到了由于人为不合理的活动，特别是过度放牧，使浑善达克沙地草场发生严重的退化、沙化现象[6]。说明研究区牲畜数量虽下降，但仍超载严重，加之该时段气候暖干化严重，在人为与气候因素的共同作用下，研究区沙漠化程度严重。2002—2011年，研究区牲畜数量持续下降，比20世纪90年代下降了28%，研究区在降水量明显降低的情况下，沙漠化程度出现逆转，可知该时段人为干扰的降低是沙漠化逆转的主要原因。2011—2016年，研究区牲畜数量增加了46.8%，但降水量增加了48.9%，沙漠化程度呈减弱趋势，所以该时段风沙活动减弱、沙漠化土地减少主要是气候变湿导致的。

综上所述，近35年浑善达克沙地的演化过程是自然过程和人为过程彼此叠加并相互反馈的结果。

5 结论

近35年来，浑善达克沙地沙漠化发展趋势为先退化后逆转，其中，1982—2002年为沙漠化扩展时期，且20世纪80年代较90年代沙化、退化严重;2002—2017年为沙漠化逆转时期，且2002—2011年逆转趋势更明显。

浑善达克沙地演化是自然因素和人为因素的共同作用导致的，且具有一定时空性。空间上表现为沙地西部暖干化与沙漠化均较东部严重。时间上表现为20世纪80年代研究区人为干扰，特别是草场的严重超载和过度过牧，是本区沙漠化的主要原因;20世纪90年代研究区的沙漠化过程是人类活动与气候变化的共同作用结果;21世纪初研究区沙漠化逆转主要是人为干扰降低，尤其是政府决策干预的结果，而2011—2017年沙漠化逆转与人类保护及气候湿润密切相关。

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