近30年小兴安岭林区及周边区域的气候变化特征分析

2022-09-14王爱香潘蔷石磊

Advances in Meteorological Science and Technology 2022年4期

王爱香潘蔷石磊

（1 伊春市气象局，伊春 153000；2 哈尔滨市公共气象服务中心，哈尔滨 150028）

0 引言

森林作为陆地生态系统的主体，为人类和生物提供赖以生存的物质基础[1]，同时也是连接大气、土壤之间的自然“纽带”[2-3]。作为全球气候系统的重要组成部分，森林的生长和分布受气温、降水等诸多气候因素的影响[4-6]；同时，森林通过自身的光合作用和呼吸作用调节着大气中CO2浓度，影响着森林与大气间碳的交换[7]，进而调节气候变暖的速率[8]。总之，森林在全球气候变化中起到“指示剂”的作用[2,9]，对生态系统功能评价、调节气－地间碳、水、能量交换，涵养水源，保护生态系统多样性等诸多方面有着至关重要的作用[10-13]。

小兴安岭，纵贯黑龙江省中北部，西北以嫩江为界与大兴安岭相连，东部连接三江平原，东南与张广才岭相接，西南与松嫩平原毗连。南北长约450 km，东西宽约210 km，面积77725 km2。小兴安岭蕴含着丰富的森林资源，是维护我国粮食安全、生态安全的重要屏障。小兴安岭是我国地处寒温带的生态功能区，对维持生态平衡，保障区域生态安全发挥着极其重要的作用。1985—2004年正是小兴安岭森林资源采伐殆尽，生态系统遭受严重破坏的20年[14]。1998年开始实施以减少采伐、封山育林为主要措施的小兴安岭的天然林保护工程（以下称天保工程），到目前为止已实施20多年，2004年全面停止采伐，森林资源得到休养生息，森林覆盖率逐步提高，这项工作对生态环境的保护作用已经初见成效。那么已经得到恢复的森林生态系统对于气候的调节和反馈在气候上是否有相应的数据支持呢？通过对气象数据进行时间纵向对比分析，从中得出小兴安岭地区天保工程前后的气候变化情况，再对非天保工程地区6个地市测站气象数据与天保工程地区相同时期气象数据进行空间横向对比分析，从时间和空间两个维度，揭示天保工程区域与非天保工程区域天保工程前后的气候变化特征。

1 资料和方法

1.1 气象数据及分析方法

1.1.1 气象数据

利用黑龙江省气象服务支撑系统获取气象资料，包括：小兴安岭地区所辖5个气象站(伊春、嘉荫、乌伊岭、五营、铁力)，周边6个地市（哈尔滨、黑河、牡丹江、齐齐哈尔、绥化、双鸭山）所在地气象站，同纬度2个非天保工程区域的气象站（甘南、饶河）。时间序列采用1985—2014年共30年的历史资料。

1.1.2 分析方法

按照不同的森林采伐状态分为三个阶段：过度采伐时段（1985—1994年）、轻采伐时段（1995—2004年）和禁止采伐时段（2005—2014年），统计温度、降水、风、日照4个气象要素，对数据进行列表、折线图分析，首先得出时间上三个时段小兴安岭天保工程区域气象要素的分布特征。然后，选取周边非天保工程区域6个测站，与小兴安岭天保工程区域进行空间对比分析，得出两个不同区域在天保工程实施前后的气象数据的变化情况。最后，选取东、西同纬度两个非天保工程区域的饶河气象站（隶属双鸭山市）和甘南（隶属齐齐哈尔市）与天保工程中心区域伊春气象站的数据进行对比，找出同纬度天保工程区域与非天保工程区域在气候上的变化差异（图1）。

图1 天保工程实施区域（绿色）及相关气象站点分布图（图中红线内为天保区域内5个测站（伊春、嘉荫、乌伊岭、五营、铁力）所在区域;图中周边站点包括黑河、齐齐哈尔、绥化、哈尔滨、牡丹江、双鸭山6个测站;同纬度两个测站是齐齐哈尔的甘南和双鸭山的饶河）Fig.1 Distribution of the implementation areas and meteorological stations of the natural forest protection project(Five stations (Yichun,Jiameng,Wuyiling,Wuying and Tieli) of the natural forest protection area are located within the red lines.The six stations in the surround areas are located in Heihe,Qiqihar,Suihua,Harbin,Mudanjiang,and Shuangyashan.The two stations at the same latitude as Yichun Station are Gannan Station of Qiqihar and Raohe Station of Shuangyashan)

为了比较某气象要素三个时段间是否存在差异及差异是否显著，利用Excel工具菜单中数据分析模块进行差异性检验，判断某两个时段间某气象要素是否存在显著性差异。方法是：在Excel菜单栏数据分析菜单下选择方差分析中的无重复双因素分析，将需要分析的两组数据选入输入区域，设置输出区域，确定后即可得到分析结果，比较F、F crit值的大小，结合P-value，判断两组数据间差异是否显著。如果F＞F crit，比对出有差异，再结合P-value值，若0.01＜P-value＜0.05，表示差异显著；若P-value＜0.01，则表示差异极显著。如果F＜F crit且P-value＞0.05，则表示两组数据无差异。

1.2 森林、植被数据

通过国家科技基础条件平台——国家地球系统科学数据共享服务平台－东北黑土科学数据中心（http://northeast.geodata.cn）获取1980年、1990年、2000年和2010年小兴安岭所辖林区的植被覆盖面积，分别代表天保工程前后的森林、植被情况。

天保工程前，1980年植被面积2.76×104km2，经过采伐，1990年植被面积减少到2.64×104km2，减少了4.3%，1998年天保工程实施后，2000年植被面积增加到2.67×104km2，全面停止采伐后，2010年增加到2.71×104km2，可见，天保工程实施后，小兴安岭森林、植被覆盖面积得到了增长[15]。

2 天保工程前后小兴安岭气候变化特征

研究气候变化，既要研究自然变化，也要研究人类活动对气候的影响。过度采伐和天保工程都属于人类活动，必然对气候变化产生影响[16]。通过研究30年小兴安岭地区的平均温度、平均降水量、平均风速、平均日照时数这四个主要气象要素的变化，得到小兴安岭天保工程前后气候变化特征。

将1985—2014年分为三个阶段，分别是轻采伐时段（1985—1994年）、过度采伐时段（1995—2004年）、停止采伐时段（2005—2014年），分别对三个时段及30年小兴安岭5个气象站（嘉荫、乌伊岭、五营、伊春、铁力）的平均气温、平均降水量、平均风速、年平均日照时数进行统计分析，结果见表1。

表1 1985—2014年及轻采伐、过度采伐、停止采伐各时段温度、降水量、风速、日照时数统计Table 1 Statistics of temperature,precipitation,wind speed and sunshine hours in the years of light cutting,excessive cutting and no cutting from 1985 to 2014

2.1 平均气温

分析地处小兴安岭的5个气象站1985—2014年30年的年平均气温（图2），小兴安岭30年平均气温1.14 ℃。过度采伐时段（1995—2004年）平均气温比轻采伐时段（1985—1994年）平均气温升高0.47 ℃；停止采伐时段（2005—2014年）平均气温比过度采伐时段（1995—2004年）平均气温低0.23 ℃。2009—2014年平均气温均在30年平均值以下。

图2 小兴安岭1985—2014年逐年平均气温Fig.2 Annual mean temperature in Xiaoxing’an Mountains from 1985 to 2014

为了研究过度采伐时段（1995—2004年）与停止采伐时段（2005—2014年）两个时段小兴安岭气温是否有明显的变化，对两组温度数据进行了差异性分析（表2）。

表2 过度采伐、停止采伐两个时段温度差异性检验Table 2 Temperature difference test in the two periods of excessive cutting and no cutting

其中，F＜F crit且P-value＞0.05，说明两组数据无差异，没有通过0.05的显著性检验。说明两个年代平均气温组间无差异。

2.2 平均降水量

通过分析小兴安岭5个测站30年年降水量的逐年变化（图3），1997年天保工程实施以前，年降水量在平均值上下跳跃，而1998年天保工程后，年降水量多在平均线以下，到2009年后又呈现高于平均值的态势。具体变化情况是：停止采伐时段（2005—2014年）小兴安岭5个气象站平均降水量比过度采伐时段（1995—2004年）降水量多69.8 mm，多12.4%；停止采伐时段（2005—2014年）平均降水量比30年的平均降水量多22.2 mm，多出3.6%。过度采伐时段（1995—2004年）平均降水量只有563.8 mm，比30年平均降水量少47.6 mm，少7.8%。

图3 小兴安岭5个测站1985—2014年逐年平均降水量Fig.3 Annual average precipitation from five stations in Xiaoxing’an Mountains from 1985 to 2014

同样，对过度采伐时段（1995—2004年）与停止采伐时段（2005—2014年）两组各10年降水量数据进行差异性分析。F值3.069691，F crit值4.413873，P-value值0.096783，可见，F＜F crit且P-value＞0.05，两组数据无差异，没有通过0.05的显著性检验。说明两个年代的降水量组间无差异。

2.3 平均风速

空气的流动产生风。在高空中，气流受到的摩擦小，风速大；而在地面上，受地表摩擦的影响，风速减小。森林作为地表植被，其增大了地表摩擦力，风入森林后，由于摩擦和阻挡作用，风速很快减小，森林附近风速也比空旷地区小[17]。森林对减少风灾、固化土壤、防风沙起到了积极的作用[18]。表1中数据表明：停止采伐时段（2005—2014年）小兴安岭的平均风速比过度采伐时段（1995—2004年)、轻采伐时段（1985—1994年）及全部30 a（1985—2014年）的平均风速小14%～23%不等。

分析小兴安岭5个测站1985—2014年年平均风速逐年变化情况，1985—1999年，年平均风速大多大于30 a平均值，2000—2005年，年平均风速在平均值左右，2006—2014年年平均风速大多低于30 a平均值。平均风速呈现逐年下降的趋势。天保工程前后相比，平均风速下降0.40 m/s。天保工程后禁伐年代平均风速在三个年代中最小。

过度采伐时段（1995—2004年）与停止采伐时段（2005—2014年）两组各10年年平均风速数据进行差异性分析。F值9.990825688，F crit值5.117355，P-value值0.011535，可见F＞F crit且0.01＜P-value＜0.05，两组数据有差异，通过了0.05显著性检验。两个年代的平均风速组间差异显著。

2.4 日照时数

日照时数的多少，反映的是天空云量的多少，云量多，日照少，反之，云量少，日照多。森林在此关系中的作用主要是林木的蒸腾作用产生水汽，水汽扩散到空中，增加了云形成过程中需要的水分，从而使云量增加。分析小兴安岭5个测站1985—2014年日照时数逐年变化情况，30年中，1985—1992年，日照时数处于较少阶段，1993—1999年日照时数正常，2000—2008年日照时数较多，2009—2014年日照时数降至平均值以下，呈现少－多－少的态势。从天保工程前后对比看，停止采伐时段（2005—2014年）年平均日照时数比过度采伐时段（1995—2004年）少88.8 h，相当于每天少0.24 h的日照。

对过度采伐时段（1995—2004年）与停止采伐时段（2005—2014年）各10年逐年日照时数进行差异性分析。F值15.14740184，F crit值5.117355，P-value值0.003664，可见F＞F crit，P-value＜0.01，两组数据有差异，通过0.01显著性检验，两个年代的日照时数组间差异极显著。

3 天保工程区域与非天保工程区域气候变化对比

单纯研究某地的气候变化，使用不同时期的温度和降水等气候要素的统计量的差异来反映就可以了，但是，要研究这种变化与人类活动的相关性，就必须对某一具体的人类活动的影响存在与否进行空间对比分析，才能得出此种人类活动是否和气候变化具有相关性。针对本研究而言，在研究天然林保护工程对气候变化的影响过程中，不仅要研究小兴安岭气候的时间序列变化，还要与非林业区域（没有进行天然林保护工程）进行对比分析，进而在剔除气候自然变率的情况下，分析小兴安岭天保工程区域与周边非天保工程区域气候变化的特征。

选取哈尔滨、黑河、牡丹江、齐齐哈尔、绥化、双鸭山6个非天保工程区域测站与小兴安岭进行对比分析。测站分布见图1。

3.1 温度空间对比分析

研究表明，森林内气温变化和缓，白天林内阳光弱，树木蒸腾耗热，导致森林内温度低于森林外，而这种低温状态的常年累积，对整个林区的温度降低是有贡献的[19]。整体上看，1985—2014年小兴安岭平均气温比周边6个地市平均气温低2.2 ℃，小兴安岭三个年代的平均气温分别是0.90 ℃、1.37 ℃、1.14 ℃，从过度采伐年代到禁伐年代平均气温下降0.23 ℃；同时期，6个周边区域三个年代的平均气温分别是3.01 ℃、3.60 ℃、3.54 ℃，从过度采伐年代到禁伐年代平均气温下降0.06 ℃。可见，天保工程前后小兴安岭气温下降幅度远大于周边区域（图4）。

图4 小兴安岭5个测站与周边6个地市逐年平均气温变化Fig.4 Comparison of annual average temperature between Xiaoxing’an Mountains and the surrounding six cities

3.2 降水空间对比分析

对小兴安岭天保区和周边6个非天保区1985—2014年平均降水量统计分析（图5），小兴安岭降水量比6个地市降水量多81.6 mm，多15.4%。从天保前后对比看，6个地市的平均降水量，过度采伐的10年（1995—2004年）比轻采伐时段（1985—1994年）减少68.2 mm，减少12.2%，同期小兴安岭减少72.9 mm，减少11.4 %。6个地市的平均降水量在停止采伐的10年（2005—2014年）比过度采伐时段（1995—2004年）增加49.7 mm，增加10.1%，而小兴安岭同期增加69.8 mm，增加12.4%。小兴安岭降水量比6个地市同期多增加2.3个百分点。小兴安岭和6个地市降水量在天保工程后同时增加，说明天保工程后这10年处在多水气候背景中，但是天保工程也起到了一定的作用。

图5 小兴安岭5个测站与周边6个地市逐年平均降水量变化Fig.5 Comparison of annual average precipitation between Xiaoxing’an Mountains and the surrounding six cities

3.3 平均风速空间对比分析

对小兴安岭天保区和周边6个非天保区1985—2014年平均风速统计分析（图6），小兴安岭的平均风速比6个地市平均风速小0.5 m/s。逐年变化看，小兴安岭和周边6个地市平均风速均为下降趋势；从天保工程前后看，禁止采伐10年比过度采伐10年平均风速，小兴安岭下降0.40 m/s，6个地市平均下降0.59 m/s。

图6 小兴安岭5个测站与周边6个地市逐年平均风速变化Fig.6 Comparions of annual average wind speed between Xiaoxing’an Mountains and the surrounding six cities

3.4 日照时数空间对比分析

对小兴安岭天保区和周边6个非天保区1985—2014年日照时数统计分析（图7），30年平均年日照时数，小兴安岭比6个地市少189.5 h，少7.4%；天保工程前后相比，6个地市日照时数减少和小兴安岭日照时数减少相同，均为88.8 h，减少3.5%。

图7 小兴安岭5个测站与周边6个地市逐年日照时数变化Fig.7 Comparison of annual sunshine hours between Xiaoxing’an Mountains and its surrounding six cities

4 天保工程前后，同纬度气象数据对比

选取与伊春站（天保工程代表站）近似同纬度的非天保工程区域的甘南站（位于齐齐哈尔市北部）和饶河站（位于双鸭山市东北部）气象站数据，与伊春站进行对比（表3），天保工程这10年甘南温度下降0.15 ℃，伊春温度下降0.04 ℃，饶河温度上升0.15 ℃；降水情况是：伊春、甘南、饶河降水量均是增加的，伊春增加幅度11.4 %，甘南8.3 %，饶河10.7 %，伊春增加幅度最大，甘南最小；风速上看，伊春、甘南、饶河均减小，伊春减小幅度18.5 %，甘南22.8 %，饶河23.4 %，甘南和饶河减少幅度大于伊春；日照时数，天保工程10年，甘南、饶河日照时数是增加的，分别增加2.8%和2.0%，伊春日照时数减少，减少了12.1%。

表3 同纬度3个站各时段温度、降水量、风速、日照时数对比Table 3 Comparison of decadal variation of temperature,precipitation,wind speed and sunshine duration from the three stations at the same latitude