1957—2014年翁牛特旗气候要素和沙丘活化指数的变化

柳本立, 张 巍

(1.中国科学院 西北生态环境资源研究院, 沙漠与沙漠化重点实验室/敦煌戈壁荒漠生态与环境研究站, 甘肃 兰州 730000; 2.内蒙古赤峰市翁牛特旗林业局, 内蒙古 赤峰024500)

1957—2014年翁牛特旗气候要素和沙丘活化指数的变化

柳本立1, 张 巍2

(1.中国科学院 西北生态环境资源研究院, 沙漠与沙漠化重点实验室/敦煌戈壁荒漠生态与环境研究站, 甘肃 兰州 730000; 2.内蒙古赤峰市翁牛特旗林业局, 内蒙古 赤峰024500)

[目的] 研究位于科尔沁沙地的内蒙古自治区翁牛特旗沙丘活化指数变化，为该区的沙漠化防治提供依据。[方法] 根据翁牛特旗1957—2014年的气候资料，分析近60 a来该旗影响沙丘活化和沙漠化发展的主要因子特征，计算多年沙丘活化指数的变化。[结果] 该旗气候呈现降水减少，气温升高，风速降低的趋势，且1998年以来变化更为剧烈；多年沙丘活化指数M值持续减小，1998年以来相对1997年以前减小了34%，其中春、秋、冬季分别下降了28%，32%和38%，夏季M值上升了7%以上，但绝对值仅为13，影响不显著。[结论] 沙丘活化指数的变化表明该区气候有利于沙丘在自然条件下的固定和沙漠化的逆转，但仍然远高于沙丘固定的阈值，满足沙丘完全活化的条件，气候暖干化也将进一步加剧水资源短缺的矛盾，需要人为的沙漠化防治工程的合理干预，才能实现沙区治理的目标。

翁牛特旗; 沙丘活化指数; 气候变化; 沙漠化

文献参数： 柳本立, 张巍.1957—2014年翁牛特旗气候要素和沙丘活化指数的变化[J].水土保持通报，2017,37(1)：270-273.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.047； Liu Benli, Zhang Wei. Changes in climatic factors and dune activity index at Ongniud Banner during 1957—2014[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：270-273.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.047

中国北方广大的沙漠、沙地以及沙漠化问题，由于其对生态、大气、环境、经济社会等诸多领域的重要影响，已经得到了越来越广泛的关注[1-2]。在全球气候变化的大背景下，干旱区降水可能进一步减少，极端气候事件的概率将增加，气温、风力等土壤风蚀和沙漠化的控制因素也将持续变化[3-5]。气候因素始终是沙漠化发展的主要驱动力和控制因素[6]；气候变化可迅速引起沙丘状态的改变，因此对气候要素进行分析是研究气候和环境变化影响的基本方法；沙丘活化是沙漠化发展的显著标志，对与之毗邻的农林生态系统和人居环境形成直接威胁[7]。将影响沙丘活化的气候指标参数化为沙丘活化指数，可较为直观地分析和预测风沙区沙漠化发展的趋势[3]。

科尔沁沙地是中国北方土地沙漠化最严重的地区之一，内蒙古自治区翁牛特旗是科尔沁沙地较严重的沙区[8-9]。开展该区域的沙漠(地)综合治理，解决当地严重的沙化问题，使得林草资源和生态环境状况得到有效改善，不让沙化成为当地农牧业经济发展停滞的因素，从而使当地民众摆脱贫困，实现小康，对建立京津和辽沈地区重要的生态屏障和改善区域生态环境有重要的意义，同时也为国家生态安全做出贡献。在京津风沙源治理、退耕还林两大生态基础工程的推动下，翁牛特全旗沙化土地面积由2005年末的7 178 km2减少到4 849 km2，但尚有超过2 000 km2沙地未得到治理，这些沙地主要分布在距离村庄、公路较远的偏僻地区，多为流动沙地，且集中连片，治理难度较大，局部地区沙化加剧趋势十分严重，防沙治沙形势依然十分严峻。该区域目前呈现明显的暖干化趋势，在中国各沙区中趋势最明显[10]，自然条件可能不利于生态恢复工程的开展[11]。掌握全球气候背景下影响沙丘活化的气候条件变化特征，是开展沙漠化防治工作的必要前提[12]。本文拟基于对翁牛特旗1957—2014年历史气象资料，对该旗年际和年内降水、气温和风速等条件进行分析，使用沙丘活化指数模型对沙漠化发展的气候因素进行评价，以期为该旗以及科尔沁沙地的沙化区综合治理规划提供依据。

1 资料来源与研究方法

1.1 研究区概况

内蒙古赤峰市翁牛特旗位于大兴安岭山脉西南段与七老图山脉北端结合地带，科尔沁沙地西南缘横贯中东部，地处东经117°49′—120°43′，北纬42°26′—43°25′，北隔西拉沐沦河与赤峰市阿鲁科尔沁旗、巴林左旗、巴林右旗、林西县以及通辽市开鲁县相望，西与赤峰市克什克腾旗相连，东南与赤峰市敖汉旗及通辽市奈曼旗毗邻，南与赤峰市松山区接壤；西部为中山熔岩台地区，海拔1 000～2 000 m，中部为低山丘陵侵蚀区，海拔500～1 000 m，东部为风沙区，海拔300～500 m。该地属中纬度温带半干旱大陆性季风气候，大陆性显著，四季分明。

目前，全旗11 820 km2总土地面积中，沙化土地面积占全旗总土地面积的40.8%，占赤峰市全市沙化土地面积的25.5%，其中流动沙地1 017 km2，半固定沙地837 km2，固定沙地2 949 km2，主要分布在旗中、东部。

1.2 气象数据获取

获取了翁牛特旗1957年1月至2014年12月的完整月气象数据，包括月均气温T，月降水量P，月均风速U。数据来源为中国气象科学数据共享服务网。

1.3 沙丘活化指数计算

使用Lancaster提出的模型计算翁牛特旗的无量纲沙丘活化指数(M)[13]。该模型使用参数直观且容易获取，能够表达地表的抗蚀性和气候因子的可蚀性，可获得年际和年内的指数变化[3]。计算出的M值是风力、降水、气温条件的综合指标，该值小于50代表气候条件可使沙区植被增多、沙丘固定，50～100代表半固定沙地气候，100～200代表半流动沙地气候，大于200则代表气候条件可使沙丘完全活化成为流动沙地。

该模型表达方式为：

M=W/(PM/PE)

(1)

式中:W——风力因子;PM——降水因子;PE——蒸散发因子;W——关于月均风速的函数W∝U3；PM取当月与前月降水量的均值，以表达降水对土壤风蚀影响的延迟效应[6]，即：

PM=(P-1+P0)/2

(2)

式中:P-1——前月降雨量(mm);P0——当月降雨量。

PE根据Thornthwaite公式计算获得[14]，其表达式为：

PE=1.6(L/12)(N/30)(10T/I)α

(3)

式中:L——各月的平均日照长度(h)；N——各月天数(d)；T——月均气温(℃)，小于0按0计；I——热量指数；α——关于I的系数。

L是关于某地维度φ和太阳入射角度δ的函数，计算方法为：

(4)

I是各月气温Ti的函数，计算方法为：

(5)

系数α的计算方法为：

α=6.75×10-7I3-(7.71×10-5)I2+ (1.792×10-2)I+0.492 39

(6)

由于研究区冬半年月均温低于0 ℃的时间可长达5个月，也有冬季连续2月无降雨的情况发生，这将导致PM或PE等于0而M无法计算。因此借鉴联合国粮农组织和环境规划署依据P/PE比值提出的干旱区划分阈值，将计算中PM/PE的下限设定为0.2[15]，以保证计算正常进行，同时能够表达冬季干旱月份将水稀少、M值较高的特征。该改进方法已经在有类似气温和降水特征的青藏高原得到成功应用[16]。

对气温、降水、风速数据和计算获得的M值进行逐年和分季度统计，并分别进行线性回归，获得各要素在过去近60 a的变化率。

2 结果与讨论

2.1 降水变化

结果表明，翁牛特旗多年平均降水量为353 mm，年内集中分布在夏季，占全年降水量的69%，春季和秋季分别为14%和15%，冬季仅占1%(图1)。多年降水有明显的减少趋势，全年降水的10 a变化率为-14.1 mm/10 a；降水减少主要集中在夏季，变化率-16.6 mm/10 a，秋季为-1.3 mm/10 a，冬季基本稳定，春季则有增加，变化率为4.0 mm/10 a。

图1 1957—2014年翁牛特旗降水变化

降水的变化在1997年之后最为显著，1998—2014年的降水量为295 mm，比多年平均值少57 mm，比1997年之前减少了22%，其中夏季减少达到27%。夏季是该区域生物量增加最迅速的季节，而这一时期降水的显著减少将加剧该区的水资源短缺问题，不利于植物的生长和防风固沙工作的成效。

2.2 气温变化

如图2所示，翁牛特旗多年均温为6.3 ℃，夏季平均温度为21.4 ℃，冬季为-10.3 ℃，7与1月均温差达到34.4 ℃。年均温呈持续升高趋势，变化率为0.23 ℃/10 a，各季节趋势与全年相近，春节略高，为0.26 ℃/10 a，秋季较低，为0.21 ℃/10 a。1997年之后的变化趋势与多年平均趋势有所差异，1998—2014年春季均温相对1997年之前升高了0.13 ℃，升温明显，秋季次之，夏季趋于稳定，但冬季降低了0.03 ℃，表明近年来春季气温升高最为迅速。由于春季干旱，地表物质松散干燥，植被稀疏，抗风蚀能力最弱，而升温将导致土壤蒸散发增加，地表水分进一步流失，不利于自然植被的生长和沙丘的固定。

图2 1957—2014年翁牛特旗气温变化

2.3 风速变化

如图3所示，研究区年多年平均风速为3.0 m/s，春季最强，为3.8 m/s，冬季次之，为3.2 m/s，夏秋季节最弱。全年和各季度风速均呈降低趋势，平均风速变化率为-0.1(m·s-1)/10 a，但低于内蒙古自治区全区域的平均降幅[17]。冬春季节降低更显著，为-0.18和-0.14 (m·s-1)/10 a，夏秋季节减弱不明显。1998年以来，冬季风速有加速降低的趋势，相对于1997年之前平均风速降低了11%，而夏季则呈现弱的增加趋势。这表明近年来各季节风速变化趋势不同，但夏秋季节由于植被生长状况好，降水量高，地表稳定，微弱的风速波动对沙丘活化和沙漠化影响不显著，而冬春季节风速的明显降低则有利于沙丘的稳定。

2.4 沙丘活化指数

如图4所示，研究区冬春季节降水稀少、植被盖度低，风能又最集中，风蚀和沙尘活动最易发生，因此M值高，而夏秋季节低。多年平均M值达到1 100，说明该地区自然条件下沙丘可完全活化，沙漠化可进一步发展；M值的季节分布中，冬季占54%，春季占31%，秋季为14%，夏季仅为1%。

图3 1957—2014年翁牛特旗风速变化

虽然研究区全年平均降水减少、气温升高，但由于风速降低，因此多年M值仍表现出持续下降趋势，递减率为-22.2/10 a。这是由于M与风速的3次方成正比，对风速变化更为敏感。春季由于降水也呈现增加趋势，因此M值降低显著，递减率位-7.7/10 a。夏季虽然降水减少显著，但风速也有降低，且由于这一时期M值原本较低，因此M值绝对变化不大，递减率为-0.1/10 a。秋季气候要素变化与夏季相似，但M值基数较大，减小速率较高，递减率为-1.8/10 a。冬季由于风速降低最显著，因此M递减率最高，为-12.6/10 a。

1998年以来的M值由1997年之前的1 222下降为808，降低了34%，其中春、秋、冬季分别下降了28%，32%和38%。夏季由于近年来降水减弱明显，M值上升了7%以上，但绝对值仅为13，影响不显著。这表明，虽然研究区的沙丘活化指数仍然较高，存在沙漠化发展的自然条件，尤其是降水减少和温度升高将对区域农业和畜牧业生产带来不利影，但总体的气候条件变化有利于沙丘的固定，目前通过实施适当的防风固沙和生态建设工程，更容易取得良好的效果。

图4 1957—2014年翁牛特旗沙丘活化指数变化

3 结 论

通过对气候要素和沙丘活化指数分析表明，近60 a来翁牛特旗的气候有降水减少、气温升高、风速降低的特点，各季节有差异，1998年以来变化更为剧烈。由于沙丘活化指数对风速更为敏感，因此多年M值持续减小，1998年以来相对1997年以前减小了34%，有利于沙丘的在自然条件下的固定和沙漠化的逆转。但该区M值仍然较高，主要集中在春季节，满足沙丘完全活化的条件，因此开展防风固沙工程建设、促进沙区生态、经济、社会协调发展依然面临压力，尤其是存在水资源可利用性不断减小的问题。应尊重自然规律，强调协调发展，推动该地区生态文明建设和京津风沙源治理工作。

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Changes in Climatic Factors and Dune Activity Index at Ongniud Banner During 1957—2014

LIU Benli1, ZHANG Wei2

(1.DunhuangGobiDesertEcologicalandEnvironmentalResearchStation,NorthwestInstituteofEco-EnvironmentandResources,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou，Gansu730000,China; 2.ForestryBureauofWengniuteCountry,Chifeng,InnerMongolia024500,China)

[Objective] The historical change of dune activity index of Ongniud Banner in Horqin sandy land in Inner Mongolia was studied, aiming to provide guidance to control desertification in this area. [Methods] The climatic factors influencing dune activity and desertification were analyzed, and the dune activity index was calculated based on historical meteorological records from 1957 to 2014. [Results] The climatic condition had a clear changing trend which was more obvious since the year of 1998 with reducing precipitation, increasing temperature, and declining surface wind speed. The dune activity index after 1998 was 34% less than that before 1997 with seasonal changes of -28%, -32% and -38% during spring, autumn and winter. The summer index increased 7% after 1997 but had limited influence on the yearly trend due to its low absolute average value of 13. [Conclusion] The changes in dune activity index indicated a more appropriate climate for fixing sand dunes and reversing desertification, however, sand dunes could still be fully activated under the current nature environment. The drier and warmer climate will further intensify the water shortage problem. Artificial desertification control measures need to be proposed to improve the natural environment in the Horqin sandy land.

Ongniud Banner; dune activity index; climatic change; desertification

2016-06-21

2016-07-16

国家自然科学基金青年资助项目“基于复合指纹法的党河水库淤积物来源定量判别研究”(41501008); 中国博士后科学基金面上项目“青藏高原沙漠化产生的气候动力过程研究”(2014M550518); 中国科学院“西部之光”人才培养引进计划“干旱区水库泥沙来源的定量判别研究：以党河水库为例”

柳本立(1986—),男(汉族),河南省漯河市人,博士,副研究员,主要从事风沙地貌和风沙工程研究。E-mail:liubenli@lzb.ac.cn。

A

1000-288X(2017)01-0270-04

P931.3