基于SPI的黑龙江省西部地区荒漠化影响研究

刘琳 陈文龙 周锋 王永超

摘要 黑龙江省西部地区是我国人口密度较高的沙化区，也是我国重要的商品粮生产基地，受自然地理和气候条件的影响，是黑龙江省荒漠化严重地区和生态脆弱地区。近年来受气候和气候变化等因素的影响，该区域的荒漠化程度日趋严重，给当地农牧业生产和人民生活带来了严重影响，造成该区域生态性贫困。基于黑龙江省西部区域1903—2017年的气候资料，应用标准化降水指数（SPI），采用小波分析和对比分析法分析了黑龙江省西部地区气候变化的背景和影响其荒漠化的气象要素变化规律。结果表明：20世纪80年代以来的气候变暖事件，以及在这一变暖事件下发生的水汽环境变化，是黑龙江省西部地区荒漠化的影响机制;24年左右的降水量周期变化是该区域荒漠化呈明显波动变化过程的主要原因。该研究揭示了气候变化对黑龙江省西部地区荒漠化过程的影响机制，提出了应对气候变化对黑龙江省西部地区荒漠化影响的预防措施。

关键词 气候变化;荒漠化;影响机制;生态环境

中图分类号：TP79 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2021）04–0142–05

气候的干湿状况是表征区域环境特点的重要指标[1]。气候变化导致的地表蒸散量、降水、径流等水环境因子的改变，必然会对气候的干湿状况产生重要影响，进而对森林、草原、湿地、农田等生态系统产生重大影响[2-3]。

黑龙江省西部地区是我国人口密度较高的沙化区，也是我国重要的商品粮生产基地，受自然地理和气候条件的影响，该地是黑龙江省荒漠化严重地区和生态脆弱地区。特别是每年春夏季，西南大风肆虐，林木受损严重，地表侵蚀和土壤养分流失加剧，农作物歉收，地下水位持续下降，土地沙化和草场退化加剧，严重影响了当地经济社会可持续发展能力，制约了乡村振兴。近年来，因风灾、沙害叠加和地下水位快速下降，黑龙江省西部地区生态状况进一步恶化，给当地农牧业生产和人民生活带来了严重影响，造成该区域生态性贫困。区域性的荒漠化进程是与当地的气候背景紧密联系的。该区域的荒漠化进程，在很大程度上是由其水环境状况决定的，而其水环境状况变化与该区域的气候变化直接相关，因此，黑龙江省西部地区的水环境变化也是气候变化最敏感、最强烈的信号。明确在气候变化的背景下黑龙江省西部地区的干湿变化特征，为更好地预测气候变化对黑龙江省西部地区生态环境的影响，以及这种影响对该区域的荒漠化进程的机理研究具有明确的指导意义。

随着对气候变化的关注度提高，对典型区域的气候干湿状况的变化及由其引起生态变化的敏感性正在受到越来越多的关注。张立杰等[4]利用SPI和SPEI指数探讨了西江流域1959—2016年干旱的时空演变特征及干旱指数的表征差异;郭昭滨等[5]采用SPI指数分析了大兴安岭林区1974—2016年气候干湿状况的变化规律，指出进入21世纪以来，该区域气候干湿波动变化趋于剧烈，有利于森林火灾发生的方向演变;吴绍飞等[6]采用7种不同的分布函数，拟合了淮海流域30个气象站1951—2013年的逐月降水资料，计算了最优模拟值在不同尺度下的SPI及其对比偏差。这些气候干湿状况的研究多基于SPI在一定区域的时空分布特征及对农业生产的影响，在区域性的荒漠化进程的研究相对较少。

由于标准化降水指数（SPI）具有计算资料需求少，适用于多时间尺度，良好计算稳定性等优点，而越来越多地作为反应典型区域气候的干湿状况变化的指标来使用[7-8]。选取标准化降水指数（SPI），利用黑龙江省沙化区北部边缘区域的齐齐哈尔气象站1903—2017年间的逐月降水资料，对该区域气候干湿状况的历史变化特征进行分析，以期为该区域生态环境治理与修复提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区域

本研究中的黑龙江省西部地区指位于124°E以西至西部的大兴安岭东麓之间的狭长地带，涉及黑龙江3省（自治区）内的2个地级市中的13个县（旗、市、区），幅员面积3.28 万km2。

1.2 自然地理概况

1.2.1 地形地貌 研究区域位于东北平原的西北部，呈浅山丘陵沙丘与洼地相间、微波起伏的风沙地貌特征。地势西高东低，海拔 140～250 m 。沙丘从西向东、从西南向东北，以流动沙丘为主逐渐过渡为半固定、固定沙丘;荒漠化程度循从西向东、从西南向东北方向减轻。部分地区已出现明显的沙漠化趋势。

1.2.2 氣候特征 研究区域处于温带范围，位于东亚季风影响区域的最北端，属于温带大陆性季风气候，是中国湿润的东部季风区和干旱的内陆之间的过渡带。主要特点是：冬寒漫长，春干风大，夏热多雨，秋凉霜早;7月均温20℃～23℃，1月均温-24℃～-19℃。10℃以上活动积温2 500℃·d～2 900℃·d，由南向北递减;年降水量380～450 mm，由南向北递增;降水量多集中于暖季（5—10月），雨量高峰在7月、8月，年降水变率不大，为 20%左右;年蒸发量1 500～1 700 mm，为降水量的3～4倍。

1.2.3 土壤条件 研究区域土壤类型较多，主要有暗棕壤、棕壤、黑土、黑钙土、草甸土、盐碱土、风沙土、褐土等，其中以风沙土、草甸土、黑钙土和黑土为主。风沙土分布广泛，主要分布在嫩江下游高河漫滩一级阶地及湖泊边缘地带，多为上更新纪和近代的冲击沙层，质地一般为细沙，含有石英、长石等矿物。在嫩江沙地上的风沙土既是沙区耕地的主要土壤，又是重要的牧业、林业用地。随着人口增加，农牧业的发展对风沙土整治和开发利用显得尤为重要。

1.2.4 植被 研究区域为温带森林草原、草甸草原和干草原分布区，以耐旱的羊草、贝加尔针茅等为典型植物种。该区域植物种类受水热条件的综合控制，具有从东南向西北递减的趋势。人工植被分布数量东部明显多于西部，天然植被和人工植被的质量北部优于南部。农作物主要有玉米、水稻、大豆、花生、杂粮杂豆等。

本区地处农牧交错区，气候干旱，风沙危害重，植被稀疏低矮，农田和牧场防护林退化严重，加之长期受过度放牧、过度开垦和樵采等不合理人为活动干扰，草场退化、土壤盐渍化危害严重，生态极度脆弱。

1.2.5 水资源及其开发利用状况 流经研究区域的主要河流有嫩江及其支流，水量丰沛，同时区域内还有大片湖沼湿地和大小不一的小型湖泊分布。虽然区域内的水资源相对丰富，但一年之内流量变化幅度大，汛期（6—8月）流量占全年流量的70%，其中7月、8月的流量约占全年的一半以上。10月—次年5月为枯水期，其中11月—次年3月为封冻期，12月—次年3月的流量占比不到10%。春季（4—5月）流量约占10%。

由于流量小，很多河流成为季节性的时令河，平时水浅或完全干涸，受季节性变化影响大，每到汛期河水暴涨，水流急剧，有时泛滥成灾。同时，由于过去滥伐树木，开垦陡坡，破坏了天然植被，致使河水含沙量逐渐加大。

1.3 资料来源

选取黑龙江省沙化区北部边缘区域的齐齐哈尔气象站1903—2017年间的逐月降水资料，以及区域内的泰来、齐齐哈尔、杜尔伯特、富裕、龙江、甘南、龙江气象站1961—2017年1—12月的气象要素作为黑龙江省西部荒漠化地区气候分析的基础数据。

1.3.1 标准化降水指数（SPI）及干湿等级划分 考虑到研究区域植被生长的实际情况，将研究时段划分为两种情况：一是植被生长阶段5—9月;二是年降水量。采用WMO推荐的计算方法，计算5个月和12个月尺度的SPI值，分别记为SPI5和SPI12，由SPI值划分的干湿等级见表1[9]。

2 黑龙江省西部荒漠化地区干湿变化的时空特征

2.1 黑龙江省西部荒漠化地区115年干湿变化特征

近115年黑龙江省西部荒漠化区域年SPI具有明显的年际变化（图1），其中1934年SPI最大，达3.19，1925年降水最小，为-2.14;在1903—2017年间呈增长的趋势，平均每10年增加0.09，有向湿润化方向变化的趋势，但趋势变化并不显著。从SPI分布趋势看（表1）接近于正态分布，但重涝和特涝出现率及严重程度明显高于重旱和特旱。

图2是黑龙江省西部荒漠化地区年SPI小波系数的实部时频图分析，在黑龙江省西部荒漠化地区近115年（1903—2017年）年SPI存在着明显的年代际尺度的周期变化，以24年左右的周期信号最为明显，且这个周期贯穿全域，是黑龙江省西部荒漠化地区年SPI的基本背景，在2005年以后这个周期有减弱的趋势。在1903—1970年中还有1个18年的周期，在1970年以后被1个14年的周期替代。在1903—1960年中还有1个6年左右的短周期，其后的短周期变化在4～8年之间跳跃，呈不稳定特征。另外还有1个56年以上的长周期，但根据功率谱图显示，这个周期的贡献率不大。从总体上说，24年左右的周期变化是黑龙江省西部地区荒漠化过程的主要气候背景因子。尽管115年来SPI总体上没有明显增加或减少的趋势，黑龙江省西部荒漠化地区的干湿年际变化似乎也不是导致荒漠化加剧的直接原因;但SPI指数存在有阶段性特征和突变性特征，极端降水事件的强度和频率也呈增加趋势，干湿度在年度内越来越集中或集聚的分布态势对黑龙江省西部荒漠化地区生态系统产生了很大的冲击。

2.2 黑龙江省西部荒漠化地区干湿变化的时空特征

黑龙江省西部荒漠化区域的1961—2017年间7个站点的气候干湿状况存在一定的差异（图3）。在年尺度上，杜尔伯特站SPI的倾向率为-0.028/10 a，即1961～2017年杜尔伯特站呈现为不明显的干旱趋势。而其余6个站均呈县趋于弱的湿润化变化过程。倾向率在空间分布上也具有一定的差异性，即西南部的湿润性倾向率比东北部的倾向率明显偏小。

3 黑龙江省西部地区干湿变化对荒漠化影响

黑龙江省西部荒漠化区域的年平均降水量在412～453 mm，处于半干旱地区到半湿润地区的过渡带上，荒漠化区域的生态系统极易受到气候变化及其他人类活动的影响，气象水文特征的微小变化会导致生态系统的变化。荒漠化区域的表层是东北地区典型的黑土，厚度在30～70 cm。考虑到荒漠化区域的特殊环境，单一的年际干旱对于荒漠化过程的影响一般不会很明显，而持续性干旱和洪涝过程造成的水土流失将给荒漠化的恢复过程造成不可逆的影响。而SPI指数在一定程度上能够较好地反映出干旱和洪涝的持续时间、烈度和强度。

由于在黑龙江省西部荒漠化区域115年干湿变化特征分析中，有1个6年左右的短周期变化过程，在分析中采用连续3年SPI滑动平均（图4），反映在不同阶段旱涝影响的持续过程。在1961—2017年间连续3年SPI滑动平均有明显的持续性，在1970—1980年间为1个持续的干旱阶段，虽然其干旱强度不是历史上最强的，但持续性是最明显的;在1981—1995年間为1个持续的湿润阶段，黑龙江省西部荒漠化区域水环境得到了明显的改善，但发生了5次流域性洪水;在1996—2004年间也是1个干旱阶段，但由于气候变暖等不确定原因，这一阶段干旱与湿润存在着交替性;在2000—2003年间出现了历史上最强的干旱，黑龙江省西部荒漠化区域的黑土层形成了明显的退化;另一个湿润阶段出现在2009—2015年间，是湿润度最明显的阶段，之后将转入一个新的干旱阶段的趋势已经显现。据实地调查，虽然经过了2009—2015年间的湿润期，黑龙江省西部荒漠化区域黑土层的退化并没有得到有效的遏制，这其中的主要原因还是人类生产过程的影响远大于自然的恢复能力。

4 讨论与结论

4.1 讨论

4.1.1 下沉焚风效应导致区域高温少雨 项目区以西是呈南-北走向的大兴安岭，在大兴安岭东缘向黑龙江省过渡时，由于中生代时期，侏罗纪后期至白垩纪后期的“燕山运动”，使本区出现强烈的褶皱、断裂，加之西伯利亚板块与中国板块挤压、相撞，大兴安岭褶皱带进一步上升，形成新华隆起带和阶梯式断裂带，主轴呈北北东向展布。这一断裂带使海拔由1 000～1 200 m急剧降为100～150 m。当西风气流翻越大兴安岭时，在东坡形成了明显的下沉焚风效应。空气下沉过程是干绝热过程，在干绝热条件下海拔每下降100 m空气温度上升0.98℃，而在正常情况下海拔每下降100 m空气温度仅上升0.68℃。大兴安岭脊线到东部的山脚（项目区）大约有1 000～1 200 m的高度差，西风气流导到项目区出现3℃左右的增温效应，通过对该区域多年≥10℃·d积温的分析，使项目区的平均气温明显高于同纬度的其他区域（图5～图7），通过对该区域多年≥10℃·d积温的分析，可知增温效应大约在大兴安岭东麓山脚向东延申150 km左右。

4.1.2 地形效应导致大风频发 在地形的作用下，下沉的西风气流逐渐左偏，导致西南风成为该区域春季的一个主要盛行风向（图3）。另外，因西部是大兴安岭，东部是长白山脉，东北部是小兴安岭，项目区从南到北呈抬升趋势，特殊的地形形成狭管效应，导致项目区春季易出现西南大风。以齐齐哈尔市为例，建国初期，8级以上大风年平均达28 d，近30年春季8级以上大风年平均为10.2 d，最大风速达25 m/s（1983年4月29日）。

4.1.3 降水量与蒸发量的极端不平衡导致春旱严重 焚风效应、狭管效应等综合原因引起区域降水量与蒸发量极端不平衡，进而导致春旱严重，严重影响植物生长发育。根据分解的彭曼公式，一个区域的蒸发量与这个区域的温度呈正相关，与风速呈正相关，项目区的最大降水量出现在7月、8月，而最大蒸发量出现在5月、6月，而且蒸发量春季比降水量高3倍左右，使项目区出现降水量与蒸发量的不平衡（图4），而这种不平衡现象在春季表现最为明显，这是项目区春季干旱形成的主要气象成因。

4.1.4 农业过渡开发导致生态恶化 项目区是我国人口密度最高的沙化区，也是我国重要的商品粮生产基地，2017年项目区粮食产量占全国粮食产量的5%（项目区面积占全国面积的1.2%）。近年来，项目区农业发展迅速，过度开采地下水发展高耗水农业，导致地下水水位快速下降，防护林过早退化，生态环境恶化。另外，农业的过渡开发，也使土壤的有机质含量快速降低，土壤沙化加剧，土壤含水能力退化，抗旱能力减弱。据调查，齐齐哈尔市的土壤的有机质平均含量由20世纪的60～70年代的5%～6%，下降到目前的不足1%，近几年每年地下水位下降量都超过0.3 m。例如，泰来县的自来水2号井监测站的监测数据显示，2006年枯水期（5月21日）地下水埋深为3.44 m，2018年枯水期（5月21日）地下水埋深为9.57 m。

4.1.5 上游植被退化导致项目区生态恶化 第二次森林资源清数据（1977—1981 年）显示，黑龙江省平均公顷蓄积约为94 m3;第七次连清数据（2004—2008 年）显示，黑龙江省平均公顷蓄积不到79 m3。从东北地区卫星遥感图也可以反映出大兴安岭中部、南部地区森林植被退化严重。森林资源质量的下降导致涵养水源能力下降，对发源于该区域的河流水量调节作用显著减弱，部分河流出现季节性断流。

4.2 结论

半干旱地区的农业生态系统极易受到气候变化及其他人类活动的影响，气象水文特征的变化会导致农业生态系统的变化。通过对黑龙江省西部地区115年的气象要素分析表明，近50年来，该区的气温呈波动式上升趋势，特别是从20世纪80年代后期以后，这种变暖的趋势更为显著，加剧了该区域水平衡的演变;与气温变化相比，该地区降水的趋势变化虽不明显，但周期性变化过程显著，持续性的干旱少雨使土壤长期得不到水源补给，土壤蓄水量显著下降。虽然人類生产活动是影响荒漠化的主要驱动因素，但是气候变化是影响荒漠化的有力推手，由于气温呈波动式上升，黑龙江省西部区域的蒸散量加大，土壤缺水现象将日趋严重，导致荒漠化加剧。

特别是气象要素在中小尺度上时空分配状态的变化和局地气候特征的改变也是引起荒漠化的原因和驱动力，尽管115年来年降水量总体上没有明显增加或减少的趋势，降水的年际变化似乎也不是导致荒漠化加剧的直接原因，但降水在年度内越来越集中或集聚分布的态势对当地的半干旱地区的农业生态系统产生了很大的冲击。

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责任编辑：黄艳飞