全球變化下的渾善達(dá)克沙地演化研究

劉美萍 寧小莉 張雪峰 烏云塔娜

摘要：利用1982年、1992年、2002年、2011年、2017年的Landsat TM和Landsat OLI遙感影像與1986—2016年研究區(qū)社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)以及1956—2017年研究區(qū)氣象資料，通過實地考察與室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，對渾善達(dá)克沙地沙漠化過程及演化機(jī)制進(jìn)行初步研究。結(jié)果表明，過去35年來，渾善達(dá)克沙地經(jīng)歷了較為強(qiáng)烈的沙漠化發(fā)展，20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初，渾善達(dá)克沙地發(fā)生了嚴(yán)重的沙漠化，沙漠化土地面積由3.69萬km2增長到3.83萬km2，特別是極重度和輕度沙漠化土地面積，分別增長了1倍多和減少了48.6%。之后，沙漠化趨勢出現(xiàn)大幅逆轉(zhuǎn)，2017年沙漠化土地面積降至3.6萬km2。這是氣候變化和人為加速過程彼此疊加并相互反饋的結(jié)果，各地的土地荒漠化發(fā)展程度也存在一定地域差異，整體為西部嚴(yán)重于東部，與沙區(qū)暖干化趨勢相一致。

關(guān)鍵詞：渾善達(dá)克沙地;沙漠化;氣候變化;人類活動

中圖分類號： P931.3;S181文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）18-0277-06

收稿日期：2019-07-01

基金項目：國家自然科學(xué)基金（編號：41901009）;內(nèi)蒙古自治區(qū)科學(xué)技術(shù)廳項目（編號：201605052）;包頭師范學(xué)院高層次引進(jìn)人才科研啟動基金（編號：01108022/008）。

作者簡介：劉美萍（1988—），女，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，博士，講師，從事風(fēng)沙地貌研究。E-mail：12047204@qq.com。

氣候變化影響沙漠?dāng)U張與收縮，以及沙丘的固定與活化，并主要體現(xiàn)在降水和風(fēng)況對沙丘植被生長的影響[1-2]。雖然沒有證據(jù)能夠說明植被覆蓋度具體低于某個值時，沙丘表面風(fēng)沙才開始運(yùn)動，但是基于不同植被覆蓋水平發(fā)生不同程度的風(fēng)沙表面過程的原理，可以依據(jù)古氣候記錄來推測沙漠演化，或預(yù)測未來氣候變化背景下沙地環(huán)境的演變趨勢?；旧侠涓蓺夂蝌?qū)動沙漠、沙地流沙分布的擴(kuò)大，如末次盛冰期、新仙女木期、8.2 ka干冷時期和小冰期等對應(yīng)沙丘活化、沙漠?dāng)U展。反之，在氣候濕潤時期，沙漠、沙地植被發(fā)育，土壤形成，活動沙丘面積縮小，沙漠萎縮。關(guān)于氣候變化對沙漠系統(tǒng)的響應(yīng)程度究竟有多大，定量預(yù)測依然存在巨大挑戰(zhàn)[3-4]。

沙地的固定與活化直接影響到人類的生存空間和環(huán)境質(zhì)量。渾善達(dá)克沙地生態(tài)環(huán)境脆弱，處于氣候變化的敏感地帶，廣泛發(fā)育著固定-半固定沙丘和風(fēng)蝕殘丘，它們的形成和演化是沙區(qū)氣候變化過程的直接反映。前人已對渾善達(dá)克沙地的時空演化[5-6]、氣候變化[7-9]及人類活動[10-11]與沙漠化過程作過研究，取得了許多有意義的成果。本研究將對近35年全球變暖背景下渾善達(dá)克沙地演化及其驅(qū)動機(jī)制進(jìn)行研究，理解區(qū)域沙漠/沙地景觀變化對全球變化的響應(yīng)，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)、土地沙漠化防治及土地資源的合理利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1?研究區(qū)概況

渾善達(dá)克沙地別稱小騰格里沙地，是以牧業(yè)利用為主的沙區(qū)，位于內(nèi)蒙古高原東部，東起大興安嶺南段西麓達(dá)來諾爾，向西一直延伸到蘇尼特右旗集二鐵路沿線，在行政區(qū)上分屬于內(nèi)蒙古的錫林郭勒盟和赤峰市克什克騰旗（圖1）。渾善達(dá)克沙地地帶性土壤有栗鈣土、棕鈣土，非地帶性土壤有風(fēng)沙土、草甸土、沼澤土等;地帶性植被主要為典型草原，非地帶性植被主要為沙化植被[12]。

據(jù)錫林郭勒盟阿巴嘎旗、朱日和、蘇尼特左旗、多倫、正鑲白旗及正藍(lán)旗氣象站1956年1月至2017年3月的氣象觀測資料顯示，渾善達(dá)克沙地年均氣溫為2.76 ℃，氣溫晝夜及年內(nèi)變化均較大，年較差平均為38.42 ℃。多年平均降水量為293.77 mm，年變率在0.42%～34.21%之間，平均為12.4%。降水年內(nèi)分配不均，主要集中在6—8月，占全年降水總量的63.5%。降水的區(qū)域分配也不均衡，多倫、正鑲白旗及正藍(lán)旗3旗（縣）的降水量較高（371.51 mm），是阿巴嘎旗、朱日和、蘇尼特左旗3旗多年平均降水量（216.03 mm）的1.72倍。研究區(qū)多年平均蒸散量為779.77 mm，是多年平均降水量的2.65倍，蒸散量年內(nèi)變化較大，以5—7月最高，比降水高值出現(xiàn)早1個月。研究區(qū)年均風(fēng)速為3.95 m/s，風(fēng)季為3—5月，風(fēng)季平均風(fēng)速為4.21 m/s（圖2）。該區(qū)年均日照時數(shù)為3 088.9 h，自然區(qū)域絕大部分為溫帶半干旱區(qū)，西部為干旱區(qū)，已進(jìn)入荒漠草原和草原化荒漠。

2?資料與方法

2.1?資料來源

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遙感影像，主要下載自美國地質(zhì)調(diào)查局（https：//glovis.usgs.gov/），選取的單景影像平均云量小于10%，且優(yōu)先選擇植被生長季（7—9月）時段獲取的影像，影像分辨率為15 m和30 m。

1986—2016年，渾善達(dá)克沙地阿巴嘎旗、蘇尼特左旗、朱日和、正鑲白旗、正藍(lán)旗、多倫、克什克騰旗7個旗（縣）的人口及大小牲畜數(shù)量資料主要源于中國統(tǒng)計年鑒網(wǎng)（http：//www.yearbookchina.com）。

1956—2016年，渾善達(dá)克沙地阿巴嘎旗、朱日和、蘇尼特左旗、多倫4個氣象站的月氣溫、降水量、風(fēng)速、相對濕度、日照時數(shù)、最大日降水量，以及正鑲白旗、正藍(lán)旗6個氣象站的月氣溫、降水量等氣象資料部分購買自正藍(lán)旗氣象站，部分源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：//www.escience.gov.cn）。氣象站的主要信息見表1。

2.2?研究方法

對多期影像進(jìn)行幾何校正、邊緣增強(qiáng)及乘積變換融合以提高影像的分辨率，之后進(jìn)行鑲嵌處理，采用基于面向?qū)ο蟮姆诸愃惴ㄟM(jìn)行沙漠化遙感監(jiān)測分類，根據(jù)沙漠化指數(shù)，將沙漠化土地分為輕度、中度、重度、極重度沙化土地4種，得到沙地的沙漠化演化過程和土地利用信息。

利用Excel、Origin軟件對研究區(qū)氣溫、降水量、風(fēng)況進(jìn)行月、季、年、年際統(tǒng)計分析，對研究區(qū)人口及牲畜數(shù)量進(jìn)行年及年際統(tǒng)計分析，選用線性趨勢分析、相關(guān)分析、滑動平均法、距平法等方法，分析人為及氣象因素的變化規(guī)律，監(jiān)測區(qū)域降水量、風(fēng)速和人口變化等異常事件，與風(fēng)沙活動及植被發(fā)育進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

本研究使用聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織（FAO）推薦的參考蒸散量（reference evapotranspiration，ETo）計算方法，即優(yōu)化改進(jìn)FAO Penman方法后的FAO Penman-Monteith方法對研究區(qū)蒸散量進(jìn)行計算。采用FAO Penman-Monteith公式，利用1956—2016年研究區(qū)氣象站氣溫、相對濕度、風(fēng)速、日照時數(shù)等月數(shù)據(jù)，來估算參考蒸散量（ETo）。

3?結(jié)果與分析

3.1?沙漠化進(jìn)展過程

渾善達(dá)克沙地東西長約470 km，南北寬約10～200 km，沙地范圍為4.16萬km2。監(jiān)測初期，沙漠化土地面積為3.69萬km2，其中極重度、重度、中度、輕度沙漠化土地分別占7%、30.3%、20.6%、42.1%。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，渾善達(dá)克沙地發(fā)生了嚴(yán)重的沙漠化。20世紀(jì)90年代初沙漠化土地面積為3.73萬km2，而21世紀(jì)初，沙漠化土地面積達(dá)3.83萬km2，新增0.1萬km2。特別是極重度和輕度沙漠化土地面積，分別增長了1倍多和減少了48.6%。之后，沙漠化趨勢出現(xiàn)大幅逆轉(zhuǎn)，2011年沙漠化土地面積降至3.61萬km2。至2017年，沙漠化土地面積又減少了165.86 km2，輕度沙漠化土地較21世紀(jì)初增加了11.18%，極重度沙漠化土地減少了9.65%。各地的土地荒漠化的發(fā)展程度也存在一定地域差異，整體為西部嚴(yán)重于東部，朱日和極重度沙漠化土地擴(kuò)展最快，正藍(lán)旗中度沙漠化土地變化最大。

居民地面積雖然占比最小，不足研究區(qū)面積的0.1%，但是從遙感監(jiān)測結(jié)果來看，居民地面積持續(xù)擴(kuò)張，35年來增加了5.2倍。隨居民地面積增加的還有耕地面積，近35年研究區(qū)耕地面積波動上升，2017年較1982年耕地面積增加了1.65倍。其中，20世紀(jì)80年代初到21世紀(jì)初期的上升幅度最大，平均每10年耕地面積擴(kuò)大約71 km2;在21世紀(jì)初的近10年里，耕地面積出現(xiàn)了下降趨勢，下降了約43 km2;至2017年又上升了62.2 km2，甚至高出21世紀(jì)初期水平（圖3）。耕地面積的99.6%集中在沙地東南部的多倫、正鑲白旗、正藍(lán)旗及克什克騰旗。

3.2?沙地氣候特征

1956—2016年，研究區(qū)平均風(fēng)速逐漸減弱，平均每10年下降0.16 m/s;年均氣溫波動上升，平均每10年上升0.43 ℃;降水量年際變化較大，但總體呈下降趨勢，20世紀(jì)50年代末期年均降水量（339.53 mm）較21世紀(jì)初（278.46 mm）高61.07 mm;蒸散量也有減弱的趨勢，平均每10年下降0.11 mm（圖4）。

渾善達(dá)克沙地生態(tài)環(huán)境脆弱，處于氣候變化的敏感地帶。近百年來，尤其是自20世紀(jì)50年代以來，我國干旱半干旱和半濕潤區(qū)的氣候，在一系列波動變化中呈現(xiàn)出明顯的變暖、變干趨勢。渾善達(dá)克沙地也不例外，降水量年際變化總體呈下降趨勢（圖5）。

研究區(qū)極端天氣有明顯的區(qū)域差異，朱日和與蘇尼特左旗極端最高氣溫明顯高于阿巴嘎和多倫，且出現(xiàn)的時間前者比后者要早約10年。極端最低氣溫相反，沙地西部（朱日和與蘇尼特左旗）比沙地東部（阿巴嘎和多倫）出現(xiàn)得晚。最大日降水量沙地西部出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代末和80年代初，時間遠(yuǎn)早于沙地東部的21世紀(jì)初期。表明沙地西部（朱日和與蘇尼特左旗）暖干化趨勢較東部（阿巴嘎和多倫）明顯，且隨時間推移越來越明顯（表2）。從最大風(fēng)速出現(xiàn)的年份來看，研究區(qū)風(fēng)速有減弱趨勢，且東部最大風(fēng)速較大。

各地區(qū)氣候變化程度不同，降水量自西向東遞減，6個旗（縣）分別出現(xiàn)了不同程度的降水量減弱現(xiàn)象（圖6）。阿巴嘎旗、多倫、正鑲白旗及正藍(lán)旗4旗（縣）的降水量較高（339.93 mm），是朱日和、蘇尼特左旗2旗多年平均降水量（201.44 mm）的1.69倍。

3.3?沙地人文經(jīng)濟(jì)特征

2016年研究區(qū)鄉(xiāng)村人口為21.62萬人（表3），近30年總體呈先增加后下降再上升的趨勢，且下降幅度較上升幅度要大（圖7）。研究區(qū)鄉(xiāng)村人口在1998年驟降，據(jù)此大體可將鄉(xiāng)村人口分為2個階段，1992—1997年平均為23.60萬人，1998—2016年平均為20.99萬人，相差2.61萬人。人口密度變化趨勢與人均耕地變化趨勢大體相同。研究區(qū)鄉(xiāng)村人口主要分布在東四旗的正藍(lán)旗、正鑲白旗、多倫縣和克什克騰旗，且各旗（縣）的鄉(xiāng)村人口年際變化趨勢差異較小。

研究區(qū)牲畜數(shù)量為187.85萬頭，隨著人口的變化，畜牧業(yè)也迅速發(fā)展。1986—1999年，研究區(qū)牲畜數(shù)量增加了1.34倍。21世紀(jì)初，采取了多種措施，研究區(qū)牲畜數(shù)量得以有效控制，1999—2011年牲畜數(shù)量下降了45.9%。至2016年，牲畜數(shù)量為159.25萬頭，雖有上升，但仍低于20世紀(jì)80年代末的水平（圖7）。研究區(qū)牲畜分布區(qū)域性差異比較明顯，1986—1999年，正藍(lán)旗牲畜總數(shù)量及變化幅度均高于其他旗（縣）。

4?討論

4.1?氣候因素

干燥少雨是沙漠形成的必要條件，對沙漠化正逆過程有著重大影響。Hesse等認(rèn)為，快速降水事件會直接導(dǎo)致短生植被和結(jié)皮的發(fā)育[13]，1次158 mm的月降水事件發(fā)生在庫布齊沙漠南緣2012年的生長季，植被生長茂盛，部分沙丘被固定[14]。渾善達(dá)克沙地的區(qū)域性沙漠化與氣候暖干化也呈現(xiàn)一致趨勢，研究區(qū)降水量自西向東遞減，加之沙地西部（朱日和與蘇尼特左旗）暖干化趨勢較東部（阿巴嘎和多倫）明顯，荒漠化的發(fā)展程度也整體上表現(xiàn)為西部（朱日和）嚴(yán)重于東部（正藍(lán)旗）。表明各地區(qū)氣候變化程度不同，荒漠化的發(fā)展程度也存在一定地域差異。

1982—1992年，研究區(qū)降水量增加了36.2%，沙漠化程度卻呈加強(qiáng)趨勢，其中極重度沙漠化土地面積增加了77.4%，可知該階段氣候因素并不是研究區(qū)沙漠化的原因。1992—2002年，研究區(qū)降水量下降了32.1%，氣溫增高了77.2%，伴隨氣候的暖干化，沙漠化土地面積不斷擴(kuò)大，極重度與中度沙漠化土地面積分別增加了32.8%和52.4%。2002—2011年，研究區(qū)降水量下降了22%，沙漠化程度出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，極重度與重度沙漠化土地面積分別減少了41.8%和22.5%，在氣候干旱的時段研究區(qū)沙化程度降低，所以，該時段研究區(qū)的沙漠化逆轉(zhuǎn)主要是人為因素導(dǎo)致的。2011—2016年，研究區(qū)降水量增加了48.9%，在氣候好轉(zhuǎn)的情況下，研究區(qū)沙漠化程度逐漸減弱，極重度沙漠化土地面積減少了35.7%。

近35年渾善達(dá)克沙地氣候雖有波動，但總體呈暖干化趨勢，然而沙區(qū)土地卻并未持續(xù)沙化，而是先沙化（1982—2002年）后逆轉(zhuǎn)（2002—2017年）。說明渾善達(dá)克沙地的沙漠化過程，不僅受氣候因素控制，還受人類活動等因素影響。

4.2?人為因素

在人類活動影響下，渾善達(dá)克沙地風(fēng)沙-植被發(fā)生了明顯變化，其中，過度放牧是導(dǎo)致干旱半干旱及半濕潤地區(qū)沙質(zhì)草地沙漠化的重要原因，風(fēng)洞試驗結(jié)果表明，重度踐踏與啃食強(qiáng)度下的風(fēng)蝕量是輕度強(qiáng)度下的近20倍[15]。近30年來，渾善達(dá)克地區(qū)人口總數(shù)不斷上升，隨著人口的增加，研究區(qū)畜牧業(yè)迅速發(fā)展，居民地和耕地面積擴(kuò)張，草地面積縮減。

1986—1992年，研究區(qū)牲畜數(shù)量增加了18%，盡管該時段研究區(qū)降水量明顯上升，沙漠化程度卻呈加強(qiáng)趨勢，可知該階段的研究區(qū)土地沙化、退化是人類不合理活動造成的。20世紀(jì)90年代以后，研究區(qū)牲畜數(shù)量總體下降，葉篤正等研究發(fā)現(xiàn)，1989—1996年年間，渾善達(dá)克沙地由于過度放牧，加之畜群點與水井點布局不合理，風(fēng)沙過程加劇，地表植被嚴(yán)重退化，沙漠化土地增加[16]。丁國棟也監(jiān)測到了由于人為不合理的活動，特別是過度放牧，使渾善達(dá)克沙地草場發(fā)生嚴(yán)重的退化、沙化現(xiàn)象[6]。說明研究區(qū)牲畜數(shù)量雖下降，但仍超載嚴(yán)重，加之該時段氣候暖干化嚴(yán)重，在人為與氣候因素的共同作用下，研究區(qū)沙漠化程度嚴(yán)重。2002—2011年，研究區(qū)牲畜數(shù)量持續(xù)下降，比20世紀(jì)90年代下降了28%，研究區(qū)在降水量明顯降低的情況下，沙漠化程度出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，可知該時段人為干擾的降低是沙漠化逆轉(zhuǎn)的主要原因。2011—2016年，研究區(qū)牲畜數(shù)量增加了46.8%，但降水量增加了48.9%，沙漠化程度呈減弱趨勢，所以該時段風(fēng)沙活動減弱、沙漠化土地減少主要是氣候變濕導(dǎo)致的。

綜上所述，近35年渾善達(dá)克沙地的演化過程是自然過程和人為過程彼此疊加并相互反饋的結(jié)果。

5?結(jié)論

近35年來，渾善達(dá)克沙地沙漠化發(fā)展趨勢為先退化后逆轉(zhuǎn)，其中，1982—2002年為沙漠化擴(kuò)展時期，且20世紀(jì)80年代較90年代沙化、退化嚴(yán)重;2002—2017年為沙漠化逆轉(zhuǎn)時期，且2002—2011年逆轉(zhuǎn)趨勢更明顯。

渾善達(dá)克沙地演化是自然因素和人為因素的共同作用導(dǎo)致的，且具有一定時空性。空間上表現(xiàn)為沙地西部暖干化與沙漠化均較東部嚴(yán)重。時間上表現(xiàn)為20世紀(jì)80年代研究區(qū)人為干擾，特別是草場的嚴(yán)重超載和過度過牧，是本區(qū)沙漠化的主要原因;20世紀(jì)90年代研究區(qū)的沙漠化過程是人類活動與氣候變化的共同作用結(jié)果;21世紀(jì)初研究區(qū)沙漠化逆轉(zhuǎn)主要是人為干擾降低，尤其是政府決策干預(yù)的結(jié)果，而2011—2017年沙漠化逆轉(zhuǎn)與人類保護(hù)及氣候濕潤密切相關(guān)。

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