近30年小興安嶺林區(qū)及周邊區(qū)域的氣候變化特征分析

王愛香 潘薔 石磊

（1 伊春市氣象局，伊春 153000；2 哈爾濱市公共氣象服務中心，哈爾濱 150028）

0 引言

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，為人類和生物提供賴以生存的物質基礎[1]，同時也是連接大氣、土壤之間的自然“紐帶”[2-3]。作為全球氣候系統(tǒng)的重要組成部分，森林的生長和分布受氣溫、降水等諸多氣候因素的影響[4-6]；同時，森林通過自身的光合作用和呼吸作用調節(jié)著大氣中CO2濃度，影響著森林與大氣間碳的交換[7]，進而調節(jié)氣候變暖的速率[8]?？傊?，森林在全球氣候變化中起到“指示劑”的作用[2,9]，對生態(tài)系統(tǒng)功能評價、調節(jié)氣－地間碳、水、能量交換，涵養(yǎng)水源，保護生態(tài)系統(tǒng)多樣性等諸多方面有著至關重要的作用[10-13]。

小興安嶺，縱貫黑龍江省中北部，西北以嫩江為界與大興安嶺相連，東部連接三江平原，東南與張廣才嶺相接，西南與松嫩平原毗連。南北長約450 km，東西寬約210 km，面積77725 km2。小興安嶺蘊含著豐富的森林資源，是維護我國糧食安全、生態(tài)安全的重要屏障。小興安嶺是我國地處寒溫帶的生態(tài)功能區(qū)，對維持生態(tài)平衡，保障區(qū)域生態(tài)安全發(fā)揮著極其重要的作用。1985—2004年正是小興安嶺森林資源采伐殆盡，生態(tài)系統(tǒng)遭受嚴重破壞的20年[14]。1998年開始實施以減少采伐、封山育林為主要措施的小興安嶺的天然林保護工程（以下稱天保工程），到目前為止已實施20多年，2004年全面停止采伐，森林資源得到休養(yǎng)生息，森林覆蓋率逐步提高，這項工作對生態(tài)環(huán)境的保護作用已經初見成效。那么已經得到恢復的森林生態(tài)系統(tǒng)對于氣候的調節(jié)和反饋在氣候上是否有相應的數(shù)據支持呢？通過對氣象數(shù)據進行時間縱向對比分析，從中得出小興安嶺地區(qū)天保工程前后的氣候變化情況，再對非天保工程地區(qū)6個地市測站氣象數(shù)據與天保工程地區(qū)相同時期氣象數(shù)據進行空間橫向對比分析，從時間和空間兩個維度，揭示天保工程區(qū)域與非天保工程區(qū)域天保工程前后的氣候變化特征。

1 資料和方法

1.1 氣象數(shù)據及分析方法

1.1.1 氣象數(shù)據

利用黑龍江省氣象服務支撐系統(tǒng)獲取氣象資料，包括：小興安嶺地區(qū)所轄5個氣象站(伊春、嘉蔭、烏伊嶺、五營、鐵力)，周邊6個地市（哈爾濱、黑河、牡丹江、齊齊哈爾、綏化、雙鴨山）所在地氣象站，同緯度2個非天保工程區(qū)域的氣象站（甘南、饒河）。時間序列采用1985—2014年共30年的歷史資料。

1.1.2 分析方法

按照不同的森林采伐狀態(tài)分為三個階段：過度采伐時段（1985—1994年）、輕采伐時段（1995—2004年）和禁止采伐時段（2005—2014年），統(tǒng)計溫度、降水、風、日照4個氣象要素，對數(shù)據進行列表、折線圖分析，首先得出時間上三個時段小興安嶺天保工程區(qū)域氣象要素的分布特征。然后，選取周邊非天保工程區(qū)域6個測站，與小興安嶺天保工程區(qū)域進行空間對比分析，得出兩個不同區(qū)域在天保工程實施前后的氣象數(shù)據的變化情況。最后，選取東、西同緯度兩個非天保工程區(qū)域的饒河氣象站（隸屬雙鴨山市）和甘南（隸屬齊齊哈爾市）與天保工程中心區(qū)域伊春氣象站的數(shù)據進行對比，找出同緯度天保工程區(qū)域與非天保工程區(qū)域在氣候上的變化差異（圖1）。

圖1 天保工程實施區(qū)域（綠色）及相關氣象站點分布圖（圖中紅線內為天保區(qū)域內5個測站（伊春、嘉蔭、烏伊嶺、五營、鐵力）所在區(qū)域;圖中周邊站點包括黑河、齊齊哈爾、綏化、哈爾濱、牡丹江、雙鴨山6個測站;同緯度兩個測站是齊齊哈爾的甘南和雙鴨山的饒河）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)

為了比較某氣象要素三個時段間是否存在差異及差異是否顯著，利用Excel工具菜單中數(shù)據分析模塊進行差異性檢驗，判斷某兩個時段間某氣象要素是否存在顯著性差異。方法是：在Excel菜單欄數(shù)據分析菜單下選擇方差分析中的無重復雙因素分析，將需要分析的兩組數(shù)據選入輸入區(qū)域，設置輸出區(qū)域，確定后即可得到分析結果，比較F、F crit值的大小，結合P-value，判斷兩組數(shù)據間差異是否顯著。如果F＞F crit，比對出有差異，再結合P-value值，若0.01＜P-value＜0.05，表示差異顯著；若P-value＜0.01，則表示差異極顯著。如果F＜F crit且P-value＞0.05，則表示兩組數(shù)據無差異。

1.2 森林、植被數(shù)據

通過國家科技基礎條件平臺——國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據共享服務平臺－東北黑土科學數(shù)據中心（http://northeast.geodata.cn）獲取1980年、1990年、2000年和2010年小興安嶺所轄林區(qū)的植被覆蓋面積，分別代表天保工程前后的森林、植被情況。

天保工程前，1980年植被面積2.76×104km2，經過采伐，1990年植被面積減少到2.64×104km2，減少了4.3%，1998年天保工程實施后，2000年植被面積增加到2.67×104km2，全面停止采伐后，2010年增加到2.71×104km2，可見，天保工程實施后，小興安嶺森林、植被覆蓋面積得到了增長[15]。

2 天保工程前后小興安嶺氣候變化特征

研究氣候變化，既要研究自然變化，也要研究人類活動對氣候的影響。過度采伐和天保工程都屬于人類活動，必然對氣候變化產生影響[16]。通過研究30年小興安嶺地區(qū)的平均溫度、平均降水量、平均風速、平均日照時數(shù)這四個主要氣象要素的變化，得到小興安嶺天保工程前后氣候變化特征。

將1985—2014年分為三個階段，分別是輕采伐時段（1985—1994年）、過度采伐時段（1995—2004年）、停止采伐時段（2005—2014年），分別對三個時段及30年小興安嶺5個氣象站（嘉蔭、烏伊嶺、五營、伊春、鐵力）的平均氣溫、平均降水量、平均風速、年平均日照時數(shù)進行統(tǒng)計分析，結果見表1。

表1 1985—2014年及輕采伐、過度采伐、停止采伐各時段溫度、降水量、風速、日照時數(shù)統(tǒng)計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 平均氣溫

分析地處小興安嶺的5個氣象站1985—2014年30年的年平均氣溫（圖2），小興安嶺30年平均氣溫1.14 ℃。過度采伐時段（1995—2004年）平均氣溫比輕采伐時段（1985—1994年）平均氣溫升高0.47 ℃；停止采伐時段（2005—2014年）平均氣溫比過度采伐時段（1995—2004年）平均氣溫低0.23 ℃。2009—2014年平均氣溫均在30年平均值以下。

圖2 小興安嶺1985—2014年逐年平均氣溫Fig.2 Annual mean temperature in Xiaoxing’an Mountains from 1985 to 2014

為了研究過度采伐時段（1995—2004年）與停止采伐時段（2005—2014年）兩個時段小興安嶺氣溫是否有明顯的變化，對兩組溫度數(shù)據進行了差異性分析（表2）。

表2 過度采伐、停止采伐兩個時段溫度差異性檢驗Table 2 Temperature difference test in the two periods of excessive cutting and no cutting

其中，F(xiàn)＜F crit且P-value＞0.05，說明兩組數(shù)據無差異，沒有通過0.05的顯著性檢驗。說明兩個年代平均氣溫組間無差異。

2.2 平均降水量

通過分析小興安嶺5個測站30年年降水量的逐年變化（圖3），1997年天保工程實施以前，年降水量在平均值上下跳躍，而1998年天保工程后，年降水量多在平均線以下，到2009年后又呈現(xiàn)高于平均值的態(tài)勢。具體變化情況是：停止采伐時段（2005—2014年）小興安嶺5個氣象站平均降水量比過度采伐時段（1995—2004年）降水量多69.8 mm，多12.4%；停止采伐時段（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%。過度采伐時段（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%。

圖3 小興安嶺5個測站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

同樣，對過度采伐時段（1995—2004年）與停止采伐時段（2005—2014年）兩組各10年降水量數(shù)據進行差異性分析。F值3.069691，F(xiàn) crit值4.413873，P-value值0.096783，可見，F(xiàn)＜F crit且P-value＞0.05，兩組數(shù)據無差異，沒有通過0.05的顯著性檢驗。說明兩個年代的降水量組間無差異。

2.3 平均風速

空氣的流動產生風。在高空中，氣流受到的摩擦小，風速大；而在地面上，受地表摩擦的影響，風速減小。森林作為地表植被，其增大了地表摩擦力，風入森林后，由于摩擦和阻擋作用，風速很快減小，森林附近風速也比空曠地區(qū)小[17]。森林對減少風災、固化土壤、防風沙起到了積極的作用[18]。表1中數(shù)據表明：停止采伐時段（2005—2014年）小興安嶺的平均風速比過度采伐時段（1995—2004年)、輕采伐時段（1985—1994年）及全部30 a（1985—2014年）的平均風速小14%～23%不等。

分析小興安嶺5個測站1985—2014年年平均風速逐年變化情況，1985—1999年，年平均風速大多大于30 a平均值，2000—2005年，年平均風速在平均值左右，2006—2014年年平均風速大多低于30 a平均值。平均風速呈現(xiàn)逐年下降的趨勢。天保工程前后相比，平均風速下降0.40 m/s。天保工程后禁伐年代平均風速在三個年代中最小。

過度采伐時段（1995—2004年）與停止采伐時段（2005—2014年）兩組各10年年平均風速數(shù)據進行差異性分析。F值9.990825688，F(xiàn) crit值5.117355，P-value值0.011535，可見F＞F crit且0.01＜P-value＜0.05，兩組數(shù)據有差異，通過了0.05顯著性檢驗。兩個年代的平均風速組間差異顯著。

2.4 日照時數(shù)

日照時數(shù)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。森林在此關系中的作用主要是林木的蒸騰作用產生水汽，水汽擴散到空中，增加了云形成過程中需要的水分，從而使云量增加。分析小興安嶺5個測站1985—2014年日照時數(shù)逐年變化情況，30年中，1985—1992年，日照時數(shù)處于較少階段，1993—1999年日照時數(shù)正常，2000—2008年日照時數(shù)較多，2009—2014年日照時數(shù)降至平均值以下，呈現(xiàn)少－多－少的態(tài)勢。從天保工程前后對比看，停止采伐時段（2005—2014年）年平均日照時數(shù)比過度采伐時段（1995—2004年）少88.8 h，相當于每天少0.24 h的日照。

對過度采伐時段（1995—2004年）與停止采伐時段（2005—2014年）各10年逐年日照時數(shù)進行差異性分析。F值15.14740184，F(xiàn) crit值5.117355，P-value值0.003664，可見F＞F crit，P-value＜0.01，兩組數(shù)據有差異，通過0.01顯著性檢驗，兩個年代的日照時數(shù)組間差異極顯著。

3 天保工程區(qū)域與非天保工程區(qū)域氣候變化對比

單純研究某地的氣候變化，使用不同時期的溫度和降水等氣候要素的統(tǒng)計量的差異來反映就可以了，但是，要研究這種變化與人類活動的相關性，就必須對某一具體的人類活動的影響存在與否進行空間對比分析，才能得出此種人類活動是否和氣候變化具有相關性。針對本研究而言，在研究天然林保護工程對氣候變化的影響過程中，不僅要研究小興安嶺氣候的時間序列變化，還要與非林業(yè)區(qū)域（沒有進行天然林保護工程）進行對比分析，進而在剔除氣候自然變率的情況下，分析小興安嶺天保工程區(qū)域與周邊非天保工程區(qū)域氣候變化的特征。

選取哈爾濱、黑河、牡丹江、齊齊哈爾、綏化、雙鴨山6個非天保工程區(qū)域測站與小興安嶺進行對比分析。測站分布見圖1。

3.1 溫度空間對比分析

研究表明，森林內氣溫變化和緩，白天林內陽光弱，樹木蒸騰耗熱，導致森林內溫度低于森林外，而這種低溫狀態(tài)的常年累積，對整個林區(qū)的溫度降低是有貢獻的[19]。整體上看，1985—2014年小興安嶺平均氣溫比周邊6個地市平均氣溫低2.2 ℃，小興安嶺三個年代的平均氣溫分別是0.90 ℃、1.37 ℃、1.14 ℃，從過度采伐年代到禁伐年代平均氣溫下降0.23 ℃；同時期，6個周邊區(qū)域三個年代的平均氣溫分別是3.01 ℃、3.60 ℃、3.54 ℃，從過度采伐年代到禁伐年代平均氣溫下降0.06 ℃?？梢?，天保工程前后小興安嶺氣溫下降幅度遠大于周邊區(qū)域（圖4）。

圖4 小興安嶺5個測站與周邊6個地市逐年平均氣溫變化Fig.4 Comparison of annual average temperature between Xiaoxing’an Mountains and the surrounding six cities

3.2 降水空間對比分析

對小興安嶺天保區(qū)和周邊6個非天保區(qū)1985—2014年平均降水量統(tǒng)計分析（圖5），小興安嶺降水量比6個地市降水量多81.6 mm，多15.4%。從天保前后對比看，6個地市的平均降水量，過度采伐的10年（1995—2004年）比輕采伐時段（1985—1994年）減少68.2 mm，減少12.2%，同期小興安嶺減少72.9 mm，減少11.4 %。6個地市的平均降水量在停止采伐的10年（2005—2014年）比過度采伐時段（1995—2004年）增加49.7 mm，增加10.1%，而小興安嶺同期增加69.8 mm，增加12.4%。小興安嶺降水量比6個地市同期多增加2.3個百分點。小興安嶺和6個地市降水量在天保工程后同時增加，說明天保工程后這10年處在多水氣候背景中，但是天保工程也起到了一定的作用。

圖5 小興安嶺5個測站與周邊6個地市逐年平均降水量變化Fig.5 Comparison of annual average precipitation between Xiaoxing’an Mountains and the surrounding six cities

3.3 平均風速空間對比分析

對小興安嶺天保區(qū)和周邊6個非天保區(qū)1985—2014年平均風速統(tǒng)計分析（圖6），小興安嶺的平均風速比6個地市平均風速小0.5 m/s。逐年變化看，小興安嶺和周邊6個地市平均風速均為下降趨勢；從天保工程前后看，禁止采伐10年比過度采伐10年平均風速，小興安嶺下降0.40 m/s，6個地市平均下降0.59 m/s。

圖6 小興安嶺5個測站與周邊6個地市逐年平均風速變化Fig.6 Comparions of annual average wind speed between Xiaoxing’an Mountains and the surrounding six cities

3.4 日照時數(shù)空間對比分析

對小興安嶺天保區(qū)和周邊6個非天保區(qū)1985—2014年日照時數(shù)統(tǒng)計分析（圖7），30年平均年日照時數(shù)，小興安嶺比6個地市少189.5 h，少7.4%；天保工程前后相比，6個地市日照時數(shù)減少和小興安嶺日照時數(shù)減少相同，均為88.8 h，減少3.5%。

圖7 小興安嶺5個測站與周邊6個地市逐年日照時數(shù)變化Fig.7 Comparison of annual sunshine hours between Xiaoxing’an Mountains and its surrounding six cities

4 天保工程前后，同緯度氣象數(shù)據對比

選取與伊春站（天保工程代表站）近似同緯度的非天保工程區(qū)域的甘南站（位于齊齊哈爾市北部）和饒河站（位于雙鴨山市東北部）氣象站數(shù)據，與伊春站進行對比（表3），天保工程這10年甘南溫度下降0.15 ℃，伊春溫度下降0.04 ℃，饒河溫度上升0.15 ℃；降水情況是：伊春、甘南、饒河降水量均是增加的，伊春增加幅度11.4 %，甘南8.3 %，饒河10.7 %，伊春增加幅度最大，甘南最小；風速上看，伊春、甘南、饒河均減小，伊春減小幅度18.5 %，甘南22.8 %，饒河23.4 %，甘南和饒河減少幅度大于伊春；日照時數(shù)，天保工程10年，甘南、饒河日照時數(shù)是增加的，分別增加2.8%和2.0%，伊春日照時數(shù)減少，減少了12.1%。

表3 同緯度3個站各時段溫度、降水量、風速、日照時數(shù)對比Table 3 Comparison of decadal variation of temperature,precipitation,wind speed and sunshine duration from the three stations at the same latitude

5 結論

通過對小興安嶺天保工程區(qū)域所轄5個氣象站、周邊非天保工程區(qū)域6個地市氣象站、同緯度兩個非天保工程區(qū)域氣象站1985—2014年30 a的溫度、降水、風速、日照時數(shù)四個氣象要素的分析，得到以下結論：

1）天保工程后10年比天保工程前10年小興安嶺平均氣溫降低0.23 ℃，平均降水量增加12.4%，平均風速減小0.40 m/s，日照時數(shù)減小3.5%。

2）同緯度天保工程區(qū)域和非天保工程區(qū)域對比分析，天保工程后10年與過度采伐10年相比較，兩類區(qū)域在溫度、降水、風速指標變化上存在差異，表明天保工程區(qū)域和非天保工程區(qū)域間存在人類活動影響強度的差異，這些差異影響這些區(qū)域氣候要素的時間變化特征，但這些差異可能不只是某一類站點實施了天保工程引起的。