青海省冬春季風蝕氣候侵蝕力和起沙風日數的區域變化差異特征

祁棟林, 韓廷芳, 趙全寧, 趙慧芳, 蘇文將

(1.青海省氣象科學研究所, 西寧 810001; 2.青海省防災減災重點實驗室,西寧 810001; 3.青海省格爾木市氣象局, 青海 格爾木 816099)

土壤風蝕是北方農田和草場退化、沙化的主要影響因素，嚴重的土壤風蝕不僅破壞了表層土壤，造成土壤養分的損失，而且還使土壤逐漸退化、沙化，土地生產力急劇下降,嚴重影響農業生產，甚至成為沙塵暴的沙源地,這不僅給社會造成了嚴重的經濟損失,同時導致當地及周邊地區的生態環境不斷惡化,已經成為影響社會可持續發展的重要因素之一。以往對北方風蝕沙化的研究,多偏重于定性的描述,缺乏比較系統的定量分析研究。風蝕氣候侵蝕力一般用風蝕氣候因子指數來度量氣候影響風蝕的可能程度，是土地沙化和農田風蝕評判的重要指標[1]。董玉祥等[2]計算分析了我國干旱、半干旱地區風蝕氣候侵蝕力的基本特征，指出我國干旱地區侵蝕力水平一般，主要是受降水與風速的影響。內蒙古陰山地區[3-4]、黃土高原[5]和塔里木盆地[6]風蝕氣候侵蝕力主要發生冬春季，年風蝕氣候侵蝕力整體呈現明顯的減小趨勢，主要影響氣象因子是風速。上述研究多數關注農牧交錯帶或風水復合區具體范圍內以及局部地區的風蝕氣候侵蝕力的變化，對于面積廣闊的青藏高原地區關注較少[7-8]。風是引起土壤風蝕的最直接動力，風速越大，其風蝕能力越強。已有的許多風蝕起沙模型和研究結果表明[9-12]，地面風蝕起沙量的多少主要受摩擦速度和地表風蝕起沙的臨界風速所影響；砂質壤土、壤質砂土和固定風砂土的起動風速是明顯不同。胡霞[13]、王翔宇[14]等對不同地表狀況(或植被覆蓋)對土壤風蝕的影響進行研究得出，增加土壤粗糙度，抵抗風蝕的能力越強，植被覆蓋可以降低近地表風速，減小侵蝕風的持續時數，可以增大臨界起沙風速和地表粗糙度，可以降低近地表輸沙率。

青海省地處青藏高原東北部，全省平均海拔在3 000 m以上，境內地貌特征復雜多樣，各地氣候條件和植被狀況相差較大，以高寒草原(或高寒草甸)為主的自然生態系統基本保存完好,是我國生態環境最脆弱的地區之一,也是我國的強風蝕氣候侵蝕力中心[8-9]和研究現代土地沙漠化過程及其驅動機制的重要地區[15-16]。冬春季氣溫幾乎都在0℃以下，干旱少雨、風力強勁的氣候使得其大部分地區的風蝕氣候侵蝕力較強,為風沙活動提供了必要的動力條件,土壤含沙量豐富,質地松散,內聚力差,具有較強的易碎性和不穩定性,易于風蝕起沙,為土地沙漠化提供了豐富的物質基礎,植被稀疏低矮加之生長期短,廣大地區經常處于裸露或半裸露狀態,從而使得植被對地表的保護作用減弱,為地表風蝕起沙創造了極為有利的條件。本研究利用青海省1961—2015年的基本氣象資料和聯合國糧農組織給出的風蝕氣候因子指數計算公式,對青海省和4個生態功能區冬、春季風蝕氣候因子指數和起沙風日數的氣候變化特征進行分析，找出其變化的差異，進一步分析確定影響冬春季風蝕氣候因子指數的主要氣象因子，以其為今后更好地認識不同生態功能區風蝕氣候因子指數變化提供基礎，為青海省生態環境保護和生態安全屏障建設提供一定的背景支持,并為其資源的合理開發利用與可持續發展提供科學依據。

1 研究區域、資料和方法

1.1 研究區域和資料

為了總體反映青海省冬春季(12—5月)風蝕氣候因子指數的時空分布規律，根據青海省的自然地理位置狀況、地貌和氣候特征劃分為柴達木盆地(以荒漠區為主，氣候干燥，年降水量較少，沙化嚴重，主要分布一些灌木類植被，9個代表氣象站)、東部農業區(主要以農作物為主，夏季植物覆蓋度較好，冬春季主要以裸地為主，12個代表氣象站)、環青海湖區(為天然草場區,主要分布草原草場，氣候相對寒冷，8個代表氣象站)和三江源地區(為天然草場區,主要分布高寒草甸,氣候比較寒冷,總體上三江源區的植被狀況稍好于環青海湖區，14個代表氣象站)4個生態功能區(31°39′—39°19′N,89°35′—103°04′E)[17](圖1)。利用青海省1961—2015年43個氣象站逐月平均氣溫、降水量、風速、相對濕度、日照時數及逐日平均風速等資料，計算并統計各站冬、春季(12—5月)風蝕氣候因子指數和起沙風日數，以算術平均值代表青海省和4個生態功能區冬、春季風蝕氣候因子指數和起沙風日數。氣象數據來源于青海省氣象信息中心。

圖1 青海省43個氣象站的分布及生態功能區劃分

1.2 研究方法與計算

1.2.1 起沙風日數 風速只有在超過某一臨界值的情況下才有可能搬運土壤表層中的顆粒物質至空中，在地表土壤性質一定的情況下，超過臨界值風速的大風日數越長，對土壤表面的侵蝕程度就越深[11]。以日平均風速≥6.0 m/s來統計冬春季起沙風日數[9]。

1.2.2 風蝕氣候因子指數C的計算 風蝕氣候因子指數的計算采用1979年聯合國糧農組織提供的計算公式[2]:

(1)

式中:Ui為2 m高處的月平均風速(m/s)；Ri為月降水量(mm)；ETPi為月潛在蒸發量(mm),采用中國氣象局推薦的生態氣象監測標準中的動力學模型的計算方法[18]。

1.2.3 分析方法 采用線性傾向估計方法[19]分析風蝕氣候因子指數和起沙風日數的線性變化趨勢，并應用Mann-Kendall檢驗法[19]對風蝕氣候因子指數和起沙風日數進行突變檢驗。

為定量地表示兩幅圖的相似程度,采用相似系數[20]。由下式計算:

(2)

式中: cosθ12就是兩幅圖相似程度的定量指標,稱為相似系數。相似系數等于1.0為完全相同,相似系數為-1.0為完全相反,為0.0時表示完全不相似。正值越大越相似,負值越大越相反。

采用標準化回歸分析方法[21]分析風蝕氣候因子指數的主要影響氣候因子。計算公式：

(3)

Y=aZ1+bA2+cZ3+…

(4)

式中：Y為風蝕氣候因子指數的標準化值;Z1，Z2，Z3…分別為各氣象因子的標準化值；a，b，c…為各氣象因子序列標準化后對應的回歸系數;標準化回歸系數越大說明氣候因子對風蝕氣候侵蝕力的影響越大；η為Z1氣象因子變化對Y變化的相對貢獻率。

線性傾向估計分析方法由Excel完成；標準化回歸分析方法由SPSS 17.0統計軟件完成。

2 結果與分析

2.1 風蝕氣候因子指數和起沙風日數的年際變化特征

圖2為青海省和4個生態功能區冬春季風蝕氣候因子指數及起沙風日數的年際變化圖。由圖2可知，近55 a來青海省冬春季風蝕氣候侵蝕力和起沙風日數的年際波動變化基本一致，多年平均分別為24.2，8.5 d，整體上均呈現減小趨勢，氣候傾向率分別為-3.8/10 a，-1.8/10 a,均通過0.05的顯著性檢驗。4個生態功能區冬、春季風蝕氣候侵蝕力氣候傾向率分別為-7.4/10 a，-1.8/10 a，-3.3/10 a，-3.5/10 a，除三江源地區外其他3個生態功能區均通過0.05以上的顯著性檢驗,起沙風日數氣候傾向率分別為-3.1 d/10 a，-1.0 d/10 a，-1.8 d/10 a，-1.7 d/10 a，4個生態功能區均通過0.01的顯著性檢驗，這與祁棟林[7]及吳成永[8]等研究得出的青海省年風蝕氣候侵蝕力整體呈現顯著的下降趨勢一致。結合5 a滑動曲線可知，青海省整體和4個生態功能區冬春季風蝕氣候侵蝕力和起沙風日數均表現為2個變化階段，20世紀60—70年代中期快速增長，70年代中期以后進入快速下降階段，進入21世紀00年代后變化相對平穩，特別注意的是東部農業區、環青海湖區和三江源地區風蝕氣候侵蝕力進入21世紀00年代以后有反彈趨勢。柴達木盆地1976年從上升階段轉換為下降階段，東部農業區、三江源地區和環青海湖區均是在1973年從上升階段轉換為下降階段。上升階段風蝕氣候侵蝕力氣候傾向率分別為34.5/10 a，4.8/10 a，7.2/10 a，43.3/10 a，起沙風日數氣候傾向率分別為14.0 d/10 a，3.5 d/10 a，3.6 d/10 a，19.8 d/10 a，下降階段風蝕氣候侵蝕力氣候傾向率分別為-9.5/10 a，-1.7/10 a，-3.6/10 a，-6.0/10 a，起沙風日數氣候傾向率分別為-4.6 d/10 a，-1.1 d/10 a，-2.3 d/10 a，-3.4 d/10 a，柴達木盆地和三江源地區風蝕氣候侵蝕力和起沙日數均通過0.01顯著性檢驗,東部農業區和環青海湖區上升階段的氣候侵蝕力沒有通過顯著性檢驗。

圖2 青海省和4個生態功能區冬春季風蝕氣候因子指數及起沙風日數的年際變化

青海省4個生態功能區冬春季風蝕氣候侵蝕力和起沙風日數大小均依次為柴達木盆地>三江源地區>環青海湖區>東部農業區。柴達木盆地多年平均為38.9，12.3 d，最大為77.4，27.8 d，出現在1974年和1969年，最小為17.2，3.0 d出現在2014年和2013年。東部農業區多年平均9.5，3.1 d，最大值為19.9，8.5 d均出現在1969年，最小為3.4，0.4 d，均出現在2003年；環青海湖區多年平均為21.1，7.1 d，最大為50.6，20.1 d，出現在1971年和1970年，最小為8.4，1.1 d出現在1984年和1989年；三江源區平均為29.2，11.5 d，最大均出現在1969年，分別為78.1，28.9 d，最小均出現在1997年，分別為8.0，3.9 d。4個不同功能區風蝕氣候侵蝕力最大值是多年平均值的2.0～3.0倍，最小值是多年平均值的1/2～1/3。

2.2 風蝕氣候因子指數和起沙風日數的年代際變化特征

青海省4個生態功能區冬春季風蝕氣候因子指數C值和起沙風日數的年代際變化見表1，風蝕氣候因子指數C值和起沙風日數在20世紀60—80年代均為正距平,說明這一階段風蝕氣候因子指數偏大和起沙風日數偏多,70年代達到最大值，而后90年代—21世紀的00年代均為負距平(環青海湖區21世紀00年代風蝕氣候因子為正距平),表明風蝕氣候因子指數處于偏低水平(或基本持平)和起沙風日數偏少,環青海湖區在90年代、其他3區在21世紀00年代達到最低水平。從年代際變化趨勢可以看出，從60—70年代(80年代—21世紀00年代)4個生態功能區冬春季風蝕氣候因子指數C值和起沙風日數均呈增大(減少)趨勢。

表1 青海省和4個生態功能區冬春季風蝕氣候因子指數及起沙風日數年代際距平變化

2.3 風蝕氣候因子指數和起沙風日數空間分布

圖3給出了青海省冬春季風蝕氣候因子指數和起沙風日數及其氣候傾向率的空間分布。從圖3A和3B可以看出，青海省冬春季風蝕氣候因子指數和起沙風日數的空間分布特征完全一致，均整體呈現出從西部向東部減小的分布特點。以大柴旦、格爾木、曲麻萊和雜多為界分為東西兩區，東區的C值和起沙風日數大部分分別在40，10 d以下，以諾木洪、天峻和剛察為中心分別向南向北逐漸減小；西區的C值和起沙風日數均分別大于40，10 d以上，從西向東逐漸減小，最大值出現在三江源地區的五道梁和托托河站，C值高達135.2，105.5,起沙風日數達到59.8 d和42.2 d,屬于青海省氣候侵蝕力水平最強和起沙風日數最多的地區，C值最小值分別出現在三江源地區的玉樹站和東部農業區的互助站，分別為2.3，2.2，而起沙風日數最小出現在東部農業區的同仁和尖扎站，均為0.2 d。

從圖3C和3D可以看出，青海省冬春季風蝕氣候因子指數和起沙風日數的空間減小趨勢基本一致，減小趨勢最明顯的有3個相對高值區，一個為柴達木盆地和三江源地區的西部，減弱趨勢最明顯的是茫崖站(-29.6 d/10 a和-12.0 d/10 a)，一個為柴達木盆地的中東部，其中心為諾木洪站(-15.1/10 a和-7.5 d/10 a)和天峻站(-13.1/10 a和8.4 d/10 a)，另一個為三江源地區的最東部，其中心為澤庫站(-6.3/10 a和-4.4 d/10 a),全省其他地區變化趨勢較小或不明顯。從青海省冬春季風蝕氣候因子指數值和起沙風日數及其氣候傾向率空間分布來看，風蝕氣候侵蝕力(起沙風日數)最強(最多)的地區與減弱最明顯的地區略有差異。

圖3 青海省冬春季風蝕氣候因子指數、起沙風日數及其變化趨勢的空間分布

對青海省43個氣象站的冬春季風蝕氣候因子指數和起沙風日數及其變化趨勢與經度、緯度和海拔高度的線性回歸分析來看，冬春季風蝕氣候因子和起沙風日數與經度(海拔高度)呈顯著負(正)相關，其變化趨勢與經度呈顯著正相關，與海拔高度和緯度的線性關系均不顯著。比較青海省冬春風蝕氣候因子指數和起沙風日數的空間分布結構特征，冬春風蝕氣候因子指數與起沙風日數的空間分布圖相似系數為0.98，相似程度較高，這說明從平均狀況來看冬春風蝕氣候因子指數的多寡主要取決于起沙風日數的多少。

2.4 風蝕氣候因子指數突變檢驗

氣候突變是普遍存在于氣候變化中的一個重要現象，是氣候預測和模擬應考慮的重要因素。應用Mann-Kendall檢驗法[19]對近55 a青海風蝕氣候因子指數和起沙風日數進行突變分析。

圖4為青海省和4個生態功能區冬春季風蝕氣候因子指數和起沙風日數的突變檢驗(4個生態功能區起沙日數圖略)。由圖4可見，青海省冬春季風蝕氣候因子指數和起沙風日數的UF和UB曲線分別在1992年、1997年，且交點均在信度線之間，且分別在1995年和1999年進入顯著下降趨勢。

4個生態功能區冬春季風蝕氣候因子指數的UF和UB曲線分別在1994年、1986年、1987年、1995年出現交點，且交點均在信度線之間，且分別在1997年、1988年、1992年、2013年進入顯著下降趨勢。起沙風日數的UF和UB曲線分別在1996年、1991年、1996年、1998年出現交點，且交點均在信度線之間，且分別在1997年、1993年、1997年、2008年進入顯著下降趨勢。

2.5 氣象因子對風蝕氣候因子指數的影響分析

為了探討青海省及4個生態功能區冬春季風蝕氣候因子指數變化的成因，主要選擇了熱力因子(氣溫T和日照時數RZ)、水分因子(相對濕度HU和降水量R)和動力因子(風速WS)5個氣象因子，根據相對貢獻率公式計算出青海省和4個生態功能區各氣象因子對風蝕氣候因子指數變化的相對貢獻率(表3)，結果表明冬春季復相關系數較大(0.96以上)，其貢獻率在93%以上。青海省和4個生態功能區風速的變化對冬春季風蝕氣候因子指數變化影響均最大，青海省貢獻率為75.1%，柴達木盆地貢獻率為最大(89.5%),三江源地區最小為68.5%,次要影響因子全省及4個生態功能區略有不同，全省為溫度(10.1%)和降水量(8.3%),東部農業區和環青海湖區均為降水量,貢獻率分別為17.1%和16.1%,三江源地區為降水量和溫度,貢獻率分別為12.8%和12.0%，柴達木盆地為相對濕度,貢獻率為4.0%；日照時數對冬春季風蝕氣候因子指數變化的影響較小，表明引起青海省和4個生態功能區冬春季風蝕氣候因子指數變化的主要因子是風速，而次要因子表現略有不同；這也表現出在相同風力作用下,不同地表類型因抗風蝕力不同,其風蝕強度亦有明顯的差別。

注：UF為順序，UB為逆序。

圖4 青海省和4個生態功能區冬春季風蝕氣候因子指數和起沙風日數突變檢驗

為定量評估氣象因子對青海省和4個生態功能區冬春季風蝕氣候因子指數的影響，建立了青海省和4個生態功能區冬春季風蝕氣候因子指數對各氣象因子及起沙風日數(QSday)變化響應的統計回歸模型和統計檢驗結果(表4)，從相關系數來看,均在0.90以上,所有線性模型都通過了顯著水平為0.05的F檢驗，說明回歸方程能夠比較客觀地反映風速、氣溫、降水和相對濕度與冬春季風蝕氣候因子指數之間的關系，風速和氣溫的變化對冬春季風蝕氣候因子指數起促進作用，而降水和相對濕度起抑制作用；風速項的系數遠大于氣溫、降水和相對濕度項的系數，說明風速對冬春季風蝕氣候因子指數的影響遠大于氣溫、降水和相對濕度的影響。冬春季風蝕氣候因子指數與風速完全呈正相關,相同條件下風速越大風蝕氣候因子指數越強。

表4 青海省和4個功能區風蝕氣候因子指數與氣象因子及起沙風日數的回歸方程和統計檢驗

從表3—4可以看出，影響青海省和4個生態功能區冬春季風蝕氣候因子指數的氣象因素存在差異，同一影響因素在不同地區的影響程度也不同。在干旱的柴達木盆地主要受制于風速和相對濕度的作用，東部農業區和環青海湖區則受風速和降水量的影響,三江源地區和全省則受風速、溫度和降水等的共同作用與影響，這表明不同地表類型條件下的風速與降水對風蝕氣候侵蝕力的影響程度是不同的。

比較青海省冬春風蝕氣候因子指數和風速、降水的空間分布結構，冬春風蝕氣候因子指數與風速的空間分布圖相似系數為0.91，相似程度較高，這說明從平均狀況來看冬春風蝕氣候因子指數的多寡主要取決于風速大小；冬春風蝕氣候因子指數和降水的空間分布圖的相似系數是-0.59，說明它們的空間分布特征基本相反。

圖5給出了利用統計模型預測青海省和柴達木盆地冬春季風蝕氣候因子指數擬合曲線與原始序列曲線(其他3個生態功能區圖略)。對比可知，以風速、氣溫和降水及起沙風日數分別為預報因子做的冬春季風蝕氣候因子指數預測結果與原始序列變化基本一致。對青海省和4個生態功能區冬春季風蝕氣候因子指數預測值與原始值求相關可知，青海省和4個生態功能區的相關系數均在0.95以上，均遠遠超過了0.001的信度標準。

圖5 青海省冬春風蝕氣候因子指數對比分析

2.6 氣候變化對冬春風蝕氣候因子指數發展趨勢的影響

生態功能區與生態環境有著密切、直接的聯系，地表植被的分布是對氣候條件長期適應過程中形成的，氣候變化將引起地表的變化進而影響風蝕氣候因子指數的發生與發展。氣候暖濕化導致土壤含水量增加，抵御風力侵蝕能力提高。風速為風蝕氣候因子指數發生的先決條件，也是動力源泉，風速大小的變化趨勢亦直接影響風蝕氣候因子指數強弱的發展趨勢。對青海省4生態功能區1961—2006年氣象資料分析得出[22]，近46 a來柴達木盆地、環青海湖區、東部農業區及三江源地區年平均氣溫氣候傾向率分別為0.44℃/10 a，0.34℃/10 a，0.24℃/10 a，0.32℃/10 a，柴達木盆地增暖最為明顯，其增幅明顯高于全省乃至全國。年降水量變化的空間差異較為明顯，其中柴達木盆地年降水量呈現增多趨勢，其氣候傾向率達6.67 mm/10 a，通過了0.05的顯著性檢驗；東部農業區年降水量則呈現減少趨勢，氣候傾向率為-5.23 mm/10 a；環青海湖區與三江源地區年降水量變化呈微弱的增加趨勢。表明在青海省普遍變暖的前提下，除東部農業區以外的大部分地區降水呈現增多趨勢，說明青海省總體氣候變化具有暖濕化趨勢，特別是環境脆弱區的柴達木盆地和三江源地區暖濕化趨勢比較明顯。王慧[23]和田莉[24]等分別對青海省和西北地區平均風速變化分析表明，發現風速均呈整體顯著下降趨勢，氣候變率均為-0.12 m/(s·10 a)；2000—2015年青海省NDVI呈波動性緩慢上升趨勢,變化率為0.012/10 a,東部農業區和柴達木盆地增加趨勢顯著[25],植被覆蓋變化受氣候和人類活動的共同影響,大部分地區植被未來呈改善趨勢[26]。從以上綜合分析來看，青海省和4個生態功能區氣候向暖濕化發展、植被覆蓋緩慢上升及風速的下降趨勢，地表濕度隨之增大，從而增強了地表土壤顆粒物之間的內聚力和拖曳系數，這樣地表沙粒的臨界起動風速增加，風沙發生發展的幾率就會大大減少，加之多年來退耕還林(或退牧還草)和三江源生態環境保護工程的實施，天然植被保護力度加大，致使風沙天氣出現次數和強度明顯減弱，這些都將為防治風蝕氣候因子指數的發生提供有利條件。

3 結 論

(1) 青海省和4個生態功能區冬春季風蝕氣候因子指數和起沙風日數整體上呈現顯著的減小趨勢,二者的年際和年代際波動變化完全一致。

(2) 青海省冬春季風蝕氣候因子指數和起沙風日數的空間分布特征完全一致，均整體呈現出從西部向東部減小的分布特點。以大柴旦、格爾木、曲麻萊和雜多為界分為東西兩區，東區的C值和起沙風日數大部分分別在40，10 d以下，以諾木洪、天峻和剛察為中心分別向南向北逐漸減小；西區的C值和起沙風日數均分別大于40，10 d，從西向東逐漸減小。

(3) 青海省冬春季風蝕氣候因子指數和起沙風日數分別在1992年、1997年發生突變，且分別在1995年和1999年進入顯著下降趨勢。

(4) 影響青海省和4個生態功能區冬春季風蝕氣候因子指數的氣象因素存在差異，同一影響因素在不同地區的影響程度也不同。在干旱的柴達木盆地主要受制于風速的作用，東部農業區和環青海湖區則受風速和降水量的影響,三江源地區和全省則受風速、溫度和降水等的共同作用與影響。

(5) 青海省和4生態功能區氣候暖濕化的發展、植被覆蓋緩慢上升及風速的顯著下降趨勢，將為防治風蝕氣候因子指數的發生提供有利條件。

(6) 青海省整體冬春季風蝕氣候侵蝕力不算很嚴重。風蝕氣候侵蝕力是多種因素共同作用的結果，除氣候因子外，還與土壤含水量、粗糙度、植被覆蓋狀況等有關。本文僅分析了影響風蝕氣候侵蝕力的氣候因子，其他影響因素有待在今后的研究過程中繼續開展。