王雅琴, 范文波, 許忠宇, 董倩倩, 魏建濤, 李長(zhǎng)曉
(1.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院, 新疆 石河子 832000; 2.石河子大學(xué) 現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 石河子 832000; 3.石河子大學(xué) 理學(xué)院, 新疆 石河子 832000)
土壤風(fēng)蝕引起旱地土地退化及土壤流失[1],并受到自然條件及人類活動(dòng)等多重復(fù)雜因素的影響,其中干旱多風(fēng)的氣候條件是致使我國(guó)西北干旱區(qū)發(fā)生土壤風(fēng)蝕的重要因素[2]。目前,在國(guó)際上廣泛采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)修訂的風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)(C值)來度量氣候因子對(duì)土壤風(fēng)蝕影響程度的大小[3],C值可以作為一個(gè)最優(yōu)選擇來衡量產(chǎn)生有利于風(fēng)蝕條件的氣候趨勢(shì)[4],是土地沙漠化及農(nóng)田風(fēng)蝕的有效評(píng)判指標(biāo)。因此,風(fēng)蝕氣候侵蝕力對(duì)研究干旱半干旱區(qū)土壤風(fēng)蝕過程、沙漠化防治及風(fēng)蝕地貌的演化具有一定的指示意義[5]。
繼Chepil等[6]提出風(fēng)蝕氣候因子的概念后,國(guó)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究,我國(guó)學(xué)者對(duì)風(fēng)蝕氣候侵蝕力在不同尺度上的分布也有報(bào)道。董玉祥等[7]對(duì)我國(guó)干旱半干旱地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力的研究顯示,我國(guó)干旱地區(qū)年風(fēng)蝕氣候侵蝕力介于10~100。此后學(xué)者們應(yīng)用風(fēng)蝕氣候侵蝕力計(jì)算模型分別對(duì)福建省、青海省、吉林省、內(nèi)蒙古陰山北麓、甘肅省雅丹地貌區(qū)及塔里木盆地等地區(qū)的風(fēng)蝕氣候侵蝕力進(jìn)行了不同時(shí)間尺度的計(jì)算與分析[8-14],研究了該部分地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力的潛力、時(shí)空演化規(guī)律、突變特征、周期性及其與氣候要素的相關(guān)性,但是對(duì)新疆全區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力的系統(tǒng)研究還鮮有報(bào)道。
新疆地區(qū)是我國(guó)風(fēng)蝕地貌的主要分布區(qū),而風(fēng)蝕區(qū)是荒漠化治理、水土保持調(diào)查和規(guī)劃的基本單元。因此,本文擬以C因子為指標(biāo),計(jì)算與分析新疆地區(qū)的風(fēng)蝕氣候因子指數(shù),以揭示近50 a來新疆地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力的時(shí)空演化特征,研究結(jié)果以期為更好地認(rèn)識(shí)新疆地區(qū)土壤風(fēng)蝕潛力,并為新疆地區(qū)環(huán)境保護(hù)及沙漠化評(píng)價(jià)提供一個(gè)重要指標(biāo)值。
新疆地處東經(jīng)73°40′—96°18′,北緯34°25′—48°10′,南北有高山阻隔,天山山脈橫亙其間,以天山為界,可以將全區(qū)劃分為3大區(qū)域,天山以南為南疆,天山為北為北疆,哈密和吐魯番一帶劃分為東疆。全疆境內(nèi)分布有9大風(fēng)區(qū),部分地區(qū)如南疆和田、羅布泊、東疆哈密、吐魯番及北疆克拉瑪依等是我國(guó)主要風(fēng)蝕地貌區(qū)。全國(guó)土壤侵蝕普查結(jié)果顯示,新疆風(fēng)蝕面積占總侵蝕面積的90%左右,主要以輕度和中度侵蝕為主,風(fēng)蝕范圍較廣,塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地及東疆地區(qū)為主要風(fēng)蝕區(qū),其中沙漠邊緣區(qū)與大風(fēng)口地帶極易發(fā)生劇烈風(fēng)蝕[15]。新疆地區(qū)區(qū)域劃分及站點(diǎn)分布圖見圖1。

圖1 新疆維吾爾自治區(qū)區(qū)域劃分及氣象站點(diǎn)分布
2.1.1 數(shù)據(jù)來源 本研究氣象資料為1969—2019年新疆維吾爾自治區(qū)41個(gè)氣象站點(diǎn)地面氣候資料逐日/月數(shù)據(jù)集,將全區(qū)劃分為3個(gè)研究區(qū)域,分別為東疆地區(qū)(主要包括6個(gè)氣象站點(diǎn))、北疆地區(qū)(主要包括17個(gè)氣象站點(diǎn))和南疆地區(qū)(主要包括18個(gè)氣象站點(diǎn)),選取了平均氣溫(℃)、降水量(mm)、蒸發(fā)量(mm)、平均風(fēng)速(m/s)、平均相對(duì)濕度(%)等氣象指標(biāo)計(jì)算全區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力,數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:/data.cma.cn/)。
2.1.2 數(shù)據(jù)處理 原始數(shù)據(jù)中的單位處理為計(jì)算統(tǒng)一單位;剔除數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺失臺(tái)站,初始數(shù)據(jù)中存在特征值999999,999998稱為缺失值,對(duì)于缺失值處理按照臨近點(diǎn)平均值插補(bǔ)法和臨近時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)替補(bǔ)的方法補(bǔ)全。
2.2.1 風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)計(jì)算方法 本文利用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)訂正的計(jì)算公式[16]計(jì)算C值,該公式計(jì)算方便又具有較高的準(zhǔn)確性,見公式(1):
(1)
ETPi=0.19(20+Ti)2(1-ri)
(2)
u2=u1(z2/z1)1/7
(3)

2.2.2 分析方法 采用氣候傾向率方法[17]分析風(fēng)蝕氣候侵蝕力的年際變化趨勢(shì),用xi表示樣本量為n的某一氣候變量,用ti表示xi所對(duì)應(yīng)的時(shí)間,建立xi與ti之間的一元線性回歸:
xi=a+bti(i=1,2,…,n)
(4)
式中:a和b分別為回歸系數(shù)和回歸常數(shù),均由最小二乘法計(jì)算得到;b的大小表示隨時(shí)間t的增加x上升或下降的傾向程度;b×10稱為氣候傾向率,本文中表示每10 aC值的傾向程度。
采用ArcGIS的地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析新疆地區(qū)1979年、1989年、1999年、2009年、2019年風(fēng)蝕氣候侵蝕力的空間分布特征及每10 a風(fēng)蝕氣候傾向率的變化趨勢(shì)。采用Mann-Kendall(M-K)突變檢驗(yàn)[18]的方法對(duì)近50 a來新疆地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力進(jìn)行突變分析,運(yùn)用Matlab程序?qū)崿F(xiàn)。
3.1.1 年際變化特征C值是風(fēng)蝕受各氣象因子影響的綜合反映,其年際變化特征也反映氣象因子的波動(dòng)特征,年均C值的大小也反映該區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力的潛力。圖2為1969—2019年東疆地區(qū)6個(gè)氣象站點(diǎn)平均風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的年變化特征及年代際變化趨勢(shì)。

圖2 1969-2019年東疆地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕因子年際和年代際變化趨勢(shì)
從總體看,近50 a東疆地區(qū)的C值呈現(xiàn)波動(dòng)式下降趨勢(shì)(p<0.01),年遞減速率為1.39,最大值出現(xiàn)在1972年為150.67,2016年達(dá)到最小值為43.16,1969—2019年C值的平均值為76.92,1969—1978年C均值均大于100,超過了風(fēng)蝕氣候侵蝕力“極重”(風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)≥100)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[16],說明在1978年以前東疆地區(qū)風(fēng)蝕強(qiáng)度較大。1988年以后逐年下降至平均值以下。不同時(shí)段C值的傾向程度不同,1970s,1980s,1990s及2010s這4個(gè)年代的10 a傾向率均為負(fù)值,分別為-21.344,-12.988,-26.138,-10.058,其中1970s,1990s和2010s的C值傾向率通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn),說明這3個(gè)時(shí)段C值下降趨勢(shì)顯著。2000s的傾向率為非負(fù)值,且未能通過顯著性檢驗(yàn),說明該時(shí)段內(nèi)C值上升趨勢(shì)不顯著。
圖3為1969—2019年北疆地區(qū)17個(gè)氣象站點(diǎn)風(fēng)蝕氣候侵蝕因子指數(shù)的年際變化特征及年代際變化趨勢(shì)。從圖3可以看出,北疆地區(qū)以每年1.49的速率波動(dòng)下降(p<0.05),最大值為106.95(1983年),2010年出現(xiàn)最小值為-47.02,C值多年平均值為29.85,2005年以后逐年下降至平均值以下。北疆地區(qū)C值的變化過程總體呈現(xiàn)3個(gè)階段,第一階段1969—1975年平穩(wěn)上升,第二階段1975—2012年呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)(p<0.05),第三階段2012年以后呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)(p<0.05)。

圖3 1969-2019年北疆地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕因子年際和年代際變化趨勢(shì)
數(shù)據(jù)計(jì)算得,1970s和2010s兩個(gè)年代風(fēng)蝕10 a氣候傾向率分別為43.091,58.487,均大于0,其中2010s的傾向率通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn),說明2010s的C值呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì);1980s,1990s,2000s的10年傾向率分別為-9.361,-9.021,-11.175均小于0,其中2000s的傾向率通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn),說明2000s的C值呈下降趨勢(shì)顯著。
由圖4B可知,1969—2019年南疆地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力的傾向率呈增大趨勢(shì),說明近50 a來南疆地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力大小雖然總體呈下降趨勢(shì),但是風(fēng)蝕氣候侵蝕力上升潛力在逐漸增大。1970s,1980s,2000s這3個(gè)年代的10 a傾向率分別為-9.30,-6.12,-0.44均小于0,其中1970s的傾向率通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn),說明在1970s的C值下降趨勢(shì)最為顯著。1990s和2010s的10 a傾向率均為正值分別為2.489,6.872,僅2010s的C值傾向率通過了顯著性檢驗(yàn)(α=0.01),說明2010s的風(fēng)蝕氣候侵蝕力上升傾向顯著。

圖4 1969-2019年南疆地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕因子年際和年代際變化趨勢(shì)
從圖5A可以看出全疆C值整體呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)(p<0.01),遞減速率為每年1.14,最大值為78.79(1975年),最小值為2.95(2012年),全疆C值多年平均值為40.54,1985年以前C值大于平均值,1985—1995年在平均值范圍內(nèi)波動(dòng),1995年之后逐年下降至平均值以下。從圖5B可以看出,1970s和2010s的傾向率大于0,2010s的10 a傾向率為20.72,通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn),說明該時(shí)段C值上升傾向顯著。1980s,1990s,2000s這3個(gè)時(shí)段的10 a傾向率分別為-9.51,-10.89,-0.42均小于0,均未通過顯著性檢驗(yàn),說明該時(shí)段風(fēng)蝕氣候侵蝕力有下降傾向但是并不顯著。

圖5 1969-2019年新疆全區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕因子年際和年代際變化趨勢(shì)
對(duì)比圖2—5發(fā)現(xiàn),新疆全區(qū)及東疆、北疆、南疆3個(gè)分區(qū)的風(fēng)蝕氣候侵蝕力總體呈現(xiàn)波動(dòng)下降的趨勢(shì),但北疆和南疆地區(qū)在2012年以后C值均有顯著的回升趨勢(shì)(p<0.01)其中南疆地區(qū)年均風(fēng)蝕氣候侵蝕力早在1996年左右已有上升的趨勢(shì)。全疆多年平均C值和其遞減速率從小到大排序?yàn)槟辖?北疆<東疆,究其原因,主要與新疆地區(qū)大風(fēng)口帶的分布有很大關(guān)系,由于新疆境內(nèi)有九大風(fēng)區(qū),其中東疆區(qū)內(nèi)就分布有4個(gè)大風(fēng)區(qū),包括哈密北戈壁風(fēng)區(qū)、哈密南戈壁風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)及吐魯番西部風(fēng)區(qū),常年平均風(fēng)速偏大,導(dǎo)致東疆地區(qū)哈密站、紅柳河站及吐魯番站點(diǎn)的C值遠(yuǎn)高于其他站點(diǎn),從而致使東疆地區(qū)平均C值高于疆內(nèi)其他地區(qū)。北疆地區(qū)的阿拉山口站和達(dá)坂城站同樣處在風(fēng)區(qū),C值也遠(yuǎn)高于其他站點(diǎn)。
3.1.2 年內(nèi)分配特征 新疆全區(qū)C值的月際及季節(jié)變化特征見圖6。由圖6A可知。新疆地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力具有明顯的季節(jié)特征,從季節(jié)變化特征來看,C值在季節(jié)上的變化表現(xiàn)為春季>夏季>秋季>冬季。C值的月變化特征顯示為:1—5月C值隨著月份的增大而逐漸上升,其中4月和5月急劇增長(zhǎng),5月達(dá)到最大值為9.068;6月開始下降,1月達(dá)到最小值為-4.481。

圖6 新疆地區(qū)風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)月際和季節(jié)變化特征
究其原因,由于新疆地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力的季節(jié)變化特征與地區(qū)特殊的氣候特征有密切的關(guān)系。新疆地區(qū)冬季氣溫偏低,積雪較厚,地表受積雪的保護(hù)而降低了風(fēng)蝕的發(fā)生,春季和夏季的平均風(fēng)速偏高,且由于氣溫回暖,春夏季節(jié)的空氣相對(duì)濕度偏低,降雨較少,易發(fā)生土壤風(fēng)蝕。
圖7給出了新疆地區(qū)1969—2019年41個(gè)氣象站點(diǎn)風(fēng)蝕氣候因子(A,C,E,G,I)及氣候傾向率(B,D,F(xiàn),H,J)的空間變化特征,新疆各區(qū)的風(fēng)蝕情況見表1。從風(fēng)蝕氣候因子整體的分布狀況可以看出,風(fēng)蝕氣候因子的空間分布規(guī)律與該區(qū)域風(fēng)蝕地貌的分布有極大的關(guān)聯(lián)性,也與風(fēng)速的分布規(guī)律密不可分。根據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得,1969—2019年41個(gè)氣象站點(diǎn)的C值的變化范圍為-200~355,從年均C值的空間變化圖中可以看出,風(fēng)蝕氣候侵蝕力出現(xiàn)明顯的3個(gè)高值區(qū),一是以阿拉山口和克拉瑪依站為中心的博州地區(qū)及塔城南部地區(qū),二是以達(dá)坂城和奇臺(tái)站為中心的準(zhǔn)東地區(qū)與吐哈盆地交界處,三是以淖毛湖和紅柳河站為中心的東疆東部地區(qū),其中最大值出現(xiàn)在阿拉山口,超過風(fēng)蝕氣候侵蝕“極重”的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),屬于極重侵蝕區(qū),另外,全區(qū)有4個(gè)站點(diǎn)C值≥100屬于極重侵蝕區(qū),占總氣象站點(diǎn)的10%。C值的10 a平均傾向率變化范圍為-6.172~7.631,其中有16個(gè)氣象站點(diǎn)的平均傾向率為非負(fù)值,占總站點(diǎn)數(shù)的39%,從傾向率的空間分布圖中可以看出,風(fēng)蝕氣候傾向率的高值區(qū)主要分布在新疆的東北部和南疆西南角地區(qū),這與韓柳等[19]的研究結(jié)果一致,其中以阿勒泰地區(qū)的傾向率最高,說明該區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力的增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯。

圖7 1969-2019年新疆地區(qū)風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)及風(fēng)蝕氣候傾向率空間分布
對(duì)比圖7A,C,E,G,I可以看出,新疆地區(qū)C值總體呈現(xiàn)從東向西遞減,從南向北遞增的空間格局,1999年之前全疆C值的南北分布大致以天山為界,北疆除阿勒泰地區(qū)之外區(qū)域的風(fēng)蝕氣候因子均值大于30,風(fēng)蝕等級(jí)較高,而南疆地區(qū)的風(fēng)蝕氣候因子均值在30以內(nèi),風(fēng)蝕等級(jí)較低。自2000年以后全疆C值明顯降低且不存在明顯的區(qū)域界線,全區(qū)風(fēng)蝕等級(jí)均有所下降,其中C值≥100的極重侵蝕地區(qū)范圍明顯縮小,僅分布在準(zhǔn)東地區(qū)與吐哈盆地的交界處及阿拉山口,與Yang[3]、李達(dá)凈[20]等的研究結(jié)果一致。
由表1可知,全疆風(fēng)蝕范圍較廣,類型集中,主要以微度及輕度侵蝕為主,從各類風(fēng)蝕區(qū)的區(qū)域氣候特點(diǎn)可以看出,極重度風(fēng)蝕區(qū)的風(fēng)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他地區(qū),相對(duì)濕度、溫差、降水量和氣溫等值也低于其他區(qū)域,但差異較風(fēng)速差異小,說明風(fēng)蝕氣候侵蝕力的大小與風(fēng)速大小有密切的關(guān)系,這與前人的研究結(jié)果一致[9-14]。

表1 新疆地區(qū)風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的分布情況
大量事實(shí)表明氣候不是緩慢變化的,而是從一種穩(wěn)定狀態(tài)跳躍式地轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定狀態(tài),稱為氣候突變現(xiàn)象[21],M-K檢驗(yàn)法是世界氣象組織推薦的用于提取序列變化趨勢(shì)的有效工具[22]。圖8為1969—2019年新疆全區(qū)風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果。

圖8 新疆維吾爾自治區(qū)和3個(gè)大區(qū)風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的突變特征
由圖8可以看出,新疆地區(qū)風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)的UF和UB曲線在1993年出現(xiàn)交點(diǎn),且交點(diǎn)在α=0.01的信度曲線之內(nèi),說明新疆地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力在1993年開始突變,同年下降趨勢(shì)超過顯著性水平0.01的臨界線,說明新疆地區(qū)C值自1993年開始顯著降低。北疆和南疆地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力分別在1998年和1975年發(fā)生突變,分別在2006年和1976年進(jìn)入顯著下降趨勢(shì);東疆地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力在1979年以后顯著下降,無突變。
從氣候變化的角度看,近50 a來新疆地區(qū)氣候變化狀況與該區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力的突變息息相關(guān)。新疆地區(qū)的氣候在向暖濕方向發(fā)展,自1998年起進(jìn)入顯著暖濕化的發(fā)展趨勢(shì)[23],其中,北疆和東疆地區(qū)的C值突變時(shí)間與氣候突變具有同步性,而南疆地區(qū)C值發(fā)生突變的時(shí)間則早于氣候濕暖化的突變時(shí)間點(diǎn),說明北疆和東疆地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力對(duì)氣候變化的敏感性大于南疆地區(qū),此外根據(jù)資料顯示,20世紀(jì)末期,南疆地區(qū)的沙漠化正在以年均增加0.93%的速度侵蝕塔克拉瑪干沙漠南緣,從且末至若羌、和田普遍出現(xiàn)了沙漠南移,綠洲后退的情景[24],而南疆地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力在1997年左右出現(xiàn)上升趨勢(shì),由此說明對(duì)于南疆地區(qū),土壤風(fēng)蝕作用已經(jīng)不再是由氣候因素所主導(dǎo)而發(fā)生。
近50 a來新疆地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力呈顯著的波動(dòng)式下降趨勢(shì),年遞減速率為1.14。不同區(qū)域C值變化特征不同,東疆地區(qū)為全區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力等級(jí)最大且遞減速率最快的區(qū)域,此外南疆和北疆地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力分別在1996年及2012年左右出現(xiàn)明顯的回升趨勢(shì)。風(fēng)蝕氣候侵蝕力的年內(nèi)分配具有明顯的季節(jié)性,春季最高,冬季最低,最小值出現(xiàn)在1月,隨之逐漸升高,5月達(dá)到最大值。新疆地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力呈現(xiàn)從東向西遞減,從南向北遞增的空間格局,全區(qū)以微輕度侵蝕為主,2000年以后全疆C值等級(jí)均有所下降,其中C值≥100的極重侵蝕地區(qū)范圍明顯縮小,僅分布在準(zhǔn)東地區(qū)與吐哈盆地的交界處及阿拉山口。阿勒泰地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力最小,但是該區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力的增長(zhǎng)趨勢(shì)最明顯。
突變分析顯示:新疆地區(qū)風(fēng)蝕氣候因子在1993年開始突變同年進(jìn)入顯著下降趨勢(shì)。北疆和南疆地區(qū)分別于1988年和1975年發(fā)生突變,分別在2006年和1976年進(jìn)入顯著下降趨勢(shì);東疆地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力在1979年以后顯著下降,無突變。北疆和東疆地區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力對(duì)氣候變化的敏感性大于南疆地區(qū),對(duì)于南疆地區(qū),氣候因素對(duì)風(fēng)蝕作用發(fā)生的主導(dǎo)作用在減弱。