近50年新疆地區風蝕氣候侵蝕力時空變化特征分析

王雅琴, 范文波, 許忠宇, 董倩倩, 魏建濤, 李長曉

(1.石河子大學 水利建筑工程學院, 新疆 石河子 832000; 2.石河子大學 現代節水灌溉兵團重點實驗室,新疆 石河子 832000; 3.石河子大學 理學院, 新疆 石河子 832000)

土壤風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等多重復雜因素的影響，其中干旱多風的氣候條件是致使我國西北干旱區發生土壤風蝕的重要因素[2]。目前，在國際上廣泛采用聯合國糧農組織(FAO)修訂的風蝕氣候因子指數(C值)來度量氣候因子對土壤風蝕影響程度的大小[3]，C值可以作為一個最優選擇來衡量產生有利于風蝕條件的氣候趨勢[4]，是土地沙漠化及農田風蝕的有效評判指標。因此，風蝕氣候侵蝕力對研究干旱半干旱區土壤風蝕過程、沙漠化防治及風蝕地貌的演化具有一定的指示意義[5]。

繼Chepil等[6]提出風蝕氣候因子的概念后，國外學者對此進行了大量研究，我國學者對風蝕氣候侵蝕力在不同尺度上的分布也有報道。董玉祥等[7]對我國干旱半干旱地區風蝕氣候侵蝕力的研究顯示，我國干旱地區年風蝕氣候侵蝕力介于10～100。此后學者們應用風蝕氣候侵蝕力計算模型分別對福建省、青海省、吉林省、內蒙古陰山北麓、甘肅省雅丹地貌區及塔里木盆地等地區的風蝕氣候侵蝕力進行了不同時間尺度的計算與分析[8-14]，研究了該部分地區風蝕氣候侵蝕力的潛力、時空演化規律、突變特征、周期性及其與氣候要素的相關性，但是對新疆全區風蝕氣候侵蝕力的系統研究還鮮有報道。

新疆地區是我國風蝕地貌的主要分布區，而風蝕區是荒漠化治理、水土保持調查和規劃的基本單元。因此，本文擬以C因子為指標，計算與分析新疆地區的風蝕氣候因子指數，以揭示近50 a來新疆地區風蝕氣候侵蝕力的時空演化特征，研究結果以期為更好地認識新疆地區土壤風蝕潛力，并為新疆地區環境保護及沙漠化評價提供一個重要指標值。

1 研究區概況

新疆地處東經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，可以將全區劃分為3大區域，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。全疆境內分布有9大風區，部分地區如南疆和田、羅布泊、東疆哈密、吐魯番及北疆克拉瑪依等是我國主要風蝕地貌區。全國土壤侵蝕普查結果顯示，新疆風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，風蝕范圍較廣，塔里木盆地、準噶爾盆地及東疆地區為主要風蝕區，其中沙漠邊緣區與大風口地帶極易發生劇烈風蝕[15]。新疆地區區域劃分及站點分布圖見圖1。

圖1 新疆維吾爾自治區區域劃分及氣象站點分布

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源及處理

2.1.1 數據來源 本研究氣象資料為1969—2019年新疆維吾爾自治區41個氣象站點地面氣候資料逐日/月數據集，將全區劃分為3個研究區域，分別為東疆地區(主要包括6個氣象站點)、北疆地區(主要包括17個氣象站點)和南疆地區(主要包括18個氣象站點)，選取了平均氣溫(℃)、降水量(mm)、蒸發量(mm)、平均風速(m/s)、平均相對濕度(%)等氣象指標計算全區風蝕氣候侵蝕力，數據來源于中國氣象數據網(http：/data.cma.cn/)。

2.1.2 數據處理 原始數據中的單位處理為計算統一單位；剔除數據嚴重缺失臺站，初始數據中存在特征值999999，999998稱為缺失值，對于缺失值處理按照臨近點平均值插補法和臨近時間點數據替補的方法補全。

2.2 研究方法

2.2.1 風蝕氣候因子指數計算方法 本文利用聯合國糧農組織(FAO)訂正的計算公式[16]計算C值，該公式計算方便又具有較高的準確性，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]分析風蝕氣候侵蝕力的年際變化趨勢，用xi表示樣本量為n的某一氣候變量，用ti表示xi所對應的時間，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分別為回歸系數和回歸常數,均由最小二乘法計算得到；b的大小表示隨時間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的地統計學方法分析新疆地區1979年、1989年、1999年、2009年、2019年風蝕氣候侵蝕力的空間分布特征及每10 a風蝕氣候傾向率的變化趨勢。采用Mann-Kendall(M-K)突變檢驗[18]的方法對近50 a來新疆地區風蝕氣候侵蝕力進行突變分析，運用Matlab程序實現。

3 結果與分析

3.1 1969-2019年風蝕氣候侵蝕力的時間變化特征

3.1.1 年際變化特征C值是風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特征，年均C值的大小也反映該區風蝕氣候侵蝕力的潛力。圖2為1969—2019年東疆地區6個氣象站點平均風蝕氣候因子指數的年變化特征及年代際變化趨勢。

圖2 1969-2019年東疆地區風蝕氣候侵蝕因子年際和年代際變化趨勢

從總體看，近50 a東疆地區的C值呈現波動式下降趨勢(p<0.01)，年遞減速率為1.39，最大值出現在1972年為150.67，2016年達到最小值為43.16，1969—2019年C值的平均值為76.92，1969—1978年C均值均大于100，超過了風蝕氣候侵蝕力“極重”(風蝕氣候因子指數≥100)的分級標準[16]，說明在1978年以前東疆地區風蝕強度較大。1988年以后逐年下降至平均值以下。不同時段C值的傾向程度不同，1970s，1980s，1990s及2010s這4個年代的10 a傾向率均為負值，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，說明這3個時段C值下降趨勢顯著。2000s的傾向率為非負值，且未能通過顯著性檢驗，說明該時段內C值上升趨勢不顯著。

圖3為1969—2019年北疆地區17個氣象站點風蝕氣候侵蝕因子指數的年際變化特征及年代際變化趨勢。從圖3可以看出，北疆地區以每年1.49的速率波動下降(p<0.05)，最大值為106.95(1983年)，2010年出現最小值為-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C值的變化過程總體呈現3個階段，第一階段1969—1975年平穩上升，第二階段1975—2012年呈現快速下降趨勢(p<0.05)，第三階段2012年以后呈現顯著上升趨勢(p<0.05)。

圖3 1969-2019年北疆地區風蝕氣候侵蝕因子年際和年代際變化趨勢

數據計算得，1970s和2010s兩個年代風蝕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，說明2010s的C值呈現顯著上升趨勢；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，說明2000s的C值呈下降趨勢顯著。

由圖4B可知，1969—2019年南疆地區風蝕氣候侵蝕力的傾向率呈增大趨勢，說明近50 a來南疆地區風蝕氣候侵蝕力大小雖然總體呈下降趨勢，但是風蝕氣候侵蝕力上升潛力在逐漸增大。1970s，1980s，2000s這3個年代的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，說明在1970s的C值下降趨勢最為顯著。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(α=0.01)，說明2010s的風蝕氣候侵蝕力上升傾向顯著。

圖4 1969-2019年南疆地區風蝕氣候侵蝕因子年際和年代際變化趨勢

從圖5A可以看出全疆C值整體呈現波動下降趨勢(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年在平均值范圍內波動，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，說明該時段C值上升傾向顯著。1980s，1990s，2000s這3個時段的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，說明該時段風蝕氣候侵蝕力有下降傾向但是并不顯著。

圖5 1969-2019年新疆全區風蝕氣候侵蝕因子年際和年代際變化趨勢

對比圖2—5發現，新疆全區及東疆、北疆、南疆3個分區的風蝕氣候侵蝕力總體呈現波動下降的趨勢，但北疆和南疆地區在2012年以后C值均有顯著的回升趨勢(p<0.01)其中南疆地區年均風蝕氣候侵蝕力早在1996年左右已有上升的趨勢。全疆多年平均C值和其遞減速率從小到大排序為南疆<北疆<東疆，究其原因，主要與新疆地區大風口帶的分布有很大關系，由于新疆境內有九大風區，其中東疆區內就分布有4個大風區，包括哈密北戈壁風區、哈密南戈壁風區、百里風區及吐魯番西部風區，常年平均風速偏大，導致東疆地區哈密站、紅柳河站及吐魯番站點的C值遠高于其他站點，從而致使東疆地區平均C值高于疆內其他地區。北疆地區的阿拉山口站和達坂城站同樣處在風區，C值也遠高于其他站點。

3.1.2 年內分配特征 新疆全區C值的月際及季節變化特征見圖6。由圖6A可知。新疆地區風蝕氣候侵蝕力具有明顯的季節特征，從季節變化特征來看，C值在季節上的變化表現為春季>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，5月達到最大值為9.068；6月開始下降，1月達到最小值為-4.481。

圖6 新疆地區風蝕氣候因子指數月際和季節變化特征

究其原因，由于新疆地區風蝕氣候侵蝕力的季節變化特征與地區特殊的氣候特征有密切的關系。新疆地區冬季氣溫偏低，積雪較厚，地表受積雪的保護而降低了風蝕的發生，春季和夏季的平均風速偏高，且由于氣溫回暖，春夏季節的空氣相對濕度偏低，降雨較少，易發生土壤風蝕。

3.2 1969-2019年風蝕氣候侵蝕力的空間分布特征

圖7給出了新疆地區1969—2019年41個氣象站點風蝕氣候因子(A，C，E，G，I)及氣候傾向率(B，D，F，H，J)的空間變化特征，新疆各區的風蝕情況見表1。從風蝕氣候因子整體的分布狀況可以看出，風蝕氣候因子的空間分布規律與該區域風蝕地貌的分布有極大的關聯性，也與風速的分布規律密不可分。根據統計計算得，1969—2019年41個氣象站點的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，風蝕氣候侵蝕力出現明顯的3個高值區，一是以阿拉山口和克拉瑪依站為中心的博州地區及塔城南部地區，二是以達坂城和奇臺站為中心的準東地區與吐哈盆地交界處，三是以淖毛湖和紅柳河站為中心的東疆東部地區，其中最大值出現在阿拉山口，超過風蝕氣候侵蝕“極重”的分級標準，屬于極重侵蝕區，另外，全區有4個站點C值≥100屬于極重侵蝕區，占總氣象站點的10%。C值的10 a平均傾向率變化范圍為-6.172～7.631，其中有16個氣象站點的平均傾向率為非負值，占總站點數的39%，從傾向率的空間分布圖中可以看出，風蝕氣候傾向率的高值區主要分布在新疆的東北部和南疆西南角地區，這與韓柳等[19]的研究結果一致，其中以阿勒泰地區的傾向率最高，說明該區風蝕氣候侵蝕力的增長趨勢明顯。

圖7 1969-2019年新疆地區風蝕氣候因子指數及風蝕氣候傾向率空間分布

對比圖7A，C，E，G，I可以看出，新疆地區C值總體呈現從東向西遞減，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，北疆除阿勒泰地區之外區域的風蝕氣候因子均值大于30，風蝕等級較高，而南疆地區的風蝕氣候因子均值在30以內，風蝕等級較低。自2000年以后全疆C值明顯降低且不存在明顯的區域界線，全區風蝕等級均有所下降，其中C值≥100的極重侵蝕地區范圍明顯縮小，僅分布在準東地區與吐哈盆地的交界處及阿拉山口，與Yang[3]、李達凈[20]等的研究結果一致。

由表1可知，全疆風蝕范圍較廣，類型集中，主要以微度及輕度侵蝕為主，從各類風蝕區的區域氣候特點可以看出，極重度風蝕區的風速遠遠高于其他地區，相對濕度、溫差、降水量和氣溫等值也低于其他區域，但差異較風速差異小，說明風蝕氣候侵蝕力的大小與風速大小有密切的關系，這與前人的研究結果一致[9-14]。

表1 新疆地區風蝕氣候因子指數的分布情況

3.3 風蝕氣候侵蝕力的突變性

大量事實表明氣候不是緩慢變化的，而是從一種穩定狀態跳躍式地轉變到另一種穩定狀態，稱為氣候突變現象[21]，M-K檢驗法是世界氣象組織推薦的用于提取序列變化趨勢的有效工具[22]。圖8為1969—2019年新疆全區風蝕氣候因子指數的M-K突變檢驗結果。

圖8 新疆維吾爾自治區和3個大區風蝕氣候因子指數的突變特征

由圖8可以看出，新疆地區風蝕氣候因子指數的UF和UB曲線在1993年出現交點，且交點在α=0.01的信度曲線之內，說明新疆地區風蝕氣候侵蝕力在1993年開始突變，同年下降趨勢超過顯著性水平0.01的臨界線，說明新疆地區C值自1993年開始顯著降低。北疆和南疆地區風蝕氣候侵蝕力分別在1998年和1975年發生突變，分別在2006年和1976年進入顯著下降趨勢；東疆地區風蝕氣候侵蝕力在1979年以后顯著下降，無突變。

從氣候變化的角度看，近50 a來新疆地區氣候變化狀況與該區風蝕氣候侵蝕力的突變息息相關。新疆地區的氣候在向暖濕方向發展，自1998年起進入顯著暖濕化的發展趨勢[23]，其中，北疆和東疆地區的C值突變時間與氣候突變具有同步性，而南疆地區C值發生突變的時間則早于氣候濕暖化的突變時間點，說明北疆和東疆地區風蝕氣候侵蝕力對氣候變化的敏感性大于南疆地區，此外根據資料顯示，20世紀末期，南疆地區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、和田普遍出現了沙漠南移，綠洲后退的情景[24]，而南疆地區風蝕氣候侵蝕力在1997年左右出現上升趨勢，由此說明對于南疆地區，土壤風蝕作用已經不再是由氣候因素所主導而發生。

4 結 論

近50 a來新疆地區風蝕氣候侵蝕力呈顯著的波動式下降趨勢，年遞減速率為1.14。不同區域C值變化特征不同，東疆地區為全區風蝕氣候侵蝕力等級最大且遞減速率最快的區域，此外南疆和北疆地區風蝕氣候侵蝕力分別在1996年及2012年左右出現明顯的回升趨勢。風蝕氣候侵蝕力的年內分配具有明顯的季節性，春季最高，冬季最低，最小值出現在1月，隨之逐漸升高，5月達到最大值。新疆地區風蝕氣候侵蝕力呈現從東向西遞減，從南向北遞增的空間格局，全區以微輕度侵蝕為主，2000年以后全疆C值等級均有所下降，其中C值≥100的極重侵蝕地區范圍明顯縮小，僅分布在準東地區與吐哈盆地的交界處及阿拉山口。阿勒泰地區風蝕氣候侵蝕力最小，但是該區風蝕氣候侵蝕力的增長趨勢最明顯。

突變分析顯示：新疆地區風蝕氣候因子在1993年開始突變同年進入顯著下降趨勢。北疆和南疆地區分別于1988年和1975年發生突變，分別在2006年和1976年進入顯著下降趨勢；東疆地區風蝕氣候侵蝕力在1979年以后顯著下降，無突變。北疆和東疆地區風蝕氣候侵蝕力對氣候變化的敏感性大于南疆地區，對于南疆地區，氣候因素對風蝕作用發生的主導作用在減弱。