全球變化下的渾善達克沙地演化研究

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年研究區社會經濟數據以及1956—2017年研究區氣象資料，通過實地考察與室內分析相結合的方法，對渾善達克沙地沙漠化過程及演化機制進行初步研究。結果表明，過去35年來，渾善達克沙地經歷了較為強烈的沙漠化發展，20世紀80年代至21世紀初，渾善達克沙地發生了嚴重的沙漠化，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，沙漠化趨勢出現大幅逆轉，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果，各地的土地荒漠化發展程度也存在一定地域差異，整體為西部嚴重于東部，與沙區暖干化趨勢相一致。

關鍵詞：渾善達克沙地;沙漠化;氣候變化;人類活動

中圖分類號： P931.3;S181文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）18-0277-06

收稿日期：2019-07-01

基金項目：國家自然科學基金（編號：41901009）;內蒙古自治區科學技術廳項目（編號：201605052）;包頭師范學院高層次引進人才科研啟動基金（編號：01108022/008）。

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

氣候變化影響沙漠擴張與收縮，以及沙丘的固定與活化，并主要體現在降水和風況對沙丘植被生長的影響[1-2]。雖然沒有證據能夠說明植被覆蓋度具體低于某個值時，沙丘表面風沙才開始運動，但是基于不同植被覆蓋水平發生不同程度的風沙表面過程的原理，可以依據古氣候記錄來推測沙漠演化，或預測未來氣候變化背景下沙地環境的演變趨勢?；旧侠涓蓺夂蝌寗由衬?、沙地流沙分布的擴大，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沙丘活化、沙漠擴展。反之，在氣候濕潤時期，沙漠、沙地植被發育，土壤形成，活動沙丘面積縮小，沙漠萎縮。關于氣候變化對沙漠系統的響應程度究竟有多大，定量預測依然存在巨大挑戰[3-4]。

沙地的固定與活化直接影響到人類的生存空間和環境質量。渾善達克沙地生態環境脆弱，處于氣候變化的敏感地帶，廣泛發育著固定-半固定沙丘和風蝕殘丘，它們的形成和演化是沙區氣候變化過程的直接反映。前人已對渾善達克沙地的時空演化[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克沙地演化及其驅動機制進行研究，理解區域沙漠/沙地景觀變化對全球變化的響應，為區域生態環境保護、土地沙漠化防治及土地資源的合理利用提供基礎數據。

1?研究區概況

渾善達克沙地別稱小騰格里沙地，是以牧業利用為主的沙區，位于內蒙古高原東部，東起大興安嶺南段西麓達來諾爾，向西一直延伸到蘇尼特右旗集二鐵路沿線，在行政區上分屬于內蒙古的錫林郭勒盟和赤峰市克什克騰旗（圖1）。渾善達克沙地地帶性土壤有栗鈣土、棕鈣土，非地帶性土壤有風沙土、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，渾善達克沙地年均氣溫為2.76 ℃，氣溫晝夜及年內變化均較大，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%。降水的區域分配也不均衡，多倫、正鑲白旗及正藍旗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，蒸散量年內變化較大，以5—7月最高，比降水高值出現早1個月。研究區年均風速為3.95 m/s，風季為3—5月，風季平均風速為4.21 m/s（圖2）。該區年均日照時數為3 088.9 h，自然區域絕大部分為溫帶半干旱區，西部為干旱區，已進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調查局（https：//glovis.usgs.gov/），選取的單景影像平均云量小于10%，且優先選擇植被生長季（7—9月）時段獲取的影像，影像分辨率為15 m和30 m。

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

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

2.2?研究方法

對多期影像進行幾何校正、邊緣增強及乘積變換融合以提高影像的分辨率，之后進行鑲嵌處理，采用基于面向對象的分類算法進行沙漠化遙感監測分類，根據沙漠化指數，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軟件對研究區氣溫、降水量、風況進行月、季、年、年際統計分析，對研究區人口及牲畜數量進行年及年際統計分析，選用線性趨勢分析、相關分析、滑動平均法、距平法等方法，分析人為及氣象因素的變化規律，監測區域降水量、風速和人口變化等異常事件，與風沙活動及植被發育進行關聯。

本研究使用聯合國糧食與農業組織（FAO）推薦的參考蒸散量（reference evapotranspiration，ETo）計算方法，即優化改進FAO Penman方法后的FAO Penman-Monteith方法對研究區蒸散量進行計算。采用FAO Penman-Monteith公式，利用1956—2016年研究區氣象站氣溫、相對濕度、風速、日照時數等月數據，來估算參考蒸散量（ETo）。

3?結果與分析

3.1?沙漠化進展過程

渾善達克沙地東西長約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%。進入20世紀90年代以后，渾善達克沙地發生了嚴重的沙漠化。20世紀90年代初沙漠化土地面積為3.73萬km2，而21世紀初，沙漠化土地面積達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，沙漠化趨勢出現大幅逆轉，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展程度也存在一定地域差異，整體為西部嚴重于東部，朱日和極重度沙漠化土地擴展最快，正藍旗中度沙漠化土地變化最大。

居民地面積雖然占比最小，不足研究區面積的0.1%，但是從遙感監測結果來看，居民地面積持續擴張，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80年代初到21世紀初期的上升幅度最大，平均每10年耕地面積擴大約71 km2;在21世紀初的近10年里，耕地面積出現了下降趨勢，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、正藍旗及克什克騰旗。

3.2?沙地氣候特征

1956—2016年，研究區平均風速逐漸減弱，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50年代末期年均降水量（339.53 mm）較21世紀初（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）。

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

研究區極端天氣有明顯的區域差異，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）出現得晚。最大日降水量沙地西部出現在20世紀50年代末和80年代初，時間遠早于沙地東部的21世紀初期。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）。從最大風速出現的年份來看，研究區風速有減弱趨勢，且東部最大風速較大。

各地區氣候變化程度不同，降水量自西向東遞減，6個旗（縣）分別出現了不同程度的降水量減弱現象（圖6）。阿巴嘎旗、多倫、正鑲白旗及正藍旗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?沙地人文經濟特征

2016年研究區鄉村人口為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）。研究區鄉村人口在1998年驟降，據此大體可將鄉村人口分為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。研究區鄉村人口主要分布在東四旗的正藍旗、正鑲白旗、多倫縣和克什克騰旗，且各旗（縣）的鄉村人口年際變化趨勢差異較小。

研究區牲畜數量為187.85萬頭，隨著人口的變化，畜牧業也迅速發展。1986—1999年，研究區牲畜數量增加了1.34倍。21世紀初，采取了多種措施，研究區牲畜數量得以有效控制，1999—2011年牲畜數量下降了45.9%。至2016年，牲畜數量為159.25萬頭，雖有上升，但仍低于20世紀80年代末的水平（圖7）。研究區牲畜分布區域性差異比較明顯，1986—1999年，正藍旗牲畜總數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等認為，快速降水事件會直接導致短生植被和結皮的發育[13]，1次158 mm的月降水事件發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]。渾善達克沙地的區域性沙漠化與氣候暖干化也呈現一致趨勢，研究區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，荒漠化的發展程度也整體上表現為西部（朱日和）嚴重于東部（正藍旗）。表明各地區氣候變化程度不同，荒漠化的發展程度也存在一定地域差異。

1982—1992年，研究區降水量增加了36.2%，沙漠化程度卻呈加強趨勢，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沙漠化的原因。1992—2002年，研究區降水量下降了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，研究區降水量下降了22%，沙漠化程度出現逆轉，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沙化程度降低，所以，該時段研究區的沙漠化逆轉主要是人為因素導致的。2011—2016年，研究區降水量增加了48.9%，在氣候好轉的情況下，研究區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年渾善達克沙地氣候雖有波動，但總體呈暖干化趨勢，然而沙區土地卻并未持續沙化，而是先沙化（1982—2002年）后逆轉（2002—2017年）。說明渾善達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，渾善達克沙地風沙-植被發生了明顯變化，其中，過度放牧是導致干旱半干旱及半濕潤地區沙質草地沙漠化的重要原因，風洞試驗結果表明，重度踐踏與啃食強度下的風蝕量是輕度強度下的近20倍[15]。近30年來，渾善達克地區人口總數不斷上升，隨著人口的增加，研究區畜牧業迅速發展，居民地和耕地面積擴張，草地面積縮減。

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

綜上所述，近35年渾善達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果。

5?結論

近35年來，渾善達克沙地沙漠化發展趨勢為先退化后逆轉，其中，1982—2002年為沙漠化擴展時期，且20世紀80年代較90年代沙化、退化嚴重;2002—2017年為沙漠化逆轉時期，且2002—2011年逆轉趨勢更明顯。

渾善達克沙地演化是自然因素和人為因素的共同作用導致的，且具有一定時空性?？臻g上表現為沙地西部暖干化與沙漠化均較東部嚴重。時間上表現為20世紀80年代研究區人為干擾，特別是草場的嚴重超載和過度過牧，是本區沙漠化的主要原因;20世紀90年代研究區的沙漠化過程是人類活動與氣候變化的共同作用結果;21世紀初研究區沙漠化逆轉主要是人為干擾降低，尤其是政府決策干預的結果，而2011—2017年沙漠化逆轉與人類保護及氣候濕潤密切相關。

參考文獻：

[1]Thomas D G，Knight M，Wiggs G S. Remobilization of southern African desert dune systems by twenty-first century global warming[J]. Nature，2005，435（7046）：1218-1221.

[2]Luo Y Q，Zhao X E，Zuo X A，et al. Plant responses to warming and increased precipitation in three categories of dune stabilization in northeastern China[J]. Ecological Research，2017，32（6）：887-898.

[3]Knight M，Thomas D S，Wiggs G F. Challenges of calculating dunefield mobility over the 21st century[J]. Geomorphology，2004，59（1/2/3/4）：197-213.

[4]Thomas D G，Wiggs G S. Aeolian system responses to global change：challenges of scale，process and temporal integration[J]. Earth Surface Processes and Landforms，2008，33（9）：1396-1418.

[5]周亞利，鹿化煜，張家富，等. 高精度光釋光測年揭示的晚第四紀毛烏素和渾善達克沙地沙丘的固定與活化過程[J]. 中國沙漠，2005，3（3）：342-350.

[6]丁國棟. 沙漠學概論[M]. 北京：中國林業出版社，2002.

[7]張?洪，靳鶴齡，蘇志珠，等. 全新世渾善達克沙地粒度旋回及其反映的氣候變化[J]. 中國沙漠，2005，25（1）：3-9.

[8]靳鶴齡，蘇志珠，孫良英，等. 渾善達克沙地全新世氣候變化[J]. 科學通報，2004，49（15）：1532-1536.

[9]白美蘭，郝潤全，邸瑞琦，等. 氣候變化對渾善達克沙地沙漠化影響的評估[J]. 氣候與環境研究，2006，11（2）：215-220.

[10]陳玉福，蔡強國. 京北渾善達克沙地荒漠化現狀、成因與對策[J]. 地理科學進展，2003，22（4）：353-359.

[11]李笑春，仝?川，陳?智，等. 恢復退化草地生態功能與可持續發展——以渾善達克沙地為例[J]. 中國人口·資源與環境，2004，14（3）：80-84.

[12]吳?正. 中國沙漠及其治理[M]. 北京：科學出版社，2009.

[13]Hesse P P，Simpson R L. Variable vegetation cover and episodic sand movement on longitudinal desert sand dunes[J]. Geomorphology，2006，81（3）：276-291.

[14]Liu M P，Hasi E，Sun Y. Variation in grain size and morphology of an inland parabolic dune during the incipient phase of stabilization in the Hobq Desert，China[J]. Sedimentary Geology，2016，337：100-112.

[15]吳?正. 風沙地貌與治沙工程學[M]. 北京：科學出版社，2003：304-305.

[16]葉篤正，丑紀范. 關于我國華北沙塵天氣的成因與治理對策[J]. 地球科學進展，2000，15（4）：361-364.