东北平原西部沙地的气候变异与土地荒漠化^*

李宝林^1，2,周成虎¹

（1．中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室，北京100101；
2．中国科学院遥感应用研究所，北京100101）

摘要：东北平原西部沙地位于欧亚大陆中纬度巨型沙带的东部边缘，为我国荒漠化土地的东缘。随着经济的发展，生态环境遭到严重破坏，荒漠化景观日益明显，前景令人堪忧。气候因素是荒漠化发展的一个基本因素，东北平原西部沙地是我国北方气候条件最好的沙区，但目前对于区域荒漠化驱动因子的气候因素影响方面的研究未开展系统的工作。论文系统分析了东北平原西部沙地影响荒漠化的现代气候因素特点，探讨了在较好气候条件下气候变异、人类活动与荒漠化之间的关系，并根据气候发展趋势预测了未来在自然因素作用下沙地的可能发展趋势。

关键词：东北平原；西部沙地；荒漠化；气候变异；人类活动；发展趋势

中图分类号：F301；P467

文献标识码：A

文章编号：1000－3037(2001)03－0234－06

　　荒漠化是当前世界瞩目的环境问题。东北平原西部沙地位于欧亚大陆中纬度巨型沙带的东部边缘，地处温带亚干旱疏林草原栗钙土、亚湿润草甸草原黑钙土地带，基本地貌类型为沙丘覆盖的冲积平原，主要包括南部的科尔沁沙地和北部的松嫩沙地，是我国环境条件最好的沙区（图 1），目前已成为我国沙区中人口密度与经济活动强度最大的地区。随着经济的发展，生态环境遭到严重破坏，荒漠化景观日益明显，前景令人堪忧。气候因素是荒漠化发展的一个基本因素，东北平原西部沙地是我国北方气候条件最好的沙区，20 世纪 80 年代以前对土地荒漠化研究已有较深入的
工作^[1～6]，但在区域荒漠化驱动因子的气候因素影响方面的研究尚没有系统的工作。本文系统分析了东北平原西部沙地影响荒漠化的气候因素特点，探讨了在较好气候条件下气候变异、人类活动与荒漠化之间的关系，并根据气候发展趋势预测了沙地未来在自然因素作用下的可能发展趋势。

图 1 东北平原西部沙地沙质荒漠化土地分布图
Fig.1 Sketch map of distribution of sandy desertified land in West of Northeast China Plain

1 影响荒漠化的气候变异

1.1 气候波动

　　气候波动指单个气候因子，主要是降水围绕长期的平均值的年际变化，是干旱区、亚干旱区和亚湿润干旱区生态系统的一个基本特征。不管长期气候是稳定还是变化，气候波动都是存在的。荒漠化地区降水的年际变化，可以用归一化反常指数（NDAI）来表征：

NDAI_i,t=(P_i,t－P)/σ_i

其中，P_i,t 是 i 测站 t 年的降水量，P 是多年降水量的均值，σ_i 是 i 测站的降水量标准偏差。

　　以通辽为例（图 2，1951～1997 年平均降水量为 396.3mm, 平均温度为 6.21℃），降水的年际波动很大。60 年代中期至 80 年代末，这一地区大部分年份偏旱，尤其是 60 年代末期到 70 年代中期，出现了连续 5 年和连续 7 年的干旱，在 1964～1976 年 13 年间只有 1 年降水量高于多年平均降水量的情况。50 年代末至 60 年代初，降水明显偏多，出现了连续 8 年降水量多于多年平均降水量的情况。从 NDAI 值来看，降水的变率很大，变幅不小于萨赫勒地区降水的变幅^[7]。从降水与气温的组合模式来看，50 年代高降水伴随着低气温，干旱程度减小，而 60～70 年代大多数年份则低气温伴随着低降水，或者是高气温伴随低降水，干旱程度明显加强，进入 80～90 年代，高气温伴随高降水这种有利于植被生长的降水气温组合模式才有一定的增强。气候波动通过影响人类的经济活动和其他自然要素，在荒漠化发展中，尤其是在气候条件较好的地区，起着重要作用。

图 2 通辽的气温和降水变化
Fig.2 Variation of temperature and precipitation in Tongliao

1.2 短期的干旱

　　从沙地每 10 年为一个时段的气温和降水的变化来看，各测站的年平均温度都呈增高趋势（表 1），90 年代的平均温度各测站都比 50 年代增高了 1°C 以上，其中赤峰增高了 1.4°C；降水的变化趋势主要以波动为主，50 年代降水量较多，60 年代略有减少，70～80 年代降水量明显减少，到 90 年代降水量又开始增加，其中 70 年代为整个研究区最干旱时期，具有明显的短期干旱化趋势。值得注意的是，东北平原西部具有典型的季相荒漠化的特点，荒漠化的发生与发展主要集中在春季。从 50 年代以来，春季降水变化与全年降水量的变化趋势一致，但 50～90 年代春季平均气温增高更为明显，而且增高的幅度明显大于全年平均气温增高的幅度。从各个测站来看，90 年代春季的平均气温比 50 年代高 2°C 以上。可见，春季的干旱程度明显增强，加剧了荒漠化的发展。

表 1 东北平原西部沙地典型测站气温和降水变化
Table 1 Change of temperature and precipitation in west sandy land of Northeast China Plain

2 气候波动与土地荒漠化

　　气候波动尽管不是长期的趋势性变化，但由于东北平原西部沙地较丰富的降水、密集的人口和过强的经济活动，使其在荒漠化发展中起着特殊作用。

2.1 气候波动与旱涝灾害

　　长期的降水波动和剧烈的年际变化，造成旱涝灾害频繁。这里采用中央气象局气象科学研究院主编的《中国近 500 年旱涝分布图集》对现代有器测降水资料划分旱涝的方法^[8]，分析了东北平原西部主要测站的旱涝情况。从中可以看出（表 2），东北平原西部沙地的现代旱涝是十分严重的，1951～1997 年旱涝灾害发生频率最低的林东，发生旱涝的年份也达 66%，而发生旱涝频率最高的齐齐哈尔则达 88.2%。从旱涝的区域分布来看，北部的齐齐哈尔发生水涝的频率要高于干旱的频率，水涝的频率达到 48.9%，干旱为 38.3%；而南部的赤峰和林东发生干旱的频率较大，分别为 40.4% 和 44.7%，而水涝的频率分别为 37.7% 和 21.3%。降水剧烈的年际变化，在本区平坦地势影响下，使洪涝灾害加重。洪水年份，洪水带来大量的泥沙，泛滥之后形成大片的沙荒地。干旱年份，在干燥多风的条件下又使沙荒地起沙，常可形成新的沙地。洪水在荒漠化过程中扮演了提供沙源物质的角色，也是沙源物质迁移和沙区扩展的动力条件。

表 2 东北平原西部沙地典型测站的旱涝统计表 (1951～1997)
Table 2 Drought and waterlogging in west sandy land of Northeast China Plain

2.2 气候波动与不合理的土地利用

　　气候波动引起旱涝灾害，常引起土地的不合理利用。“岗下损失岗上补”，就是指洪水年份，甸子地农田和草场受到洪涝，农民缺少烧材、粮食，就到沙丘上滥垦、滥牧、滥樵，从而造成荒漠化的发展。另外，东北平原西部沙地当地居民有雨后开荒的耕作陋习，春季降水稍多，就大量开垦沙地；如遇干旱就大量撂荒，这些撂荒的耕地在春季大风的作用下，荒漠化发展十分迅速。

2.3 气候波动与过度放牧

　　草场产草量随着降水的波动有较大的变化，草地产草量的年度波动，导致了草地载畜量的年际变化。内蒙古草甸草原载畜量变动从 0.69hm²/羊单位到 0.87hm²/羊单位，相差 19.31%；典型草原从 1.22hm²/羊单位到 2.42hm²/羊单位，相差 49.83%；荒漠草原从 2.76hm²/羊单位到 7.59hm²/羊单位，相差 61.65%；草原化荒漠从 2.82hm²/羊单位到 8.99hm²/羊单位，相差 63.65%；荒漠从 4.57hm²/羊单位到 10.17hm²/羊单位，相差 54.90%。其中变幅最大的为草原化荒漠 (63.65%)，最小的为草甸草原 (19.31%)^[9]。松嫩沙地的杜尔伯特蒙古族自治县年产草量干旱年份为 9.5×108～10×108kg，一般年份为 13×109kg，湿润年份为 16×108kg。安达市的产草量 50 年代为 2250kg/hm²，60 年代为 1800kg/hm²，70 年代为 750kg/hm²，80 年代为 1025kg/hm²，这一变化趋势与安达市降水量的变化趋势一致。草地产草量的变化影响着草原地区畜牧业的发展。

　　以通辽为例，1951～1996 多年平均降水量为 397.24mm，牲畜多年平均数量为 40.04 万头，降水波动对牲畜数量的影响非常明显，降水多的年份牲畜数量明显增加，而干旱年份牲畜数量则明显减少，尤其是在 80 年代中期以前，这种规律更为明显（图 3）。尽管从 80 年代后期起，牲畜数量迅速增长，但从增长的速率可明显看出降水量对牲畜数量的影响，在干旱年份牲畜数量增长幅度明显减小，湿润年份牲畜数量增长的幅度大大加快。

图 3 通辽降水波动与畜牧业的关系
Fig.3 Relation between livestock number and rainfall variation in Tongliao

　　综上所述，草地载畜量的年际变化导致草地畜牧业发展的不稳定性，也加剧了草地畜牧业的脆弱性。东北平原西部沙地常出现湿润年份不适当地增加牲畜数量的现象，几个湿润年份过后，随着干旱年份的到来，超载放牧现象十分普遍，破坏了沙质草原脆弱的水草平衡，造成土地荒漠化的发展。在实行联产承包责任制以后，农民的土地使用权限增大，加强政策调控，保持沙地水草平衡显得尤为重要。所以，这一地区更应该利用降水量预报当年牧草产量，再根据产草量预报当年载畜量，从而提高草地畜牧业的预见性，为提前安排好畜牧业生产提供科学依据。

　　由气候波动引起的土地破坏，具有集中性与突发性，但也具有可控性。洪水年份要注意防止沙地上的集中樵柴与垦荒，降水偏多的湿润年份只能适当地增加牲畜头数，防止荒漠化的发展。干旱和湿润年份荒漠化防治的侧重点与措施是有区别的。如果在自然条件好转的时期，加强对沙地的整治与开发，则更有利于沙地荒漠化的逆转。

3 气候因子的变化趋势

3.1 短期趋势

　　时间序列的变量一般可以表示为：

X(t)=D(t)＋P(t)＋e(t)

其中，D(t) 为趋势成分，P(t) 为周期性成分，e(t) 为随机性成分。

　　从年平均气温的 3 年滑动平均值来看，东北平原西部在全球增温的背景下具有明显的增温趋势，从周期分析来看，气温变化的周期性不是十分明显。这里选择了线性模型、指数模型、对数模型、幂指数模型 4 种模型对气温变化趋势进行拟合，从趋势模型拟合的情况来看，线性模型拟合的效果最好，因此，气温趋势变化的模型采用线性模型：

T(t)=－38.1281＋0.02246t

从沙地年降水的 3 年滑动平均值来看，东北平原西部沙地的降水没有明显的趋势变化，但具有明显的周期变化。

　　从周期分析来看，最显著的周期是 9 年，其次为 7 年、15 年和 8 年，其他周期都不十分明显。在满足显著性水平α为 0.05 的条件下，只有 9 年的周期通过了显著性检验，因此，通辽降水模型的表达式为：

根据上述气温与降水拟合模型对沙地未来 10 年气温与降水变化趋势进行了预测。从预测的结果来看，未来 10 年内气温将持续增高，10 年的平均温度将达到 6.89°C，比多年平均气温增高 0.68°C；降水量略有增加，10 年平均降水量为 404.57mm，比多年平均降水量增加 8.3mm。从气温与降水的偏湿与高温的组合来看，未来 10 年内沙地荒漠化自然因素会向着有利于荒漠化逆转的方向发展。

3.2 长期趋势

　　这里以美国“国家研究计划”项目提供的 GFDL、GISS、UKMO 和 OSU4 种 GCMs 模式 2×CO₂ 条件下温度、降水模拟数据为基础（经次网格化处理 (0.5°×0.5°)），设置东北平原西部沙地气候变化情景 (2×CO₂)，并以此为依据评价长期气候变化对土地荒漠化的影响。这里采用以当前气候为基线，累加 GCMs 的 2×CO₂－1×CO₂ 气候要素变幅的方法设置气候情景。一般认为，进入 80 年代全球变暖已经十分明显，所以现以东北平原西部沙地主要测站 1951～1980 年的气温（降水）的多年平均值作为基线，累加 GFDL、GISS、UKMO 和 OSU 的温度（降水）的增幅，来分析 2×CO₂ 条件下东北地区温度（降水）情景。

　　研究区的温度明显升高（表 3），其中 UKMO 模式温度升高最为明显，平均温度升高 7.4℃，OSU 模型升温幅度最小，也达 2.8℃，全区 4 种模型平均升温幅度为 4.9℃。从增温的季节分布来看，冬季最为明显，4 种模型平均增温幅度达 5.7℃，其次为春季，平均增温幅度达 5.5℃，夏季增温幅度最小，但也达到 3.8℃。

表 3 GCM模型的气温变化
Table 3 Temperature change from GCMs

　　4 种模式模拟的东北地区降水量增幅差异不大，整个区域年降水量增加 10%～20%。从降水量增加的季节分布来看，秋季和冬季降水增加的幅度较大，都增加了 20%，而夏季和春季降水增加相对较少，分别增加 10% 和 9%（表 4）。

表 4 GCM模拟的降水变化
Table 4 Change of precipitation from GCMs

　　如前所述，从东北地区 2×CO₂ 条件下的温度、降水情景可以看出，东北地区在温室气体加倍情况下，气温明显升高，年降水量从数值上看似有所增加，但同增温所导致的蒸散量加大相抵消后，东北地区将出现暖干趋势，这与在全球增暖影响下，北半球内陆地区降水量变化不大，而温度显著升高的总趋势是一致的^[10]。从气候变化的季节分异来看，东北平原西部沙地春季温度增高的幅度较大，而降水量增加的幅度却较小，春季的干旱更严重，而这一地区荒漠化的发展又具有明显的季节性，加剧的春旱将更加速荒漠化发展的自然过程。

4　结论与讨论

　　(1) 从区域气候的变化来看，气候因子，主要是降水量年际波动很大，从 60 年代末期到 70 年代中期，具有短期的干旱化趋势。从降水与气温的组合模式来看，50 年代高降水伴随着低气温，干旱程度减小，而 60～80 年代大多数年份则低气温伴随着低降水，或者是高气温伴随低降水，干旱程度明显加强，进入 90 年代高气温伴随高降水这种有利于植被生长的降水气温组合模式才有一定的增强。

　　(2) 气候波动尽管不是长期的趋势性变化，由于东北平原西部沙地较丰富的降水以及密集的人口和过强的经济活动等自然与人文因子特点，气候波动通过影响人类的经济活动和其他自然要素，在荒漠化发展中起着特殊作用。

　　(3) 从气候因子短期变化来看，东北平原西部沙地具有明显的增温趋势，未来 10 年内气温将持续增高，降水量略有增加；从气温与降水的偏湿与高温的组合来看，未来 10 年内，沙地荒漠化自然因素会向着有利于荒漠化逆转的方向发展，但由于降水量增加的比例较小，这种自然因子的作用有限。

　　(4) 根据 4 种 GCMs 模型 (GFDL、GISS、UKMO 和 OSU) 模拟的结果，2×CO₂ 情况下研究区的温度明显升高，全区 4 种模型升温幅度平均为 4.9℃，冬季升温最为明显，其次为春季。4 种模式模拟的东北地区降水量增幅差异不大，整个区域年降水量增加 10%～20%，东北地区将出现暖干趋势，春季的干旱会更为严重，加剧的春旱更将加速荒漠化发展的自然过程。

参考文献

作者简介：

李宝林 (1970－)，男，辽宁省辽中县人，博士，主要从事遥感地理信息系统和土地荒漠化研究。