引言

内蒙古东部是自治区粮食和优良牧草的主产区。过去该地区水草丰美, 植被覆盖较好。但近年来, 由于气候变暖, 尤其是20世纪90年代以来干旱化趋势加重, 湿地萎缩变干, 泡沼干涸, 地下水位下降以及极端气候事件的增多, 致使草场退化、沙化、树木死亡等, 导致生态环境有局部恶化的趋势^[1-3]。造成这一现象的原因很多, 既有自然因素, 又有人为因素。一方面近年来不利的气候条件的变化, 如气温的升高、降水量的减少等, 导致生态缺水现象明显, 干旱化趋势加剧; 另一方面人类活动引发的生态环境问题, 随着农牧业人口、牲畜头数等的逐年增多, 使土地利用的压力加大, 人类利用自然资源的强度升级, 如开荒、过度放牧、乱砍乱伐等对下垫面的干扰加剧, 使生态环境恶化的步伐加快。此前许多专家分析研究过气候变化对沙漠化、水资源等生态影响问题^[4-7], 但主要考虑的是人类活动和气候要素自身变化趋势的影响, 从气候基本态特征方面研究的较少, 而生态环境的演变是基本气候状态特征变化的反映。本文尝试着从此方面, 分析探讨气候变化与生态环境演化的关系, 而未考虑人为活动的情况。

1 资料的分析处理与研究方法

选用内蒙古东部地区4个资料年代较长的代表站:海拉尔、乌兰浩特、通辽和赤峰, 1951—2004年的历年平均气温、平均最高气温、平均最低气温、降水量等资料, 并按年代际对资料作相应的处理。

气候变化是指气候平均状态和离差两者中的一个或两个一起出现了统计意义上显著的变化^[8]。气候变化是由气候平均值或离差的变化引起, 因此研究一地的气候变化, 必须既考虑平均值的变化, 又考虑气候变率的变化。

为了解气候要素的长期变化趋势, 计算了气候趋势系数, 用来比较不同地区、不同要素长期趋势变化的大小。一般来说用样本资料计算的趋势系数总不会为零, 但这并不说明气候要素有了变化。因为气候变化本身含有气候的自然波动, 所以必须采用统计学检验将自然波动以外的异常变化识别出来, 只有当趋势系数大于或等于某一临界值标准时, 这种长期变化才认为是超过自然变率的一种气候异常变化^[8]。

通常将气象要素30年的平均值作为气候平均值, 30年以上的慢变过程定义为“气候基本态”^[8]。本文通过计算30年滑动平均来研究温度和降水气候基本态的变化特征, 而通过滑动均方差来分析气候要素变率的长期变化。均方差等气候变率的变化能更密切地反映旱涝、寒暑等极端气候事件。

生态监测资料选定科尔沁沙地东部作为相对微观研究的实验区, 范围是42°33′43″~43°46′16″N、119°43′16″~121°39′38″E, 总面积21360.2km²。通过对实验区1986年、2002年的陆地卫星资料进行处理, 分析其各土地类型的面积变化。

2 内蒙古东部地区主要气候要素变化趋势分析 2.1 近54年来温度的变化趋势及气温的基本态特征

在全球气候变暖的背景下, 内蒙古东部地区各年代际平均气温也呈明显的上升态势。从20世纪50年代开始, 气温在逐渐回升, 到90年代升温幅度均在1℃以上, 尤其从80年代开始, 增温幅度进一步加大, 进入90年代后的平均气温远远高于历史均值, 气候变暖趋势明显(见图 1)。气温的升高, 将大大增加土壤的蒸发量, 使生态需水量增大, 干旱危害加剧。

从内蒙古东部地区各年代际平均最低气温、平均最高气温的变化来看, 其总体趋势也呈显著升高态势, 并且平均最低气温增温幅度最大, 为1.7~3.1℃, 年平均气温增温幅度次之, 为1.4~2.4℃, 平均最高气温增温幅度最小, 仅为0.9~1.9℃。进一步说明内蒙古东部地区气候变暖主要是平均最低气温增高所引起的, 即冬季增暖的贡献最大。

气温的增高使作物和牧草生长期延长, 农事和牧事活动时间变长, 霜冻危害减轻, 应该说是有利于生态环境的恢复与建设。但是最低气温的大幅度升高, 使地表蒸发量加大, 生态需水量增加, 干旱化趋势加剧; 同时使得日较差趋于减小, 作物和牧草呼吸作用减弱, 营养成分等干物质积累减少, 影响植物的品质。而加之冬季偏暖, 非常有利于危害农作物、森林、牧草的害虫及病原菌越冬, 增加来年的虫口密度和增强病菌的繁殖能力, 加快蔓延速度, 这不仅使农作物、牧草受害几率增多, 而且牲畜的疾病也将增多。如近年来该地区草原蝗虫、森林松毛虫的危害加重, 就是一个典型的例子。

图 2给出内蒙古通辽地区逐年平均气温的变化, 由图 2看到, 近54年来内蒙古东部地区气温呈逐年波动式的上升, 尤以海拉尔市气温的增高最为显著, 增温率为0.55℃/10a, 从1951—2004年气温增幅在2℃以上; 其次是乌兰浩特市, 从1951—2004年增温1.8℃左右, 增温率为0.43℃/10a;相比之下, 内蒙古东部地区的赤峰市、通辽市气温增幅较小, 增温率为0.32℃/10a。其线性拟合值与实况值的相关系数均达0.3以上, 通过0.05的可信度检验, 并且目前正处于升温的高值区域。说明内蒙古东部地区气温的变化趋势呈逐年显著的增高态势, 尤其是从1986年以后, 增温幅度明显加大, 远远超过其多年均值。相应地从30年的滑动平均值的变化来看, 总体也呈显著的上升趋势, 目前正处于高的气候基本态下。

而气候变率或均方差的大小往往与极端气候事件相联系, 在低气候平均值上的大气候变率, 易造成严寒天气; 在高气候平均态下, 易造成高温天气。

从平均气温30年的滑动均方差变化趋势来看(见图 3), 20世纪80年代中后期为低值区, 随后从90年代开始, 一直处于高值区。由于80年代末期一直处于高的温度基本态下, 因此大的气候变率易导致高温酷热天气的出现。如2004年内蒙古东部区呼伦贝尔市夏季出现日最高气温≥30℃日数0~45天, 大部分地区的高温值和高温持续时间之长, 创有气象纪录以来的历史新高。受高温酷热少雨天气的影响, 2004年东部地区牧草、作物长势很差。同时通过统计分析历史记录, 得知东部大部分地区1985年发生严重的初霜冻, 1986年盛夏出现严重低温冷害等, 这些都可以从图 3中滑动均方差的变化趋势得到证实。

2.2 近54年来降水量的变化趋势及基本态特征

从图 1中内蒙古东部地区各年代际降水量的变化来看, 波动性较大, 大部分地区20世纪50、60年代降水量相对较多, 70年代开始降水量明显减少, 而80年代又进入多雨期, 并且一直持续到1998年松嫩流域的特大洪水时期, 从1999年以后, 降水逐渐减少。从趋势看90年代初至今的降水量未出现明显的减少, 反而部分地区降水量有所增加, 其主要的贡献者是1998年的特大洪水。如去掉1998年的特大洪水量, 降水量的减少趋势是显著的。

通过与多年平均值的对比分析, 20世纪50年代到70年代的降水量基本低于多年的均值, 但从80年代至今, 降水量与多年值相当或高于多年均值, 说明自然降水量并没明显减少, 反而有增加态势。但进入90年代以后, 极端气候事件增多, 暴雨或特大暴雨出现几率增大, 绝大多数台站一日的降水量占全年总降水量的50%左右^[9]。降水变率的增大, 使水分的利用效率降低, 水资源亏缺现象严重, 进一步增大了干旱发生的几率, 使得该地区生态环境面临更为严重的考验。

通过内蒙古东部地区逐年降水量的变化趋势(图 4)分析, 呈现明显的波动式变化。通过功率谱分析, 其显著周期为11年和22年, 从上图的趋势分析也可看出, 呈现增加—减少—增加—减少的周期性变化趋势。从1999年以后, 降水量明显下降, 目前正处于降水量减少的干期。而从降水量的趋势变化倾向率来看, 除通辽市为-8.8mm/10a以外, 其余台站降水量均呈增加态势, 乌兰浩特、赤峰市为10.6mm/10a, 海拉尔为11.9mm/10a, 但未通过可信度检验, 说明东部地区降水量的变化, 属于气候本身自然波动的结果。因此对于内蒙古东部地区特殊的地理区位和脆弱、复杂的生态系统来说, 1999年后降水量的减少, 直接影响近年来该地区生态环境的恢复。

从30年的滑动平均状态来看(见图 5), 年降水量处于由低基本态向高基本态过渡时期, 峰值出现在1998年, 随后有缓慢的下降趋势, 但仍高于多年的平均值, 可以说目前是处于高气候基本态下。

进而通过年降水量30年的滑动均方差的变化趋势来看(图 6), 20世纪80年代初、中期处于缓慢的下降阶段, 从80年代后期大部分台站开始逐渐增大, 90年代后期达到峰值, 目前仍处于较高气候变率下。众所周知, 降水变率大是导致旱涝发生的直接原因。统计近50多年的旱涝灾情资料, 发现降水的极端气候事件有增多的趋势。如1998年松嫩流域发生百年一遇的特大洪涝灾害, 在随后这几年里, 东部地区一直干旱少雨, 但局地强对流天气增多, 雷雨冰雹灾害呈增多趋势, 2003年夏季东部区持续干旱少雨, 但通辽市奈曼旗6月23日1小时降雨量达100多毫米, 造成局地性洪涝灾害, 损失较大。这说明干旱的背景下, 洪涝等极端气候事件仍时有发生。

3 内蒙古东部地区气候变化对生态环境的影响

生态环境的演变是特定气候变化的反映。据最近的卫星遥感监测资料显示, 内蒙古东部地区的科尔沁沙地整体出现生态良性好转, 位于通辽市境内的六大沙带都在萎缩, 大面积流动沙丘正向有植被覆盖的半流动和固定沙坨子转变, 明沙趋于减少^[10]。此外, 由于近年实施禁牧舍饲、划区轮牧和季节性休牧, 目前沙地植被恢复较快, 但专家称尽管科尔沁沙地生态出现逆转, 但生态环境还很脆弱, 仍需加大保护和治理的力度。

为了进一步验证东部地区生态环境的演变趋势, 在科尔沁沙地选用42°33′43″~43°46′16″N、119°43′16″~121°39′38″E区域作为示范区, 用1986、2002两年的陆地卫星资料, 对土地类型变化情况作对比分析, 根据地面状况, 将土地划分为居民地、水域、固定沙地、基本固定沙地、半固定沙地和流动沙地6个土地类型(表 1)。

从表 1中可看出, 2002年比1986年固定沙地、流动沙地和居民地面积有所增加, 而基本固定沙地、半固定沙地、水域面积却有所减少。值的注意的是, 示范区土地类型的岛屿化趋势明显, 除水体图斑数减少15个外, 其它5类图斑数均有增加, 尤其是固定沙地图斑数增加幅度最大。相应在面积变化方面, 除人口的增加, 引发居民地面积的剧增外, 固定沙地面积也明显增加, 而其余地块面积均减少或基本未变。这进一步说明, 在90年代以来, 国家加大生态环境治理工程的力度, 科尔沁沙地在近几年气候条件不利的情况下, 经过围封、禁牧、飞播牧草作业、小流域治理等技术措施的实施, 科尔沁沙地在总体上生态环境得到了治理与恢复, 但从流动沙地面积和图斑数的增加, 说明局部地区仍在恶化, 后续的生态治理工作仍很艰巨。

4 小结

(1) 生态环境的演变虽涉及到许多人为因素的影响, 但气候条件的变化是其中的重要原因之一。

(2) 生态环境的发展过程与大气状态的长期变化密切相关。近年来气候的变干、变暖以及变率的增大, 加剧了内蒙古东部地区干旱化的程度, 由此引起一系列生态环境问题, 如湿地萎缩、草场退化等。

(3) 本世纪初气温和降水均处于高气候基本态下, 变率较大, 致使极端气候事件呈增加趋势。

(4) 从多年的试验可以看出, 内蒙古东部地区的生态环境总体正在好转, 但局部仍有恶化的趋势。