北方農牧交錯帶中段氣候風險與生態(tài)風險時空演變

北方農牧交錯帶中段氣候風險與生態(tài)風險時空演變

20世紀70年代，世界氣候變化對人類社會產生了重大影響，國際科學委員會和國家政府開始研究世界變化的區(qū)域反應。由于氣候變化的不確定性,全球不同地區(qū)的氣溫、降水呈現(xiàn)的波動和趨勢存在差異,因此進行區(qū)域對全球氣候變化的響應評價對于當?shù)刂贫ㄟm應和減緩氣候變化的對策以及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,更具現(xiàn)實意義。在全球氣候變暖的背景下,干旱、半干旱、半濕潤地區(qū)等地區(qū)的荒漠化問題引起科學家的關注,并成為1993年IPCC報告編寫時的一個主題。在我國,北方農牧交錯帶屬于大陸性季風氣候的邊緣,是半濕潤區(qū)向半干旱區(qū)的過渡地帶。過渡性自然特征,加上人類干擾,使得本區(qū)生產極不穩(wěn)定,災害頻繁,生態(tài)系統(tǒng)脆弱性表現(xiàn)很典型。針對這一地區(qū)對全球氣候變化的響應,國內很多學者研究了其氣溫、降水等氣候要素的空間分異和多年變化規(guī)律。本文的重點研究區(qū)域(見圖1),蒙、冀、遼交界地區(qū)即農牧交錯帶的中段,在全球氣候變暖的背景下,增溫明顯,1951—2000年的50年間氣溫升高的氣候傾向率是0.35℃/10a。1956—2000年,降水日數(shù),尤其是小雨的降水日數(shù)顯著減少。多于10天連續(xù)無降水日的次數(shù)增加速率為7.2%/10a,加重了干旱的脅迫。這些研究多是針對某一種或幾種氣候要素的時空變化規(guī)律進行分析,因此對于此區(qū)域的綜合性定量評價具有一定的探索意義。生態(tài)風險評價主要評價復合性污染源或環(huán)境脅迫和它們對生態(tài)系統(tǒng)組分造成的影響之間的潛在因果關系,是一個收集、組織、分析科學性信息,并用研究成果指導決策的過程。生態(tài)風險評價廣泛應用于區(qū)域生態(tài)影響評價,風險源不僅包括各種環(huán)境污染,也包括人為活動和自然災害。全球氣候變化引致全球災害風險在增加,區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展需要加快發(fā)展綜合災害風險防范。恢復和重建生態(tài)系統(tǒng),可以從宏觀尺度上緩解各種災害風險的加劇,降低災害風險的發(fā)生頻率。我國農牧交錯帶這一敏感脆弱區(qū)域面臨著全球氣候變化影響下的干旱災害風險,同時由于自然條件脆弱,人為干擾嚴重,荒漠化的脅迫也成為影響經濟生活的重要負面因素。因此,本文著眼于研究區(qū)域的干旱風險,綜合評價干旱性氣候脅迫及其對土地覆被系統(tǒng)的影響。然后利用GIS技術對研究區(qū)域的生態(tài)風險進行區(qū)劃,預測荒漠化風險區(qū)域,為政府制定風險應對措施、恢復和重建當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)提供決策依據。1數(shù)據和方法1.1氣候變化規(guī)律選取研究區(qū)域的23個氣象站,使用1961—2007年每日的觀測資料,計算分析該地區(qū)近47年的氣候變化規(guī)律。同時采用中國環(huán)境保護部環(huán)境監(jiān)測總站提供的2003年比例尺1∶20萬的土地利用矢量圖進行氣候風險和生態(tài)風險的空間分析,該土地利用圖是由分辨率30m的TM影像解譯分析所得的。1.2學習方法1.2.1氣候風險指數(shù)聯(lián)合國提出的自然災害風險表達式為風險(risk)=危險(hazard)×易損性(vulnerability)。本文對生態(tài)風險指數(shù)模擬自然災害風險的表達式進行構建,包括兩個方面,一方面要利用氣象要素數(shù)據計算氣候風險指數(shù),即對“危險”的評價;另一方面依據不同植被狀況對氣候風險的抵抗力確定土地易損性系數(shù),用以表現(xiàn)出不同下墊面對氣候風險的響應差異,即對“易損性”的評價。通過研究赤峰市的氣候特征,歸納出影響生態(tài)脆弱性的氣候要素,基于這些要素的作用關系,提出生態(tài)脆弱性的氣候表征-生態(tài)脆弱指數(shù)。該指數(shù)主要反映氣候條件對生態(tài)系統(tǒng)造成的脅迫作用,本文中稱為氣候風險指數(shù),其計算公式為Index?cli=ET0r(1?v2)(1?m)2?(1)Ιndex-cli=EΤ0r(1-v2)(1-m)2?(1)式中ET0為年潛在蒸散量(mm),由Penman-Monteith公式計算出每日的潛在蒸散量然后逐日相加所得;r為年降水量(mm);v為年降水相對變率;m為年大風日數(shù)比率。對氣候風險和土地利用狀況進行綜合得到生態(tài)風險的綜合效應:Index?e=Index?cli×Kl?(2)Ιndex-e=Ιndex-cli×Κl?(2)式中Kl為土地易損性系數(shù)。將氣候風險指數(shù)與土地易損性系數(shù)進行空間分析,并計算出各地區(qū)生態(tài)風險指數(shù)后,采用標準差分級的方法對生態(tài)風險指數(shù)進行分級,得到1級極低風險、2級低度風險、3級中度風險、4級高度風險、5級極高風險共5個級別。1.2.2采用模型的參數(shù)計算土地易損性系數(shù)是與土地利用類型相關的生態(tài)系統(tǒng)風險指數(shù)修正系數(shù),是對潛在氣候風險作用于不同土地類型上的反應差別的修正。為方便研究,根據已有的土地利用圖的分類特征將研究區(qū)域的土地利用分為9種類型(表1)。1998年FAO公布修訂后的Penman-Monteith公式用于計算潛在蒸散量,并發(fā)布了一些典型作物的參考作物系數(shù)Kc。Kc混合了作物特性和平均土壤蒸發(fā)狀況,可以較好地反映氣候條件下可能水分利用量和實際水分利用量之間的關系,將氣候條件和實際水分利用聯(lián)系起來。同時Kc可以反映地表植被的覆蓋度,覆蓋度越高,蒸騰作用越強,Kc越大。而土地對自然災害風險的易損性和地表植被的覆蓋度成負相關關系,土地覆蓋度越高,對災害風險的抵抗性越好,易損性越小。相同的氣候風險,林地的易損性低于草地,高覆蓋度草地的易損性低于低覆蓋度草地,裸地由于沒有植被覆蓋而具有最高的易損性。因此,可以用Kc的倒數(shù)來定義土地易損性系數(shù),土地易損性系數(shù)越大,相同氣候風險下,該土地覆被類型的生態(tài)風險越大(表1)。1.2.3氣候變化背景下草地覆蓋度變化由于氣候變化具有長期性的特點,且不確定因素很多,所以氣候變化影響研究的一個重要特征是設定未來氣候變化情景,用設定的不同氣候情景來代表未來氣候變化情況。在全球氣候變化背景下,氣候異常和極端氣候頻率增加已經成為加劇地區(qū)脆弱性的主要因素,另外研究區(qū)域在干旱氣候風險的脅迫下荒漠化問題突出,土地退化現(xiàn)象嚴重。因此本文在研究中引入情景分析方法,一方面假設未來的草地覆蓋度變化情景,氣候風險不變,分析生態(tài)風險變化格局,以此考察生態(tài)風險對土地覆被變化的敏感性;另一方面假設未來的氣候極端變化情景,分析生態(tài)風險變化格局,以此考察生態(tài)風險對氣候變化的敏感性響應。2分析與結論2.1各分級間的氣候風險的變化氣候風險指數(shù)的空間分布特征及其時間變化能夠表現(xiàn)出研究區(qū)域在不同年代,氣候變化綜合效應對其造成的風險脅迫。由圖2中5個不同年代氣候風險指數(shù)空間分布可以看出,各種氣候要素綜合影響下的氣候脅迫呈現(xiàn)東南西北向帶狀分布的特征。與干濕度的變化有較一致的分布趨勢,東南向西北方向氣候變干,東南向西北方向氣候風險指數(shù)變大,風險增強。20世紀70年代與60年代相比,氣候指數(shù)達到5級的區(qū)域向南遷移,西部的4級區(qū)域的南界向南擴展,3級區(qū)域的南界變化不大,只有中部圍場縣北部地區(qū)向北擺動到克什克騰旗南緣,說明圍場縣的風險度有一定程度的降低。20世紀80年代與60年代相比,雖然5級的區(qū)域消失,但是其他各級風險區(qū)均向東南方向擴展,處在各級風險區(qū)界線地區(qū)的縣市部分地區(qū)氣候風險增大。4級的南界東段由化德縣中部向南擴張到張家口市北部和懷安縣西部,西段由錫林浩特市中部擴張到南部。赤城縣東部、豐寧縣北部、圍場縣北部、喀喇沁旗大部、寧城縣北部、朝陽縣北部的氣候風險等級由2級增加到3級。承德縣南部和興隆縣北部的氣候風險等級由1級增加到2級。20世紀90年代與60年代相比,整體上氣候風險降低。5級區(qū)域消失,4級區(qū)域明顯縮小,只占據阿巴嘎旗北部地區(qū)。3級區(qū)域的南界向西、向北跳躍式遷移,擺動到林西縣以北-克什克騰旗北緣-正藍旗中部-張北縣中部-張家口市轄區(qū)西北角-赤城縣西南一線,擺動距離在克什克騰旗、林西縣以東地區(qū)可達200km。1級區(qū)域的北界也向北拓展,在承德隆化方向遷移距離可達100km。2000年以來,氣候風險較前4個年代明顯增加。5級區(qū)域較60年代范圍向東擴展到西烏珠穆沁旗西部,扎魯特旗西部也有小范圍的5級區(qū)域。4級區(qū)域的南界由東部的渾善達克沙地向西拓展到科爾沁沙地地區(qū)。翁牛特旗、敖漢旗中部和奈曼旗中部一線以北地區(qū)的氣候風險等級都由3級增加到4級。3級區(qū)域的南界變化不大。1級區(qū)域明顯縮小,隆化縣、興隆縣、承德縣南部、綏中縣北部地區(qū)的氣候風險級別由1級增加到2級?？傮w來說,研究區(qū)域的氣候風險呈現(xiàn)增加趨勢。阿巴嘎旗風險極高,渾善達克沙地和科爾沁沙地周圍旗縣也處在高風險中或者有向高風險變化的趨勢。處于各個級別間過渡地區(qū)的縣市氣候風險有增加的趨勢。高風險的區(qū)域向東南部擴展。2.2生態(tài)風險指數(shù)2.2.1防范保水風險由圖3可見,總體上生態(tài)風險級別的分布呈現(xiàn)出比較明顯的與緯度方向一致的地帶性分異規(guī)律,越向高緯度風險越大;同時也存在著與經度方向一致的省性分異,越向西風險越大。4級和5級區(qū)域主要是集中在阿巴嘎旗南部渾善達克沙地地區(qū)和翁牛特旗中北部科爾沁沙地地區(qū),這些地區(qū)以裸地為主,生態(tài)環(huán)境惡劣,生態(tài)風險高,區(qū)域內部和周邊的縣市應該積極采取生態(tài)建設措施,防止高風險區(qū)向四周蔓延和擴大。以各個縣市行政區(qū)內所占面積比例最大的風險級別代替整個縣市的風險級別,得到圖4。研究區(qū)域南部地區(qū)的主導生態(tài)風險級別是1級,中部和東北部的主導生態(tài)風險級別是2級,蘇尼特左旗、阿巴嘎旗和錫林浩特市仍是風險級別最高的地區(qū),主導生態(tài)風險級別是3級。2.2.2草原覆蓋度下降后生態(tài)風險變化我國農牧交錯帶不僅是農區(qū)向牧區(qū)的過渡帶,也是濕潤森林向荒漠草原過渡的中間地帶,帶內自然條件嚴酷,環(huán)境本身的抗干擾能力和自身修復能力差,由于人口壓力,草場超載過牧,草場退化。土地沙漠化是這一地區(qū)重要的生態(tài)和社會經濟問題,其中過度開墾和草地、耕地強度利用是土地沙漠化的主要原因,退化草地在沙漠化土地面積中比例最大。過度放牧是草原植被變化的決定性因素,長期干旱等自然災害也會造成草原退化,而過牧后將會導致草原植被覆蓋度下降。本文為了突出草原覆蓋度下降后生態(tài)風險的變化情況,假設高覆蓋度草地變?yōu)橹懈采w度草地,中覆蓋度草地變?yōu)榈透采w度草地,低覆蓋度草地變?yōu)槁愕?同時氣候風險脅迫不變,將變化后的生態(tài)風險指數(shù)與現(xiàn)實生態(tài)風險指數(shù)做差值,采用標準差的方法對差值進行分類顯示(圖5)。阿巴嘎旗南部、正鑲白旗北部、鑲黃旗北部這些地處渾善達克沙地周圍的地區(qū)和翁牛特旗東北部、扎魯特旗東南部這些地處科爾沁沙地周圍的地區(qū)生態(tài)風險指數(shù)顯著增加。蘇尼特左旗東部、阿巴嘎旗、錫林浩特市生態(tài)風險指數(shù)中度增加。現(xiàn)實中生態(tài)風險級別屬于2級的區(qū)域變化不明顯,屬于1級的區(qū)域生態(tài)風險指數(shù)中度減少。長期以來對草地資源的管理和利用不善造成了內蒙古草原的超載過牧,草場類型發(fā)生變化,抵御風險的能力降低,因此,全區(qū)也開始實行各種草原生態(tài)建設工程。為了更加直觀地看出草原建設工程、禁牧或者圍欄圈養(yǎng)等政策實施后,草原植被覆蓋度改善對生態(tài)風險的影響程度,本文假設低覆蓋度草地變?yōu)橹懈采w度草地,中覆蓋度草地變?yōu)楦吒采w度草地,同時氣候風險脅迫不變,將變化后的生態(tài)風險指數(shù)與現(xiàn)實生態(tài)風險指數(shù)做差值,采用標準差的方法對差值進行分類顯示(圖6)?？梢钥闯?現(xiàn)實中生態(tài)風險級別較高的蘇尼特右旗、蘇尼特左旗、阿巴嘎旗和錫林浩特市、鑲黃旗、正鑲白旗、翁牛特旗東部地區(qū)生態(tài)風險指數(shù)都明顯減小。張家口地區(qū)、北票市地區(qū)生態(tài)風險指數(shù)也有減小?，F(xiàn)實中生態(tài)風險級別較低的地區(qū)變化不明顯。綜合這兩種假設,現(xiàn)實中生態(tài)風險級別在3級中度風險以上(包括3級)的地區(qū),對于草地覆蓋度的變化更加敏感。2.2.3生態(tài)風險變化IPCC第4次評估報告顯示,全球變暖對人類產生的影響是廣泛而深刻的,氣候異常、災害性天氣現(xiàn)象頻發(fā)等將給人類的可持續(xù)發(fā)展和整個地球生態(tài)系統(tǒng)造成巨大的風險。研究區(qū)域地處農牧交錯帶的脆弱區(qū)域,對全球氣候變化影響反應敏感。為了反映在氣候變化更加異?；O端化的情況下,研究區(qū)域的生態(tài)風險變化,假設土地利用狀況不變,各地區(qū)的氣候風險都取2000—2007年時段中的最大風險,這種極端狀況的生態(tài)風險指數(shù)相對于現(xiàn)實生態(tài)風險指數(shù)做差值,采用標準差的方法對差值進行分類顯示(圖7)。整個研究區(qū)域的生態(tài)風險指數(shù)都是增加的,只是在不同的區(qū)域變化幅度不同?；驴h-圍場縣-敖漢旗一線以南地區(qū)生態(tài)風險指數(shù)變化極輕,大興安嶺西南余脈軸線地區(qū)(林西縣、巴林左旗、扎魯特旗等旗縣中部)生態(tài)風險指數(shù)變化極輕。在變化極輕地區(qū)的外圍,有50~100km的緩沖區(qū)為輕度變化。這些區(qū)域植被覆蓋度較高,對于氣候脅迫增加有一定的抗風險性,變化不明顯。蘇尼特右旗北部、蘇尼特左旗、阿巴嘎旗、錫林浩特市南部、西烏珠穆沁旗西部以及翁牛特旗東部地區(qū)有中度變化。錫林浩特市北部、正藍旗北部、蘇尼特右旗局部地區(qū)和阿巴嘎旗局部地區(qū)有重度變化,阿巴嘎旗南部、錫林浩特市中部有極重變化?？梢?現(xiàn)實中生態(tài)風險級別較高的地區(qū)對氣候變化也更加敏感。3結論3.1氣候風險的變化1)氣候風險指數(shù)呈現(xiàn)東南西北向帶狀分布的特征,由東南向西北方向氣候風險指數(shù)變大,風險增強。20世紀60年代、70年代、80年代、90年代和21世紀以來5個不同年代對比發(fā)現(xiàn),研究區(qū)域的氣候風險呈現(xiàn)增加趨勢。阿巴嘎旗風險極高,渾善達克沙地和科爾沁沙地周圍旗縣也處在高風險中或者有向高風險變化的趨勢。處于各個級別間過渡地區(qū)的縣市氣候風險有增加的趨勢。高風險的區(qū)域向東南部擴展。2)20世紀70年代相比60年代,氣候指數(shù)達到5級極高風險的區(qū)域向南遷移,由蘇尼特左旗東北部和阿巴嘎旗北部移至蘇尼特右旗和化德縣西北部。西部的4級較高風險區(qū)域的南界向南擴展。80年代相比60年代,雖然5級極高風險區(qū)域消失,但其他各級風險區(qū)均向東南方向擴展。90年代相比60年代,整體上氣候風險降低。5級極高風險區(qū)消失,4級高風險區(qū)面積明顯縮小,只占據阿巴嘎旗的北部地區(qū)。3級中度風險區(qū)的南界向西、向北跳躍式遷移,擺動距離在克什克騰旗、林西縣