陕西省风蚀气候侵蚀力时空演变特征

雷杨娜，雷田旺，程 路

(1.陕西省气候中心，西安 710014；2.陕西省气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室，西安 710016；3.西安交通工程学院，西安 710300)

土壤风蚀[1]是以风力为主的外营力作用于地面所引起尘土、沙的飞扬、跳跃和滚动的侵蚀过程。土壤风蚀是一个全球性的环境问题。中国是世界上受土壤风蚀危害最严重的国家之一。土壤风蚀是中国干旱、半干旱及部分湿润地区土地荒漠化的首要过程。土壤风蚀主要受气候、土壤、地形等因素的影响，而气候是影响土壤风蚀的一个重要因素，影响土壤风蚀的主要气候因子包括风、降水、气温、湿度等[2-3]。国际上一般用风蚀气候侵蚀力来描述气候对土壤风蚀的影响程度，风蚀气候因子指数是其定量表示指标，也是土地沙化和农田风蚀的重要评价指标，其研究具有重要的理论意义和应用价值[4-5]。风蚀气候因子的概念和计算方法最早由Chepil等[6]提出，用来评价美国堪萨斯州加尔登城的风蚀能力和土壤沙化程度。在多次修正的基础上，1979年经联合国粮农组织(FAO)进一步改进，得到了较为成熟的计算公式[7]，随后被广泛应用。国内关于风蚀气候侵蚀力的研究开始较晚，董玉祥等[8]计算得出我国干旱半干旱地区风蚀气候侵蚀因子指数一般为10～100，风蚀气候侵蚀力主要受降水与风速影响。方祖光等[9]计算了福建沿海地区的风蚀气候因子强度，指出沿海地区秋冬季风蚀气候因子指数较大。杨兴华等[10]分析了塔里木盆地风蚀气候侵蚀力的基本特征，得出风蚀气候因子指数总体呈减小趋势，主要受风速影响，与降水关系不显著。祁栋林[11]和吴承永等[12]分别分析了青海省风蚀气候侵蚀力的时空演变特征和驱动力，发现风速是影响风蚀气候侵蚀力的主导因素，其次是气温，降水影响最小。贾莲莲等[13]系统分析了北方15省风蚀动力和水蚀动力的时空分布格局，得出风蚀气候因子指数北方高南方低，中部高，东西较低。这些成果对我国风蚀气候侵蚀力的研究具有重要的理论意义。

陕西地跨黄河、长江两大流域，涉及半干旱、半干旱半湿润、湿润半湿润三个气候区，境内山原起伏，有高原、山地、平原和盆地等多种地形，自然条件复杂，生态环境脆弱[14]。近年来由于气候变化和人类活动影响，水土流失较为严重，土壤侵蚀面积和强度均高于全国大部分省份[15-16]。本研究通过计算陕西省94个气象站1981—2020年风蚀气候因子指数，分析陕西省不同地区风蚀气候侵蚀力的基本特征及时空变化，以期为秦岭、黄土高原地区土壤风蚀灾害防治与评价提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

陕西省地处北纬31°42′至39°35′，东经105°29′至111°15′，居我国中部内陆。省域南北狭长，地理环境复杂，可分为陕北黄土高原、关中平原和陕南秦巴山地地貌区。属大陆季风性气候，跨越干旱到半干旱、半干旱到半湿润、半湿润到湿润三个气候区，南北气候差异较大。全省年平均气温7～16 ℃，北部低于南部，从北向南1月气温-10～3 ℃，7月气温21～27 ℃。全省年降水量320～1 258 mm，由南向北递减。年平均风速1.7 m/s，年均大风日数60 d，年平均相对湿度67.5%。

1.2 资料来源

所用资料为陕西省97个气象台站 1981—2020 年的月气象观测资料，主要包括月平均温度、相对湿度、平均风速、降水量、平均相对湿度等气象要素，剔除杨凌站、黄陵站和三原站等3个不满30年观测的气象站资料，共使用94个观测站资料。四季划分采用气象季节划分方法：春季为每年3—5 月、夏季6—8 月、秋季9—11月、冬季当年12月至次年2月。

文中涉及的陕西省、市行政边界基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)3333号的标准地图制作，底图无修改。

1.3 计算方法

采用联合国粮农组织(FAO)订正的风蚀气候因子指数(C)计算公式[7]计算C值：

(1)

(2)

式中，u2为2 m高处风速，u10为10 m高处风速。

月潜在蒸发量(Ei)，采用中华人民共和国环境保护部《生态保护红线划定指南》(环办生态〔2017〕48号)文件中提供的计算方法[18]：

Ei=0.19(20+Ti)2(1-ri)。

式中，Ti为月平均气温(℃)，ri为月平均相对湿度(%)。

在计算得到陕西各站的风蚀气候因子指数的基础上，采用气候趋势分析、空间插值、敏感性分析等方法，分析陕西省风蚀气候侵蚀力的时间变化趋势、空间分布特征，并从时间相关性、空间相似度和敏感性三方面分析风蚀气候侵蚀力对风速变化的响应。

2 结果与分析

2.1 风蚀气候因子指数时间变化特征

2.1.1 年际变化 从年均风蚀气候因子指数(C)变化曲线图(图1)可以看出，陕西省C值年际波动较大，表明年均风蚀气候侵蚀力年际变化显著，但变化趋势不明显。1981—2020年全省平均C值为3.18，1997年最大(7.24)，1983年最小(-0.83)，极差40.6。除冬季C值呈现略微减小趋势外，春、夏、秋三个季节C值年际变化与全年类似，年际波动较大，变化趋势不显著(图略)。全省各区域年均风蚀气候因子指数差异显著，陕北长城沿线最大，多年平均为13.87，其次为陕北南部和关中，分别为4.09和3.55，陕南地区最小，多年均值仅为-0.57。各地区C值年际变化同全省基本一致，年际变化较大，但变化趋势不明显。

图1 1981—2020年陕西省及各区域风蚀气候因子年际变化

进一步分析C值年代际变化(图2)，风蚀气候侵蚀力近40 a来经历了先增强后减弱的变化，20世纪80年代C值较小，距平值为-0.47，90年代C值明显增大，距平值为0.84，之后逐年代下降，2000年代仍为正距平(0.14)，2010年代转为负距平，距平值为-0.51。陕北长城沿线地区在20世纪80年代为强的正距平(1.20)，90年代和2000年代距平值较小，2010年代为强的负距平(-1.23)；陕北南部2010年代前均为正距平，且距平逐年代减小，2010年代则转为负距平；关中地区除20世纪90年代为正距平外，其余年代均为负距平；陕南地区20世纪80年代和2010年代为负距平，20世纪90年代至2000年代为正距平。整体来看陕西大部分地区风蚀气候侵蚀力在20世纪90年代最强，2010年代为近40 a风蚀气候侵蚀力最弱的年代。

图2 1981—2020年陕西省及各区域风蚀气候因子指数年代际变化

2.1.2 月变化 图3为陕西省风蚀气候因子指数月际变化，C值月际变化显著，1—4月逐渐增大，且在4月达到最大值，之后逐渐减小，9月达到最小值，为-0.46。9月之后又逐渐增大。从各季节C值分布来看，C值季节特征主要表现为春季最大(1.94)，冬季次之(1.75)，夏秋季很小(均小于0)。风蚀气候因子指数月和季节变化特征与陕西当地的气候特征关系密切。春季陕西气候干燥，雨水较少，易出现大风天气；冬季气温较低，植被覆盖度较低，地表多为裸露状态。因此冬春两季更易发生土壤风蚀现象。

图3 1981—2020年陕西省风蚀气候因子指数月变化

2.2 风蚀气候因子指数空间分布特征

从风蚀气候因子指数空间分布图(图4)可看出，陕西省风蚀气候侵蚀力呈现出北高南低的空间分布特征，全省94个气象站C值范围为-8.96～30.0。汉中和安康地区C值小于0，属不易受风蚀区域；关中、陕北延安和榆林南部地区C值小于10，风蚀气候侵蚀力较弱；榆林中部C值在10～20之间，风蚀气候侵蚀力一般；榆林北部定边地区C值在20以上，属于陕西风蚀气候侵蚀力最强的地区。整体上，陕西大部分地区风蚀气候侵蚀力较弱，占全省区域90%以上，仅10%左右的地区风蚀气候侵蚀力较强，且主要分布在榆林地区。风蚀气候侵蚀力的空间分布特点与陕西省的土壤质地、降水、风速分布规律关系密切，同时也受当地地形地貌、植被覆盖等因素影响。陕西省年降水量自北向南逐渐增加，年平均风速则是自北向南逐渐降低；因此陕西省风蚀气候侵蚀力分布呈从北向南逐渐减小的空间分布特征。

全省94个气象站C值气候倾向率范围为-5～4.5(10 a)-1(图4)，其中负值主要分布在陕北西部、关中东部和陕南中东部地区，占全省所有站的55%，说明这些地区风蚀气候侵蚀力呈减小趋势。减小最快的是榆林定边地区，C值气候倾向率在-3(10 a)-1以下，主要原因和风速显著减小有关[19-20]。40 a间，定边站平均风速从1981年的3.23 m/s减小至2020年的2.20 m/s，风速的显著减小直接导致了定边地区C值总体上呈减小趋势。与此同时，近40 a榆林东北部、延安东部和安康南部C值随风速的增加而增加，其中神木站风速增加了0.78 m/s，C值气候倾向率在1.5(10 a)-1以上，榆林和延安东部风蚀气候侵蚀力的增加更应引起重视。

图4 1981—2020年陕西省风蚀气候因子指数及气候倾向率空间分布

通过检验各站气候倾向率并对检验值进行空间插值，得到全省风蚀气候侵蚀力变化显著区域(图5)。年风蚀气候侵蚀力在榆林东部、延安东北部、汉中和安康南部部分地区显著增加，榆林中西部、延安东南部、关中东北部及汉中西部则显著减小， 且减小区域大于增加区域。春季风蚀气候侵蚀力变化情况在陕北地区与年分布类似，关中西北部及中部地区也显著增加，陕南地区显著增加区域则明显减少，仅存在于汉中南部小部分区域，显著减小区域主要分布在榆林西部、延安南部与关中北部交界区域。冬季风蚀气候侵蚀力变化情况则出现南北两极化分布，除榆林东部和延安东北部显著增加外，榆林西部、延安南部、关中大部和陕南东部均显著减小，且显著减小区域明显大于增加区域。总的来说，风蚀气候侵蚀力在全年及风蚀严重的冬春季节，显著减小区域均大于显著增加区域，且这种分布特征在冬季表现尤为突出。

图5 1981—2020年陕西省风蚀气候因子指数变化情况空间分布

2.3 风速对风蚀气候侵蚀力的影响

2.3.1 风蚀气候因子指数与风速的时空相关性 20世纪80年代至今，中国干旱半干旱地区风速是风蚀气候侵蚀力年际变化的主要驱动因子[21]。由于陕南地区风蚀现象较少，且该地区风速较小，故侧重研究陕北和关中地区风速与C值的关系。对比多年平均风速(图6)与C值变化空间分布情况，发现二者在陕北地区变化趋势基本吻合，在榆林东部和延安东北部地区风速显著增大，而这两个区域C值也显著增大；榆林西部和延安东南部风速和C值都呈现显著下降趋势。

图6 1981—2020年陕西省多年平均风速变化情况

计算各站年平均风速与C值相关系数并进行空间插值，得到二者相关系数空间分布(图7)，在陕北地区及关中东部部分地区二者相关系数均在0.6以上，榆林地区相关系数达到0.8以上，说明风速确实是影响C值演变的重要因子。

图7 1981—2020年陕西省风速与风蚀气候因子指数相关系数

对全省及陕北、关中的年和春、冬两季(风蚀气候侵蚀力较强)C值和对应的平均风速进行空间相似度分析[22](表1)，发现全省年、春季和冬季风蚀气候侵蚀力与平均风速空间相似系数分别为0.675、0.782和0.905，说明风蚀气候侵蚀力与平均风速的空间分布较为一致，且在风蚀较强的冬、春两季空间一致性更高。陕北地区年和春季二者空间相似系数均高于关中地区，冬季空间相似系数略低于关中，但整体来说这两个地区C值和平均风速的空间一致性均高于全省平均。

表1 1981—2020年陕西省风蚀气候因子指数与平均风速的空间相似系数

2.3.2 风蚀气候侵蚀力对风要素的敏感性 为进一步分析风速演变对风蚀气候侵蚀力的影响，计算了风蚀气候因子指数对平均风速的敏感性系数[23]，并进行敏感性分析(表2)。全省年风蚀气候因子指数对平均风速的敏感性系数为2.149，表明若风速增大(减小)1%，可诱发风蚀气候因子指数增加(减小)2.149%；不同季节风速对风蚀气候侵蚀力的影响有所差异，冬季敏感性系数明显高于春季。关中地区风蚀气候因子指数对平均风速的敏感性系数和全省基本一致，均是冬季明显大于春季，年敏感性系数也与全省相差不大，为2.664，即该地区风速变化1%可引起风蚀气候因子指数变化2.664%；而陕北地区则正好相反，春季敏感性系数略高于冬季，且年敏感性系数较小，即风速变化1%，风蚀气候因子指数可变化1.684%。这可能由于土壤风蚀不仅受气候因素影响，还受地形地貌、土壤类型、植被覆盖等因素影响，而在陕北地区可能其他因素的影响大于气候因素的影响。

表2 1981—2020年陕西省风蚀气候因子指数对平均风速的敏感性系数

3 结论

(1)1981—2020年全省平均C值为3.18，1997年最大为7.24，1983年最小为-0.83。全省各区域风蚀气候侵蚀力差异显著，陕北长城沿线最大，多年平均为13.87，其次为陕北南部和关中，分别为4.09和3.55，陕南地区最小，仅为-0.57。各地区C值年际变化同全省基本一致，年际变化较大，但趋势不明显。各地区风蚀气候侵蚀力风蚀气候侵蚀力均经历了先增强后减弱的变化，除陕南外，全省大部分地区2010年代均为近40 a最弱的年代。风蚀气候侵蚀力季节变化特征为春季最大，冬季次之，夏秋季较小。

(2)陕西省风蚀气候侵蚀力呈现出北高南低的空间分布特征。全省94个气象站C值范围为-8.96～30.0，大部分地区风蚀气候侵蚀力较弱，占了全省区域的90%以上，仅有10%左右的地区风蚀气候侵蚀力较强，主要分布在榆林地区。

(3)年风蚀气候侵蚀力在榆林东部、延安东北部显著增加，榆林中西部、延安东南部和关中东北部则显著减小，且减小区域大于增加区域，这种变化特征在冬季表现尤为突出，这与各地区年及各季节风速空间分布特征一致性较高。

(4)风蚀气候侵蚀力与平均风速的相关性分析显示，风速是影响风蚀气候侵蚀力演变的重要因素。全省年、春季和冬季风蚀气候侵蚀力与平均风速空间相似系数均在0.65以上，表明风蚀气候侵蚀力与平均风速的空间分布较为一致，且在风蚀较强的冬、春两季空间一致性更高。敏感性分析显示，陕北地区春季风蚀气候侵蚀力对平均风速的敏感性更高，而关中地区则是冬季敏感性高于春季。