干旱区环境绿洲化驱动机制浅析

时间：2024-05-22

郭玉刚康淑媛

摘要基于树轮代用指标记录，重建了1368—2005年黑河流域气候干湿指数变化序列。结果表明，黑河流域中下游地区多数时段处在气候湿润期，气候干旱时期比较短暂。流域气候干湿指数存在3～5年和22年准周期，主要受ENSO和太阳活动影响。对黑河流域绿洲演化机制分析得出，历史时期绿洲面积变化与气候干湿变化趋势以及人口数量增减存在明显的对应关系，气候变干和人口数量减少是绿洲面积缩小的必要条件;气候变湿润时期和人口数量增加时期会限制绿洲面积减少。可见自然因素和人为因素共同作用影响了流域绿洲演变的历史过程。

关键词绿洲化;气候干湿变化;人口数量;黑河流域

中图分类号 X171文獻标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）13-0082-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.13.026

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Analysis on Driving Mechanism of Oasification in Arid Regions

Abstract Based on the treering proxy index records， the drywet index of climate change in Heihe River Basin from 1368 to 2005 was reconstructed. The results showed that most of the time in the middle and lower reaches of the Heihe River Basin were in the wet period， while the dry period is relatively short. There are 3-5 years and 22 years cycles of drywet index over basin regions， which were mainly affected by ENSO and solar activities. Based on the analysis of the evolution mechanism of Heihe River Basin， it was concluded that the change of oasis area in historical period has obvious corresponding relation with the change of climate and population. Climate drying and population reduction were the necessary conditions for oasis area reduction;humid climate and increasing population would restrict the decrease of oasis area. It can be seen that natural and human factors have influenced the historical process of oasification over the basin region.

Key words Oasification;Climate change of dry and wet;Number of population;Heihe River Basin

绿洲是干旱荒漠地带中的一种独具特色的生态景观。绿洲主要分布在中低纬度受副热带高压控制的区域，在我国，绿洲主要分布在贺兰山以西，青藏高原以北的温带和暖温带的荒漠区[1]。历史时期以来，在人类活动和气候变化的影响下，水文过程、生物过程、土地变化和大气过程及其相互作用决定了绿洲的演化[2]。我国黑河流域中下游发育着大面积的绿洲，又地处西北内陆干旱区，降水少，水资源供给紧张，生态环境脆弱[3]，因此，研究这一区域绿洲化过程对人类活动和气候变化的响应，对推动黑河流域的可持续发展、推进国家生态文明建设、促进全球生态环境保护具有重大意义。

然而目前的研究多是基于近代观测数据的分析，如对近60年来黑河流域的生态环境[4]和气候变化[5-7]进行研究，相对较短的时间尺度制约了人们对更长时期该区域绿洲演化过程的完整认识。笔者利用树轮代用记录指标数据集，检测该区域长尺度气候变化历史及其变化规律。结合历史时期的人类活动，从自然和人为两方面揭示历史时期绿洲化的影响因素和驱动机制。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

黑河流域是我国西北地区第二大内陆河流域，主要位于祁连山北麓中段和河西走廊中段（37°45′～42° 40′ N、96°42′～102°04′ E），涉及青海省、甘肃省、内蒙古自治区。黑河干流全长821 km，总面积14.29万km2，共有大小河流41条。出山口莺落峡以上为上游，是黑河流域的产流区;莺落峡至正义峡为中游，中游的张掖地区，人工绿洲面积较大，是黑河流域的主要引水区;正义峡以下为下游，除河流沿岸和居延三角洲外，大部分为沙漠戈壁。黑河流域地处欧亚大陆中部，远离海洋，周围高山环绕，气候主要受中高纬度的西风带环流控制和基地冷气团影响，气候干燥，降水稀少而集中，多大风，日照充足，太阳辐射强烈，昼夜温差大。流域行政区划主要包括张掖市、酒泉市、嘉峪关市和额济纳旗。流域人口主要集中在中游地区，占流域总人口的9682%。黑河流域灌溉农业开发具有悠久的历史，尤其是中下游地区经历了2 000多年的开发，绿洲有了较大的变化。

该研究所选的研究区主要集中在中游地区，下游的额济纳旗地区，从明朝开始到民国时期都属于游牧之地，没有进行过大规模的农业开发，因此不在研究范围内。

1.2 研究数据

该研究选取的研究时段从明清时期开始到2005年结束（1368—2005年），为流域绿洲演化过程提供了一个长尺度的自然背景和气候变化趋势。自然因素方面的研究资料以Cook等[8]利用327条树轮序列重建的过去700多年以来的亚洲季风区的干旱指数为主。其时间分辨率为1年，空间分辨率为2.5°×2.5°的格点数据，正值表示气候湿润时期，负值表示气候干旱时期。这个数据集采用树轮点对点的重建方法，重建了亚洲区域夏季季风的变化历史，可以用于分析研究区过去近千年干旱期和湿润期的变化趋势以及空间格局的变化。该研究从Cook等[8]重建的格点数据中选取了覆盖中游地区的9个网格点（38.75°～43.75°N、9625°～101.25°E）进行分析，对这些格点数据的分析结果可以代表流域历史时期的气候变化。

人为因素方面的研究资料一般包括人口规模、战乱、土地开发政策、科技装备、水资源利用制度以及农业生产方式等。该研究选取人口数量变化为研究对象，因为这一指标不仅在一定程度上决定了绿洲开发的规模，而且较易于定量化。石亮[9]利用遥感影像、地方志、历史遗迹和实地考察等研究手段，对黑河流域中游地区明代至民国时期人口数量变化以及绿洲面积变化进行了定量的重建。其研究分6个时段进行：明朝前期（1368—1521年），明朝后期（1522—1644年）;清朝早期（1644—1722年），清朝中期（1723—1861年），清朝晚期（1862—1912年）;民国时期（1912—1949年）。研究范围大致介于38°～41°N、98°～101°40′E，这些重建具有重要的科学价值，也为该研究的分析提供了基础数据。

1.3 研究方法

用距平法和累积距平法[10]分析流域历史时期气候干湿变化趋势，累积距平曲线的上升与下降反映了气候要素随时间变化的增加和降低。为了分析年代际和世纪气候干湿变化随时间的变化特征，进行了31年滑动子序列的累计距平研究。

为了检验流域气候干湿变化与全球性异常气候事件的关系，对流域气候干旱指数时间序列进行了周期分析。常用的周期分析方法有功率谱分析法、多窗口谱分析法、小波分析法等，其中功谱率分析法是应用最广泛的方法[11]。功率谱分析是以傅立叶变换为基础的频域分析方法，其意义是将时间序列的总能量分解到不同频率上的分量，根据不同频率的波的方差贡献诊断出序列的主要周期，从而确定出周期的主要频率，即序列隐含的显著周期。

2 结果与分析

2.1 气候干湿变化分析

2.1.1 流域气候干湿变化趋势。

历史时期气候干湿变化的累积距平曲线31年滑动平均后显示（图1曲线部分，距平以1368—2005年算数平均值为标准值），在明朝前期气候经历了由干旱变湿润又变干旱的过程，波动的幅度最大，其中1449年干旱指数达到了近700年来的最高值，而1500年达到了历史最低值;1500年为气候干湿变化的根本性转折点，1500年之后气候由干向湿转化，到1640年时达到了历史时期的又一个高值，这种湿润的状态持续到1868年，虽然在清朝前期这种湿润的趋势有所减少，但是也没有变得比1500年更干旱;清朝前期的这段时间，气候又从湿润向干旱的趋势发展，气候变干的趋势比较明显，从历史时期的高值下降到了历史时期的低值;1570—2005年，气候干湿变化经历了4次波动，但振幅相对较小，逐渐从之前的不稳定变化过渡到了相对稳定的状态。

整体上来看，流域经历的干旱期明显短于湿润期，1368—1432年和1460—1570年为较明显的干旱时期，干旱持续时间最长。1869—1958年也是一个干旱时期，但是干旱程度没有上一个干旱时期严重。期间还存在1713—1723年和1749—1755年的短暂的干旱时期。其他时段均为湿润期，在整个时间序列上存在多个湿润期的波动，明朝前期的波动幅度最大，明朝后期到清朝前期次之，清朝中期到民国时期的波动幅度较小。

2.1.2 流域气候干湿变化周期。

为了进一步分析流域干湿变化的时间演变特征，对流域干湿变化时间序列进行了功率谱分析，其结果见图2。由图2可知，通过99%检验的只有34年周期和4.9年周期;通过95%检验的还有2年、2.3年、2.9年、5.4年、6.7年和7.7年的周期;通过90%检验的还有9年和22年周期。可以看到，准5年和准3年周期是最为明显的。这可能主要与El Nino-Southern Oscillation（ENSO）的2～7年周期[12-15]存在着一定联系。这也说明流域气候干湿变化不但存在顯著的3～5年的年际波动，而且也存在22年的年代际波动。

之前有研究指出黑河莺落峡出山口径流量存在3年，6～7年和22～23年的主周期[16]，也有研究指出处于黑河流域中游地区的张掖市冬季气温变化存在22年左右和6年左右较强的震荡周期[17]。这些研究结果和该研究揭示的流域气候干湿变化周期有着很好的一致性。虽然早期的这些研究所依据的气候资料时间长度只有50年左右，但是黑河流域气候变化周期无论在长时间尺度下还是在短时间尺度下都受到ENSO变化的影响，以及太阳活动22年海耳周期[18]的影响。

2.2 绿洲面积变化驱动因素分析

2.2.1 绿洲面积变化与气候干湿变化的关系。

绿洲面积变化与流域气候干湿变化存在着一个明显的对应关系，见图1，即绿洲面积相对较小的时期，其气候干湿变化处于下降的趋势，也就是偏干的气候时期绿洲面积相对较小;而在气候干湿指数上升的趋势下，绿洲面积偏大。如最明显的清朝前期气候干湿变化呈下降趋势，对应此时的绿洲面积最小。明朝后期和清朝中期是2个气候干湿指数呈现上升趋势的时期，其绿洲面积较明朝前期和清朝前期都有所增加。然而，在气候干湿指数呈下降趋势的民国时期，绿洲面积却没有减少。这说明，干旱的气候条件未必会导致绿洲面积的大规模减少，但干旱的气候是发生绿洲面积减少的一个重要因素。因此，人类活动对绿洲面积变化的干预，应引起足够的重视。

2.2.2 绿洲面积变化与人口数量的关系。

人口数量在一定程度上决定了流域绿洲开发的面积，见图1，可以看出研究区内人口变化趋势与绿洲面积变化有很好的一致性，最明显的是在给出的6个时段中清朝初期人口数量最少，对应绿洲面积最小;唯一对应不好的一个时段是，清朝中期是人口数量最多的时期，但是绿洲面积却不是最大的时期。这说明，人口数量的增减是绿洲面积增减的一个必要条件，但是绿洲面积的变化不仅仅由人口数量决定，是包含其他因素综合影响而形成的。

3 结论

通过对上述气候干湿指数长期变化趋势以及绿洲人口数量的变化分析，对绿洲面积演变的影响因素和驱动机制有了以下的认识：

（1）1368—2005年，黑河流域多处于气候湿润期，存在多个湿润期的波动，气候干旱时期较短暂。2个较明显的气候干湿指数下降时期分别为明朝前期的后半段时期和清朝前期。周期分析表明流域气候干湿变化存在显著的3～5年的年际波动，以及22年的年代际波动。这些周期的波动受ENSO和太阳活动的影响。

（2）研究区的绿洲演变受自然和人文因素的共同作用。不同时期绿洲面积变化与气候变化和人口数量变化有着很好的对应关系。尤其是在典型的清朝前期，绿洲面积是整个研究时段中最小的时期，对应研究区域气候干湿指数下降时期，以及人口数量最少时期。这三者的对应关系还存在于明朝后期、清朝中期以及清朝后期。所以绿洲的演变受控于自然因素和人为因素共同作用，但是具体驱动力机制还需今后做大量的定量研究。

参考文献

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