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1 第 34 卷 第 12 期 农业工程学报 Vol.34 No 年 6 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jun 京津风沙源治理工程区植被对沙尘天气的时空影响 崔晓 1,2, 赵媛媛 1,2, 丁国栋 1,2, 信忠保 1, 高广磊 1,2 1,2, 于明含 (1 北京林业大学水土保持学院水土保持国家林业局重点实验室, 北京 ; 2 宁夏盐池毛乌素沙地生态系统国家定位观测研究站, 盐池 ) 摘要 : 为了理解京津风沙源治理工程区植被对沙尘天气的影响, 该文采用沙尘天气气象数据和归一化植被指数 NDVI (normalized difference vegetation index) 时间序列, 分析了京津风沙源治理工程区 ( 二期 ) 年沙尘天气发生日数和植被 NDVI 的时空格局, 探究了沙尘天气与当年春季 前一年植被生长季 NDVI 之间的关系, 揭示了植被对沙尘天气影响的时间格局和空间异质性特征 结果表明, 年, 京津风沙源治理工程区 ( 二期 ) 沙尘天气发生日数呈显著下降趋势, 同时区域植被 NDVI 显著增加 ; 沙尘天气发生日数与当年 5 月 前一年 8 月的 NDVI 的相关性最强 ; 约 60.99% 区域沙尘天气发生日数与当年 5 月 NDVI 显著相关, 主要分布在典型草原中区 浑善达克沙地和农牧交错区 ; 约 19.59% 的地区植被 NDVI 对沙尘天气的影响具有一定的滞后性, 主要分布在鄂尔多斯高原东部 典型草原西区 燕山丘陵山地水源区北部 关键词 : 植被 ; 沙尘 ;NDVI; 京津风沙源区 ; 时空格局 doi: /j.issn 中图分类号 :TU443 文献标志码 :A 文章编号 : (2018) 崔晓, 赵媛媛, 丁国栋, 信忠保, 高广磊, 于明含. 京津风沙源治理工程区植被对沙尘天气的时空影响 [J]. 农业工程学报,2018,34(12): doi: /j.issn Cui Xiao, Zhao Yuanyuan, Ding Guodong, Xin Zhongbao, Gao Guanglei,Yu Minghan. Spatio-temporal pattern of impacts of vegetation on controlling sand-dust weather in Beijing-Tianjin Sandstorm Source Control Project [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(12): (in Chinese with English abstract) doi: /j.issn 引言 沙尘天气是一种由强风将地面沙尘卷到空中, 使空气混浊, 大气能见度降低的一种天气现象, 在气象学中, 根据沙尘天气发生的强度, 将其划分为浮尘 扬沙和沙尘暴 3 个等级 [1-3] 2000 年春天, 沙尘暴天气多次袭击北京, 严重影响了人们的生活和健康, 给国民经济建设和人民生命财产安全造成严重的威胁 为改善京津及周边地区的大气质量, 减轻风沙危害, 国家于 2002 年紧急启动了京津风沙源治理工程, 经过 10a 的工程建设, 工程区林地面积净增 2143 km 2, 土壤风蚀量基本稳定和有所减少的区域面积占全区的 64.10%, 生态状况整体好转, 沙化土地和沙尘天气明显减少 [4-5] 2012 年, 京津风沙源治理工程二期开始实施, 工程区南进西扩, 投资规模翻倍 在工程建设过程中, 林草植被恢复与建设是重要的措施之一, 客观准确认识植被对沙尘天气的影响特征对于高效开展植被建设和生态系统管理具有重要意义 植被对沙尘天气的影响研究已十分广泛 [6-16] 植被可以减弱大风对裸露地表的作用, 有效控制沙尘源 ; 能够 收稿日期 : 修订日期 : 基金项目 : 国家重点研发计划项目 (2016YFC ); 国家自然科学基金项目 ( ) 作者简介 : 崔晓, 研究方向 : 荒漠化防治 Cuixiao_bjfu@163.com 通信作者 : 赵媛媛, 讲师, 博士, 研究方向 : 荒漠化防治 zhaoyy_bjfu@163.com 增加地表粗糙度 降低地表风速 减弱沙尘天气发生的动力 [17-18] 大量研究证实, 中国北部沙尘天气或沙尘暴发生日数与植被覆盖呈显著负相关关系 [19-21] 研究者们还提出植被对沙尘天气的影响具有滞后效应 [22-24] 春季沙尘天气频发时, 当年植被还未返青, 对沙尘的抑制作用微弱, 但前一年夏季植被的残留根茎可通过对大气的摩擦和阻挡, 衰减风动力, 显著抑制冬春沙尘天气的发生 [22] [23] 顾卫等研究发现, 内蒙古中西部地区夏季植被覆盖率与第二年沙尘暴日数具最显著的负相关关系 覃 [24] 云斌等研究表明, 京津风沙源区的沙尘暴日数与上一年年最大化植被 NDVI 呈显著负相关 然而, 对于京津风沙源治理区, 植被对沙尘天气影响的时间特征 影响效应是否具有空间异质性等问题仍然缺乏深入的探讨 因此, 本研究以京津风沙源治理工程区 ( 二期 ) 为研究区, 采用归一化植被指数 (normalized difference vegetation index,ndvi) 和沙尘天气发生日数数据, 探讨区域植被对沙尘天气影响的时空格局特征, 揭示沙尘天气发生日数与前一年植被生长季 当年春季植被 NDVI 的相关关系, 以及相关关系的空间异质性特征, 为工程区植被建设和管理的高效开展奠定基础 1 研究区概况 京津风沙源治理工程区 ( 二期 )( E, N) 西起内蒙古的乌拉特后旗, 东至内蒙古的阿鲁科尔沁旗, 南起陕西省的定边县, 北至内蒙古的

2 172 农业工程学报 ( 年 东乌珠穆沁旗, 东西横跨近 1300 km, 南北纵跨近 1175 km 范围涉及北京 天津 河北 山西 内蒙古 陕西 6 个省 ( 自治区 直辖市 ) 的 138 个县 ( 旗 市 区 ), 总国土面积为 万 km 2, 沙化土地面积 万 km 2 研究区地貌复杂, 不同区域的气候特点差异颇大, 研究区地处中纬度内陆地区, 冬季受寒潮频发生, 年平均气温由东向西逐渐增加, 而降水量由东向西逐渐减少, 有明显的干旱 半干旱气候特征, 多大风 沙尘暴天气 [25-26] 据区域气象资料, 全区多年平均风速为 2.7 m/s, 峰值出现在研究区东北部的东乌珠穆沁旗, 达 5.7 m/s 根据地貌类型和植被覆盖, 可将区域划分为 11 个亚区 ( 图 1) 1. 典型草原东区 2. 大兴安岭南部区 3. 科尔沁沙地 4. 典型草原中区 5. 浑善达克沙地 6. 燕山丘陵山地水源区 7. 农牧交错区 8. 典型草原西区 9. 黄河灌溉区 10. 晋北山地丘陵区 11. 鄂尔多斯高原 1. Typical grassland east 2. Southern daxinganling 3. Horqin sandy land 4. Typical grassland central 5. Hunshandake sandy land 6. Yanshan hilly mountain water source area 7. Agro-pastoral area 8. Typical grassland west 9. Yellow River irrigation area 10. North Shanxi hilly area 11. Erdos Plateau 图 1 京津风沙源治理工程区 ( 二期 ) Fig.1 Beijing-Tianjin Sandstorm Source Region (second phase) 2 研究方法 2.1 数据来源沙尘天气数据来源于中国气象数据网 ( 包括覆盖研究区及周边的 66 个气象站的沙尘天气发生日数等气象数据, 时间序列为 年 SPOT/VGT NDVI S10 数据来源于 中国西部环境与生态科学数据中心 的寒区旱区科学数据平台 ( 为了尽量消除云 大气 太阳高度角等因素对数据的干扰, 对数据进行了大气校正 辐射校正 几何校正等预处理, 并最后形成 10d 最大值合成的 NDVI 数据, 即将每个月按 10 d 划分,1-10, 和 21 到最后一天,2000 年 1 月至 2013 年 12 月共 504 景京津风沙源治理工程区 ( 二期 ) 的逐旬 NDVI 数据, 空间分辨率约 1 km 取每 10d 最大 NDVI 作为该月每旬的 NDVI 值, 取每月三旬最大 NDVI 作为月 NDVI 值, 取每年 12 个月最大 NDVI 作为年 NDVI 值 2.2 沙尘天气发生日数时空格局分析在全区平均和像元 2 个尺度上分析沙尘天气日数的时空格局 首先, 统计京津风沙源治理工程区 ( 二期 ) 内部 42 个气象站点的沙尘天气发生日数, 计算全区所有站点 年各月累年沙尘天气发生平均日数, 得到沙尘天气发生日数月际变化 ; 计算全区 年所有站点的沙尘天气发生日数年平均值, 获得全区沙尘天气发生日数年际变化 然后, 对各年份 66 个气象站的沙尘天气发生日数数据进行反距离权重插值, 得到 1 km 空间分辨率的 年区域沙尘天气发生日数空间分布图 采用线性趋势分析法来揭示沙尘天气发生日数的年际变化特征 线性趋势法计算公式为 [27] : y ax b (1) (2) n n 2 2 i 1 i i i 1 i a ( x y - nxy )/( x nx ) 式中 x 为时间,y 为沙尘天气发生日数,a 为变化斜率,b 为常数, x 和 y 为 x 和 y 的平均 a 值的正 / 负表示增加 / 减小趋势 2.3 NDVI 时空格局分析 NDVI 是目前最常用的表征植被状况的指标 [28] 为揭示研究区 NDVI 年内和年际特征, 在全区尺度上计算 年各月累年 NDVI 均值和逐年最大化 NDVI 区域平均值, 通过线性趋势法揭示年内 年际变化强度 2.4 沙尘天气发生日数与 NDVI 相关性分析选取 年每年沙尘天气发生总日数分别与当年 3 5 月 ( 沙尘天气高发期 ) 前一年 5 9 月 ( 植物生长季 ) 共 8 个月份的 NDVI 进行相关分析 全区尺度上, 将对应时期全区平均 NDVI 与相应的沙尘天气发生日数平均值进行线性相关性分析, 得到不同月份 NDVI 与沙尘天气发生日数的相关性 ; 在像元尺度上, 利用 年沙尘天气发生日数空间插值时间序列分别与上述 8 个月份最大化 NDVI 数据进行相关性分析, 得到沙尘天气日数与对应月份 NDVI 的相关性分布图 研究中的空间分析在 ArcGIS 10.3 软件中完成, 统计分析在 SPSS22.0 中完成 3 结果与分析 3.1 区域沙尘天气发生日数时空格局京津风沙源治理工程区 ( 二期 ) 沙尘天气发生日数整体呈现西高东低的格局 ( 图 2) 2000 年, 全区平均日数达到 15 d, 区域西部陕西省定边气象站显示的沙尘天气日数最多, 为 75 d, 陕西省横山 内蒙古自治区海力素和鄂托克旗等沙尘天气日数相对较多, 分别为 和 31 d; 区域东部内蒙古自治区西乌珠穆沁旗 赤峰和翁牛特旗等沙尘天气日数相对较少, 分别为 1 2 和 4 d 到 2013 年全区沙尘天气日数有所减少, 平均为 5 d, 但海力素沙尘天气日数仍多达 43 d 从各亚区来看,2000 年, 鄂尔多斯沙高原亚区和典型草原西区的沙尘天气日数较多, 分别为 29 d 和 23 d,

3 第 12 期崔晓等 : 京津风沙源治理工程区植被对沙尘天气的时空影响 173 沙尘天气日数最少的是大兴安岭南部区和科尔沁沙地, 均为 5 d; 到 2013 年, 沙尘天气日数最多的亚区是典型草原西区和黄河灌溉区, 分别为 17 d 和 12 d, 典型草原东区 大兴安岭南部区和科尔沁沙地则相对较少, 为 1~3 d 呈现西低东高的格局 区域东南部燕山丘陵山地水源区植被 NDVI 较高,2000 年 NDVI 为 0.01~0.57, 平均 NDVI 约为 0.34, 典型草原中区 典型草原西区 鄂尔多斯高原亚区植被 NDVI 相对较低, 同期 NDVI 分别为 0~0.22 0~0.33 和 0~0.28, 平均 NDVI 分别约为 到 2013 年, 区域 NDVI 整体提高, 尤其是东南部燕山丘陵山地水源区和鄂尔多斯高原亚区,NDVI 分别为 0~0.65 和 0~ 年, 区域植被 NDVI 在夏季和初秋较高 (7-9 月 ), 冬季和春季较低 ( 图 5a) 研究区植被 NDVI 呈显著上升趋势 (R 2 =0.80,P<0.01) 其中 8 月份植被平均 NDVI 最高, 为 0.41,1 月份植被 NDVI 最低, 为 和 2005 年 NDVI 较低, 均是 0.19,2008 年明显增高, 且于 2012 年达到最大值并逐渐趋于平稳 a.2000 年 b.2013 年图 和 2013 年沙尘天气发生日数空间分布 Fig.2 Spatial distribution of sand-dust weather days in 2000 and 2013 区域沙尘天气主要发生在春季, 年际总日数呈年际波动下降趋势 (R 2 =0.42) 3-5 月份月平均沙尘天气发生日数占全年总日数的 75.5%, 其中 4 月份最为集中, 占全年的 32.7%, 其余月份沙尘天气发生日数均低于 10 d, 最少的是 9 月份, 仅 1 d( 图 3a) 2001 年沙尘天气发生平均日数达最多, 约 25 d, 其次是 2006 和 2002 年, 分别达到 d, 此后, 沙尘天气发生日数趋于平稳减少趋势, 并于 2013 年减少到 5 d 以下, 这也是继 2003 年后首次低于 5 d a.2000 年 b.2013 年图 和 2013 年 NDVI 空间分布图 Fig. 4 Spatial distribution of NDVI in 2000 and 2013 a. 沙尘天气发生数年内月均日数变化 a. Intra--annual changes of sand-dust weather days b. 沙尘天气发生日数年际变化 b.inter-annual changes of sand-dust weather days 图 年沙尘天气发生日数年内和年际变化 Fig.3 Intra- and inter-annual changes of sand-dust weather days from 2000 to 区域植被 NDVI 时空格局京津风沙源治理工程区 ( 二期 ) 的植被 NDVI 总体 a. NDVI 年内变化 b. NDVI 年际变化 a. Intra-annual changes of NDVI b. Inter-annual changes of NDVI 图 年 NDVI 年内和年际变化 Fig. 5 Intra- and inter-annual changes of NDVI from 2000 to 沙尘天气发生日数与 NDVI 的相关关系在区域尺度上, 沙尘天气发生日数与前一年和当年不同月份植被 NDVI 的相关性具有一定差异 沙尘天气发生日数与当年 5 月 (R 2 =0.55) 和前一年 8 月 (R 2 =0.50) 的植被 NDVI 的相关性最强 ; 其次是当年 4 月 (R 2 =0.41) 前一年 7 月 (R 2 =0.40) 前一年 9 月 (R 2 =0.35); 沙尘天气发生日数与当年 3 月 (R 2 =0.0035,P=0.83) 前一年 6 月 (R 2 =0.11,P=0.025) 和前一年 5 月 (R 2 =0.13, P=0.21) 植被 NDVI 没有相关性 ( 图 6) 沙尘天气发生日数与不同月份 NDVI 的相关性具有空间异质性 沙尘天气发生日数与当年 4 月 5 月 NDVI 显著相关的区域占整个研究区面积比例最大, 分别占 38.76% 和 60.99%, 主要分布在典型草原中区 ; 其次是与前一年 7 9 月 NDVI 显著相关的区域, 均超过 20%, 主

4 2018 年 农业工程学报 要分布在典型草原西区 晋北山地丘陵区 沙尘天气发 面积比例最小 仅占 4.39% 主要分布在大兴安岭南部区 生日数与当年 3 月 NDVI 显著相关的区域占整个研究区 图 7 a. 当年 3 月 a. Concurrent March e. 前一年 6 月 e. Antecedent June Fig. 6 b. 当年 4 月 b. Concurrent April f. 前一年 7 月 f. Antecedent July c. 当年 5 月 c. Concurrent May g. 前一年 8 月 g. Antecedent August d. 前一年 5 月 d. Antecedent May h. 前一年 9 月 h. Antecedent September 图 年区域平均 NDVI 与沙尘天气发生总日数的相关性 Correlation between regional averaged NDVI and total sand-dust weather days from 2000 to 2013 图7 沙尘天气发生日数与不同月份NDVI相关系数 Fig. 7 Correlation coefficient between monthly NDVI and sand-dust weather days 4 讨论 4.1 植被对沙尘天气影响的时空格局特征 京津风沙源治理工程区 二期 植被NDVI对沙尘天 气发生日数的影响具有明显的时间和空间异质性 基于 研究结果 将区域划分为四类 沙尘天气日数只与前一 年植被NDVI相关区 沙尘天气日数只与当年NDVI相关 区 沙尘天气日数与当年 前一年NDVI都不相关区和沙 尘天气日数与当年 前一年NDVI都相关区 图8 4类 区域占全区面积的比例分别为19.59% 56.40% 23.35% 和0.65 % 约1/5的区域沙尘天气主要与前一年植被状况 显著相关 主要分布在燕山丘陵山地水源区北部 鄂尔 多斯高原东部和典型草原西区 图8 表1 图 8 沙尘天气发生日数与当年和前一年 NDVI 相关性归类 Fig.8 Relationship between sand-dust weather days and NDVI of concurrent/ antecedent year

5 第 12 期崔晓等 : 京津风沙源治理工程区植被对沙尘天气的时空影响 175 燕山丘陵山地水源区北部和鄂尔多斯高原东部植被类型主要为农田和落叶阔叶林 [29], 同时区域又是风蚀严重的典型沙源区, 如丰宁 张北等坝上地区 ; 鄂尔多斯高原东部, 即榆林北部风沙区, 春季沙尘天气易发季, 乔木灌木林仍未展叶, 对风的削弱作用和沙尘天气防治作用微弱, 而前一年植被的枯枝落叶层和作物残差覆盖等对春季沙尘天气的发生影响更为显著 [30-31] ; 典型草原西区主要为荒漠草原, 植被盖度小 返青晚, 前一年草地枯萎植被和残留根茎对于保护裸露地表, 减少沙尘暴发生具有重要作用 [32] 约 56.40% 的区域沙尘天气发生日数仅与当年植被相关, 主要分布在以典型草原为主要植被类型的典型草原中区 典型草原东区 农牧交错带区和浑善达克沙地 这些地区降雨条件相对较好, 植被返青期较早, 在沙尘天气爆发时可以通过植被来抑制沙尘天气的发生, 故与当年植被条件关系大 [33-34] 此外, 约 23.35% 的区域沙尘天气的发生与植被关系不密切, 主要分布在科尔沁沙地区 鄂尔多斯高原中部毛乌素沙地腹地 典型草原东部的植被显著退化区, 一方面, 这些区域植被盖度低或水 分条件差, 以严重退化草地或流动 半流动沙丘为主 [33,35-36], 植被不能有效地起到降低风速和覆盖地表的作用 ; 另一方面, 受北部蒙古国沙尘源的影响, 这些地区也是沙尘从境外进入京津冀等地区的重要北路和西北路径, 地表植被不能有效地阻抑高空沙尘的移动 [2] 4.2 植被对沙尘天气的影响机制植被一直以来被认为是抑制沙尘天气的一个有效措施, 从根本上来看, 植被能有效抑制土壤风蚀 [37] 研究表明, 与沙尘天气密切相关的土壤风蚀量与植被盖度增加呈指数递减关系, 而且植被对土壤风蚀量具有 约束效应 [38] 无论活体植被还是枯萎植被, 一方面, 可以有效隔绝大风对裸露地表的作用, 同时可以通过增加地表粗糙度来降低风速, 当风速降低到沙尘起动风速以下时, 则有效避免沙尘天气的爆发 [11-13] 当植被盖度小于 20% 时, 地表会出现强烈的风沙流侵蚀 ; 当植被在 60% 左右时, 主要以净风为主, 风蚀率几乎为零 [38-40] 然而, 植被对于抑制当地沙尘源的产生是有效的, 对于蒙古国和中国西部等沙源区引起的沙尘天气 [2,41], 当地植被覆盖的作用却是有限的, 也不能完全阻止沙尘天气的发生 [42] 编号 No. 亚区 Sub-region 表 1 各亚区的沙尘天气与不同时期 NDVI 相关性 Table 1 Correlation between sand-dust weather and different periods NDVI in different sub-regions 只与前一年显著相关 Only significantly correlated to antecedent year NDVI(P<0.05) 面积占比 Area/ km 2 Proportion/ % 只与当年显著相关 Only significantly correlated to concurrent year NDVI(P<0.05) 与前一年 当年都显著相关 Both significantly correlated to antecedent and concurrent year NDVI(P<0.05) 面积占比 Area/ km 2 Proportion/ % 与前一年 当年都不显著相关 Neither significantly correlated to antecedent year NDVI(P>0.05) 面积占比 Area/ km 2 Proportion/ % 面积 Area/ km 2 占比 Proportion/ % 1 典型草原东区 大兴安岭南部区 科尔沁沙地 典型草原中区 浑善达克沙地 燕山丘陵山地水源区 农牧交错带区 典型草原西区 黄河灌溉区 晋北山地丘陵区 鄂尔多斯高原 全区 图 年春秋季和冬季各月份 NDVI 年际变化 Fig. 9 Interannual changes of monthly NDVI in autumn, winter and spring from 1999 to 2013 在沙尘天气最易爆发的春季, 区域植被多未返青, 活体植被对土壤风蚀和沙尘天气的抑制作用微弱 ( 图 3, 图 5) 我们进一步分析了 年 1-4 月 9-12 月区域平均 NDVI 的变化, 发现 1-4 月和 月区域总 体平均 NDVI 低于 0.16( 图 10), 当 NDVI<0.16 时, 地表基本为裸土或植被覆盖率极低 [22], 这说明此段时间内活体植被对沙尘天气的抑制作用微弱, 上一年植被的残茬 根系及枯枝落叶, 能够对地表起到保护作用或增加地表粗糙度作用, 使得植被对沙尘天气的发生具有滞后效应 [25] 从区域差异上来看, 鄂尔多斯高原与科尔沁沙地返青期为 4 月下旬 [43-44], 燕山丘陵山地水源区返青期为 4 月下旬到 5 月上旬 [43], 沙尘天气发生时起主要抑制作用的是前一年植被的残茬及枯萎植被 ; 而典型草原东区 典型草原中区和浑善达克沙地的返青期多在 4 月上中旬 [34], 沙尘天气爆发时植被已经开始返青, 此区域可以通过活体植被抑制沙尘天气的发生 4.3 区域植被管理对策京津风沙源治理工程区 ( 二期 ) 面积广, 区域自然条件差异大 当前, 国家和地方已经采取一系列措施实现京津风沙源治理工程区的生态恢复, 例如河北省 再造三个塞罕坝林场 京冀生态水源保护林项目 内蒙

6 176 农业工程学报 ( 年 古的天然草原退牧还草工程以及生态保护补偿制度等, 均通过具体的措施制定了区域生态保护和建设的目标 ( 表 2) 表 2 京津风沙源治理工程区 ( 二期 ) 植被建设主要措施 Table 2 Main measures for vegetation construction in Beijing-Tianjin Sandstorm Source Region (second phase) 年份区域措施 Measures 目标 Objective 来源 Source Year Region 1999 再造三个塞罕 ~ 至今坝林场 项目 河北省 构筑京津绿色屏障 河北林业网 天然草原退牧还内蒙古自加强草原生态保中共中央统一战线工作部 草工程治区护与建设 京冀生态水源保护林项目 草原生态保护补助奖励机制 健全生态保护补偿机制 b2010/index.shtml 形成护卫京冀水河北林业网河北省源的绿色生态带 保护和改善天然鄂尔多斯市人民政府网内蒙古鄂草原生态环境, 增站尔多斯市加牧民收入 内蒙古鄂尔多斯市 到 2020 年, 实现生态保护补偿全覆盖 鄂尔多斯市人民政府网站 根据本研究结果, 认为要根据植被对沙尘天气影响的时滞特征而开展有针对性的防治和管理措施 对于滞后性较明显的地区, 如水分条件较差的荒漠草原区, 风蚀严重的落叶林地区, 应该注意保护前一年植被的枯落物 残留根系和残留茎干, 通过增加地表粗糙度和摩擦系数来减小沙尘天气的发生及其危害 ; 对于滞后性不明显的地区, 如广大典型草原区和水分条件较好的沙地地区, 应当注重当年植被的建设与保护, 使得在沙尘天气严重的 月份能够有较好的植被覆盖, 通过植被覆盖减弱沙尘天气的发生与影响, 然而, 这些区域内前一年的植被作用也是不容忽视的 ; 对于自然植被条件差 沙物质丰富的地区, 如科尔沁沙地地区, 可以考虑通过建设沙障等工程措施来有效控制区域风速, 防治沙尘天气的发生 对于除植被生长季外无植被覆盖的农田区, 耕作区可施用免耕 秸秆覆盖 留茬及垄作等保护性耕作措施 [45-47], 农田边缘区则可建设农田防护林 [48], 以有效防治农田土壤风蚀, 减少当地沙尘源 5 结论 本研究基于沙尘天气发生日数和植被 NDVI 数据, 分析了京津风沙源治理工程区 ( 二期 ) 年沙尘天气发生日数和植被 NDVI 的时空格局以及植被对沙尘天气影响的时间格局和空间异质性特征 结果发现 : 年, 随着区域 NDVI 的显著增加, 区域沙尘天气发生日数显著下降 ; 在空间上,NDVI 呈西低东高格局, 沙尘天气则为西高东低的格局 沙尘天气发生日数与当年 4 月 5 月 NDVI 显著相关的区域占整个研究区面积比例最大, 分别占 38.76% 和 60.99%, 主要分布在典型草原中区 全区尺度上, 沙尘天气发生日数与当年 5 月 前一年 8 月植被 NDVI 的相关性最强 ;56.40% 区域沙尘天气主要受当年春季植被的影响, 主要分布在植被状态较好的典型草原区 ; 约 19.59% 的区域沙尘天气受到前一年植被状态的影响, 主要分布在荒漠草原区和沙源丰富的落叶阔叶林区, 这些地区植被返青期较晚, 对沙尘天 气起到抑制作用的是前一年植被的残茬 根系及枯枝落叶 ; 而另外近 23.35% 的区域植被对沙尘天气的影响不显著, 主要是沙地集中区和植被稀疏退化地区 因此, 对于京津冀地区的植被建设或防沙治沙措施的布设, 要根据其影响特征采用差别化的管理措施 [ 参考文献 ] [1] 张凯, 高会旺. 东亚地区沙尘气溶胶的源和汇 [J]. 安全与环境学报,2003,3(3):7-12. Zhang Kai, Gao Huiwang. Research on source and sink of east Asia s sand-dust aerosols[j]. Journal of Safety and Environment, 2003, 3(3): 7-12.(in Chinese with English abstract) [2] 叶笃正, 丑纪范, 刘纪远, 等. 关于我国华北沙尘天气的成因与治理对策 [J]. 地理学报,2000,15(5): Ye Duzheng, Chou Jifan, Liu Jiyuan, et al. Causes of sand-stormy weather in Northern China and control measures[j]. Acta Geographica Sinica, 2000, 15(5): (in Chinese with English abstract) [3] 张仁健, 韩志伟, 王明星, 等. 中国沙尘暴天气的新特征及成因分析 [J]. 第四纪研究,2002,22(4): Zhang Renjian, Han Zhiwei, Wang Mingxing, et al. Dust storm weather in China: New characteristics and origins[j]. Quaternary Sciences, 2002, 22(4): (in Chinese with English abstract) [4] 吴丹, 巩国丽, 邵全琴, 等. 京津风沙源治理工程生态效应评估 [J]. 干旱区资源与环境,2016,30(11): [5] 包云贺. 论京津风沙源治理工程对改善民生的作用 [J]. 现代 农业,2015(3): [6] 张晓龙, 张艳芳. 近年来中国北方沙尘暴成因及其防治 [J]. 灾害学,2001,16(3): Zhang Xiaolong, Zhang Yanfang. Causes of sand-dust storm in northern China in recent years and its control[j]. Journal of Catastrophology, 2001, 16(3): (in Chinese with English abstract) [7] 王炜, 方宗义. 沙尘暴天气及其研究进展综述 [J]. 应用气象学报,2004,15(3): Wang Wei, Fang Zongyi. Review of dust storm weather and research progress[j]. Journal of Applied Meteorological Science, 2004, 15(3): (in Chinese with English abstract) [8] Liu Xiaodong, Yin Zhiyong, Zhang Xiaoye, et al. Analyses of the spring dust storm frequency of northern China in relation to antecedent and concurrent wind, precipitation, vegetation, and soil moisture conditions[j]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2004, 109(D16).doi: /2004JD [9] 丁一汇, 李巧萍, 董文杰. 植被变化对中国区域气候影响的数值模拟研究 [J]. 气象学报,2005,63(5): Ding Yihui, Li Qiaoping, Dong Wenjie. A numerical study of the impacts of vegetation changes on regional climate in China[J]. Acta Meteorologica Sinica, 2005, 63(5): (in Chinese with English abstract) [10] 吴波, 李晓松, 刘文, 等. 京津风沙源工程区沙漠化防治区划与治理对策研究 [J]. 林业科学,2006,42(10): Wu Bo, Li Xiaosong, Liu Wen, et al. Desertification control

7 第 12 期崔晓等 : 京津风沙源治理工程区植被对沙尘天气的时空影响 177 regionalization and rehabilitation countermeasures of source area of the sand and dust endangering Beijing-Tianjin[J]. Scientia Silvae Sinicae, 2006, 42(10): (in Chinese with English abstract) [11] 范一大, 史培军, 刘三超. 我国北方沙尘暴与植被覆盖度关系研究 [J]. 自然灾害学报,2010,19(6):1-7. Fan Yida, Shi Peijun, Liu Sanchao. Relationship between dust storm disaster and vegetation fraction in northern China[J]. Journal of Natural Disasters, 2010, 19(6): 1-7. (in Chinese with English abstract) [12] 陈亿, 尚可政, 王式功, 等. 21 世纪初中国北方沙尘天气特征及其与地面风速和植被的关系研究 [J]. 中国沙漠, 2012,32(6): Chen Yi, Shang Kezheng, Wang Shigong, et al. Characteristics of sand-dust weather in northern China from 2002 to 2010 and its relationship with suiface wind speed and NDVI[J]. Journal of Desert Research, 2012, 32(6): (in Chinese with English abstract) [13] Lee J J, Kim C H. Roles of surface wind, NDVI and snow cover in the recent changes in Asian dust storm occurrence frequency[j]. 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9 第 12 期崔晓等 : 京津风沙源治理工程区植被对沙尘天气的时空影响 179 Spatio-temporal pattern of impacts of vegetation on controlling sand-dust weather in Beijing-Tianjin Sandstorm Source Control Project Cui Xiao 1,2, Zhao Yuanyuan 1,2, Ding Guodong 1,2, Xin Zhongbao 1, Gao Guanglei 1,2, Yu Minghan 1,2 (1.Key Laboratory of State Forestry Administration on Soil and Water Conservation, School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, Beijing , China;2.Yanchi Ecology Research Station of the Mu Us Desert, Yanchi , China) Abstract: Sand-dust weather is a weather phenomenon where wind and dust are rolled into the air by strong winds making the air cloudy and visibility reduction. In meteorology, it is divided into three levels of dust, sand and sandstorms according to the intensity of sand-dust weather. Vegetation plays a significant role on controlling the sand-dust weather occurrence. In the past decades, sand-dust weather has a serious impact on people's lives and the socioeconomic development in cities of Beijing and Tianjin, and Hebei province. In order to improve the air quality in Beijing and Tianjin and the surrounding areas, and mitigate the hazards of wind and sand, China launched the Beijing-Tianjin Sandstorm Source Control Project in Previous studies showed that since implementation of the project, the overall ecological conditions in the region have been improved, and desertification lands and dust weather have been significantly reduced. However, how the vegetation related to the sandstorm weather in the Beijing-Tianjin Sandstorm Source Region (BTSSR) is still unclear. Therefore, we took BTSSR as the study area, which covers 138 counties in six administrative regions (i.e. province, autonomous regions or municipalities) in Beijing, Tianjin, Hebei, Shanxi, Inner Mongolia and Shaanxi Provinces. The data used in this study mainly included numbers of sand-dust weather days (SWD) from China Meteorological Data Service Center ( and SPOT/VGT Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) S10 data from Cold and Arid Regions Science Data Platform of Environmental and Ecological Science Data Center for West China ( We used the linear trend method to analyze the intra- and inter-annual patterns of sand-dust weather occurrence and vegetation dynamics from 2000 to The correlation analysis was utilized to explore the relationship between SWD and the monthly NDVI of concurrent/antecedent year. The spatiotemporal pattern of impacts of the vegetation on sand-dust weather was further revealed. The results showed that SWD in BTSSR was high in the west and low in the east. The average SWD of BTSSR was up to 15 days in The SWD in BTSSR were mainly occurred in spring, which accounted for up to 75.5% of the total. The maximum SWD appeared in 2001, it lasted about 25 days and after that the number of days for SWD decreased significantly till The NDVI was high in the east and low in the west. The annual NDVI in BTSSR increased smoothly from 2000 to Correlation analysis showed that the SWD had a more significant correlation with NDVI in concurrent May (R 2 =0.55, P<0.01) and antecedent August (R 2 =0.50,P<0.01). The BTSSR was classified into four sub-regions based on the lag effects of vegetation on the SWD. We found that in 19.59% of the BTSSR, the concurrent SWD was significantly correlated with NDVI of the antecedent year, which was mainly located in the sandy zones with vegetation cover of desert grassland and deciduous broad-leaved forest. In the typical steppe such as eastern part and central of typical grassland, the SWD was mainly controlled by the vegetation in the concurrent year. Vegetation, regardless of whether it is alive or withered, they can effectively block the effect of strong winds on the exposed surface, and at the same time reduce wind speed by increasing surface roughness. The main inhibitory effect of dust weather was the remnants of vegetation and withered vegetation in the antecedent year, such as that in Erdos plateau and Horqin sandy. We suggested that in the future, targeted prevention and management measures based on the time-delay characteristics of vegetation impact on sand-dust weather need to be conducted. The results are of great significance to the development and management of vegetation construction in BTSSR. Keywords: vegetation; dust; NDVI; Beijing-Tianjin Sandstorm Source Region; spatiotemporal pattern