1 引言
近年来， 在气候变化和人类活动的双重作用下， 与人类生存密切相关的干旱问题显得尤为突出（王劲松等， 2012）。干旱是一定区域某段时间内近地面生态系统和社会经济水分缺乏的一种自然界的异常现象， 季内特旱和跨季特旱的联合概率在黄河以北发生几率较大（马齐云等， 2016； 王宏等， 2008； 曲学斌等， 2019）。人类的生产活动与干旱、 旱灾间存在相互反馈机制， 草原区气候干旱是畜牧业生产最严重的草原自然灾害之一（王宏等， 2008； 曲学斌等， 2019； 冯天计等， 2017）。干旱发生、 发展机理复杂， 风速、 地形、 植被及环流等都会对其产生影响（陈斐等， 2016）。诸多专家学者从干旱的年代际变化和气候变化特征（柏庆顺等， 2019； 孙宝利等， 2017； 钱正安等， 2017a， 2017b； 陈再清等， 2016）、 时空分布特征（陈斐等， 2016； 杨建玲等， 2013）、 极端干旱数值模拟和遥感干旱指数与牧草长势与格局（任余龙等， 2017； 陈国茜等， 2018； 杨庆等， 2017； 金红梅等， 2019）、 中国北方多种干旱指数适用性及差异（王素萍等， 2020）、 水汽收支变化（徐栋等， 2016）、 典型气象干旱异常环流特征（池再香等， 2019； 郑建萌等， 2013）、 干旱致灾因子特征和旱灾大气环流特征（李红英等， 2014； 司瑶冰等， 2013； 成青燕等， 2009）、 干旱监测预测（王芝兰等， 2019）等不同角度进行了分析研究。符淙斌和马柱国（2008）研究指出： 近50年来， 中国西北地区东部显著干旱与该地区气温持续升高和降水持续减少有密切关系。
气温升高、 降水分布格局的改变， 引发气象灾害或极端气候事件频发（张剑明和段丽洁， 2018）。中国北方牧草生长动态受气候条件的制约， 气候变化对草原植被必然产生重要影响（王宏等， 2008）。
干旱的空间分布具有明显的区域特征（王春林等， 2019）， 内蒙古西部是我国干旱的多发区， 具有出现频次多、 范围广、 影响大等特点， 严重威胁当地生态系统平衡和社会经济发展（马齐云等， 2016； 张强等， 2009）。内蒙古地区1951 -2006年累计旱灾成灾面积在全国成灾面积中排第4位（张强等， 2009）。乌拉特草原位于内蒙古西北地区东亚季风区北边缘地带， 降水少、 日照足、 蒸发强， 属干旱、 极干旱地区， 是中国气候变率最大的地区之一（李金田等， 2003）。干旱的气候背景以及脆弱的生态系统使该地区成为气候变化的敏感区域（马转转等， 2019）。数值模拟研究表明， 乌拉特草原暖干化气候特征明显（翟颖佳等， 2016； 张轶鸥等， 2013； 秦大河等， 2007）。内蒙古西北部暖干化趋势早已成为众多学者的共识。
据民政部门“灾情大事记”记载， 乌拉特草原2001 -2011年中有9年出现了严重干旱， 2004 -2011年连续8年遭遇了严重干旱， 见证了“十年九旱”之说， 然而2012 -2017年连续6年没有出现较明显的干旱， 2018年上半年乌拉特草原出现了21世纪10年代以来转折性的最严重干旱。2018年3 -5月气温异常偏高， 降水明显偏少， 风沙天气多， 使草牧场土壤失墒加快， 地下水位下降， 水井干枯， 人畜饮水困难， 大牲畜和羊死亡严重。牧区草场直到6月还没有返青， 旱灾极为严重。市政府启动旱灾四级救灾应急响应， 投入移动水泵应急抗旱， 调运发放抗灾饲草料， 解决人畜饮水困难和牲畜缺饲草料等问题。
内蒙古西部受到我国东部季风和西北干旱两大气候系统的交互影响（王蕊等， 2019）， 导致乌拉特草原降雨量年变率特别大， 雨量的变化对植被生态的影响非常显著。乌拉特草原代表了欧亚草原区的西端， 其相对独特的气候系统、 海陆格局与区域植被-土壤过程在长期演变中的时空特征如何？干旱发生对该地区畜牧业发展的随机性影响程度如何？本文仅仅围绕这两个问题开展研究， 对把握乌拉特草原干旱过程演变规律、 时空特征以及对区域生态保护具有十分重要意义。
2 数据来源与方法介绍
2.1 资料来源和站点选择
乌拉特中旗海流图和乌拉特后旗海力素气象观测站是国家气象基准站， 具有较完整的气象观测资料序列， 能够代表乌拉特草原的气候特征， 便于讨论干旱与降水量、 气温变化在长期演变中的关系。选取1971 -2018年乌拉特草原连续48年降水和气温资料， 分析气象要素对干旱的影响。另外， 选取了乌拉特草原具有典型代表的22个区域， 对不同土壤层（10、 20、 30、 40 cm）的相对湿度进行测定， 分析降水与土壤墒情及牧草的相互影响。
文中所涉地图均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蒙S（2019）33号的标准地图制作， 底图无修改。
2.2 方法介绍
由于乌拉特草原不同地区、 不同时间尺度降水量波动较大， 直接用降水量来说明不同区域的干旱程度存在跳跃性问题。因此， 在分析1971 -2018年春季3 -5月降水量、 秋冬季降水量变化趋势的基础上， 还分析了1971 -2018年气温变化趋势。为了对比分析乌拉特草原2018年气象干旱的成因和实际旱情分布， 采用实地土壤测墒、 卫星遥感监测、 无人机航拍等方式， 结合气温、 大风沙尘等气候概况分析， 研究干旱发生对草原生态的影响。
3 干旱气候成因分析
西太平洋副热带高压（下称副高）（朱乾根等， 2000）是影响降水过程的一个重要系统， 副高环流型分布及位置和强度直接影响着乌拉特草原牧区干旱程度。乌拉特草原位于中国防沙治沙功能区和副高与蒙古高压的过渡区， 夏季副高作用增强， 往往由于副高西伸北抬， 水汽通路建立， 带来夏秋季相对丰沛的雨水， 降水量达150~200 mm； 有时活动强烈， 使该区域年降水量达330 mm以上。春季降水量最多达67 mm， 冬季主要受蒙古高压的作用， 气候寒冷， 当有暖湿气流北上与冷空气交绥， 也能够带来3~5次降雪， 使春季土壤墒情得到改善。位于阴山北麓的乌拉特草原几乎位于副高和蒙古高压的过渡区， 气候波动异常强烈。
3.1 大气环流特征分析
乌拉特草原春季500 hPa亚洲大陆常年为平直西风， 环流的纬向度加大， 东亚大槽西退， 地面蒙古高压势力减弱。中心西北移， 西太平洋副高开始北抬， 当西风槽前西南气流明显或波动较强时， 会产生降水（李金田等， 2003）。然而分析2018年春季3 -5月北半球500 hPa平均位势高度场可知， 欧亚大陆中高纬地区维持“两脊一槽”的环流形势（图1）。乌拉尔山附近为低压槽控制， 贝加尔湖以南及我国西北北部地区受高压脊控制， 东亚大槽强度偏弱， 极涡位于巴伦支海以东至新西伯利亚群岛， 中心为负高度距平， 极涡较常年偏强。这种环流配置不利于高纬度冷空气南下。从2018年春季北半球500 hPa平均位势高度及距平（图1）中可以看出， 我国西北部位势高度以正距平为主， 乌拉特草原正距平强度达到4 dagpm， 表明高压脊较常年同期偏强。3 -4月副高588 dagpm脊线位于20°N以南， 5 -6月中旬副高588 dagpm脊线北抬至28°N附近， 仍呈现东西走向， 位置比常年同期明显偏南， 西伸极点明显偏西， 抑制了偏南、 东南、 西南暖湿气流向北输送， 乌拉特草原水汽输送条件差， 没有明显的冷暖空气交汇， 水汽条件和动力条件均不利于降水的形成， 造成乌拉特草原进入6月中旬仍没有出现有效降水。较强的下沉运动是导致干旱少雨的动力因子（王芝兰等， 2017）。春夏之交， 空气异常干燥， 最小相对湿度仅有5%， 大风沙尘天气较历年平均明显增多， 影响草原牧区的冷空气偏弱， 出现持续性气温异常偏高现象（黄荣辉等， 2012）， 致使乌拉特草原牧草不能大面积返青， 植被长势极差， 干旱形势严峻。
3.2 干旱影响因子分析
（1） 春季气温异常偏高
2018年春季， 巴彦淖尔地区气温异常偏高。北部牧区平均气温为11.8 ℃， 较常年偏高4.0 ℃。其中， 3月和5月平均气温均突破历史同期最大值。3月气温异常偏高， 平均气温比常年偏高4.7~6.7 ℃； 5月平均气温仍然偏高， 北部牧区气温偏高1.6~2.2 ℃， 并出现阶段性高温； 5月14日， 内蒙古巴彦淖尔地区有4个国家气象观测站突破5月极端最高气温历史同期最大值， 出现了2018年首个35 ℃以上的高温天气， 比2017年提前78天。1971 -2018年乌拉特草原年平均气温呈波动升高趋势［图2（a）］。春季3 -5月平均气温波动上升幅度更加显著， 从2011年开始， 平均气温几乎都高于多年均值， 2018年达到近48年的最高值［图2（b）］。2018年春季气温异常偏高加快了土壤水分散失。
（2） 风沙日偏多偏强
2018年3 -5月出现大风日18天， 出现沙尘天气23次， 沙尘天气较2017年偏多17次， 较近10年偏多7.2次。其中， 5月25日出现了2018年最强的沙尘暴天气， 乌拉特后旗出现强沙尘暴， 最小能见度为476 m， 乌拉特中旗出现沙尘暴， 最小能见度737 m。2018年春季风沙日数异常偏多， 强度偏强， 导致蒸发量随之增大， 土壤失墒加快， 加剧了干旱的发生发展。
（3） 春季降水特少
秋冬季节累积降水量对来年草原土壤墒情呈正相关关系。1971 -2018年秋冬季乌拉特草原的降水均呈增加趋势［图2（c）］， 但2017年秋冬季节降水特别少， 乌拉特中旗和乌拉特后旗海力素仅有16.3 mm和12.0 mm， 远低于秋冬季30年平均值42.1 mm和27.1 mm。导致2018年初春乌拉特草原墒情差。春季是牧草返青的关键季节， 如果春季降水量大， 土壤水分得到有效补给， 土壤墒情得到改善， 牧草也能返青。然而， 2018年3 -5月乌拉特中旗、 乌拉特后旗海力素降水量分别为14.7 mm、 13.8 mm， 少于30年均值22.7 mm和20.0 mm， 可见， 乌拉特草原2018年春季降水量明显偏少， 导致2018年初春土壤墒情较差。
2018年3 -6月中旬降水较常年明显偏少， 时空分布极不均匀。乌拉特后旗大部地区降水量为2.8~13.8 mm， 较去年偏少30%~50%， 比常年偏少10%~20%； 乌拉特中旗大部地区降水量为1.7~29.8 mm， 较去年偏少40%~70%， 较常年偏少30%左右。截至6月中旬， 乌拉特草原第一场透雨仍未出现， 比去年晚90多天。
从历史演变看， 2018年春季虽然不是降水量最少的年份， 而旱灾却更为严重， 说明牧草返青除了与春季降水量成正相关外， 春季气温异常偏高、 风沙天气多、 蒸发量大和基础土壤墒情差， 也是干旱发生发展的重要因素。
4 乌拉特草原干旱实况
4.1 土壤墒情实地监测
6月9 -10日， 采用土壤测墒、 无人机航拍等方式， 调查乌拉特草原旱情。对乌拉特草原具有典型代表的22个区域不同土壤层（10、 20、 30、 40 cm）的相对湿度进行测定。从测定数据来看， 乌拉特中旗草原10 cm土壤相对湿度平均为11.7%， 20 cm土壤相对湿度平均为15.4%， 30 cm土壤相对湿度平均为18.2%， 40 cm土壤相对湿度平均为20.7%； 乌拉特后旗草原10 cm土壤相对湿度平均为14.8%， 20 cm土壤相对湿度平均为21.1%， 30 cm土壤相对湿度平均为21.2%， 40 cm土壤相对湿度平均为22.6%。由此可见， 乌拉特草原均以干土层为主， 土壤墒情差， 牧草根系得不到有效水分补充， 迟迟不能返青。
4.2 植被长势遥感监测分析
表1 6月中旬与去年同期相比植被指数Table 1 Vegetation index in mid-June compared with the same period last year |
| 牧区 | 植被指数 | 面积/（×104 km2） | 百分比/% |
|---|---|---|---|
| 乌拉特中旗 | 增加 | 0.04 | 1.7 |
| 不变 | 0.19 | 8.3 | |
| 减少 | 2.07 | 90.0 | |
| 乌拉特后旗 | 增加 | 0.02 | 0.8 |
| 不变 | 1.06 | 42.4 | |
| 减少 | 1.42 | 56.8 |
表2 6月中旬与近3年同期均值相比Table 2 Vegetation index in mid-June compared with mean value of the same period in recent three years |
| 牧区 | 植被指数 | 面积/（×104 km2） | 百分比/% |
|---|---|---|---|
| 乌拉特中旗 | 增加 | 0.06 | 2.6 |
| 不变 | 0.12 | 5.2 | |
| 减少 | 2.12 | 92.2 | |
| 乌拉特后旗 | 增加 | 0.09 | 3.6 |
| 不变 | 0.56 | 22.5 | |
| 减少 | 1.85 | 74.0 |
由图3可见， 与去年同期相比， 乌拉特中旗牧区大部地区植被长势明显差于去年， 乌拉特后旗牧区南部、 东部植被长势不如去年； 与近3年同期相比， 乌拉特中旗牧区大部和乌拉特后旗牧区南部植被长势比近3年同期平均值变差程度愈发严重。
由表1可见， 6月中旬， 与去年同期相比， 乌拉特中旗草原面积约90.0%的植被长势差于去年同期， 仅有1.7%的植被长势好于去年同期。乌拉特后旗草原面积约56.8%的植被长势差于去年同期， 仅有0.8%的地区植被长势好于去年同期。
由表2可见， 6月中旬， 乌拉特草原植被长势与近3年同期均值相比， 乌拉特中旗草原面积92.2%的植被长势差于近3年同期均值。仅有面积的2.6%的植被长势好于近3年同期均值； 乌拉特后旗草原面积的74.0%的植被长势差于近3年同期均值， 3.6%的植被长势好于近3年同期均值。
从卫星遥感植被长势分析对比来看， 乌拉特中旗植被长势变差的趋势较乌拉特后旗更为明显。温度持续偏高、 蒸发强烈， 加剧表土层水分散失， 4 -5月牧区土壤墒情以三类墒为主。5 -6月中旬受高温少雨影响， 牧区三类墒情面积进一步增加， 达到气象标准的中旱到重旱。由于牧区牧草生长主要靠自然降水， 在牧草返青阶段土壤水分没有得到有效补给和保持， 所以达到中旱到重旱。直到6月23 -24日， 乌拉特草原才迎来了2018年的第一场透雨， 比去年晚了90多天。
表3 乌拉特草原综合旱灾发生程度统计Table 3 Statistics on occurrence degree of comprehensive drought in Urat grassland |
| 乌拉特 草原 | 重旱 | 中旱 | 轻旱 | 正常偏好 | 县域草地 总面积/m2 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 面积/m2 | 百分比 | 面积/m2 | 百分比 | 面积/m2 | 百分比 | 面积/m2 | 百分比 | ||
| 合计 | 28670000 | 6.85% | 182900000 | 46.32% | 161760000 | 43.69% | 12920000 | 3.17% | 388250000 |
| 乌拉特中旗 | 27100000 | 12.74% | 120340000 | 56.59% | 54920000 | 25.83% | 10290000 | 4.84% | 212650000 |
| 乌拉特后旗 | 1570000 | 0.90% | 62560000 | 36.04% | 106840000 | 61.54% | 2630000 | 1.51% | 173600000 |
5 结论
（1） 根据不同区域土壤测墒和高分卫星遥感监测， 乌拉特草原5 -6月中旬， 大部地区牧草长势较差， 较近3年植被长势变差了70%左右， 达到《气象干旱等级》的中旱到重旱。乌拉特中旗草原北部、 乌拉特后旗草原中东部偏北地区旱情非常严重， 达到重旱及特旱。
（2） 2018年春季， 大气环流异常使得乌拉特草原牧区在脊前西北气流控制下， 不利于水汽复合， 导致降水异常偏少。气温持续偏高、 日照时间长， 风沙天气多， 地表水分蒸发量大， 加剧表土层水分散失， 导致牧草迟迟不能返青， 对草原生态平衡和畜牧业产生严重影响。
（3） 2018年春夏之交， 副高依然偏南且呈纬向型分布， 阻碍了偏南、 东南、 西南水汽向北输送， 且冷空气偏弱， 致使乌拉特草原直到6月中旬都没有出现透雨。土壤水分没有得到有效补给和保持， 土壤保墒差， 干土层厚， 导致乌拉特草原干旱严重。
（4） 不同量级的降水对不同深度土壤体积含水率的影响较大。旱灾不仅与降水量有反相关关系， 而且与气温、 风沙、 蒸发量有正相关关系。气温高， 风沙天多， 蒸发量大是导致干旱发生的重要因素。