科尔沁沙地的沙漠化特征

科尔沁沙地的沙漠化特征

科尔沁沙地位于大兴安岭以东的辽河平原。地势西高东低，海拔180.650米。地表丰富，沉积物薄，总面积4.23.14km2。该区属于半干旱大陆性季风气候,多年平均降水量395.3mm,且年际变化大(相对变率22%~25%),年内分配不均(7,8,9三个月降水量约占全年的70%~80%);年平均风速3~4.4m/s,旱季大风频繁,≥5m/s起沙风日数达200~350d。因此,科尔沁沙地自身生态环境十分脆弱,极易出现持久的旱灾和风沙灾害。近一二百年来农耕界限不断北移和人口的急剧增加,大面积草原被开垦为农田,昔日波状起伏的疏林沙质草原逐渐变为今日典型的农牧交错区。随着人畜压力不断增加,以及土地利用的不合理,大面积草原植被遭到破坏,风沙活动得以加强,风沙灾害频繁。目前该区已经成为我国土地沙漠化迅速发展的地区之一。科尔沁沙地土地沙漠化问题早在20世纪50年代就已经得到政府、社会和学术界的广泛关注。近半个世纪尤其近20余a来,科研工作者围绕科尔沁沙地沙漠化成因、过程及综合整治等做了大量的工作,撰写了数百篇的学术论文和多部专著,在各方面都取得了丰硕的科研成果,也积累了大量宝贵的经验。然而,当前科尔沁沙地沙漠化仍在发展,生态环境日趋恶化的局面尚未得到制止,沙漠化导致的区域贫困问题也未能得到根本解决。为此,本文根据相关文献和资料,并结合近期对科尔沁沙地的野外考察,阐述了这一地区沙漠化现状及动态、沙漠化成因及发生机理和防治等方面的研究历程及现状,初步探讨了目前尚存的一些亟待解决的问题。1沙漠化研究的阶段根据主要研究目标和内容,科尔沁沙地沙漠化的研究可分为流沙治理、沙漠化过程及其整治的区域性综合研究,以及沙漠化机理及其整治的典型研究3个阶段。1.1从实践层面对沙漠化治理的研究科尔沁沙地风沙灾害及其治理研究始于20世纪50年代初期,1953年,中国科学院沈阳林业土壤研究所与辽宁省彰武县的林草科学工作者针对东北平原西北部农田的风沙危害问题,在彰武县章古台地区进行了樟子松引种和农田防护林网布局及建设等的实验观测。期间,对风沙治理中的工程和生物固沙措施作了较系统地分析,积累了中国流沙治理的早期经验。20世纪60-70年代,中国科学院内蒙古宁夏综合考察队从自然地理各个角度对这一地区风沙灾害及其治理方面作了较为全面的调查和分析,为后来的区域沙漠化宏观研究和典型区试验研究提供了基础数据。从1972年起,中国科学院兰州冰川冻土与沙漠研究所配合京通铁路的修筑,在奈曼旗流沙段进行了铁路两侧流沙治理试验。1975年以后,中国科学院沈阳应用生态研究所在内蒙古翁牛特旗的乌兰敖都和白音他拉展开了以防风固沙和改良草场为目标的生物群落改造和生境改善方面的试验示范工作。这一阶段,尽管对沙漠化的定义、成因、类型等尚无专门研究,但其研究成果和经验为后来沙漠化物理机制、沙漠化综合整治等工作奠定了基础。1.2对区域沙漠化的综合调查研究自1977年联合国沙漠化大会以后,中国沙漠科学的研究重点由干旱和极端干旱的沙漠及其形成演变与防风治沙为主转移到具有较好的生态环境和生产潜力但已遭受或面临沙漠化危害的半干旱及部分半湿润地区的沙漠化过程及其防治研究。由此,在国家计委、农业部和林业部等有关部委的支持下,沙漠科学工作者会同其他有关专业人员对这一地区进行了若干次科学考察,初步掌握了科尔沁沙地沙漠化的基本概况。在此基础上,对不同时空条件下沙漠化成因、过程、影响因素、发展趋势和综合整治途径等开展了综合研究。如中国科学院兰州沙漠研究所在1981-1985年间,对科尔沁沙地通辽市范围内开展的区域沙漠化及其影响因素的综合调查,后期开展的70-80年代沙漠化发展趋势监测研究,以及在典型地段对风沙活动进行的半定位实验研究等。这一阶段,初步获得了该区沙漠化现状及发展趋势等基础资料,着重探讨了历史过程、现代过程(近一二百年)、物理过程和逆转过程等4个核心问题,为后来定位观测和试验示范研究提供了依据。1.3大量试验研究1985年,中国科学院兰州沙漠研究所在奈曼建立沙漠化定位整治试验站。对科尔沁沙地生态系统退化原因、受损过程以及退化生态系统恢复重建的生物学原理、技术途径等方面都进行了大量试验研究。1991年,中国科学院沙漠研究所奈曼试验站与中国科学院沈阳应用研究所,长春地理研究所,以及地方农、林业局等单位共同承担了“八五”国家科技攻关计划“生态环境综合整治和恢复技术的试验研究”课题,对科尔沁沙地农牧交错带生态环境的脆弱性特征和自然资源承载力进行了基础理论性研究和对科尔沁沙地农牧交错带和自然资源承载力的生态环境整治与恢复途径及其配套技术进行了一系列应用性试验研究。“九五”和“十五”国家科技攻关计划中有关科研人员仍在继续深入探索科尔沁沙漠化及其整治等的科学问题和实践问题。2关于研究现状2.1沙漠目前和趋势2.1.1土地沙漠化现状土地沙漠化类型的划分是监测和评估沙漠化现状及动态的基础。科尔沁草原土地沙漠化类型主要根据土地沙漠化的发展方式和程度进行划分的。朱震达结合沙漠化土地分布的区域差异性,将科尔沁沙地划分为3个沙漠化区域:科尔沁西部区,土地沙漠化发展以流沙前移和固定半固定沙丘活化为主要方式,沙漠化土地以强度沙漠化和中度沙漠化两种类型为主;科尔沁东部区,土地沙漠化发展方式以半固定、固定沙丘严重风蚀沙丘活化为主,流沙前移次之,沙漠化土地类型以中度沙漠化和轻度沙漠化两种占优势;科尔沁北部区,沙漠化发展方式为沿河岸沙丘前移、草地上流沙斑状堆积和草地风蚀三种,沙漠化土地类型主要为轻度沙漠化。此外,邹受益等根据土地类型划分出流动半流动沙丘(地)、沙漠化草场和沙漠化农田等3种类型,但未进一步划分沙漠化程度类型。李宝林等则仅根据植被盖度划分出沙漠化程度类型。2.1.2沙漠化分布及发展科尔沁沙地沙漠化现状与态势的研究,早期主要是在野外调查的基础上利用航空相片人工解译作图量算,通过对不同时期航空相片和卫星像片作图量算结果的对比,分析沙漠化发展态势。20世纪80年代以前的沙漠化发展态势方面的数据和研究结果较少,且主要由中国科学院兰州沙漠研究所一家提供,争论很少。随着各种卫星影像数据和“3S”技术在沙漠化研究中的广泛应用,沙漠化时空变化状况的监测研究得到空前的发展。20世纪90年代以来,科尔沁沙地沙漠化动态监测数据明显增多且相互之间差异较大,导致近10余a来沙漠化发展态势及区域差异等的分歧。邹受益利用1996年TM卫星影像信息解译分析的科尔沁沙地中心地区(14个旗县,总面积113945km2)沙漠化土地面积32873km2,占该区面积达28.8%,在沙漠化土地中,流动-半流动沙丘27.99%,沙化草场45.43%,沙化农田26.58%。根据王涛等的监测数据,截至2000年,科尔沁沙地沙漠化土地面积已达到50198km2,占区域监测总面积(105603km2)的47.5%。在已沙漠化土地中,轻度沙漠化类型所占比例(61.2%)最高,严重沙漠化比例(9.3%)最低。二者尽管监测范围不同,但仅相差4a时间沙漠化土地面积比例却相差很大。自20世纪50年代末至今,科尔沁沙地沙漠化在总体上仍趋于增加。钟德才认为,该区沙漠化自1959年至1996年,每年以182km2的速度在扩大蔓延,在近40余a间扩大了7270km2;王涛等的分析结果显示1959年到2000年,该区沙漠化每年以192.6km2的速度扩大,近50a增加了7898km2,二者数据十分相近。近50a来各时段土地沙漠化的发展态势有所不同。1975年科尔沁沙地沙漠化土地较1959年增加了21.47%,到1987年较1975年增加了18.72%。自1975年到1987年期间,区域沙漠化的发展特征是:(1)严重沙漠化土地及轻度沙漠化土地急剧增加,重度沙漠化土地和中度沙漠化土地面积有所减少;(2)不同类型沙漠化土地面积变化的区域差异性大,科尔沁中西部区(如翁牛特旗、阿鲁科尔沁旗、奈曼旗、库伦旗)强度沙漠化土地面积急剧增加,科尔沁东部区(如科左后旗、科左中旗、通榆县、双辽县)微度沙漠化土地面积大量增加。至于20世纪80年代到90年代末,对该区沙漠化发展状况已有不同的看法。王涛等根据1987和2000年的TM影像数据的分析结果认为,科尔沁地区2000年沙漠化土地面积较1987减少约17.7%。在类型上,重度和轻度沙漠化土地较上期有所增长;严重和中度沙漠化土地呈现减少趋势;在区域上,各旗(县)均有所减少,并没有集中在某几个县(旗),认为科尔沁沙地沙漠化在这一期间出现整体逆转的态势。然而,李宝林根据1990和1997年NOAA/AVHRR信息,认为科尔沁沙地沙质荒漠化总体上以发展为主。其中,以西拉木伦河为界,北部沙质荒漠化程度较轻的地区以发展为主;南部沙质荒漠化程度较重的地区沙质荒漠化逆转比较明显。对于典型区域的分析结果,西拉木伦河北部的科左中旗自1995年到2000年,植被覆盖度小于30%的较严重沙化土地以61.0hm2/a的速度扩展,处在沙漠化正向发展过程中;南部的奈曼旗,1987年沙漠化土地面积占全旗总面积的77.6%,到1996年减少到52.90%,处在沙漠化逆转过程中。2.2人类活动与土地沙漠化的关系正确认识土地沙漠化的成因是有效防治沙漠化的基础。关于科尔沁沙地沙漠化成因,科学工作者从地质、考古、历史地理,自然地理和人文地理等诸角度作过较多的分析和探讨。由于研究者对土地沙漠化概念尚存分歧,以及对沙漠化研究目的和所取时间尺度等的不同,对该地区沙漠化成因存在许多争论,且争论的焦点集中在自然因素和人为因素在沙漠化中所起作用的份额或重要性。沙漠是干旱气候的产物,沙漠化的发生发展在很大程度上受气候变化的控制。科尔沁沙地大面积分布的固定半固定沙丘地,说明该区在地质时期某一时段气候十分干旱时流沙遍布,后因气候转湿流沙得以固定。并且,地层中普遍存在的2~3层古土壤与风成沙交替出现反映了气候干湿交替导致的几度沙丘活化与固定过程,也就是沙漠化出现扩展和逆转的反复过程。地质学家根据地层中的风成沉积记录认为科尔沁沙地沙漠化至少从早更新世便开始断续出现,地质历史时期就存在由非沙漠环境变为沙漠环境的沙漠化正过程和由沙漠环境变为非沙漠环境的沙漠化逆过程,二者在时间上彼此交替出现的主要原因在于以温度升降为标志的全球冰期、间冰期气候波动,进而认为晚第四纪以来该区沙漠化是气候乃至全球变化的响应。科尔沁沙地具有悠久的开发史,历史时期人类生产活动势必对区域环境产生不同程度的影响。考古学和历史地理学研究结果也表明,科尔沁沙地人类活动始于新石器时代(距今9000a),但在北魏(公元534年)之前人类活动对自然环境未构成较大的影响,表明这一时期沙漠化归于自然成因。自北魏以来,区域沙漠化发展恰好与较大规模的农业活动相关,如辽金时期区域沙漠化发展与当时较大面积开荒垦殖在时间和空间上基本一致。值得提出的是,当时也是中世纪暖期后气候转为干冷多风的时期。人类对科尔沁环境产生深远影响是从清朝开始的。清朝初期,该地区还是“长林丰草”的优良牧场。清代不少围场和牧场便分布在这里。但18世纪中叶以后,由于清政府推行放价招民耕种政策,遂开始了本地区的大量移民和大规模农垦时期。现代沙漠化一般指最近100a以来的沙漠化过程。这一时期是科尔沁沙地自然景观受人类活动影响最大的时期。据一些旗县农耕史调查,1875-1876年开垦了西辽河以南地区;1877年以后开垦了西辽河以北地区。20世纪初期,清末“新政”的土地丈放,随后的北洋政府的放垦蒙地,大量内地移民涌入此地,使得科尔沁草原面积大幅度减少。新中国成立以来,科尔沁地区经历了4次垦荒高潮,分别为建国初期的经济恢复时期,三年困难时期、十年动乱时期和80年代后期开始的垦荒高潮。加之当地人口多年自然增长率偏高,科尔沁地区1996年人口密度已达47.83人/km2,是新中国成立时的3倍,20世纪初的8倍。由于人口的快速增长和不合理经济活动使地表植被和土层遭到破坏,从而导致干旱多风时期土壤的严重风蚀、沙漠化加剧。然而,近100a来也是我国北方沙区气温上升,降水呈现波动下降的暖干化时期。根据当地气象台站的观测资料,近50a来,区域降水量在波动中下降,而气温趋于上升,以及最近时期湖泊、水库的干涸等均表明区域气候向暖干化方向发展。该区生态环境原本十分脆弱,容易发生风沙活动为主要标志的土地沙漠化。因此,该区现代沙漠化过程与暖干气候和人类不合理经济活动有关。同时,沙漠化土地的扩大对人类经济活动和气候干旱具有正反馈作用。土地沙漠化面积扩大和发展程度的增强导致地表植被和土壤层的损失,使人类生产生活处境更为困难,而人类为了继续谋求生存,必将扩大其破坏区域,破坏程度也更加剧烈。由此又导致地表反照率增加,通过对辐射平衡、凝结核、水分和对流等的影响,区域气候进一步变干。因此,沙漠化地表与大气边界层之间的相互作用,也促使区域沙漠化正向发展。综上所述,科尔沁沙地沙漠化是气候干旱和人类活动,或者两者共同作用的结果,但时间尺度不同两者所起的作用程度是不同的。19世纪下半叶以来的现代时期,特别是近50a来人类活动对沙漠化过程起主要作用。2.3沙漠化对植被影响的研究随着中国科学院奈曼和乌兰敖都两个试验站的建立和有关测试手段的不断完善,研究人员在这两个试验站附近从风沙物理学、土壤学和生物学等角度对科尔沁沙地沙漠化机理进行了大量的实验研究。风沙物理学方面,胡孟春通过风洞实验,对科尔沁沙地植被盖度、土壤含水量、土壤质地与风蚀量的关系,进行了定量研究,探讨了不同植被盖度及沙土含水量抗风蚀的极限值,以及不同粒配风沙土抗风蚀强度。徐斌等采用野外暗扦法,对残茬、开垦、地形等因素对农田风蚀的影响进行了实验研究,并提出了农田风蚀的防治措施。新近,张华等对不同程度的沙漠化地表风沙流结构与变异特征进行了实验观测。草地开垦和草场过牧使风沙活动加剧,与此同时相应的土壤特性也发生变化。苏永中等根据对较小尺度空间上连续几年的观测,分析探讨了草地开垦年限与土壤特性,以及细颗粒、有机质和养分损失量之间的定量关系。张铜会等对不同放牧强度和随后自然恢复的沙质草地土壤性状特征的变化等进行了试验研究。在农牧交错带,过牧导致的土地退化和沙漠化过程中,植被的变化极为明显。刘新民概述了科尔沁沙地的植被类型及其区系组成、生活型和生态类群特点,探讨了在现代风沙环境持续恶化的情况下各种植物的沙漠化演变规律。郑明军据实地调查资料分析,指出科尔沁沙地主要植物群落随降水量减少,沙漠化程度加重,形成了一个明显的逆向演替系列:沙地疏林草原阶段→沙地灌丛化草原阶段→沙地典型草原阶段→沙地草原阶段;并且发现,由于阴阳坡环境的差异,沙丘植被演替可分化为向沙漠化方向发展的阳坡系列和向草原化方向发展的阴坡系列。赵哈林根据对草场放牧的连续试验观测结果提出了过牧导致沙质草地沙漠化的机理,认为过牧使植物群落的组成趋于简单,种群密度下降,植物高度和盖度下降,根层变浅,根量减少,生长期缩短,最终导致部分植株死亡,与此同时地面裸地率增加和土壤根系结持力下降。随着测试手段的不断完善,在沙漠化发展与逆转过程中,沙生植物抗逆性生理生态学方面的研究,增强了人们对风沙活动对植物影响的认识。周瑞莲通过实验揭示,在生境从流动沙地向固定沙地演变过程中,植物抗逆性在植被演替中起重要作用,其演替规律为:(1)从躲避干旱向生理抗旱发展;(2)从抗风沙型向抗旱性发展;(3)生存方式从单一型向多元化发展;(4)从多重抗逆性向寡抗逆性发展。2.4级沙漠化模式科尔沁沙地沙漠化的综合整治是一项庞大的系统工程,其基本途径包括:(1)正确进行土地利用区划和农牧业生产区划;(2)合理调配水源,提高水资源的利用效率;(3)严禁三滥,保护天然植被和建立人工农牧地防护林网;(4)调整农林牧生产结构,增加生产投入,提高农业生产水平;(5)对流动半流动沙丘进行全面围封和整治,防止进一步蔓延。其核心是发展生产和提高生产水平。自从1985年中国科学院在奈曼和乌兰敖都建立了定位整治试验站以来,在防沙治沙的理论研究和实际应用研究都取得了巨大的进展,在若干示范区探索出适合当地沙漠化整治的模式,拥有了一整套比较成熟的沙漠化防治技术。例如应用范围较广的适于半干旱农牧交错区的奈曼“生态网”、“多元系统”、“小生物圈”乡、村、户三级沙漠化土地综合治理模式。该系列模式是在乡一级有计划地大规模营造防风固沙林网,在村一级采取调整种植结构、封沙育草、固沙造林、建设基本农田和发展农林牧生产等一系列措施进行全方位治理;在户一级则是采取分散居住,在水热条件较好的丘间甸子地按农业生产区、林带保护区、草地缓冲区、放牧区安排农业生产和沙漠化治理。三级模式形成了一套比较完整有效的沙漠化治理体系。乌兰敖都沙漠化试验站提出了“四位一体”庭院经济模式、丘间低地生态经济圈模式。“四位一体”庭院生态经济模式以太阳能为能源,形成温室大棚(蔬菜)-沼气池(能源)-生态养殖(养猪)-厕所(有机肥)可持续经营的沙地良性生态系统。丘间低地生态经济圈以丘间低地为单元,其结构组成为从丘间地底部至顶部分别为水田圈-果树经济林圈-草方格生物固沙带(简称“三圈一带”),意在形成“水稻坐底、果树镶边、杨柳缠腰、沙障封顶”的沙区丘间地生态经济圈模式。这些成功的沙漠化整治模式使示范区的沙漠化过程发生逆转,改善了生态环境,提高了农牧民生活水平。流沙固定原理及人工植被稳定性机制研究(包括沙丘水分研究、固沙植物适应性研究、植被动态研究)。在流动沙丘演化成为固定沙丘的过程中,由于植物的生长,水分条件逐渐变差,160cm厚沙层中,4-7月的平均有效水分在流动沙丘为102.46mm,在半固定沙丘为51.79mm,在固定沙丘为41.09mm。无论从水平格局还是从垂直格局上,人工植被的建立都增加了沙地土壤水分的异质性;沙丘背风坡按差巴嘎蒿、杨树和樟子松的顺序依次变差。差巴嘎蒿是沙生先锋植物,根系发达,以水平根系为主,在人工植被中在14-15龄时其盖度降至3%~15%;黄柳起源于低湿地,发育于背风坡和沙丘顶部;小叶锦鸡儿在半固定至固定沙地表现优良,当覆盖度为20%~40%时,植株的高度和冠幅达到最大。3关于土地沙漠化趋势的定量评价问题近20余年来,经过科研工作者的不懈努力,科尔沁沙地沙漠化研究在过程、机理、趋势监测和防治技术等方面都取得了许多重大进展,但尚存一些值得进一步探讨的问题。在沙漠化监测和评价过程中,各家获取的监测数据差异较大,监测结果间无法比较。导致这种局面的原因是,首先在沙漠化土地分类分级方面,还没有统一的指标体系,目前较为广泛使用的沙漠化指标体系之间存在较大差异。在沙漠化土地类型划分的研究中,存在根据时间、成因、发展方式和程度、土地类型和植被盖度以及多种因素相结合的多种指标体系。即使是目前应用较多的按照沙漠化程度进行划分的指标体系就存在四分法和三分法两种分类系统。其次,各家所使用的卫星影像数据的分辨率、所取波段和时间等参数之间存在较大差异。监测结果间的差异,给区域沙漠化发展趋势的正确评价造成困难。从而容易造成人力、物力、财力等的极大浪费,也不利于长期连续沙漠化动态数据库的建立。同时,科尔沁北部以大面积农田土壤风蚀为特征的沙漠化地区,地形变化不明显,加之季相差别显著(如春季地表裸露风沙活动强烈,夏秋季地表作物覆盖风沙活动几乎停止)。在沙漠化监测中,目前还没有这类土地沙漠化的分类分级指标,势必影响科尔沁沙地沙漠化过程和发展速度评估的准确性。因此,这些问题希望能够引起权威机构的重视,尽快建立统一的指标体系,使数据规范化,构建更有价值的沙漠化数据库,推动沙漠化研究的发展。土壤风蚀是土地沙漠化的首要环节。科尔沁沙地是以农为主的农牧交错区,农田在整个沙地尤其是北部地区占有相当大的比重。春季大面积裸露农田在大风的吹扬下,发生严重的土壤风蚀,造成土壤粗化和养分损失。科尔沁沙地沙漠化的研究工作主要集中在南部区域沙丘活化、流沙扩展方面,对北部农田的土壤风蚀及其控制方面