科尔沁沙地土地沙漠化的演变

科尔沁沙地土地沙漠化的演变

中国北方的农业交错带是中亚草地带和基于东亚针阔叶混交林区的恢复形成的区域。这是半干旱气候向半湿润气候过渡的地带，也是世界上最脆弱的生态带之一。因此，农业交错带的形成是气候、地理条件和人类活动共同作用的结果。科尔沁沙地是中国北方农牧交错带最为典型的一段,水热条件的组合比较优越.根据历史资料记载,在1782年以前,科尔沁沙地为榆树(Ulmuspumila)和蒙古栎(Quercusmongolica)稀树分布的草原景观,农业活动主要集中在沙地东南的辽宁省西北地区.之后,由于清朝政府实施“放垦蒙荒”政策,种植业由东南向西北逐步侵入.原来在气候和地理环境上适合于一定规模农业活动的草原区逐步成为了事实上的农牧交错区.1949年以来,随着人口的增加,特别是长期从事农耕的汉族人口的增加,科尔沁沙地的种植业比例越来越大;加之放牧压力的增加和过度樵采,该地的土地沙漠化问题日益严重.到20世纪50—70年代,科尔沁沙地已经成为中国北方土地沙漠化最为严重的地区之一.因此,在科尔沁沙地开展土地沙漠化与土地利用、气候变化和生态系统功能关系的研究,对研究东北亚地区的人、地关系及其形成机理具有重要的理论和现实意义.科尔沁沙地年均降水量在350~400mm之间,基本能够满足天然植被生长的需要,相对丰裕的地下水和良好的水质有利于一定规模的灌溉农业的发展.因此,从20世纪80年代初开始,通过实施沙漠化土地综合治理、调整土地利用结构和退耕还林还草等措施,科尔沁沙地的土地沙漠化趋势初步出现逆转.但是监测发现,该地区普遍出现了以地下水位下降、湖泊水体干涸、河流断流以及生物生产力下降为主要特征的土地退化过程,从而使原本出现逆转的土地沙漠化态势又面临着巨大的挑战.整个中国西北地区的土地沙漠化治理也面临着同样的问题.本研究通过分析科尔沁沙地50年来沙漠化土地面积、水资源与土地利用的关系和生物生产力等的变化过程,以及科尔沁沙地土地沙漠化逆转及其成因,科学评估本地区30年来土地沙漠化治理的成效,探索其农牧业持续发展和生态与环境的协同改善的途径与方法,旨在为中国北方与科尔沁沙地类似地区的土地沙漠化治理、土地利用和生态与环境保护提供理论依据.1研究领域和方法1.1自然旅游、地质条件科尔沁沙地位于内蒙古自治区东部,属于半干旱大陆性季风气候区.年均气温6.4℃,1月平均气温-13.1℃,极端最低气温-29.7℃,7月平均气温23.6℃,极端最高气温39.0℃,≥10℃年积温3218℃,无霜期151d.多年平均降水量在360mm左右,年均蒸发量1935.4mm,干燥度1.4~1.8.年均风速3.5m·s-1,其中春季风速4.3m·s-1,全年扬沙日20~30d.本区的地貌类型以缓起伏沙地为主,相间分布平坦的沙质草甸和农田.土壤类型主要为风沙土,尚有一定面积的草甸土和少量的栗钙土与沼泽土分布.本区水资源较为丰富,河流年径流总量为2.2×109~3.6×109m3,可利用地表水资源1.2×109~2.0×109m3.湖泊蓄水量1.4×109~2.2×109m3.地下水位由20世纪80年代前的1~5m下降到目前的3~5m,平原区最大下降深度为10m左右,矿化度500~1000mg·L-1.科尔沁沙地的原生植被是以榆树和蒙古栎为主的稀树草原.由于人为破坏和沙漠化的影响,大部分天然植被已演变成为处于不同退化阶段的沙生植被.1.2中国生态系统研究网络的标准本文水资源和生物量/生产力数据主要来自于中国生态系统研究网络奈曼沙漠化研究站的科尔沁沙地生态与环境长期监测与研究数据库;生物监测采用中国生态系统研究网络(CERN)的监测标准;部分土地利用变化的数据来自内蒙古自治区通辽市的统计资料.沙漠化土地面积的数据参见文献.1959年的沙漠化土地面积基于航空照片解译的结果,1975年的沙漠化土地面积基于对MSS遥感卫星影像解译的结果,1987、2000和2005年的数据则是基于对TM卫星影像的解译.在航片的判读和卫星影像的解译中,有关沙漠化土地的判别均采用了吴薇和朱震达等等介绍的指标体系.1.3处理数据采用SPSS13.0软件的Pearson相关系数评价方法分析了西湖水位与灌溉农田面积之间的相关关系.2结果与分析2.1土地沙漠化趋势发生了偏转对科尔沁沙地近50年来的土地沙漠化监测发现,从20世纪50年代到80年代后期,科尔沁沙地沙漠化土地面积由1959年的4.23×104km2增加到1975年的5.1×104km2和1987年的6.1×104km2.从80年代后期开始,土地沙漠化趋势发生了逆转,面积逐渐减小到2000年和2005年的5.1×104km2左右(图1),证明了科尔沁沙地土地沙漠化逆转的可能性和治理所取得的成果.但是直到2005年,沙漠化土地的面积也只恢复到了与1975年相当的水平.1987—2005年18年治理的成果仅抵消了1975—1987年近12年的退化结果.2000—2005年,科尔沁沙地沙漠化土地面积的变化很小.2.2世纪20年代后的断流与其他沙地相比,科尔沁沙地的水热条件及其时空组合比较优越.但是对西辽河多年径流量的分析发现,在过去的50年里,流经西辽河中游的大兴业和通辽两个水文站的径流量均持续减少(图2).在20世纪50年代末期,通过通辽水文站的径流量接近3.4×109m3,进入60年代后持续减小,至1999年断流;大兴业水文站的径流量也出现类似的变化过程.位于科尔沁沙地西南部奈曼旗境内的西湖水库正常年份的库容量曾经达到1.2×108m3.但是受气候变化与周边用水量持续增加的影响,西湖水库的水位持续下降,2001年5月干涸(图3).监测发现,在过去的20年间,距离西湖水库5km处的地下水水位下降的最大幅度达到10m.这种变化主要与灌溉农田耗水量的增加有关.由图4可知,在过去的50多年间,位于科尔沁沙地腹地的奈曼旗的耕地总面积逐渐减少,而灌溉农田面积和水稻田面积则持续增加.其中灌溉农田面积由1949年的0hm2增加到2000年的3.58×104hm2.仅灌溉农田增加的年耗水量就相当于10个西湖的库容量.相关分析发现,1995年以来西湖水位的变化与灌溉农田面积的变化呈显著相关关系(P=0.05).2.3草场植被和物种组成土地退化趋势的逆转往往伴随着生物生产力的恢复.但是在土地沙漠化发生逆转的同时,科尔沁沙地草场植被的地上生物量由1937年的570g·m-2减小到1982年的360g·m-2、1993年的210g·m-2和2002年的197g·m-2,其变化可用对数函数表达(图5).经过20多年的恢复,科尔沁沙地草场的植被组成和物种多样性有所增加.但是物种组成依然以菊科和黎科植物为主,远没有恢复到以禾本科和豆科植物为主的状态.这一方面与该区域生态系统的脆弱性有关;另一方面也与土地沙漠化的评价指标体系有关.科尔沁沙地草地生产力下降不仅反映了气候变化对农牧交错带草场的影响,也反映了长期人类活动对草场生态系统的深刻影响.3讨论3.1建立新的环境条件下的人工系统土地沙漠化的发展是在气候变化与人类活动共同影响下的土地退化过程,而沙漠化土地的恢复则是在该气候条件下(该气候条件的近地面特征可能由于沙漠化过程而发生改变)通过合理调整人类活动,促进土地生产力修复的过程.无论是沙漠化土地的退化还是恢复,气候的制约作用始终存在.沙漠化土地的恢复主要表现为两种形式:1)持续能量输入条件下,基于人工覆盖(包括人工植被)建植的治理,最终建立新的环境条件下的人工系统;2)通过调整或者消除人类活动的影响,使退化土地在原有或是近似于原有生境条件下逐步恢复,并最终实现系统功能的恢复.这一过程被称为拟自然恢复.在科尔沁沙地沙漠化土地恢复实践的早期,治理占有绝对大的比例.如通辽—北京铁路线防沙治沙体系的建设和区域内高大流动沙丘的固定均采取了人工沙障辅助下建立以杨树为主要林分的人工植被的建植措施.80年代末期以来,其策略逐步转向以调整水分、土地利用和生物资源利用方式为主.例如,“适度”发展集约型灌溉种植业,退耕“雨养”农田,促进了因过度开垦导致的退化土地的修复.退化草场的恢复则主要采取增加圈养比例、减轻放牧压力的方法.但是这些措施的实施并没有达到预期的目标.到2005年,科尔沁沙地沙漠化土地的面积仅恢复到1975年的水平,而且在2000—2005年的6年间,沙漠化土地的恢复程度很小.这证明了科尔沁沙地沙漠化土地恢复的艰难.当治理规模和基于灌溉农田面积增加的土地利用调整超越了水土资源的承载力后,不仅难以实现沙漠化土地的全面恢复,而且可能导致土地的进一步退化.这种退化可能以不同的方式或更为间接的形式表现出来,如水资源可利用性的减小、植被生产力和土壤功能的恢复过程明显滞后等.3.2灌溉农田面积和水稻田面积增加水资源是科尔沁沙地生态系统发育和演变、农牧业经济发展的制约因素.即使是在局地水资源相对丰富的地方,也常常由于污染、盐化和过度利用等活动导致其可利用性减小,制约性增强.1999年至今,科尔沁沙地进入了一个相对干旱期.干旱对区域生态环境和社会经济发展均造成了一定的影响.本研究表明,早在干旱发生之前,西湖的水位就开始下降,西辽河的径流量持续减少.在过去的50多年里,科尔沁沙地的气候变化较小,特别是在1999年之前,变化最为显著的是灌溉农田和水稻田面积增加.在治理方面,最明显的问题是防风固沙林的树种选择失当.当地的多年平均降水量在360mm左右,而杨树生长季的需水量达380mm.这意味着以杨树为主的防风固沙林的建植必然依赖于一定程度的灌溉.在土地利用调整方面,主要通过增加灌溉农田面积以保证粮食生产和经济收入,通过退耕“雨养”农田促进退化农田生态系统的恢复.这种灌溉农田面积增加驱动下的恢复的直接后果是农田需水量的增加和水资源可利用性减小.此外,灌溉过程中普遍存在的水资源浪费也引起了研究者的关注.Zhao等研究表明:研究区小麦和玉米每次漫灌的用水量在1080~1170t·hm-2,最大灌溉用水量达到1575t·hm-2.若采取主渠道衬砌的方法,可以把每次灌溉的用水量控制在780~870t·hm-2.西湖的水位变化与奈曼旗的灌溉农田面积显著相关,证明了灌溉与水资源之间的密切关系.如果把防风固沙林的耗水量计算在内,二者间的关系应更为显著.事实上,灌溉农田面积的增加并没有满足对土地的需求.根据Brogaard等的调查,如果政策许可,研究区内86%的农民希望扩大灌溉农田面积.农牧民期望节约用水,但是缺乏经济和可操作性强的节水技术、设施以及相关服务.3.3科学利用草地资源植物生产力是生物生产力的重要组成部分.植物生产力的恢复不仅是沙漠化土地恢复的重要标志之一,也是沙漠化土地恢复的主要目的.长期以来,科尔沁沙地沙漠化土地的恢复并没有反映出植被及其功能的同步恢复.其原因主要是:1)退化生态系统的恢复需要较长的时间.奈曼站的放牧试验表明,在有种源条件下,科尔沁沙地沙漠化草地恢复到有榆树幼树出现的状态至少需要10年,草地功能的全面恢复则需要更长的时间;2)土地利用方式的变化对科尔沁沙地的自然环境已经产生了深刻的影响.即使在降水量变化不显著的条件下,用水量的增加从根本上削弱了区域生态系统对水资源的分配能力;3)与现行的沙漠化评价指标有关.在土地沙漠化定义中,生物生产力减小作为描述退化的参数之一,但是现有的土地沙漠化评价指标体系只包涵了植被的盖度、裸沙地面积及其所占总面积的比例等指标,并没有把植物生产力和多样性等参数纳入指标体系.至于生物生产力的其他部分(如动物生产力和多样性以及微生物组成)则随沙漠化土地的恢复有明显的提高.综上可见,科尔沁沙地沙漠化的持续恢复能力取决于水资源利用的有效性和土地利用方式的适当调整.目前该地区土地沙漠化逆转过程的可持续性可能受到置疑.4科尔循环土地沙漠化资源利用的能力科尔沁沙地的沙漠化土地面积由1959年的4.23×104km2增加到1975年的5.1×104km2和1987年的6.1×104km2,之后减少到2000年和2005年的5.1×104km2左右.80年代后期以来,土地沙漠化虽实现了逆转,然而这种逆转是脆弱的.水资源是科尔沁沙地土地沙漠化治理与防治,以及农牧业经济发展的制约因素.近50年来,西辽河中游的径流