楊依天,楊越,武智勇
(河北民族師范學院,河北承德067000)
西北干旱區(qū)綠洲化及其環(huán)境效應綜述
楊依天,楊越,武智勇
(河北民族師范學院,河北承德067000)
西北干旱區(qū)生態(tài)與環(huán)境極為脆弱,在綠洲開發(fā)過程中極易引起土壤鹽漬化、土地沙化等生態(tài)與環(huán)境問題。本文在闡釋綠洲及綠洲化等概念基礎上,對西北干旱區(qū)綠洲化及其環(huán)境效應研究進行綜述。針對綠洲、綠洲化等概念可操作性不強,綠洲化趨勢研究數據時間序列較短及時間節(jié)點較少,綠洲化環(huán)境效應綜合評估薄弱等問題,提出未來應在界定綠洲與綠洲化等基礎上,加強綠洲化機制研究,應特別關注過度綠洲化問題。
綠洲化;環(huán)境效應;西北干旱區(qū)
西北干旱區(qū)(不包括半干旱區(qū),下同)指東起賀蘭山,西到國境線,中緯西風作用下的溫帶和暖溫帶地區(qū)[1-2]。這一地區(qū)水汽主要來源為大西洋濕潤西風環(huán)流。因遠離海洋,經過長途輸送到達干旱區(qū)上空時,西風環(huán)流中的水分含量已大為減少。降水稀少、氣候干燥、水資源稀缺及生態(tài)與環(huán)境脆弱等嚴重制約當地社會經濟發(fā)展[3]。
綠洲是西北干旱區(qū)的精華[4],盡管其面積僅占西北干旱區(qū)總面積3%-5%,但撫育了90%以上人口,創(chuàng)造了95%以上的工農業(yè)產值[4-5]。在綠洲開發(fā)過程中,人與自然共同作用致使荒漠不斷向綠洲轉變,這被稱之為綠洲化過程[6]。在荒漠化日趨嚴重的大背景下,作為荒漠化逆過程的綠洲化在影響范圍及規(guī)模上均遠遜于荒漠化[4],但綠洲化能產生正向環(huán)境效應(如植被覆蓋增大、生物多樣性增多、土地集約程度、生產能力提高、生態(tài)良性轉化等)及綠洲化研究對全球共同關注的重大環(huán)境問題——荒漠化及其防治亦有重要理論價值與實踐意義,國內外學者,特別重視綠洲及相關問題研究。
早在19世紀末,瑞典探險家斯文·赫定及俄羅斯探險家與旅行家普爾熱瓦爾斯基就先后對西北地區(qū)進行了探險與考察,為綠洲研究提供了大量有價值資料[7]。周立三在《地理》雜志上發(fā)表的“哈密——一個典型的沙漠沃洲”揭開綠洲研究新篇章[8]。20世紀50-80年代,中國科學院多次組織科研人員對西北干旱區(qū)的自然資源、能源、環(huán)境等進行綜合考察,系統(tǒng)地研究了綠洲的地質、植被、土壤、水文、水系等自然條件及古綠洲演變[4]。20世紀80年代,以趙松喬、黃盛璋為首的地理學家明確提出建立綠洲學,加強綠洲化研究[9-10]。之后,遙感技術、全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)等技術手段應用,為沙漠廣布、地廣人稀、自然條件惡劣的干旱區(qū)的綠洲研究提供技術支持,研究成果豐富。同時,在綠洲開發(fā)中,人類不斷深化對綠洲的認識,逐漸形成系統(tǒng)的綠洲理論。
2.1基本概念
2.1.1綠洲
20世紀80年代以來,中國學者對綠洲概念進行了大量探討[11-24],認為綠洲概念屬于綜合自然地理學范疇,綠洲是干旱區(qū)荒漠背景下的生態(tài)系統(tǒng),是水、土、氣、生等條件優(yōu)化組合的非地帶性單元,是具有穩(wěn)定水源供給、利于生物生存及人類聚集繁衍的地域系統(tǒng)。
綠洲對人類重要貢獻之一為綠洲的生產力。從發(fā)生學視角看,綠洲生產力主要指綠色植物生產力或源于綠色植物的生產力。植物生存主要得益于綠洲具有荒漠中稀缺、珍貴的水源。從這一思路可得出唯水性是綠洲基本屬性。然而,水只是綠洲形成的必要條件,地勢平坦、土地肥沃、植被覆蓋良好均是絕大多數綠洲形成的基礎。同樣,人類活動對綠洲形成與演變有不可忽視的作用,且對工礦類綠洲而言,人類活動起主導作用。因此,綠洲本質屬性應涵蓋水、土、氣、生、人等各個方面。
根據規(guī)范和教科書來看,巖礦石標本電性參數的測量方法主要分為兩種:一是露頭法,二是標本法。露頭法測量一般多采用露頭小四極法或小極距測深法[2];標本法測量常用的測量方法主要為蠟封法、雙盆邊架法、標本架法、泥(面)團法[3]。野外生產中多采用標本架法和泥(面)團法。
2.1.2綠洲化
1984年,趙松喬提出綠洲化概念[9]?,F今人們普遍認為綠洲化是干旱區(qū)人與自然共同作用所引起由荒漠向綠洲轉變的過程,是荒漠化的逆過程[4-6]?;哪欢x為:氣候變化及人類活動等多種要素共同作用下的干旱半干旱和具有干旱特征的半濕潤地區(qū)的土地退化[25]。從這一角度,綠洲化是一種土地“進化”。廣義上,綠洲化表現為綠洲面積擴大,亦表現為土地集約程度及生產力提高。
綠洲化與荒漠化緊密相關,而綠洲與荒漠間雙向轉化[26]。2009年底中國荒漠化面積已達262.37× 104km2[27],荒漠化面臨“局部治理,整體惡化”嚴峻形勢[27-29]。這與20世紀50年代以來,我國綠洲不斷擴張有直接關系。
綠洲擴張主要表現之一是人工綠洲取代天然綠洲,這也是現代綠洲演化的重要特征。在人類歷史時期,天然綠洲不斷向人工綠洲演進[30],而20世紀50年代以來,人口激增、技術進步加速了這種演化[28]。以新疆為例,2000年與1960年相比,耕地(54.67%)與城鎮(zhèn)建設用地(133.58%)均顯著增加,林地(-38.74%)與草地(-15.06%)明顯減少[31]。
天然綠洲向人工綠洲演進的同時,天然綠洲不斷衰退與消亡,荒漠植被生存受到嚴重威脅。1973-1983年,塔里木河下游綠色走廊胡楊林及灌木林地面積減少239.7×104hm2,減少了37.7%[28]。1980-2010年,和田河流域新增耕地主要源于草地、未利用地開墾及毀林開荒,這導致灌叢與荒漠草地面積分別減少0.42×104hm2、18.49×104hm2[32]。1980-2000年,甘肅民勤縣有2.3×104hm2的白刺、紅柳等天然植被處于死亡和半死亡狀態(tài),5.0×104hm2天然沙生灌草衰敗,26.7×104hm2天然草場退化為荒漠[5]。20世紀50年代,阿拉善境內有110×104hm2梭梭林,而20世紀80年代僅剩下55.6×104hm2,到2001年,覆蓋度在30%以上的梭梭林僅存38.5×104hm2[33]。
從流域尺度上,河流上下游綠洲面積呈相反變化趨勢。石羊河中上游大量引用地表水,已導致下游綠洲不斷衰退甚至消失[34-35]。塔里木河下游樓蘭古國消亡主要原因是上游綠洲擴張造成的河流改道、水源斷絕[30,36]。塔里木河三源流之一的和田河,中游耕地對林、草及未利用地的侵占與下游林、草地退化同時發(fā)生,且在中、下游綠洲面積呈現空間耦合[32]。
2.2綠洲化驅動機制
西北干旱區(qū)荒漠環(huán)境形成于晚白堊紀和早第三紀,而第三紀末、第四紀初青藏高原整體隆升使干旱區(qū)荒漠環(huán)境進一步維持和加強[37-38]。歷史時期,氣候波動對荒漠化有重要影響,而人類活動是主因[39-40]。近現代的氣候變暖,風沙活動加強,不利綠洲發(fā)展[40-42],如影響天然草地、林地變化。耕地受氣候變化影響不顯著,而人口增加和經濟發(fā)展有利于以耕地為主的人工綠洲擴張,但大量開墾草地及不合理的水土資源利用則導致天然綠洲面積萎縮[43]。研究表明,人類大規(guī)模水土資源開發(fā)所導致的耕地面積不斷增加,是干旱區(qū)綠洲擴張的主要原因。在新疆,“1515”工程[44]、西部大開發(fā)及對口援疆等政策促使棉花等具有比較效益的農產品生產規(guī)模擴大[45],是綠洲不斷向其邊緣及荒漠擴張主要驅動。
2.3綠洲化環(huán)境效應
綠洲開發(fā)改變了水、土、氣、生等因子及其相互作用,影響水循環(huán),改善局部生態(tài),提高了生產力[5]。同時,主要表現為墾荒的綠洲擴張過程中,水資源過度開發(fā),破壞了綠洲-荒漠過渡帶植被,導致綠洲局部生態(tài)惡化,進而危及綠洲系統(tǒng)安全與穩(wěn)定[4,32,47-48]??梢?,綠洲化產生的環(huán)境效應包括正、負兩個方面。下面主要從氣候、水文、土壤及生物(生態(tài))等方面論述綠洲化過程中產生的環(huán)境效應。
2.3.1綠洲化氣候效應
1957年,Lemon等[49]在灌溉棉田觀測到“綠洲效應”(Oasis Effect)。1963年,Van Bavel等[50]報道了“晾衣繩效應”(Clothesline Effect)。1987年,Oke[51]定義綠洲效應為因蒸發(fā)冷卻,干熱環(huán)境包圍的濕潤地帶總比周圍更涼爽的現象;晾衣繩效應指干熱環(huán)境圍繞的綠洲邊緣因強的熱平流而增強植被蒸騰,引起植被蒸騰加速的現象。綠洲內部及邊緣產生不同效應,荒漠與綠洲相互轉變過程中,因下墊面性質變化,其蒸散發(fā)、溫度與濕度等將發(fā)生變化。
李寶富等[52]基于遙感和SEBAL模型的估算結果表明,不同土地利用/覆被類型蒸散發(fā)有明顯差異。其中,未利用地、林地與草地的蒸散發(fā)量小于耕地。采取覆膜滴灌這種高效節(jié)水技術,作物生長期間的蒸散發(fā)為538mm[53],這高于林地與草地的蒸散發(fā)量。故天然草地與林地向耕地轉化(廣義綠洲化)以及未利用地的綠洲化過程中,地表蒸散發(fā)增加,加大水資源消耗,并進而影響溫度與濕度的變化。實驗證明[54],在防護林保護的麥田內部、綠洲前沿麥田、綠洲前沿沙棘林地及綠洲外圍流動沙丘的平均水汽壓分別為11.4pa、11.7pa、10.2pa、8.4pa,總蒸發(fā)量分別為9.3mm、10.4mm、12.8mm、22.3mm。此外,綠洲防護林網能夠增加下墊面粗糙度、減少湍流交換、降低風速,有效抵御沙塵與流沙侵襲,可減少年沙暴日數[55-57]。劉鈺華等[58]證實在風沙較重地區(qū)及綠洲邊緣,防護林網主帶間距為林高15-20倍(在風沙較輕的地區(qū)及綠洲內部,防護林網主帶間距為林高25-30倍)的小網格防護林網系統(tǒng)效果較佳。
2.3.2綠洲化水文效應
綠洲-荒漠過渡帶是維持綠洲穩(wěn)定的關鍵[59-62],是綠洲與荒漠間物流、能流和信息流交互作用地帶,可形成不連續(xù)具有臨界閾值的界面[63]。這一界面及圍繞該界面向外延伸的空間域有相對的穩(wěn)定性,對維持綠洲穩(wěn)定起到關鍵作用[64]。水分輸入與輸出、土壤水分狀況、地下水埋深等決定過渡帶植被蓋度、種群及其多樣性,從而影響綠洲結構與功能及綠洲的穩(wěn)定性[4]。
同樣,穩(wěn)定的環(huán)境對綠洲水文產生顯著影響。綠洲邊緣到內部,隨著空氣濕度增加、蒸發(fā)量降低,土壤水消耗減少,水文環(huán)境得以改善。在北疆瑪納斯河流域安集海墾區(qū)低洼的次生鹽漬化較重地帶,栽植以楊柳為主的林帶后,生物排水有效距離可達100-125m,降低水位可達70-200mm;在南疆喀什噶爾河畔疏勒縣羊大曼鄉(xiāng)第四居民村以沙棗林為防護帶的條田,3a-5a生2行林帶30m內,可降低地下水5-14.5cm,而6a-7a生2行林帶可降低地下水位1m左右[55]。
2.3.3綠洲化土壤效應
綠洲化過程包括沼澤化、草甸化及土地熟化等[4]。干旱區(qū)河流兩岸、湖泊邊緣、山前洪積扇前緣及山間低洼地等常年積水及潮濕地段,人為或自然所引起的沼澤化可使土體剖面上部有機質含量逐漸增多[65]。在此基礎上的草甸化所形成綠洲是天然綠洲面積最大、肥力最高的地帶,而人為耕作熟化可加速潛在肥力轉化為土地生產力。
綠洲化使土壤有機質不斷積累、土地生產力不斷提高的同時,也會帶來負面影響。其中,土地鹽漬化是最為重要的問題之一。我國干旱區(qū)土地鹽漬化研究始于20世紀50年代,源于不合理灌溉措施導致大面積土地出現嚴重次生鹽漬化問題[5]。20世紀60年代,在寧夏、甘肅、內蒙古、新疆等?。▍^(qū))開展了咸水灌溉試驗[6]。20世紀80年代后,鹽堿地改良[66-67]、鹽漬土的水鹽運移及其監(jiān)測與預報[68-71]、不同蒸發(fā)條件下土壤鹽分運移的實驗及過程數值模擬[69,72]、土壤鹽分變化對環(huán)境過程響應[73]、土壤鹽漬化對策[74]及土壤鹽漬化逆向演替[75]等備受關注。
2.3.4綠洲化生物(生態(tài))效應
綠洲化過程中,植被蓋度增大、物種增加、生物量提高[5],進而產生一系列生態(tài)效應。植物通過反射與吸收太陽輻射,增強綠色植物生長季的蒸騰與光合作用,熱量消耗增加,可有效降低高溫對農作物的影響[55]。對綠洲不同部位觀測證實[4],綠洲內部麥田的夏季氣溫低于綠洲邊緣的麥田,而邊緣地帶麥田夏季氣溫低于荒漠邊緣的沙棘林。對綠洲人工防護林的研究亦表明[54-58],防護林具有冬季增溫、夏季降溫效應。
綠洲-荒漠過渡帶的植被對維持綠洲穩(wěn)定有重要作用。研究發(fā)現,盡管綠洲-荒漠過渡帶的優(yōu)勢植物泡泡刺種群在密度、蓋度以及其沙堆體積與高度上存在空間差異[76],但均具有抵御風沙,維持綠洲穩(wěn)定的作用[77]。在過渡帶,免灌植被土壤濕度隨植被蓋度增大而減??;隨著植物生長,土壤濕度下降[60]。
2.3.5綠洲化環(huán)境效應綜合評估
綠洲化在產生諸如水資源利用效率提高,土地得到改良,生產力水平上升,經濟迅速發(fā)展等正面影響的同時[78],因水資源利用超負荷運行,水資源利用量超過水資源總量,地下水過度開采,地下水位大幅下降,水質污染嚴重,林地遭受破壞,草地退化,荒漠化加劇等負面效應隨之發(fā)生[79]。因此,綠洲化環(huán)境效應評估應綜合考慮綠洲演變過程中的正反兩方面。涉及內容廣,在指標選取、權重設定上均需謹慎。
就綠洲化環(huán)境效應綜合評估而言,評估主要為生態(tài)安全評價[80],方法為主觀賦值法(如專家賦值法)與客觀賦值法(如熵權法),基于生態(tài)系統(tǒng)服務價值服務功能進行的綠洲化環(huán)境效應綜合評估有待加強[40]。
1)在綠洲、綠洲化等研究中,盡管達成一些共識,但綠洲及綠洲化的內涵與外延上沒有統(tǒng)一的明確界定[11-14,81-83]。這導致綠洲與綠洲化面積定量計算不能重復與延續(xù),研究結果不易進一步被驗證。未來研究應明確綠洲及綠洲化內涵與外延,加強概念可操作性,如綠洲包括哪些類土地利用類型,綠洲化過程土地利用類型的轉變,等等。
2)20世紀80年代趙松喬提出綠洲化概念,綠洲化問題逐漸受到更多關注,但綠洲化研究多分散于荒漠化研究中,而相關研究因遙感影像等資料的限制,數據時間序列較短及時間節(jié)點較少[40,81-83],綠洲化趨勢及機制研究難以取得令人信服結論。未來研究應在增加時間節(jié)點及延長時間序列的基礎上,全面分析氣候變化、社會經濟及政策等的影響,以水資源供需為主線,探討綠洲化驅動機制,預測未來綠洲發(fā)展趨勢[40]。
3)綠洲開發(fā)應有“度”。這里的“度”是指綠洲的承載能力,是綠洲的適宜規(guī)模。過度綠洲化是人類對綠洲資源開發(fā)超過綠洲承載能力,是既得利益者為局部利益犧牲整體利益、為眼前利益犧牲長遠利益的不可持續(xù)發(fā)展[40]。因此,未來研究中不僅應關注綠洲化對生態(tài)、社會及經濟的有利影響,更應重視綠洲化過程中產生的負面影響,特別是河流中上游綠洲過度開發(fā),水資源被大量占用,導致下游水資源供給不足而引起土地退化等一系列問題。同樣,在綠洲化環(huán)境效應評估中,不應僅僅考慮綠洲化產生正面效應,亦應重視過度綠洲化所引起的生態(tài)與環(huán)境問題。
4)綠洲化環(huán)境效應研究主要集中在水、土、氣、生等組成要素變化方面,相關評估主要為生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估,未來研究應加強綠洲化環(huán)境效應綜合評估。在綜合評估方面,研究應以綠洲化生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估為基礎,參考1996年聯(lián)合國經濟合作與發(fā)展組織(Organization for Economic Cooperation and Development,簡寫OECD)提出的驅動力-狀態(tài)-響應概念模型,建立綠洲化環(huán)境效應評估體系。在指標選取上,驅動力指標可從綠洲化驅動力因子分析獲得。狀態(tài)指標可選取水資源中的人均水資源占有量、徑流量等,土地資源中的均衡度、信息熵、土地利用綜合指數等,生態(tài)系統(tǒng)(源于生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估)中的氣候調節(jié)、水文調節(jié)、土壤保持等,社會經濟指標選取糧食總產量、農作物播種面積、農林牧副漁總產值等。響應指標可選取綠洲面積、綠洲化面積、鹽堿地面積、牲畜年末存欄數等指標。
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A Review of the Research on Oasisization and Its Environmental Effect in the Northwest Arid Regions of China
YANG Yi-tian,YANG Yue,WU Zhi-yong
(Hebei Normal University for Nationalities,Chengde,Hebei 067000,China)
Oasisization,which not only shows the expansion of oasis area but also the improvement of land productivity and land intensive level,is mainly the transition process from desert to oasis in arid region.However, the low level or disordered development of oasis may trigger a series of ecological problems like vegetation degradation and soil salinization.In this paper,three focus research fields including the concepts of oasis,oasisization and undue-oasisization,the driving mechanism of oasification,and the evaluation of environmental effects of oasisization are reviewed.It is found that there are some problems,such as the deficiency of quantitative concept of oasis and oasisization,the lack of oasisization data,and the comprehensive evaluation of oasisization environmental effects,needed to be solved.
oasisization;environmental effect;Northwest Arid Regions
D467;X171
A
2095-3763(2015)02-0020-06
2014-11-30
楊依天(1970-),河北豐寧人,博士,研究方向:自然地理綜合研究。
河北民族師范學院課題《氣候變化情境下的和田綠洲時空演變規(guī)律》(201304)。