朱 剛
(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局航測(cè)遙感局,陜西 西安 710199)
土地的沙質(zhì)荒漠化問(wèn)題是我國(guó)主要的生態(tài)問(wèn)題之一,北方地區(qū)冬春季頻發(fā)的沙塵天氣與此密切相關(guān),嚴(yán)重影響著我國(guó)的生態(tài)安全[1-3]。為遏制沙質(zhì)荒漠化的發(fā)展以及修復(fù)沙質(zhì)荒漠化地區(qū)的生態(tài)環(huán)境,國(guó)家對(duì)沙質(zhì)荒漠化的分布范圍、發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)控。期間眾多學(xué)者對(duì)我國(guó)沙質(zhì)荒漠化的成因條件、演化機(jī)制、分布范圍、發(fā)展態(tài)勢(shì)及修復(fù)措施與建議等進(jìn)行了大量的研究[4-8]。從20世紀(jì)70年代末開始,國(guó)家層面上先后實(shí)施了三北防護(hù)林工程、退耕還林等生態(tài)治理工程及調(diào)控政策,產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)于21世紀(jì)初期開始顯現(xiàn),我國(guó)沙質(zhì)荒漠化的發(fā)展態(tài)勢(shì)基本得到了控制[9]。對(duì)具有可修復(fù)條件的沙質(zhì)荒漠化土地進(jìn)行生態(tài)修復(fù)是現(xiàn)階段國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)的戰(zhàn)略需求。目前,沙質(zhì)荒漠化土地的生態(tài)修復(fù)主要采用人工修復(fù)與自然修復(fù)兩種措施[10-11]。從效果來(lái)看,受不同地質(zhì)成因、氣候條件與人類活動(dòng)方式的影響,在同一區(qū)域的沙質(zhì)荒漠化土地內(nèi)部以及不同區(qū)域的沙質(zhì)荒漠化土地之間的修復(fù)效果不一致[12-14]。為使沙質(zhì)荒漠化土地的生態(tài)修復(fù)更具針對(duì)性,達(dá)到事半功倍的效果,文中選取毛烏素沙地東部的陜西省榆林市境內(nèi)區(qū)域作為研究區(qū),應(yīng)用“3S”技術(shù)研究了近45年來(lái)不同人類干預(yù)方式下沙質(zhì)荒漠化土地的分布現(xiàn)狀與變化特征,同時(shí)對(duì)不同修復(fù)措施下沙質(zhì)荒漠化土地的土壤養(yǎng)分差異進(jìn)行了對(duì)比分析,旨在為沙質(zhì)荒漠化土地的生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。
研究區(qū)位于毛烏素沙地東南部的陜北境內(nèi)區(qū)域,涉及榆林市的榆陽(yáng)區(qū)、神木市、橫山區(qū)、定邊縣、靖邊縣、府谷縣及佳縣等縣區(qū),總面積約1.6×104km2。為半干旱氣候,年均降水量250~440 mm。地理位置處于毛烏素沙地與陜北黃土高原的過(guò)渡地帶,受風(fēng)蝕與水蝕共同作用的影響,導(dǎo)致風(fēng)沙活動(dòng)與水土流失強(qiáng)烈,生態(tài)環(huán)境較為脆弱。植被類型單調(diào),以沙蒿、沙柳、檸條等耐旱的植物為主。礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量豐富,是我國(guó)煤炭資源和油氣資源的重要產(chǎn)區(qū)。近幾十年來(lái)由于礦產(chǎn)資源的持續(xù)大規(guī)模開采以及過(guò)度放牧、荒草地開墾等一系列人類活動(dòng)的強(qiáng)烈干預(yù),導(dǎo)致研究區(qū)的土地沙質(zhì)荒漠化問(wèn)題十分嚴(yán)重。沙質(zhì)荒漠化的成因類型有兩種,一種是覆沙黃土丘陵地區(qū)發(fā)生的沙質(zhì)荒漠化,沙源物質(zhì)主要為更新世砂質(zhì)黃土與中生代砒砂巖的殘坡積物;另一種是風(fēng)沙灘地地區(qū)發(fā)生的沙質(zhì)荒漠化,沙源物質(zhì)主要為晚更新世薩拉烏蘇組沖湖積砂。從20世紀(jì)60年代開始,通過(guò)興建防風(fēng)林帶、引水拉沙、引洪淤地等措施進(jìn)行治理,先后開展了三年植綠大行動(dòng)、林業(yè)建設(shè)五年大提升行動(dòng),實(shí)施了三北防護(hù)林、退耕還林等國(guó)家重點(diǎn)工程,榆林市已在沙地腹地建立了萬(wàn)畝以上的成片林165 處,建成了總長(zhǎng)1 500 km 的4 條大型防護(hù)林帶,沙地治理率達(dá)90%以上,實(shí)現(xiàn)了區(qū)域性逆轉(zhuǎn)。
1.2.1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)源的選取與處理
為反映人類不同干預(yù)方式對(duì)沙質(zhì)荒漠化發(fā)展或逆轉(zhuǎn)的影響,將研究區(qū)人類活動(dòng)對(duì)沙質(zhì)荒漠化過(guò)程有明顯影響的重大事件發(fā)生的時(shí)間節(jié)點(diǎn)作為多期遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)選擇的依據(jù)。重大事件主要是指國(guó)家生態(tài)調(diào)控政策的實(shí)施、區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展方式的變化以及人口劇烈變化等。因此,采用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)時(shí)相與類型分別如下:應(yīng)用1975年MSS 數(shù)據(jù)反映研究區(qū)煤炭資源大規(guī)模開采前沙質(zhì)荒漠化分布的本底狀態(tài),空間分辨率79 m;應(yīng)用2000年TM 數(shù)據(jù)反映煤炭資源開采規(guī)模擴(kuò)大、退耕(牧)還林(草)政策實(shí)施初期的沙質(zhì)荒漠化分布狀況,空間分辨率30 m;應(yīng)用2007年TM 數(shù)據(jù)反映煤炭資源持續(xù)大規(guī)模開采并對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定影響情況下沙質(zhì)荒漠化分布狀況,空間分辨率30 m;應(yīng)用2019年的Landsat-8 數(shù)據(jù)反映目前沙質(zhì)荒漠化的分布現(xiàn)狀,空間分辨率30 m。四期數(shù)據(jù)的季相在5—10月之間,該時(shí)間段植被生長(zhǎng)茂盛,反映的沙質(zhì)荒漠化信息真實(shí)、客觀,滿足沙質(zhì)荒漠化遙感解譯的要求。
數(shù)據(jù)獲取后對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正、波段融合等處理,制作研究區(qū)四期衛(wèi)星影像圖。
1.2.2 沙質(zhì)荒漠化現(xiàn)狀與變化信息的獲取
首先,建立不同程度的沙質(zhì)荒漠化遙感解譯標(biāo)志,程度分級(jí)參照《聯(lián)合國(guó)關(guān)于發(fā)生嚴(yán)重干旱和荒漠化的國(guó)家特別是在非洲防治荒漠化的公約(CCD)》[15]、《沙化土地監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程(GB/T 24255-2009)》[16]的分類標(biāo)準(zhǔn),將研究區(qū)的沙質(zhì)荒漠化土地分為輕度、中度和重度三個(gè)級(jí)別[17-18](表1);其次,根據(jù)建立的遙感解譯標(biāo)志,在ArcGIS 軟件支持下,采用人機(jī)交互式解譯的方法對(duì)研究區(qū)不同程度的沙質(zhì)荒漠化信息進(jìn)行提取,遙感解譯精度為1∶25 萬(wàn)比例尺,即單個(gè)圖斑面積不小于4 mm2;第三,解譯工作完成后,通過(guò)野外調(diào)查與驗(yàn)證,對(duì)存在問(wèn)題與疑義的圖斑進(jìn)行修改,最終形成研究區(qū)1975年、2000年、2007年、2019年四期沙質(zhì)荒漠化分布情況解譯成果并對(duì)四期分布面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖1)。
圖1 研究區(qū)不同時(shí)期沙質(zhì)荒漠化土地分布圖Fig.1 Distribution map of sandy desertification in the study area in different years
表1 研究區(qū)沙質(zhì)荒漠化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及遙感解譯標(biāo)志Table 1 Classification standards and remote sensing interpretation marks of sandy desertification in the study area
1.2.3 沙質(zhì)荒漠化土地土壤取樣測(cè)試的方法
土壤養(yǎng)分條件的差異可在一定程度上反映沙質(zhì)荒漠化土地的可修復(fù)程度或已修復(fù)效果。為反映不同修復(fù)措施下沙化土地土壤養(yǎng)分條件的差別,選取不同強(qiáng)度的沙化土地進(jìn)行取樣測(cè)試,對(duì)比不同強(qiáng)度、不同治理方式、不同地質(zhì)成因條件下土壤中養(yǎng)分的區(qū)別,以便分析適宜該地區(qū)沙質(zhì)荒漠化土地的生態(tài)修復(fù)方式。
取樣點(diǎn)的布置:首先,在不同地質(zhì)成因地區(qū),對(duì)輕度、中度、重度三種程度的沙質(zhì)荒漠化分布地區(qū)設(shè)置取樣點(diǎn);其次,在不同修復(fù)措施區(qū)域,按照人工修復(fù)、自然修復(fù)兩種修復(fù)方式,對(duì)輕度、中度、重度三種程度的沙質(zhì)荒漠化地區(qū)設(shè)置取樣點(diǎn);第三,在黃土丘陵、風(fēng)沙灘地地區(qū)的耕地地區(qū),以及毛烏素沙地特有的自然植被群落分布地區(qū)——臭柏自然保護(hù)區(qū)設(shè)置取樣點(diǎn)作為背景值(圖2)。
圖2 研究區(qū)取樣點(diǎn)分布圖Fig.2 Distributed map of sampling points in the study area
土壤取樣的方法:每個(gè)采樣點(diǎn)的取土深度相同,采樣量應(yīng)均勻一致,土樣上層與下層比例要相同。采集土樣前,應(yīng)先去除地表浮土,采用手工挖掘坑(如探坑)的方法,取0~20 cm 耕作層土壤混合樣,剔除雜草、樹根、礫石等雜物,采樣完成后將底土和表土分別按原層回填。初步采集的混合樣采用四分法保留1~2 kg 樣品,待土壤樣品自然風(fēng)干后取500 g 裝入布袋,內(nèi)外均應(yīng)附標(biāo)簽,標(biāo)明采樣編號(hào)、名稱、采樣深度、采樣地點(diǎn)、日期、采集人等信息。
土壤樣品測(cè)試指標(biāo):選取土壤全氮、總磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試,依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)分別為:全氮依據(jù)HJ 717-2014[19];總磷依據(jù)LY/T 1232-2015[20];全鉀依據(jù)LY/T 1234-2015[21];有機(jī)質(zhì)依據(jù)NY/T 11121.6-2006[22]。
根據(jù)遙感解譯結(jié)果,研究區(qū)2019年沙質(zhì)荒漠化土地面積8 208.28 km2,其中,輕度沙質(zhì)荒漠化土地面積2 423.31 km2,中度沙質(zhì)荒漠化土地面積3 929.08 km2,重度沙質(zhì)荒漠化土地面積1 855.88 km2,以中度與輕度沙質(zhì)荒漠化為主。沙質(zhì)荒漠化分布的主體區(qū)域?yàn)闊o(wú)定河北部、榆溪河與禿尾河上游的風(fēng)沙灘地地區(qū),覆沙黃土丘陵地區(qū)的沙質(zhì)荒漠化主要分布于蘆河西部、無(wú)定河南部、榆溪河與禿尾河下游地區(qū)。沙質(zhì)荒漠化程度的強(qiáng)弱與地質(zhì)成因條件的關(guān)系不密切,不同程度的沙質(zhì)荒漠化在兩種成因條件地區(qū)均有分布。
從修復(fù)方式上來(lái)看,輕度與中度沙質(zhì)荒漠化分布地區(qū)的人工修復(fù)程度高,修復(fù)方式為人工種植沙蒿、沙柳、檸條等沙生植被,通過(guò)人工植被建設(shè)改良區(qū)域生態(tài)條件,促進(jìn)自然植被群落恢復(fù)。同時(shí),工程治理也是近年來(lái)沙質(zhì)荒漠化土地治理經(jīng)常采用的方式,在榆陽(yáng)區(qū)北部的風(fēng)沙灘地地區(qū),對(duì)原來(lái)難以耕作的沙質(zhì)荒漠化土地進(jìn)行了平整,開辟了大量的耕地,在一定程度上減小了沙化土地的分布面積。但在毛烏素沙地腹地的重度沙質(zhì)荒漠化分布地區(qū),由于風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈,地表以流動(dòng)性強(qiáng)的高大沙丘為主,目前仍以自然修復(fù)為主。
2.2.1 氣候變化影響分析
彈性蛋白酶能水解彈性蛋白,還可水解脂肪族氨基酸如亮氨酸、丙氨酸、絲氨酸等殘基的羧基所組成的肽鍵。彈性蛋白酶在皮膚上施用,可防止皮膚的過(guò)度角質(zhì)化,可用于消除皺紋和防止粉刺的生成。彈性蛋白酶如與胰蛋白酶配合,可增加彈性蛋白酶的活性。
氣候條件對(duì)沙質(zhì)荒漠化的影響主要體現(xiàn)在對(duì)植被生長(zhǎng)以及其生長(zhǎng)環(huán)境的影響。濕潤(rùn)多雨的氣候條件有利于植被生長(zhǎng),可有效提高地表植被覆蓋度,從而降低沙質(zhì)荒漠化的分布面積與強(qiáng)度。根據(jù)研究區(qū)氣象站點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果,近45年來(lái),研究區(qū)的氣溫與降水均呈小幅度增加的趨勢(shì),氣溫升高引起的蒸發(fā)量增加抵消了降水量增加產(chǎn)生的效應(yīng)。因此,氣候條件的變化對(duì)研究區(qū)沙質(zhì)荒漠化的變化影響較弱[23]。
2.2.2 水文條件影響分析
在半干旱地區(qū),水文條件對(duì)沙質(zhì)荒漠化的發(fā)生與逆轉(zhuǎn)有一定的影響。研究區(qū)年均降水量250~440 mm,植被種類以耐旱的沙柳、檸條、沙蒿等為主,天然降水條件能夠滿足該地區(qū)植被的生長(zhǎng)。研究區(qū)的主要地下水含水巖組為黃土下部的白堊系洛河組砂巖,埋藏較深,植被生長(zhǎng)較難利用[24],但由于黃土的孔隙度高、保水性較強(qiáng),天然降水賦存于黃土孔隙中,黃土地區(qū)植被生長(zhǎng)的水分需求主要來(lái)源于黃土中賦存的孔隙水;而風(fēng)沙灘地區(qū)淺層地下水的含水巖組為第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組沖湖積砂,在研究區(qū)的風(fēng)沙灘地地區(qū)廣泛分布,埋藏淺、水量大,目前在沙地內(nèi)部丘間地低洼處,有大范圍出露形成地表積水,因此,研究區(qū)的水文條件較優(yōu)越,有利于植被恢復(fù)。
2.2.3 人類活動(dòng)影響分析
研究區(qū)20世紀(jì)80年代以前的人類活動(dòng)方式主要為農(nóng)牧活動(dòng),對(duì)沙質(zhì)荒漠化的影響為過(guò)度放牧、荒地開墾等活動(dòng)方式。1975年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映了沙質(zhì)荒漠化分布的本底狀態(tài),該年研究區(qū)沙質(zhì)荒漠化土地面積13 624.17 km2,以中度與重度沙質(zhì)荒漠化為主。
研究區(qū)的礦產(chǎn)資源大規(guī)模開發(fā)始于20世紀(jì)90年代,至90年代末期具一定規(guī)模。該時(shí)間段內(nèi)煤礦開采的規(guī)模與強(qiáng)度相對(duì)較小,而過(guò)度放牧、荒地開墾等活動(dòng)強(qiáng)烈。根據(jù)遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果,1975—2000年研究區(qū)沙質(zhì)荒漠化土地面積與強(qiáng)度均出現(xiàn)大幅度發(fā)展,沙質(zhì)荒漠化的分布面積增加了571.76 km2,各種程度的沙質(zhì)荒漠化面積均增加,至2000年研究區(qū)的沙質(zhì)荒漠化土地面積達(dá)到14 195.93 km2。與此同時(shí),北方沙質(zhì)荒漠化的快速發(fā)展對(duì)我國(guó)生態(tài)安全產(chǎn)生了嚴(yán)重影響,沙質(zhì)荒漠化問(wèn)題已引起國(guó)家的重視。為遏制沙質(zhì)荒漠化的發(fā)展,國(guó)家先后在20世紀(jì)70年代開始建設(shè)三北防護(hù)林工程、20世紀(jì)90年代末期開始實(shí)施退耕還林政策,研究區(qū)正是這兩項(xiàng)生態(tài)調(diào)控政策與工程實(shí)施的主體區(qū)域。
2000—2007 年,盡管煤炭開采規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大,但是由于退耕還林政策的實(shí)施,研究區(qū)的農(nóng)牧活動(dòng)強(qiáng)度較20世紀(jì)明顯減弱。該時(shí)期沙質(zhì)荒漠化仍呈現(xiàn)一定的發(fā)展態(tài)勢(shì),分布面積增加了742.4 km2,至2007年沙質(zhì)荒漠化土地分布面積為14 938.33 km2,其中重度沙質(zhì)荒漠化的面積減小,而中度與輕度沙質(zhì)荒漠化的面積小幅度增加。
隨著三北防護(hù)林工程建設(shè)、退耕還林政策等生態(tài)工程與調(diào)控措施發(fā)揮作用,尤其是十八大以來(lái),研究區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)活動(dòng)與礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)兩方面并重,沙質(zhì)荒漠化土地出現(xiàn)明顯逆轉(zhuǎn),面積與強(qiáng)度均大幅度減弱,2007—2019年面積減小了6 730.05 km2,各種程度的沙質(zhì)荒漠化面積均大幅度減小(表2)。
表2 研究區(qū)沙質(zhì)荒漠化土地面積四期統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 The statistical of sandy desertification land area in four periods
圖3 不同土壤養(yǎng)分含量對(duì)比曲線圖Fig.3 Comparison of different soil nutrient contents
表3 研究區(qū)土壤養(yǎng)分測(cè)試結(jié)果Table 3 Testing results of soil nutrients in the study area
根據(jù)測(cè)試結(jié)果可得出以下結(jié)論,風(fēng)沙灘地地區(qū)的沙質(zhì)荒漠化土地的土壤養(yǎng)分條件優(yōu)于覆沙黃土丘陵地區(qū)的沙質(zhì)荒漠化土地,并且與風(fēng)沙灘地地區(qū)經(jīng)過(guò)人工施肥、培育的耕作土壤的養(yǎng)分條件差別不明顯,與天然生長(zhǎng)的毛烏素沙地特有的臭柏分布區(qū)域的養(yǎng)分值基本一致,表明在自然修復(fù)的條件下,風(fēng)沙灘地地區(qū)的土壤養(yǎng)分條件更有利于植被的生長(zhǎng)。人工修復(fù)區(qū)沙質(zhì)荒漠化土地的土壤養(yǎng)分值優(yōu)于自然修復(fù)區(qū),表明人為干預(yù)能明顯改良土壤養(yǎng)分條件,促進(jìn)自然植被生長(zhǎng)。
文中僅從土壤養(yǎng)分條件的差異來(lái)反映沙質(zhì)荒漠化土地的修復(fù)效果或可修復(fù)程度有一定的局限性,沙質(zhì)荒漠化土地的生態(tài)修復(fù)是多種要素共同作用的結(jié)果,但在區(qū)域水文條件、氣候條件滿足植被恢復(fù)需求的情況下,對(duì)于生物生產(chǎn)力低下的沙地地區(qū)而言,土壤肥力水平可作為沙質(zhì)荒漠化土地的可修復(fù)性分析或修復(fù)效果評(píng)價(jià)的指標(biāo)之一[25]。
(1)研究區(qū)的沙質(zhì)荒漠化土地的強(qiáng)度以中度和輕度為主,生態(tài)修復(fù)方式為人工修復(fù)與自然修復(fù)兩種方式。沙質(zhì)荒漠化土地的分布強(qiáng)度與生態(tài)修復(fù)方式、修復(fù)力度密切相關(guān),現(xiàn)有的中度、輕度沙質(zhì)荒漠化土地分布地區(qū)基本上為人工修復(fù)的地區(qū),而重度沙質(zhì)荒漠化地區(qū)由于風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈,人工植被建設(shè)較困難,目前以自然修復(fù)為主。
(2)近45年來(lái)沙質(zhì)荒漠化的分布范圍與強(qiáng)度呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的變化特征,與研究區(qū)人類活動(dòng)方式變化的吻合度較高。近45年來(lái)研究區(qū)的氣候與水文條件變化對(duì)沙質(zhì)荒漠化的變化影響較弱,導(dǎo)致沙質(zhì)荒漠化變化的主要原因是人類活動(dòng)方式與強(qiáng)度的變化。當(dāng)人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的干擾強(qiáng)烈時(shí),沙質(zhì)荒漠化呈現(xiàn)發(fā)展的特征,2000年以前研究區(qū)沙質(zhì)荒漠化的擴(kuò)張與農(nóng)牧活動(dòng)、礦產(chǎn)資源開發(fā)等活動(dòng)密切相關(guān);當(dāng)人類活動(dòng)方式以生態(tài)修復(fù)為主時(shí),沙質(zhì)荒漠化呈現(xiàn)逆轉(zhuǎn)的特征,在退耕還林政策實(shí)施、三北防護(hù)林建設(shè)、礦山地質(zhì)環(huán)境生態(tài)修復(fù)等生態(tài)調(diào)控政策、生態(tài)修復(fù)工程實(shí)施后,沙質(zhì)荒漠化的發(fā)展態(tài)勢(shì)得到了有效遏制。
(3)土壤養(yǎng)分測(cè)試結(jié)果表明人工修復(fù)地區(qū)的土壤養(yǎng)分含量?jī)?yōu)于自然修復(fù)地區(qū),在同等背景的自然修復(fù)條件下,不同地質(zhì)成因的沙質(zhì)荒漠化土地土壤養(yǎng)分含量有一定區(qū)別。以植被恢復(fù)為主的生態(tài)修復(fù)工作能改良沙質(zhì)荒漠化土地的土壤養(yǎng)分條件,較好的土壤養(yǎng)分條件也能促進(jìn)植被恢復(fù),進(jìn)而有效降低沙質(zhì)荒漠化的強(qiáng)度。在毛烏素沙地采用人工修復(fù)與自然修復(fù)相結(jié)合的方式,以人工植被建設(shè)帶動(dòng)區(qū)域土壤條件改變,促進(jìn)植被自然修復(fù),是研究區(qū)有效的生態(tài)修復(fù)方式。
(4)盡管研究區(qū)的沙質(zhì)荒漠化土地的生態(tài)修復(fù)工作取得了顯著進(jìn)步,但處于毛烏素沙地腹地的重度沙質(zhì)荒漠化地區(qū)生態(tài)修復(fù)程度較低,應(yīng)加強(qiáng)該區(qū)域的生態(tài)修復(fù)工作。
中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)2021年6期