近50a以來(lái)中國(guó)北方沙漠化過(guò)程中風(fēng)沙活動(dòng)的變化

近50a以來(lái)中國(guó)北方沙漠化過(guò)程中風(fēng)沙活動(dòng)的變化

干旱、半干旱乃至半濕潤(rùn)地區(qū)的沙化活動(dòng)是風(fēng)蝕和風(fēng)積地形的動(dòng)力，它控制了沙面的形成和分布、砂的運(yùn)輸和灰塵的累積，以及影響大氣循環(huán)的主要?dú)夂蛞蛩?。沙漠化是促進(jìn)該地區(qū)沙漠化形成和發(fā)展的主要?dú)夂蛞蛩?。沙漠化是干旱、半干旱和部分半濕?rùn)地區(qū)由于人與地之間的關(guān)系不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致的以沙化活動(dòng)為主要特征的土地退化，包括氣候和人為因素。目前,部分學(xué)者將中國(guó)北方典型沙區(qū)在歷史時(shí)期的沙漠化過(guò)程看成是人類(lèi)對(duì)干旱、半干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行破壞的良好范例,但近年來(lái),這一結(jié)論遭到質(zhì)疑.例如,通過(guò)考古等手段,部分學(xué)者指出毛烏素沙地在夏代(C.2100~C.1600BC)就可能已經(jīng)有流沙出現(xiàn),明代(1368~1644AD)的墾殖活動(dòng)并不是河套地區(qū)長(zhǎng)城沿線(xiàn)沙質(zhì)荒漠化的主要貢獻(xiàn)者,流沙范圍的擴(kuò)大更可能是自然原因,風(fēng)沙活動(dòng)的增強(qiáng)可能就是關(guān)鍵的因素之一.不僅如此.風(fēng)沙活動(dòng)的演變?cè)诤艽蟪潭壬峡刂屏松衬h(huán)境的變遷.例如,58萬(wàn)年尤其是15萬(wàn)年以來(lái)毛烏素沙地經(jīng)歷了多次風(fēng)沙活躍期和間沙漠堆積期的正逆交替演變過(guò)程,農(nóng)牧交錯(cuò)帶全新世也發(fā)生了多次農(nóng)業(yè)向牧業(yè)文化轉(zhuǎn)換的事件,并與不同時(shí)期的冷干多風(fēng)和溫濕-暖濕多雨的氣候背景相關(guān)此外,風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度的波動(dòng)也導(dǎo)致了區(qū)域風(fēng)蝕、風(fēng)積強(qiáng)度的變化,進(jìn)而影響干旱、半干旱地區(qū)植被生長(zhǎng)從而誘使沙漠化正逆過(guò)程的發(fā)生.鑒于風(fēng)沙活動(dòng)對(duì)沙漠化過(guò)程的極大的潛在影響,我們根據(jù)20世紀(jì)50年代以來(lái)的完整氣象和人文記錄,參考我們多年來(lái)的野外考察結(jié)果,探索近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)中國(guó)北方干旱、半干旱地區(qū)風(fēng)沙活動(dòng)的時(shí)空演變過(guò)程;并討論其在沙漠化發(fā)展和逆轉(zhuǎn)過(guò)程中所起的作用.1相關(guān)研究描述本文主要的數(shù)據(jù)源是中國(guó)北方地區(qū)339個(gè)基本氣象臺(tái)站自20世紀(jì)50年代中期至2003年每日定時(shí)4次觀測(cè)的風(fēng)速、風(fēng)向和月降水記錄,中國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局1949~2005年出版的農(nóng)作物播種面積、大牲畜頭數(shù)和人口密度等人文數(shù)據(jù),并參考我們過(guò)去十多年在中國(guó)北方干旱、半干旱區(qū)的考察、觀測(cè)結(jié)果.在篩除一些記錄較短或缺失的臺(tái)站之后,有307個(gè)氣象臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)被應(yīng)用于分析和討論.由于中國(guó)北方地區(qū)自20世紀(jì)50年代末期至80年代初期沙漠化強(qiáng)烈發(fā)展,而90年代以后出現(xiàn)大范圍的逆轉(zhuǎn),因此,根據(jù)沙漠化在不同時(shí)期的發(fā)展過(guò)程,本文將過(guò)去近50a內(nèi)中國(guó)北方干旱、半干旱地區(qū)風(fēng)沙環(huán)境的演變過(guò)程分為1960~1969,1970~1979和1980~1989以及1990~2003年4個(gè)時(shí)段討論.目前風(fēng)沙科學(xué)研究中對(duì)風(fēng)沙活動(dòng)的描述有多種方法,但最為常見(jiàn)的是采用輸沙勢(shì)和沙丘活動(dòng)指數(shù)進(jìn)行表述.由于中國(guó)北方干旱、半干旱地區(qū)流動(dòng)、固定、半固定沙丘分布十分廣泛,且其固定程度常被作為區(qū)域風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)弱的主要標(biāo)志,因此,本項(xiàng)研究亦采用輸沙勢(shì)和沙丘活動(dòng)指數(shù)來(lái)表述過(guò)去近50a中國(guó)北方干旱、半干旱地區(qū)風(fēng)沙活動(dòng)的時(shí)空演變過(guò)程.輸沙勢(shì)被表述為DP∝V2(V-Vt)t,其中,DP為輸沙勢(shì)(VU,向量單位);t為起沙風(fēng)持續(xù)時(shí)間,以百分?jǐn)?shù)表示;V為起沙風(fēng)風(fēng)速,Vt為測(cè)量高度上的起動(dòng)風(fēng)速,在中國(guó)干旱、半干旱地區(qū),風(fēng)杯高度在10~12m時(shí)為6.0m/s.沙丘活動(dòng)指數(shù)被定義為其中,M是活動(dòng)指數(shù),P為年降水量,PE為T(mén)hornwaite年潛在蒸發(fā)量,W為起沙風(fēng)頻率(%).活動(dòng)指數(shù)值越大,則表明地表風(fēng)沙活動(dòng)越強(qiáng)烈.2結(jié)果分析2.1拉瑪干引領(lǐng)的兩種風(fēng)勢(shì)輸沙勢(shì)結(jié)果顯示,與世界上其他干旱、半干旱地區(qū)相比較,盡管中國(guó)區(qū)域內(nèi)的風(fēng)沙活動(dòng)并不十分強(qiáng)烈,但由于植被覆蓋度低,極易導(dǎo)致嚴(yán)重的土壤風(fēng)蝕問(wèn)題.過(guò)去近50a以來(lái),北方干旱、半干旱地區(qū)的風(fēng)沙活動(dòng)隨區(qū)域的變化有所不同(圖1):高風(fēng)沙活動(dòng)(>400VU)區(qū)域主要分布在古爾班通古特沙漠西部,河西走廊西部,阿拉善高原,塔克拉瑪干沙漠東部等戈壁地區(qū),以及壩上高原和嫩江沙地的極少數(shù)區(qū)域.而其他沙漠、沙地以及退化草原地區(qū),均在中等(200~400VU)至低風(fēng)沙活動(dòng)(<200VU)控制范圍之內(nèi).近50a來(lái)中國(guó)北方干旱、半干旱地區(qū)風(fēng)沙活動(dòng)有非常顯著的變化(圖2).20世紀(jì)60年代至70年代風(fēng)沙活動(dòng)最為強(qiáng)烈,輸沙勢(shì)是80年代至今的2~5倍,同時(shí),這一時(shí)期也是該地區(qū)沙塵暴發(fā)生頻率最高的時(shí)期;而自80年代至21世紀(jì)初期,該區(qū)域則處于風(fēng)沙活動(dòng)的低谷,輸沙能力僅為60和70年代的20%~50%甚至更低;尤其是90年代以后,風(fēng)沙活動(dòng)減弱的趨勢(shì)更為明顯,其僅在極少數(shù)區(qū)域有所加強(qiáng).此外,輸沙勢(shì)在不同地區(qū)的變化幅度亦不盡相同.在20世紀(jì)60和70年代,塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古特沙漠中西部、青藏高原部分地區(qū)、壩上高原、華北平原部分地區(qū)、呼倫貝爾沙地、嫩江沙地以及科爾沁沙地均在高風(fēng)沙活動(dòng)的控制下,而80年代以后至今則主要由低風(fēng)沙活動(dòng)所控制;而這些區(qū)域正是60和70年代沙漠化十分嚴(yán)重的區(qū)域.在其他地區(qū),如阿拉善高原和河西走廊西部,盡管80年代至今仍有較高的風(fēng)沙活動(dòng),但其對(duì)地表物質(zhì)的搬運(yùn)能力也顯著下降.2.2固定沙地和流動(dòng)沙丘沙丘活動(dòng)指數(shù)綜合了氣溫、降水、蒸發(fā)以及起沙風(fēng)變化等對(duì)區(qū)域風(fēng)沙活動(dòng)產(chǎn)生的潛在影響.近50a以來(lái),中國(guó)干旱、半干旱地區(qū)地表完全處于活動(dòng)狀態(tài)的區(qū)域僅分布在塔里木盆地中東部的大部分沙漠和戈壁地區(qū),河西走廊西部、青藏高原部分地區(qū)以及阿拉善高原(圖3).這一區(qū)域由內(nèi)向外,地表沙物質(zhì)從完全活動(dòng)狀態(tài)演變至半活動(dòng)狀態(tài),再至完全不活動(dòng)狀態(tài),地貌上則表現(xiàn)為從流動(dòng)沙漠至半流動(dòng)沙地、半固定沙地和固定沙地的依次演變.這一結(jié)果亦與野外實(shí)際觀測(cè)和沙漠化監(jiān)測(cè)結(jié)果[20~23]基本一致:20世紀(jì)80年代末期以后,中國(guó)北方中、東部干旱、半干旱地區(qū)的沙漠和沙地均有良好的植被覆蓋,地表基本上處于固定和半固定狀態(tài);而流動(dòng)沙丘則主要分布在塔里木盆地東部以及阿拉善高原區(qū);90年代以后,在典型農(nóng)牧交錯(cuò)帶如壩上高原,地表也主要處于半活動(dòng)至完全不活動(dòng)狀態(tài).沙丘活動(dòng)指數(shù)在過(guò)去近50a中也發(fā)生了顯著的變化,地表物質(zhì)處于完全活動(dòng)和半活動(dòng)狀態(tài)下的區(qū)域隨時(shí)間的推移有明顯的改變.20世紀(jì)60年代和70年代是過(guò)去近50a中的強(qiáng)烈風(fēng)沙活躍期,地表物質(zhì)處于完全活動(dòng)和半活動(dòng)狀態(tài)的面積在這一時(shí)期達(dá)到最大;而自80年代以來(lái),處于強(qiáng)烈風(fēng)沙活動(dòng)狀態(tài)下的區(qū)域面積不斷縮小.例如,壩上高原自80年代至今,有強(qiáng)烈風(fēng)沙活動(dòng)的區(qū)域在不斷地向北退縮,已接近中蒙邊界,除少數(shù)區(qū)域可能還有一些流沙分布,這一區(qū)域基本上已經(jīng)演變?yōu)楣潭?、半固定沙丘群和固定、半固定沙?這與近20a來(lái)該區(qū)域沙質(zhì)荒漠化不斷發(fā)生逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)非常一致.在鄂爾多斯地區(qū),80年代以前這一區(qū)域大部分地表處于完全活動(dòng)至半活動(dòng)狀態(tài)而90年代以后,則演變?yōu)榘牖顒?dòng)至完全不活動(dòng)狀態(tài)就整個(gè)中國(guó)北方干旱、半干旱區(qū)而言,根據(jù)目前風(fēng)沙活動(dòng)的演變趨勢(shì),強(qiáng)烈沙漠化過(guò)程很難再擴(kuò)展至賀蘭山東部,渾善達(dá)克沙地以東、以南的廣大區(qū)域.3干旱區(qū)、半干旱地區(qū)中國(guó)北方大部分干旱、半干旱區(qū)覆蓋了深厚的河湖相沙質(zhì)沉積物和以其為母質(zhì)的黑轤土、栗鈣土、棕鈣土,以及母質(zhì)為基巖風(fēng)化殼、殘坡積或沖洪積物的含礫沙土,地表物質(zhì)極易被風(fēng)蝕,搬運(yùn)和堆積.蒙古國(guó)的南戈壁省及與之相鄰的阿拉善高原、壩上高原、渾善達(dá)克、庫(kù)布齊和毛烏素等戈壁和沙漠在強(qiáng)烈的風(fēng)沙活動(dòng)下,成為了黃土高原物源的主要貢獻(xiàn)者.在典型的沙漠、沙地地區(qū),要減小和防止風(fēng)蝕,植被覆蓋率要達(dá)到40%~50%的水平;而要保證在最高風(fēng)速下風(fēng)蝕得到有效控制,則必須達(dá)到60%~70%.而大部分干旱、半干旱乃至半濕潤(rùn)地區(qū),植被覆蓋率遠(yuǎn)低于50%.風(fēng)沙活動(dòng)的大幅度減弱意味著風(fēng)力對(duì)地表侵蝕的急劇衰減,地表水肥保持能力的提高,以及有利于植被生長(zhǎng)和土壤的形成.雖然絕大多數(shù)學(xué)者將中國(guó)北方地區(qū)沙漠化不斷發(fā)展的原因歸結(jié)為人類(lèi)活動(dòng)的結(jié)果,但是,在中國(guó)北方典型的農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū),80年代初期以前,沙漠化土地的形成是沙質(zhì)草原被開(kāi)墾帶來(lái)的強(qiáng)烈風(fēng)蝕所致,因此,風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度的高低對(duì)中國(guó)干旱區(qū)、半干旱地區(qū)的沙質(zhì)荒漠化過(guò)程有不可估量的影響.根據(jù)目前的研究結(jié)論,過(guò)去近50a中,雖然中國(guó)北方沙漠化仍在發(fā)展,但自20世紀(jì)80年代以來(lái),賀蘭山以東大部分地區(qū),如毛烏素沙地、科爾沁沙地、壩上高原等,均在發(fā)生規(guī)模不一的沙漠化逆轉(zhuǎn)過(guò)程(圖1),中國(guó)西北地區(qū)的植被活動(dòng)近20a以來(lái)也一直在增加.圖1也列出了賀蘭山以東兩個(gè)80年代以后沙漠化仍在發(fā)展的地區(qū),但這兩個(gè)地區(qū)起沙風(fēng)活動(dòng)在90年代中期同時(shí)亦有所加強(qiáng).此外,從近50a以來(lái)不同時(shí)期的人口密度,農(nóng)作物播種面積以及大牲畜頭數(shù)的變化量看(圖4),中國(guó)北方地區(qū)的人類(lèi)活動(dòng)以及其對(duì)環(huán)境的影響在成倍增加.因此,假如中國(guó)北方地區(qū)的沙漠化過(guò)程主要是由人為因素控制,則很難解釋自80年代后期至今中國(guó)北方大部分地區(qū)沙漠化發(fā)生逆轉(zhuǎn)這一事件.再者,在沙漠化逆轉(zhuǎn)過(guò)程非常典型的地區(qū),表現(xiàn)為區(qū)域整體逆轉(zhuǎn),而沒(méi)有集中在某一特定的區(qū)域.這就說(shuō)明,在中國(guó)北方地區(qū),沙漠化過(guò)程主要是受氣候變化的制約,而不是人類(lèi)活動(dòng)所導(dǎo)致的結(jié)果.因?yàn)榧词故窃诂F(xiàn)代技術(shù)條件下,人類(lèi)對(duì)環(huán)境的改造也僅是局限于部分區(qū)域并呈散點(diǎn)狀分布,不可能使區(qū)域出現(xiàn)整體逆轉(zhuǎn).其次,除風(fēng)沙活動(dòng)過(guò)程外,春季降水及其變率也可能是控制沙漠化過(guò)程的主要因素.由于春季是中國(guó)北方風(fēng)沙最為活躍的季節(jié),這一季節(jié)的降水不僅影響植被的生長(zhǎng),也對(duì)風(fēng)沙活動(dòng)產(chǎn)生明顯的影響.我們的統(tǒng)計(jì)結(jié)果與多數(shù)學(xué)者的結(jié)論一致盡管中國(guó)干旱、半干旱地區(qū)年降水量自20世紀(jì)80年代以來(lái)有減小的趨勢(shì),但春季降水量則比80年代以前有所增加(圖5).而在風(fēng)沙最為活躍的70年代,大多數(shù)地區(qū)春季降水偏少,為負(fù)距平,部分地區(qū)甚至達(dá)到-0.6以上;而90年代以來(lái),春季降水明顯增加.這說(shuō)明,春季干旱,加之強(qiáng)烈的風(fēng)沙活動(dòng),促使了70年代干旱、半干旱地區(qū)發(fā)生了強(qiáng)烈沙漠化過(guò)程.最后,近50a來(lái)風(fēng)沙活動(dòng)的演變過(guò)程也表明,沙質(zhì)荒漠化過(guò)程也并不完全由區(qū)域風(fēng)沙活動(dòng)所制約例如,民勤綠洲自歷史時(shí)期以來(lái)的沙漠化過(guò)程就主要與水資源的缺乏緊密相關(guān).因?yàn)樵谶@些荒漠地區(qū),綠洲本身就是依托河流或湖泊而成,風(fēng)沙活動(dòng)雖然對(duì)土壤、植被的發(fā)育有重大的影響,但其與水資源豐度有更為密切聯(lián)系.而在賀蘭山以東的沙地、草原和旱作農(nóng)業(yè)區(qū),由于現(xiàn)代地表徑流缺乏,風(fēng)沙活動(dòng)對(duì)地表的影響則占主導(dǎo)地位.但這些地區(qū)沙質(zhì)荒漠化過(guò)程發(fā)生逆轉(zhuǎn)的比率并不很大,而與之對(duì)比的是20世紀(jì)80年代至今的輸沙能力僅為60和70年代的20%~50%,假如沒(méi)有其他因素的控制,沙漠化逆轉(zhuǎn)比率則會(huì)更大.因此,自20世紀(jì)80年代至今,一方面人類(lèi)不合理的活動(dòng)使中國(guó)北方干旱、半干旱地區(qū)沙質(zhì)荒漠化不斷發(fā)展,而在另一方面,風(fēng)沙活動(dòng)持續(xù)下降則誘發(fā)了沙質(zhì)荒漠化逆過(guò)程的產(chǎn)生.宏觀上就表現(xiàn)出盡管人類(lèi)活動(dòng)促使沙質(zhì)荒漠化過(guò)程不斷發(fā)展而在大氣候背景控制之下,中國(guó)北方干旱、半干旱地區(qū)沙質(zhì)荒漠化過(guò)程仍在發(fā)生逆轉(zhuǎn).正如歷史上民族的大遷移是氣候干旱導(dǎo)致的莊稼欠收和大面積饑荒所致,現(xiàn)代沙漠化的正逆過(guò)程也主要由氣候變化所制約,只不過(guò)其或多或少受到人類(lèi)活動(dòng)的影響.4干旱、半干旱地區(qū)沙漠化的活躍期和沙漠化強(qiáng)烈發(fā)展時(shí)期過(guò)去50a以來(lái),中國(guó)北方干旱、半干旱區(qū)沙漠化過(guò)程對(duì)風(fēng)沙活動(dòng)的變化有明顯的響應(yīng).假如將中國(guó)北方干旱、半干旱地區(qū)的現(xiàn)代沙漠化過(guò)程歸結(jié)為人類(lèi)活動(dòng)的結(jié)果,則不能合理解釋以下事實(shí):(1)20世紀(jì)60和70年代中國(guó)北方干旱、半干旱地區(qū)處于強(qiáng)烈風(fēng)沙活躍期,80