關(guān)于我國荒漠預(yù)警指標(biāo)體系的研究

關(guān)于我國荒漠預(yù)警指標(biāo)體系的研究

“沙漠”是指由氣候變化和人類活動引起的影響，包括氣候變化、半干旱和干旱地區(qū)的土壤侵蝕。”。荒漠化是全球性的環(huán)境問題之一,土地荒漠化所造成的生態(tài)環(huán)境退化和經(jīng)濟(jì)貧困,已成為21世紀(jì)人類面臨的最大威脅,因而防治荒漠化不僅是關(guān)系到人類的生存和發(fā)展,而且是影響全球社會穩(wěn)定的重大問題。我國的荒漠化涉及18個省市自治區(qū),荒漠化土地總面積為267.4萬km2,占國土面積的27.9%,其中風(fēng)蝕荒漠化土地每年還以3436km2的速度擴(kuò)展。粗略估算,全國因土地荒漠化災(zāi)害所造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)480億元,荒漠化形勢十分嚴(yán)峻?；哪鳛橐环N生態(tài)環(huán)境災(zāi)害,其直接表現(xiàn)是沙丘流動埋壓農(nóng)田、房屋、道路及其它工程設(shè)施;土壤退化造成有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分的損失,土壤肥力下降;植被退化使生物生產(chǎn)力和多樣性降低,保護(hù)能力下降。對荒漠化的適時預(yù)警和合理決策是走出荒漠化防治誤區(qū),有效抵御和減免災(zāi)害的惟一有效途徑。但是長期以來人們一直沒有形成一個統(tǒng)一的荒漠化預(yù)警指標(biāo)體系,使預(yù)警工作難以進(jìn)行。本文以地表穩(wěn)定性為依據(jù),結(jié)合當(dāng)?shù)刂脖簧w度,通過對實地調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,初步提出渾善達(dá)克沙地荒漠化災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)體系。1可持續(xù)生態(tài)預(yù)警思想的應(yīng)用雖然思想古已有之,但預(yù)警一詞最早出現(xiàn)于軍事領(lǐng)域,19世紀(jì)末期被應(yīng)用于宏觀經(jīng)濟(jì)監(jiān)測與調(diào)控,隨著衛(wèi)星技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,20世紀(jì)80年代開始被用于災(zāi)害監(jiān)測。隨著系統(tǒng)動力學(xué)、3S技術(shù)和計算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,預(yù)警思想在理論、預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)方面得到發(fā)展,并展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景?，F(xiàn)應(yīng)用于全球環(huán)境監(jiān)測、區(qū)域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)資源監(jiān)測、森林資源監(jiān)測、社會可持續(xù)發(fā)展?；哪A(yù)警指標(biāo)包括警情指標(biāo)、警源指標(biāo)和警兆指標(biāo)。警情指標(biāo)是預(yù)警研究的對象,是指已存在或潛伏著的荒漠化問題;警情產(chǎn)生于警源,又必然產(chǎn)生警兆。因此,預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)以警情指標(biāo)為對象,以警源指標(biāo)為依據(jù),以警兆指標(biāo)為主體。1.1地表系統(tǒng)優(yōu)化根據(jù)荒漠化的定義,荒漠化警素主要是氣候變異和人為活動形成的土地退化,其實質(zhì)就是地表穩(wěn)定性的變化,表現(xiàn)為土壤物質(zhì)流失,土壤物理、化學(xué)和生物特性或經(jīng)濟(jì)特性的退化,生物多樣性的減少,景觀結(jié)構(gòu)失穩(wěn),功能衰退等,甚至形成災(zāi)害。本文是依據(jù)地表穩(wěn)定性對渾善達(dá)克沙地荒漠化預(yù)警體系進(jìn)行研究。1.2風(fēng)蝕荒化的因素警源是警情產(chǎn)生的根源。渾善達(dá)克沙地土地荒漠化類型主要是風(fēng)蝕荒漠化,所以產(chǎn)生荒漠化的主要因素是以風(fēng)為主的自然要素和人類活動形成的社會要素,后者是主要因素。1.3兆度指標(biāo)警兆指標(biāo)是指荒漠化發(fā)生、發(fā)展前出現(xiàn)的各種先兆。2丹沙阿爾伯茨省的自然概論、成因和過程2.1渾善達(dá)克沙地沙漠化渾善達(dá)克沙地是內(nèi)蒙古自治區(qū)四大沙地之一,位于北緯42°56′～44°24′、東經(jīng)112°22′～117°57′之間,地處錫林郭勒高原中部農(nóng)牧交錯地帶,行政區(qū)劃上分屬內(nèi)蒙古自治區(qū)的錫林郭勒盟和赤峰市克什克騰旗。在歷史上渾善達(dá)克草地曾是水草豐美、沙地穩(wěn)定蹬抗災(zāi)走場放牧的好基地,直至20世紀(jì)40年代,本區(qū)地貌類型仍然基本屬于固定、半固定沙(丘)地,流沙不到3%。沙丘上除了少數(shù)榆樹疏林外,幾乎到處都有黃柳生長;沙丘背風(fēng)坡分布著稠密的各種灌木,廣闊的甸子地普遍是草高沒膝的植被,只有少數(shù)小片的裸露地表,是游牧民的一片樂土。然而進(jìn)入20世紀(jì)60年代以后,渾善達(dá)克沙地發(fā)生了嚴(yán)重的沙漠化,60年代初沙漠化土地面積為19.2萬hm2,70年代中期,沙漠化土地面積達(dá)26.59萬hm2,新增7.39萬hm2,年增長率為2.57%;據(jù)1995年全國沙漠化普查結(jié)果顯示,渾善達(dá)克沙地是全國少數(shù)幾個沙漠化土地擴(kuò)展速率超過4%的地區(qū)之一。土地沙漠化使植被受到破壞,植被疏化矮化、覆蓋度降低、生物多樣性減小、土地生物生產(chǎn)潛力下降;并造成地面裸露,固定沙丘活化,許多沙丘迎風(fēng)坡被吹蝕成巨大的風(fēng)蝕窩,大面積草地變成了裸地、半裸地,甚至流動沙丘;揚(yáng)沙、浮塵和沙塵暴天氣的發(fā)生頻率也急劇增大。2.2人為因素是沙漠化發(fā)生發(fā)展的最重要的社會因素本區(qū)雨量少而變率大。東部地區(qū)降雨400mm左右,為典型的干草原氣候。中部正藍(lán)旗平均370mm,正常年份能滿足草類生長需要,一遇干旱則其生長受到嚴(yán)重影響,給牧業(yè)生產(chǎn)造成災(zāi)害。西部條件相對嚴(yán)酷,降水100～200mm,已不適合牧業(yè)生產(chǎn)。近年持續(xù)的干旱,更加加重了本區(qū)的沙漠化過程。風(fēng)大、風(fēng)多,導(dǎo)致蒸發(fā)強(qiáng)烈,加劇干旱化,為沙漠化發(fā)展提供了動力條件。本區(qū)為我國風(fēng)速最大的沙區(qū)之一,年平均風(fēng)速為3～5m/s,最大風(fēng)達(dá)12級。在11～4月降水少的干旱期,恰恰卻又是風(fēng)期,風(fēng)旱同期,抵消了本來因海拔高、溫度低,而蒸發(fā)偏小的優(yōu)勢,造成2～5月份蒸發(fā)急劇增大,加劇了春旱,限制了植物返青。本區(qū)地質(zhì)年代的湖相沉積物在漫長的干旱氣候和風(fēng)力作用下,形成了豐富的沙物質(zhì),成為全國四大沙地之一,從而為沙漠化的發(fā)展提供了極其充足的物質(zhì)基礎(chǔ)。人為因素是沙漠化發(fā)生發(fā)展驅(qū)動力中最活躍的、也是最復(fù)雜的因素。各種調(diào)查和研究結(jié)果顯示,造成渾善達(dá)克沙地沙漠化嚴(yán)重發(fā)生的最主要驅(qū)動力就是人為因素的影響。人為因素的作用首先表現(xiàn)在人口的急劇增加上。正藍(lán)旗建國初人口為2.13萬人,1997年增加到7.92萬,增大了2.7倍,其人口自然增長率為28.1‰,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過11.2‰的全國平均水平。隨著人口的增加,需要的糧食、燃料以及牲畜養(yǎng)殖量等也會相應(yīng)增大,并由此引發(fā)出一系列促進(jìn)沙漠化發(fā)生發(fā)展的連鎖反應(yīng)。除此之外,一些其它社會因素的影響也不可忽視,如公眾環(huán)境保護(hù)意識薄弱、落后的管理和生產(chǎn)方式、信息閉塞、政策失誤等。其實20世紀(jì)60年代初期至70年代中期這段時間內(nèi),渾善達(dá)克沙地沙漠化嚴(yán)重擴(kuò)張的原因之一就是與這一時期“以糧為綱”的大行毀草開荒密切相關(guān)的。2.3境條件下自然權(quán)利性質(zhì)的變化綜合上述分析可以看出,渾善達(dá)克沙地的沙漠化主要是在當(dāng)?shù)卮嗳醐h(huán)境背景條件下,人為不合理經(jīng)濟(jì)活動和過度利用資源而導(dǎo)致的土地退化過程。其具體表現(xiàn)可分為①固定沙丘(地)的活化;②流沙前移埋壓草場和農(nóng)田;③農(nóng)田的風(fēng)蝕沙化、礫質(zhì)化;④草場植被嚴(yán)重退化。2.3.1風(fēng)蝕坑、流動沙丘的自然后果這是渾善達(dá)克沙地沙漠化過程較為主要的一種形式。起伏低緩的固定、半固定沙丘或沙平地,由于過度放牧和樵采,植被受到嚴(yán)重破壞,地面裸露,起沙風(fēng)速降低,產(chǎn)生風(fēng)蝕沙化,尤以冬春季節(jié)更為突出。其最終結(jié)果是形成巨大的風(fēng)蝕坑、高峻的風(fēng)蝕陡坎和光裸的流動沙丘。風(fēng)蝕坑的深度受地下水位和古土壤層的影響較大,據(jù)在正藍(lán)旗桑根達(dá)來鎮(zhèn)的野外調(diào)查,一塊350m×200m的沙質(zhì)草場內(nèi),有大小不等的風(fēng)蝕坑11個,占地面積約7%,風(fēng)蝕坑最大深度可達(dá)6m,侵蝕基底為古土壤層;風(fēng)蝕陡坎一般產(chǎn)生在沙丘迎風(fēng)面,邊坡上大量的樹根、草根被剝蝕外露,并與地上殘體交織在一起,其上殘存的幾株榆樹及其他林木也是東倒西歪,那滿目瘡痍的情景,令人目不忍睹;流動沙丘多形成于風(fēng)蝕坑下風(fēng)側(cè)的頂部、原沙丘的背風(fēng)面等地,其形狀、高度差異較大,以新月形沙丘、壟狀沙丘、饅頭狀沙堆居多,一般高8～15m。2.3.2沙漠化的沙化沙化渾善達(dá)克沙地以坨甸相間分布為主要地貌特征,沙坨一般成條帶狀分布,帶間寬闊、平坦的甸子地是牧民的主要放牧場所,部分被開墾為農(nóng)田。沙坨邊緣的流動沙丘遇風(fēng)前移,埋壓草場和農(nóng)田,造成侵入式沙漠化,并以冬春季節(jié)最為嚴(yán)重。沙丘的移動速度與沙丘形態(tài)有密切關(guān)系,當(dāng)流動沙丘較為低平和緩時,風(fēng)沙流的飽和路徑長度增大,堆積區(qū)域延長,沙丘移動速度相對較快;當(dāng)沙丘高大陡峭時,背風(fēng)坡由于氣流急劇減速作用和強(qiáng)大的渦流效應(yīng),風(fēng)沙流中的沙物質(zhì)在很短距離快速沉積,因而宏觀上移動速度較慢。據(jù)野外實地觀測,渾善達(dá)克沙地流動沙丘的年平均前移速度為5～8m,最快達(dá)到20m之多。2000年春一場大風(fēng)過后,標(biāo)注過的沙丘平均前移1.8m。2.3.3耕作的必要性農(nóng)田風(fēng)蝕是渾善達(dá)克沙地危害最為嚴(yán)重的一種沙漠化類型。因為農(nóng)田一般分布在土壤條件、水分條件較為優(yōu)越的區(qū)域,這種條件是在漫長的地質(zhì)歷史中形成的,一經(jīng)破壞,恢復(fù)極為困難,甚至根本無法恢復(fù)。風(fēng)蝕是風(fēng)力作用下土壤結(jié)構(gòu)的破壞和地表物質(zhì)的損失過程,不合理的耕作恰恰促進(jìn)了這種過程的進(jìn)行。耕作不僅造成耕層的松動,而且使土層中原來保護(hù)在下面的物質(zhì)暴露于風(fēng)力的直接作用下,這樣年復(fù)一年的經(jīng)過風(fēng)蝕—翻耕—風(fēng)蝕過程的周期發(fā)展,土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)遭到破壞,細(xì)小粉塵顆粒(<0.05mm被吹走),整個耕作層變得粗化(沙化或礫質(zhì)化),其物理性狀惡化,保肥、保水能力減弱,土地生產(chǎn)力下降,乃至被棄耕。2.3.4點周邊和夏營交通沿線更植被退化是草場過牧的結(jié)果,是渾善達(dá)克沙地一種最為普遍的現(xiàn)象,特別是居民點、牲畜飲水點附近和夏營盤、交通沿線更為嚴(yán)重。草場植被退化的主要表現(xiàn)是植物種組成減少,植被蓋度、高度、生物產(chǎn)量大幅度下降,優(yōu)質(zhì)的多年生、一年生牧草被劣質(zhì)和有害牧草取代,禾本科牧草被硬質(zhì)灌木、半灌木取代。嚴(yán)重時可能造成土地的風(fēng)蝕沙化,形成風(fēng)蝕洼地、片狀流沙、灌叢沙堆等。3強(qiáng)體發(fā)展中的預(yù)警朱震達(dá)(1984)提出荒漠化分為潛在的、正在發(fā)展中的、強(qiáng)烈發(fā)展中的和嚴(yán)重的4個層次。從預(yù)警角度來看,對應(yīng)于安全、輕警、中警、重警4級警度。本文通過對當(dāng)?shù)氐恼{(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,選取下列指標(biāo)來構(gòu)建荒漠化災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)體系,見圖1:3.1植被指標(biāo)3.1.1理論分析監(jiān)測結(jié)果對于土壤風(fēng)蝕來說,風(fēng)是主要動力,土壤是被侵蝕的對象,植被是其保護(hù)層,植被保護(hù)的好,地表植物的流動性受到抑制,就會為成土過程創(chuàng)造必要的環(huán)境條件。反之,就要遭受風(fēng)的侵蝕,向荒漠化的方向發(fā)展。因此,植被是荒漠化災(zāi)害預(yù)警的關(guān)鍵指標(biāo)。表1為各種不同蓋度、不同風(fēng)速條件下風(fēng)沙流中輸沙率的野外實際測量結(jié)果。從上表可以看出,在渾善達(dá)克沙地,流沙的起動風(fēng)速大約為5m/s,所以>5m/s的起沙風(fēng)速時數(shù)可以作為風(fēng)蝕的監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)之一。在正常起沙風(fēng)速(6～8)下,30%～50%之間的植被蓋度就有明顯的固沙效果,但當(dāng)風(fēng)速超過10m/s時,該區(qū)的輸沙率會急劇增加;植被蓋度>50%的地表,在各種風(fēng)速下,輸沙率都很小,可以認(rèn)為是固定性地表。由此,便可以得出地表穩(wěn)定性與植被蓋度的對應(yīng)關(guān)系,見表2。3.1.2植物指示功能植物不僅因為是自然生態(tài)系統(tǒng)的重要要素和環(huán)境的重要組成部分,是重要的自然資源和改造自然、改善環(huán)境的重要手段,而且還因為通過植物可以比較簡單、快速地認(rèn)識自然生態(tài)系統(tǒng)和自然環(huán)境的許多性質(zhì)的特點。這后一種功能便是植物的指示性。近代科學(xué)的植物指示現(xiàn)象研究的開創(chuàng)者美國植物生態(tài)學(xué)家勒門茨(Glemenes,1920)說過:“每一個植物或群落可以判斷它們生長于其中的生境條件”?；哪峭恋刈匀簧鷳B(tài)環(huán)境的演變過程,隨著荒漠化程度的不同,會出現(xiàn)不同的植物、形成不同的群落類型。通過對該區(qū)野外植物樣方調(diào)查結(jié)果的分析,得到如下的植被指示性特征(表3)3.2氣候指標(biāo)3.2.1暖季累計降水量和降水量我國屬東亞季風(fēng)環(huán)流控制區(qū)域,渾善達(dá)克沙地處于溫帶,降水集中與植物生長期間,通常采用干燥度(K)來表示氣候的干濕。干燥度(K)的表達(dá)式為:K=0.16∑t10r10Κ=0.16∑t10r10式中:t10——暖季日溫≥10℃時的積溫;r10——暖季累計降水量。由于溫度的逐年變化比降水小得多,因此干燥度取決于降水的變化,加之降雨量比干燥度更加便于觀測,本文采用暖季累計降水量(r10)作為渾善達(dá)克沙地氣候干濕的預(yù)警指標(biāo)。在耿宏寬(1986)采用干燥度作為沙區(qū)分類的基礎(chǔ)上,計算出渾善達(dá)克沙地暖季降雨量的域值,見表4。3.2.2沙粒的起沙運(yùn)動風(fēng)是造成沙地表面沙粒發(fā)生移動的動力,但并不是所有的風(fēng)都使沙子發(fā)生移動。只有當(dāng)風(fēng)力逐漸增大到某一臨界值以后,地表沙粒才開始脫離靜止?fàn)顟B(tài)而進(jìn)入運(yùn)動,風(fēng)沙物理學(xué)上將這個使沙粒開始運(yùn)動的臨界風(fēng)速稱為起沙風(fēng)速。根據(jù)對渾善達(dá)克沙地腹地正藍(lán)旗40年來起沙風(fēng)日數(shù)的統(tǒng)計資料,確定該地區(qū)起沙風(fēng)日數(shù)的域值,見表5。3.3土壤理化性質(zhì)我們在渾善達(dá)克沙地選取33個有代表性的不同植被蓋度的樣地,通過剖面記錄和取樣室內(nèi)分析,獲得了包括土層厚度、物理性粘粒含量、有機(jī)質(zhì)、全N、速效P、速效K等一系列土樣的理化性質(zhì)。通過對以上土壤理化性質(zhì)因子分別和樣方植被蓋度做相關(guān)分析,表明:物理性質(zhì)中腐殖質(zhì)層厚度與蓋度有極顯著關(guān)系,其它指標(biāo)都未達(dá)到相關(guān)顯著水平,據(jù)腐殖質(zhì)層厚度可獲得該區(qū)可靠的土地荒漠化程度;土壤化學(xué)性質(zhì)中有機(jī)質(zhì)、全N有顯著相關(guān)性,據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小,選土壤有機(jī)質(zhì)作為評判土地荒漠化程度的土壤化學(xué)指標(biāo),見表6。3.4社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)3.4.1草地理論載前量的確定草場嚴(yán)重超載,掠奪性經(jīng)營,是加重荒漠化的又一個主要原因。特別是春季,正是牧草返青的季節(jié),牧草數(shù)量嚴(yán)重不足,放牧壓力大,而此時也正是牲畜嚴(yán)重缺草、跑青踐踏頻繁的時期,過多牲畜的啃食、踐踏,使得草地利用強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過草地的承載力,植物生長、發(fā)育、更新受到抑制,自我維持機(jī)制失調(diào),草地退化嚴(yán)重。與此同時,春季大風(fēng)頻繁,過牧、覆蓋度小的草地在大風(fēng)的作用下,導(dǎo)致草地的退化和沙化。草地理論載畜量是指在一定時期和一定草地面積上,在適牧條件下,并保證家畜正常發(fā)育和生長的