和田河流域綠洲荒漠過渡帶土地荒漠的生態成因

土地沙漠是世界上的一個重要生態環境問題。在脆弱的生態環境中，由于人類的過度活動，經濟發展、資源利用和環境不協調，導致沙漠景觀等環境退化。一類是在砂質地表疊加干旱多風和強度土地利用造成的沙質荒漠化,另一類是在流水疊加土狀堆積物和人為強度利用形成的土地荒漠化。土地荒漠化是脆弱生態帶環境退化表現的主要形式,而荒漠化的發展又加深了脆弱生態帶內生態平衡的嚴重失調,環境更趨于嚴重惡化,構成了對人類經濟發展與生存環境改善的重大威脅。1業地區的森林生產及沙漠化現狀研究區位于南疆南部和田綠洲與荒漠過渡帶。和田地區近幾百片綠洲散布在東西長約600km的狹長地帶,環繞綠洲的沙漠以及戈壁邊界長達2000km。和田地區是典型的沙漠農業地區,綠洲面積89.32萬hm2,其中人工綠洲面積40.68萬hm2,耕地11.68萬hm2,沙漠化面積1166.9×104hm2。由于綠洲少,周圍的荒漠植被遭到持續破壞,人工綠洲與流動沙漠之間的天然灌草帶減少,流動沙丘與農田直接瀕臨,給綠洲邊緣農牧業生產與人民生活帶來直接危害。1950年以來綠洲附近沙化面積達到2.8×104hm2。綠洲附近土壤沙化面積1.67萬hm2,其中耕地沙化5960hm2,據測算,近30年來,該地區共有30萬畝農田被流沙吞沒,沙化土地和草場面積達3萬hm2。2在天河流域的綠洲沙漠過渡區，生態機制對土地沙漠的驅動機制進行了研究2.1地形地貌及沉積特征和田河中下游的第四紀地層主要以河流相和風成相亞粘土、粉沙、細沙、中粗沙和礫石沉積為主,從整體上看,第四紀沉積物在空間上表現為沿和田河自南向北,沉積物顆粒逐漸變細。和田河在出山口以下,形成辨狀水系,而且分汊多,變化大,地形具有洪沖積扇和沖積平原的特征。地層的垂直方向變化為沖積、洪積砂礫石與風成沙疊覆更替。在沙漠邊緣綠洲荒漠過渡帶的丘間地,地層沉積特征與河谷平原地相似,只是沉積物以細沙為主,時代為中更新世。此外綠洲荒漠過渡帶風成沉積與流水沉積的比例發生了變化,風成沉積趨于增多。豐富的第四紀沉積物為綠洲邊緣帶土地荒漠化提供了豐富的沙源。2.2地形地貌特征在相同的動力條件下,地貌物質組成的粗細與侵蝕導致的荒漠化速率呈反相關關系。地貌類型,特別是地勢起伏程度對荒漠化影響十分顯著。和田河穿梭于戈壁,綠洲和荒漠。從現代和田河地貌特征來看,總的地形特征呈階梯狀向北傾斜。綠洲帶河網相對密集,地勢起伏不大,天然植被特別是人工植被生長好,由極細沙和粉沙組成。綠洲帶之下的沙丘帶,主要有半固定和半流動的灌叢沙堆組成,地勢起伏比較大,組成物質是細沙,極細沙和粉沙。2.3月平均氣溫各個氣候因子是土地荒漠化發展的直接因素。土地荒漠化的氣候環境主要包括氣候類型,氣候特征以及氣候空間分布規律。該區年平均氣溫11.3℃-12.3℃,1月平均氣溫-6.1℃--5.4℃,七月平均氣溫25℃以下,≥10℃的年積溫4200℃-4360℃,年降雨量34-47mm。其后干旱少雨。年大風日數1-9d,但沙塵暴日數一般超過30d,浮塵日數更達200d以上。從氣象表中我們不難看出和田綠洲地區降水量與蒸發量相差幾千倍,加之氣溫比較高,干旱多風,使綠洲荒漠邊緣的生態脆弱帶一旦受到人為破壞,就極易發生土地荒漠化并且難以恢復。2.4組成結構分析植被是制約土地荒漠化發生發展及其逆轉的最重要因子。土地荒漠化植被環境主要包括植被蓋度,地面植物群落組成及其植被組成結構。一般認為,植被蓋度與荒漠化程度呈反相關關系。和田綠洲荒漠過渡帶主要分布著胡楊,檉柳,駱駝刺等天然植物群落,是該區域主要的固沙植物,植被蓋度大約在30%-50%,綠洲沙漠過渡帶主要的固沙植物同時也是當地群眾重要的放牧、薪碳以及建筑用材的來源,綠洲荒漠過渡帶受自然以及人文因素影響程度大,植被遭到破壞嚴重。2.5沙漠化對氣候的影響加速、緩解甚至逆轉土地荒漠化,與區域人文環境的影響極為密切。人類活動的直接作用是破壞了植被和土層結構,擴大了沙源,改變了床面形態;間接作用是影響或改變了地面流場的運行路徑和強度,從而使土地沙漠化這一氣候過程演變為氣候—人為干涉地貌過程。和田地區96.92%的人口是少數民族,經濟落后。土地水源利用不恰當,是該區土地沙漠化重要的因素之一。3風蝕率與風速的關系風是該區土地荒漠化最主要的動力條件,風動力荒漠化的實質就是土壤的風力侵蝕以及堆積的過程。它包括了在一定地區,可蝕性風力在特定環境中,對土粒物質進行遷移的一系列動力學過程,從沙粒脫離地表,進入氣流到形成風沙流,從而實現侵蝕、搬運、堆積的全過程,由于這些過程與其發生的環境系統關系密切。根據和田河流域綠洲荒漠過渡帶土地荒漠化的現狀,該區以風動力荒漠化為主。風動力條件下產生的荒漠化在相反的環境過程中,不僅其荒漠化水平可以降低,甚至荒漠化水平可以消失。鑒于當前該區土地荒漠化正過程發展為主導,我們著重對這一過程進行討論。張春來風蝕荒漠化動力機制風洞試驗顯示:不論何種地表狀況(包括土壤類型、植被蓋度、牲畜踐踏率、樵材造成的地表破損率等),風速與風蝕率之間都可以用同一種關系式來表達,即:Q=a+bU2InU,表明風力作用下產生風沙活動的機理是相同的,但是不同程度荒漠化的土地,相同風力條件下風蝕率差異明顯。和田綠洲地區風況從時間變化來看,各站平均風速春夏季最大,冬季最小,秋季介于中間,如果將各月平均風速與平均溫度對比,平均風速最大值出現在4-5月份,但是平均溫度最大值則出現在7月份,不象沙漠內部風熱同步,在沙漠綠洲邊緣出現了溫度變化滯后于風速變化的現象。對沙漠綠洲過渡帶來說,春季風沙嚴重,過渡帶極易遭到風蝕;夏季降雨量雖然增加,但溫度最高,蒸發量也是全年最高的。和田河流域風況從近50年來作用強度來看,大風作用時間比較短,主要是因為該地區是西北風與東北風的輻合帶,這一方面減弱了風沙作用的強度,同時也為氣流以及塵埃的上升運動提供了良好的環境。該地區一年中的沙塵暴日數都在30天左右。持續的沙塵天氣增加了風沙作用的強度。從綠洲內部起沙風的等級來看,大約一半集中在6.0-7.0m/s之間,從綠洲內部平均風速統計來看,綠洲內部風速一般達不到起沙風速,以和田地區為例,雖然起沙風速在6m/s左右,而年平均風速達不到起沙風要求,但在綠洲沙漠邊緣帶的統計資料顯示,該地區的平均風速一般都接近或者高于起沙風速。并且綠洲沙漠過渡帶屬于輕度荒漠化土地,在中等風力條件下就會發生風蝕,如果地表植被繼續破壞,植被缺口變大,輕度荒漠化土地將近一步發展為重度荒漠化。4化過程及土壤的侵蝕、堆積過程和田河流域綠洲沙漠過渡帶土地荒漠化過程是在多種驅動力共同作用下發生的。荒漠化過程實際上就是土壤的侵蝕以及堆積的過程。由于這些過程與其發生環境系統有很大關系,因此,它是在特定地理環境條件下的一系列環境風蝕—風積過程。根據和田荒漠綠洲過渡帶風力作用的實際情況,這里我們對該區土地荒漠化過程作具體闡述。4.1地表徑流和地表細沙研究區以天然植被覆蓋為主要特征,未受人為破壞的綠洲植被覆蓋度應該在50%以上,沙面大部分為植物所固定。當植被遇到人為破壞以后,首先改變了原有的地表性質,最突出的特點就是植被覆蓋度減小,植被之間出現缺口。一般來說,裸露地表比林草覆蓋的平均地表侵蝕量要高出幾倍甚至幾十倍,國內外許多研究對這一問題有過專門論述,我們的風洞試驗也證明了這一點:從平沙地的輸沙量與灌叢后局部輸沙量的對比來看,在相同的氣流條件下,有植被的地表的輸沙量減小50%以上。可見灌叢在攔截風沙流、促使其沉積方面意義重大。本區的地面物質組成以石膏鹽盤棕漠土為主,由此形成的土壤本來就富厚沙性,極易引起風蝕,植被破壞以后,下墊面的熱力性質也發生了改變,加強了近地表的熱力-動力擾動,這對表層土壤中細塵隨湍流運移起到了決定性作用,使裸露地表逐漸粗化,這一過程在強度較小時人們不易察覺。一般認為,它是區域風沙活動和土地風沙化過程的開端。根據在本區采樣獲得的資料,該區的平均粒徑在不同的地貌部位相差很大,在植被生長較好的區域,平均粒徑較大,顆粒比較細;在植被破壞嚴重區域,顆粒相對較粗;總體而言,該區的粒度組成還是以細沙為主。據野外觀察實測資料,本區的顆粒可以分為三部分:一是粉塵,這是該區風動力作用下地表損失的主要成分,它隨氣流升空,由于它的下沉速率一般小于氣流向上的分速,所以可以以懸移方式運移,被帶出較遠的距離;二是可蝕性細沙,它雖然在風動力條件下也能脫離原來地面,但只能產生滾動和躍移向下風方向移動,遇植被攔截發生沉積,伴隨這一過程的進行,在有草叢、灌叢尚存的下風方向形成灌叢沙堆的雛形,地表形態變化明顯,這是風動力荒漠化過程進行的一個重要標志。第三種是不可蝕的粗粒物質,細粒物質被吹走以后,剩下粗粒物質在原地沉積,這也是上述采樣點平均粒徑相差懸殊的主要原因。此時,綠洲荒漠過渡帶內胡楊檉柳灌叢的景觀變成斑點狀灌叢沙堆與灌叢及枯死植被相間的景觀。4.2灌草護坡對土地荒由于綠洲荒漠過渡帶內植被覆蓋度相對較高,使覆沙主要以草灌叢沙堆的形式得以體現。這時,地表的相對起伏程度增加,近地表的風場也發生相應的變化,這就更增加了風動力對地表的切割破壞,風積作用更加加強。已經形成的灌叢沙堆成為風場運行的障礙,風沙流運行路徑更為復雜;同時,灌叢沙堆的植被是否被破壞對流場結構改變巨大。原始灌叢被破壞形成灌叢沙堆以后,如果保持相對穩定的狀態,對防止綠洲荒漠過渡帶土地荒漠化進程還是有積極意義的。從灌叢沙堆的風洞流場圖不難看出:灌叢沙堆對流場的擾動作用巨大,半球形灌叢沙堆的流場結構可以簡單劃分為沙堆迎風坡前渦流加速區和沙堆背風坡強渦流區。丘頂植物的存在消除了無植物條件下半球形沙堆頂部的強風侵蝕區域,并加強了背風坡渦流強度和渦流影響范圍。圓錐形灌叢沙堆的流場結構也可以劃分為沙堆迎風坡氣流爬坡變速區和沙堆背風坡強渦流區兩個區域,丘頂植物的存在同樣加強了背風坡渦流強度和渦流影響范圍。通過模擬實驗和野外考察可知,無論沙堆幾何形態如何,沙堆頂部植物改變流場結構的力學作用原理基本相同,都是通過增加沙堆表面的粗糙度,對氣流阻滯消能,令氣流減速進而改變各個高度氣流速度和渦流影響強度范圍,這必將導致輸沙量隨高度分布規律—風沙流結構特征的相應變化。灌叢沙堆丘頂植被引發的流場結構變化,對于阻截干擾風沙流運行、促使粉塵沉降堆積、維持和促進沙堆增長發育具有重要作用。在上述流場作用下,灌叢沙堆不斷增長,綠洲荒漠過渡帶的自然景觀特征在這一時期以大面積的灌叢沙堆為主。灌叢沙堆的產生和衰亡與土地荒漠化正逆過程關系密切。灌叢沙堆穩定發展時期,綠洲荒漠過渡帶土地荒漠化過程也處于穩定階段。荒漠化過程伴隨著灌叢沙堆發展而正反波動。4.3沙堆流場結構的變化如果不遭受人為破壞,該地區的風蝕過程將維持在一個相對平衡的范圍之內,但是由于該區人為活動強度巨大,和田河流域綠洲荒漠過渡帶的胡楊、檉柳、梭梭等固沙植被是該區主要的薪炭以及放牧用料,居民濫砍濫伐現象嚴重,人為因素對于荒漠化正過程作用明顯,此時的侵蝕量應該是自然侵蝕量和人為侵蝕量之和。人們不斷破壞灌叢以及灌叢沙堆使植被缺口加大,灌叢沙堆被破壞,攔截風沙的作用逐漸消失,流場結構也將發生巨大的變化:沙堆幾何形態對氣流繞流結構影響較大,比較半球形沙堆和圓錐形沙堆流場結構,半球形沙堆迎風坡前渦流較強,頂部存在強風侵蝕區,同時背風坡渦流較弱;圓錐形沙堆反之,迎風坡渦流較弱而背風坡渦流較強,頂部強風侵蝕區不明顯。野外觀察在沙堆植被衰敗、遭受風蝕的過程中,半球形沙堆丘頂部往往最先遭受風蝕形成風蝕坑,而圓錐形沙堆丘頂風蝕降低過程不明顯,圓錐形沙堆更易與區域氣流場達到形態動力平衡。灌叢沙堆被吹揚繼而沙堆與流沙相間分布是土地沙漠化過程的重要環節。植被破壞后,叢風洞試驗結果我們不難發現,隨著流場結構的改變,輸沙率隨著時間增加總體上不斷增加,風蝕過程加劇,細粒物質被帶走,粗粒物質相對聚集。地表就很快呈現出以流動沙丘為主的景觀。沙漠綠洲過渡帶土地完全被荒漠所代替。根據沙漠綠洲過渡帶環境演變特點,氣候條件交替變化呈現出的冷暖干濕相交替的特征使土地荒漠化以及植被演替出現相應的對應特征,正因為存在土地荒漠化的正逆過程,才使本地區在空間上既不可能保持具有原始特征的綠洲景觀,也不可能是基本禿裸的荒漠,而總是具一定的生物、水土資源可供開發利用,同時又有不同程度的土地荒漠化存在。5土地荒漠化正過程綜上所述,由自然過程和人為過程決定和田河流域綠洲荒漠過渡帶的土地荒漠化既不是單獨進行,也并非簡單的疊加,而是通過一系列相互激發,促進的反饋作用導致土地荒漠化實際進程的加速、平衡和逆轉,綠洲荒漠過渡帶屬于生