近200年來額濟納綠洲土地荒漠化進程及其驅(qū)動機制

馬 燕,李志萍,曹希強

（1.中國地質(zhì)大學(xué)水資源與環(huán)境學(xué)院,北京100083;2.華北水利水電學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院,鄭州 450011;3.河南省國土資源科學(xué)研究院,鄭州 450053）

黑河是中國西北干旱區(qū)的一條內(nèi)陸河,它發(fā)源于祁連山,干流長821 km,流域面積13萬km2,其自狼心山進入額濟納旗境內(nèi),分為東、西兩條支流,繼而分叉形成許多支流,呈輻射狀向下游擴散,最終注入終端湖——索果諾爾(東居延海)和嘎順諾爾(西居延海),形成了廣闊的內(nèi)陸河三角洲,并發(fā)育成為著名的額濟納天然綠洲[1]。

據(jù)相關(guān)資料記載[2-4],額濟納地區(qū)曾有過水草豐茂、繁榮興旺的時期,但近代以來額濟納綠洲荒漠化過程加劇,綠洲萎縮,生態(tài)惡化。不斷惡化的生態(tài)環(huán)境直接影響當(dāng)?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)和生活,也吸引眾多學(xué)者探索生態(tài)環(huán)境惡化發(fā)生、發(fā)展的過程及驅(qū)動機制。本文通過黑河下游尾閭湖泊天鵝湖的湖泊沉積記錄,并查閱相關(guān)歷史文獻,對額濟納地區(qū)近200 a來自然環(huán)境演變進行研究,探討其變化過程和驅(qū)動機制,為保護和恢復(fù)額濟納綠洲生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然環(huán)境概況

額濟納綠洲位于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟額濟納旗境內(nèi),地處內(nèi)蒙古高原西端阿拉善極端干旱荒漠地帶,額濟納河下游洪積三角洲,地理位置位于 97°10′-103°7′E,40°30′-42°30′N,是我國蒙古族聚居的地方。額濟納綠洲氣候極端干旱,屬大陸性極端干旱氣候區(qū),具有降水稀少,地表水資源貧乏,地下水補給量少,蒸發(fā)強烈,溫差大,風(fēng)大沙多,日照時間長,干燥度大,易起風(fēng)暴等特點。

額濟納河是進入額濟納地區(qū)唯一的河流,黑河流入內(nèi)蒙古境內(nèi)后至狼心山處又分為額濟納東河和西河兩支,下游分支河道多達10余條,漫流于三角洲平原之上,最后匯入東、西居延海。

1.2 額濟納地區(qū)社會經(jīng)濟概況

額濟納地區(qū)歷史悠久,人杰地靈。歷史上額濟納地區(qū)多為民族雜居區(qū),由于各民族勢力的消長和居住區(qū)的變遷,農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)相應(yīng)出現(xiàn)變更。整個歷史時期可以劃分為以下幾個階段[3]:漢代開發(fā)河西之前,一直是少數(shù)民族游牧地;兩漢三國時期以農(nóng)業(yè)為主;兩晉南北朝隋唐時期畜牧業(yè)占優(yōu)勢;夏元時期農(nóng)牧業(yè)并重發(fā)展;明清民國時期完全以畜牧業(yè)為主;建國以來為農(nóng)牧業(yè)綜合發(fā)展時期?？v觀額濟納地區(qū)的農(nóng)牧業(yè)變遷歷史,農(nóng)業(yè)占主導(dǎo)地位,大多因為戍邊的目的。一旦少數(shù)民族占領(lǐng),就又恢復(fù)畜牧業(yè)的主導(dǎo)地位。由于干旱的氣候環(huán)境,決定了畜牧業(yè)的基礎(chǔ)地位,因此在整個農(nóng)牧業(yè)變遷過程中,畜牧業(yè)具有非常好的長期的穩(wěn)定性,農(nóng)業(yè)則呈現(xiàn)階段性特點。

2 樣品采集與研究方法

本項研究采用野外采樣、室內(nèi)實驗和查閱歷史文獻相結(jié)合的研究方法,通過對黑河下游額濟納旗境內(nèi)的天鵝湖-2孔的高分辨率的分析測試,包括磁化率、碳酸鹽含量等,并結(jié)合精確的測年數(shù)據(jù),提取其包含的氣候變化和人類活動信息。

天鵝湖-2孔樣芯于2004年9月5日在內(nèi)蒙古額濟納旗境內(nèi)的天鵝湖采集,巖芯長度為84.5 cm。該樣芯主要以粉砂為主,并含有黑色有機質(zhì)以及水草根系。以0.5 cm為間隔分割巖芯,共取得樣品169個,經(jīng)過風(fēng)干、研磨、過篩、稱重后分別采用MS2磁化率儀和GMY-Ⅲ型碳酸鹽含量測定儀得到每個樣品的磁化率和碳酸鹽含量數(shù)據(jù)(見圖1)。另外利用γ譜儀210Pb比活度測定天鵝湖湖泊沉積物沉積速率為0.491 cm/a,據(jù)此推算天鵝湖-2孔所代表的沉積年代約為200 a。

圖1 天鵝湖-2孔碳酸鹽含量變化及其與磁化率對比

3 額濟納地區(qū)環(huán)境演變過程

3.1 湖泊沉積記錄的環(huán)境變化與人類活動信息

通過天鵝湖-2孔湖泊沉積環(huán)境分析,將近200 a以來湖泊環(huán)境演變分為7個階段。

(1)階段Ⅰ(約1800-1850AD):氣候干冷、湖泊水位較低。該階段天鵝湖-2孔碳酸鹽含量較高,指示湖泊鹽度較高,而水位較低,與而天鵝湖-2孔的磁化率偏低,指示了干冷的氣候條件,且與碳酸鹽含量負向相關(guān)性較為顯著,說明該段時期氣候總體趨向干冷。而古里雅冰芯反映出的現(xiàn)代小冰期當(dāng)中就存在著發(fā)生在19世紀左右的寒冷事件[5],靳鶴齡等[6]已在對東居延海最近1 500 a來的變遷與氣候變化研究中發(fā)現(xiàn)的氣候變干冷事件與小冰期氣候事件在時間上基本對應(yīng),表明此階段環(huán)境變化主要受氣候主導(dǎo),而當(dāng)時氣候干冷是對具有全球意義的小冰期氣候變動的響應(yīng)。

(2)階段Ⅱ(約1850-1860AD):氣候逐漸變暖濕,湖泊水位總體較高,但中間出現(xiàn)幾次較強的波動,人類活動影響加強。該階段天鵝湖-2孔的碳酸鹽含量經(jīng)過幾次波動后,總體比上一個階段降低,說明湖泊水位雖經(jīng)歷幾次波動但總體處于較高水平,這與小冰期后期氣候逐漸回暖變濕的大趨勢相對應(yīng),其中在樣芯68.5 cm處出現(xiàn)了最小值,表明在1860AD左右天鵝湖出現(xiàn)了近200 a來的最高水位。與此對應(yīng),天鵝湖-2孔磁化率在樣芯的68.5 cm處出現(xiàn)最大值,磁化率漲幅非常劇烈,但在小冰期后期的氣候背景下,磁化率的大幅度增加并不是受氣候主導(dǎo)的,即磁化率的最大值并不指示當(dāng)時氣候環(huán)境最為暖濕;加之該階段碳酸鹽含量和磁化率的負向相關(guān)性也比較差,顯示該階段影響湖泊沉積物磁化率變化的因素較為復(fù)雜,可能有人類活動的參與。而張振克[7]等在對2 600 a來內(nèi)蒙古居延海湖泊沉積記錄的環(huán)境變遷研究中發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)加速了土壤侵蝕,結(jié)果造成入湖細鐵磁性顆粒增加,引起湖泊沉積物磁化率升高,因此磁化率的迅速升高可能與當(dāng)時天鵝湖周邊地區(qū)大規(guī)模的農(nóng)業(yè)及畜牧業(yè)開發(fā)有關(guān)。

(3)階段Ⅲ(約1860-1910AD):開始進入20世紀暖期,氣候趨向暖干化,湖泊萎縮。該階段天鵝湖-2孔碳酸鹽含量的變化分為兩個階段,1860-1885AD期間,湖泊水體鹽度維持在一個較低水平,說明在此期間湖泊水位基本維持在較高水平,且沒有出現(xiàn)較大的波動,湖區(qū)氣候暖濕且較為穩(wěn)定;在樣芯的57 cm處,碳酸鹽含量突然增大,且增幅明顯,說明在其對應(yīng)的年代即 1885AD左右,湖泊水位突然下降,這與文獻記載“額濟納旗在1880-1894年期間接連發(fā)生了幾次大旱,導(dǎo)致天鵝湖嚴重萎縮”[8]相互印證。而該階段磁化率值穩(wěn)定在一個較低水平,磁性礦物的種類和含量變化均不大,說明同時期從地表進入湖泊沉積的細顆粒磁性礦物較少,主要因氣候干旱造成河流干涸、入湖補給量小所致。以上湖泊沉積記錄都指示了隨著小冰期的結(jié)束,氣候逐漸趨向暖干化,開始進入20世紀暖期。

(4)階段Ⅳ(約1910-1930AD):氣候持續(xù)暖干化,湖泊水位較低。該階段天鵝湖-2孔的碳酸鹽含量變化曲線表現(xiàn)為兩個弱峰值,均沒有出現(xiàn)較強烈的波動,碳酸鹽含量持續(xù)偏高,說明該時期湖泊水體鹽度較高,湖泊水位較低,間接反映了當(dāng)時湖泊得到降水和徑流補給都較少。從該階段磁化率表現(xiàn)為兩個谷值,與碳酸鹽含量的變化呈負相關(guān),且均無較大波動,兩者所指示的環(huán)境變化較為一致,說明在持續(xù)趨于暖干的氣候條件下蒸發(fā)量遠遠大于降水量,湖泊水位較低,繼續(xù)呈萎縮狀態(tài);另外據(jù)記載[1],由于黑河上中游農(nóng)業(yè)發(fā)展,致使額濟納河每年5-7月“常致干涸”,使湖泊長時間得不到上游補給,這也是導(dǎo)致湖泊水位降低的一個重要原因。

(5)階段Ⅴ(約1930-1955AD):氣候開始向暖濕轉(zhuǎn)變,但湖泊水位仍較低。該階段天鵝湖-2孔的碳酸鹽含量達到整個樣芯的最高值,但也出現(xiàn)過較大的波動,說明該段時期內(nèi)總體上湖泊水體鹽度最高,水位最低,湖泊持續(xù)萎縮,只是在1945AD左右天鵝湖-2孔的碳酸鹽含量出現(xiàn)了一個低值,證明當(dāng)時出現(xiàn)了短時間的較高水位。而內(nèi)蒙古地區(qū)在20世紀30年代以來持續(xù)干旱,至40年代后期,旱情開始有所緩解[9];同時近50 a以來黑河上游來水變化不大,但降水有所增多[10],氣候有由暖干向暖濕轉(zhuǎn)化的趨勢[7],因此這次短時間的高水位應(yīng)該與氣候的轉(zhuǎn)變有關(guān)。該階段磁化率也有增強的趨勢,與暖濕的氣候變化趨勢相一致,但與碳酸鹽含量的負線性相關(guān)較差;而且經(jīng)歷這次高水位之后天鵝湖水位再次持續(xù)偏低,說明造成湖泊干涸絕不是氣候變化的原因,人類活動必然產(chǎn)生了重大的影響。1941年國民黨政府堵塞東河,使來水流入西河,致使后來的十年東河干枯[1],而東河作為下游主要過水河道,也是額濟納東部眾多尾閭湖泊的主要補給來源,因此補給斷流是造成當(dāng)時天鵝湖干涸的主要原因之一。

(6)階段Ⅵ(約1955-1970AD):氣候干旱背景下出現(xiàn)幾次洪澇,湖泊經(jīng)歷了高水位-低水位-高水位的變化。該階段天鵝湖-2孔的碳酸鹽含量表現(xiàn)為一個峰值,經(jīng)歷了由小變大再變小的過程,說明該階段湖泊經(jīng)歷了高水位-低水位-高水位的變化過程;同期磁化率的變化與此相適應(yīng),表現(xiàn)為一個谷值,兩者呈較顯著負向相關(guān),因此該階段氣候變化對湖泊沉積記錄的影響比較大。根據(jù)歷史文獻中的氣候記錄[9],20世紀60年代初期,額濟納旗所在的阿拉善盟連續(xù)發(fā)生了幾次洪澇災(zāi)害,包括連降暴雨造成的山洪暴發(fā)和過境黃河決口,這些突發(fā)的洪澇災(zāi)害,使得湖泊水位升高,這也是該階段前期碳酸鹽含量偏低的主要原因。在幾次洪澇之后,1965年左右開始氣候再次變得干旱,湖泊再一次萎縮。同時,建國后水利工程的建設(shè)也極大地改變了黑河下游地區(qū)水資源的空間分配[10],使黑河下游流量進一步減小,從而導(dǎo)致下游尾閭湖泊的干涸。

(7)階段Ⅶ(1970AD至今):氣候暖干,湖泊萎縮。該階段天鵝湖-2孔碳酸鹽含量先維持在較高值段,只是在表層附近較低,這與最近幾年來天鵝湖水位較高的情況相符。而該階段磁化率的變化也比較平穩(wěn),說明這一時期湖泊基本上處于水位較低的萎縮狀態(tài)。從氣候記錄上來看,近30 a來額濟納旗基本上連年干旱,只有1981年出現(xiàn)過一次連降暴雨的情況,而從狼心山水文站水文資料來看[1],從1988-1995黑河下游年度來水量總體呈下降趨勢。在2000年以后干旱的情況有所改觀,天鵝湖再次蓄水。

3.2 額濟納地區(qū)的水系變遷

在西北干旱地區(qū),綠洲受水環(huán)境的嚴重制約,有水即成綠洲,無水則為荒漠。額濟納地區(qū)歷史時期的水系存在從東向西的遷移和萎縮過程。根據(jù)龔家棟等[4]的研究,東西居延海并不是黑河的終端湖,在地質(zhì)歷史時期,屬于黑河流域的河道湖。隨著黑河水系不斷的溯源退縮,東西居延海和居延澤也存在一個逐步縮小的過程,并在近現(xiàn)代演變?yōu)槲查偤?/p>

表1 黑河下游水系變遷歷史

3.3 額濟納地區(qū)沙漠化發(fā)展進程和現(xiàn)狀

土地沙漠化是土地荒漠化的一種主要類型,其中土壤風(fēng)蝕是流域最主要的土地沙漠化的現(xiàn)代過程之一。根據(jù)流域土地沙漠化發(fā)生性質(zhì)、地表形態(tài)的發(fā)育趨向以及風(fēng)蝕程度等,將流動沙丘、固定與半固定沙丘、風(fēng)蝕戈壁等荒漠化土地類型劃歸沙漠化土地范圍[11]。

目前沙漠化土地已經(jīng)遍布全旗,包括現(xiàn)代河水三角洲地區(qū)。據(jù)統(tǒng)計,全旗現(xiàn)代沙化土地面積155.54萬hm2,其中流動沙丘面積約95.31萬hm2,固定和半固定沙丘面積約60.23萬hm2,覆沙或礫石戈壁灘面積約483.05萬hm2,沙漠化土地占土地總面積的62.32%,是綠洲(耕地、林地、草地與水域面積之和)的1.70倍;流動沙丘面積占沙漠化土地總面積的14.92%,約占風(fēng)沙化土地面積的61.28%;戈壁灘地占土地總面積的75.60%[12]。從上述沙漠化分布指數(shù)可以看出,額濟納旗境內(nèi)沙漠化土地已經(jīng)成為主要的土壤環(huán)境構(gòu)成要素,現(xiàn)狀沙漠化土地中尚以風(fēng)蝕戈壁為主,但風(fēng)蝕沙漠化土地中以流動沙丘占據(jù)絕對優(yōu)勢,反映出現(xiàn)代沙漠化演進程度和潛在危害性都十分嚴重。昔日以黑城為代表的古居延綠洲現(xiàn)大多成為流動或半固定沙丘,深居綠洲內(nèi)部的古河床或廢棄干涸的河床遍布三角洲地區(qū),這些都是沙漠化的策源地,綠洲生態(tài)十分脆弱。

4 額濟納綠洲土地沙漠化驅(qū)動機制

長期以來,眾多學(xué)者對生態(tài)環(huán)境變化與人類活動的關(guān)系有三種觀點:一是強調(diào)歷史時期以來人類活動的影響[13],二是強調(diào)氣候變化的主導(dǎo)作用[8],三是強調(diào)氣候變化和人類活動在不同時間尺度的耦合疊加作用[14]。從天鵝湖-2孔近200 a來湖泊沉積記錄來看,盡管影響湖泊變化的因素很多,但氣候變化和人類活動的影響最為重要,人類活動在特定時段對湖泊環(huán)境演變產(chǎn)生明顯影響,湖泊沉積記錄的環(huán)境演化主要受氣候冷暖干濕變化的控制。

4.1 氣候變化的影響

從天鵝湖-2孔的指標(biāo)來看,磁化率減小和碳酸鹽含量增大總體上反映氣候干旱化、湖泊縮小的趨勢,在氣候干旱化和湖泊縮小的大背景下,存在著一定程度的氣候干濕波動和湖泊盛衰的變化,這種變化與全球性的氣候變化具有較好的一致性。靳鶴齡等[7]在對最近1 500 a以來黑河下游東居延海變遷與環(huán)境氣候變化的研究中也發(fā)現(xiàn),居延海及黑河流域的氣候干濕波動和湖泊盛衰變化與全球冷暖更替關(guān)系密切。而從天鵝湖-2孔的沉積記錄來看,近200 a內(nèi)湖區(qū)氣候的變化可以歸納為:小冰期時氣候干冷,湖泊萎縮;小冰期后期,氣候開始趨向暖濕,湖泊有擴張的趨勢;進入20世紀暖期后,氣候轉(zhuǎn)向暖干,湖泊萎縮;20世紀50年代以后干旱氣候有所緩解,湖泊水位出現(xiàn)一些波動,但總體暖干的氣候仍然造成湖泊萎縮干涸。氣候和水系的這種變化趨勢,使得大尺度干旱與沙漠化發(fā)展相吻合[15],將加劇流域中下游地區(qū)沙漠化發(fā)展。因此干旱導(dǎo)致黑河及其支流斷流而引起嘎順諾爾、天鵝湖、索果諾爾等眾多尾閭湖泊相繼干涸或大幅度萎縮,是造成額濟納旗境內(nèi)綠洲退化,土地沙漠化的重要原因之一。

4.2 人類活動影響的湖泊水系變遷

天鵝湖-2孔的湖泊沉積記錄還打下了人類活動的烙印,首先是人類對水資源的利用。進入20世紀特別是20世紀中期以來,額濟納地區(qū)得到了大規(guī)模的開發(fā),對水資源的利用也發(fā)生了翻天覆地的變化。河流湖泊水系逐漸從自然水系、半自然水系演化為人工水系,地表徑流基本上為人類所控制,天然河道水網(wǎng)已被縱橫交錯的人工渠系所取代。在人類活動的影響下,水資源在空間上發(fā)生極大的位移,持續(xù)從下游尾閭湖向中游和下游上段遷移,從天然水體向人工水體轉(zhuǎn)化,由于下游地表徑流減少,導(dǎo)致尾閭湖泊萎縮和干涸[11]。這也是20世紀50年代期間,氣候雖然由暖干向暖濕轉(zhuǎn)化,降水有所增多,天鵝湖仍然處于充水-干涸交替狀態(tài)的原因。除此以外黑河的終端湖西居延海在1961年干涸,東居延海從70年代開始一直處于充水-干涸交替狀態(tài)[2]。

人類活動的影響另一方面還表現(xiàn)在歷史時期的人類活動,特別是土地利用方式和強度的變化對環(huán)境演變產(chǎn)生重要影響,并直接被湖泊沉積所記錄。在1850-1860AD,湖泊沉積物磁化率及頻率磁化率急劇上升,出現(xiàn)了一個極其顯著的峰值,這與當(dāng)時氣候回暖之后,大規(guī)模地進行屯墾和畜牧業(yè)開發(fā)有關(guān),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動引起土地利用方式的改變,加速了土壤侵蝕,加之風(fēng)力搬運、進入湖泊沉積的細顆粒物質(zhì)在大規(guī)模屯墾階段迅速增加,引起磁化率和頻率磁化率的急劇上升[8]。進入20世紀以來,連年戰(zhàn)亂,使得額濟納地區(qū)人口下降,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特別是以土地開墾為標(biāo)志的耕作業(yè)逐漸荒廢,地表細顆粒土壤被風(fēng)蝕殆盡,入湖細顆粒物質(zhì)減少,磁化率與頻率磁化率都比較低。同時受到人類活動的影響,額濟納地區(qū)的環(huán)境也發(fā)生了很大的變化,具體表現(xiàn)為綠洲范圍縮小,植被退化,沙堆及灌叢沙堆出現(xiàn),土地沙漠化日趨嚴重[15]。

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