全球氣候變化背景下祁連山生態(tài)問題的地質(zhì)學(xué)探析

賈雪嬌， 寧立波， 王亞男， 楊 冬， 王崇舉

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

全球氣候變化背景下祁連山生態(tài)問題的地質(zhì)學(xué)探析

賈雪嬌， 寧立波*， 王亞男， 楊 冬， 王崇舉

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

祁連山生態(tài)問題產(chǎn)生的根源主要在于全球氣候變化背景下冰川、凍土、植被、徑流等及其水文循環(huán)的變化.該文以地球系統(tǒng)科學(xué)為指導(dǎo)，在宏觀尺度上從系統(tǒng)演化的角度去探討在全球氣候變化條件下祁連山生態(tài)問題，認為這些問題的產(chǎn)生與地質(zhì)過程密不可分，應(yīng)以生態(tài)地質(zhì)學(xué)的理論來研究這些變化的生態(tài)地質(zhì)過程，并指出未來進行祁連山生態(tài)問題研究的科學(xué)路徑，為祁連山的生態(tài)保護、河西走廊社會經(jīng)濟的持續(xù)健康發(fā)展提供科學(xué)依據(jù).參18.

全球變化；祁連山；生態(tài)；地質(zhì)

全球氣候變暖會引起一系列氣象因素的改變，包括降水、氣溫、濕度、蒸發(fā)量等，進而產(chǎn)生進一步的影響，如減小地表徑流，降低土壤含水量，改變?nèi)颦h(huán)境等.在全球氣候變化背景下，祁連山地區(qū)產(chǎn)生雪山、冰川融化，雪線上升，冰川后退，濕地、水域面積減少，草地嚴重退化，森林面積減小等生態(tài)環(huán)境問題[1]，使生態(tài)環(huán)境退化與水資源安全危機日趨嚴重.

迄今為止，對于祁連山的氣候變化、冰川退縮、植被演替、河川徑流變化等的研究成果很多，但卻對祁連山生態(tài)問題的解決無法起到關(guān)鍵作用的根本原因在于：1)缺乏資料的整合.例如雖然氣候變化對祁連山生態(tài)問題有著重大影響，但如果僅僅局限于氣候變化本身的研究而忽視其與水文循環(huán)有機聯(lián)系，那么其研究意義就會大打折扣.2)科學(xué)認知上的局限性.對于祁連山生態(tài)問題的認識往往局限于生態(tài)系統(tǒng)中某一方面的變化，而缺乏對整個生態(tài)系統(tǒng)的全面認識.祁連山生態(tài)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的巨系統(tǒng)，科學(xué)全面地認識祁連山生態(tài)系統(tǒng)是保證祁連山生態(tài)環(huán)境持續(xù)健康發(fā)展、水資源有序科學(xué)利用的基礎(chǔ).基于此，該文試圖以全球變化為背景以地質(zhì)學(xué)思維探討引發(fā)祁連山生態(tài)問題的原因，并指出今后研究的大致方向.

1 全球氣候變化條件下局部水文平衡的脆弱性

氣候條件改變能夠影響全球水文循環(huán)的進程，導(dǎo)致水資源在時空上的重新分布，從而影響干旱、洪澇等極端水文事件發(fā)生的頻率與強度，使地區(qū)水循環(huán)條件與水質(zhì)狀況發(fā)生改變，對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能造成影響，從而改變生態(tài)系統(tǒng)演替規(guī)律及發(fā)展趨勢[2].全球氣候變化影響下，大氣環(huán)流與水文循環(huán)的周期將大大縮短，使得干旱、暴風(fēng)雨、洪水等災(zāi)害發(fā)生的強度與頻率加大，對地區(qū)能量和水分收支平衡產(chǎn)生影響，從而改變水資源系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)[3-6]，導(dǎo)致地區(qū)水源供給、調(diào)度與管理出現(xiàn)問題，影響水資源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使其受到破壞.

祁連山區(qū)位于中緯度歐亞大陸的腹地，屬典型的大陸性高寒半濕潤山地氣候，屬于干旱區(qū)和半干旱區(qū)，主要受到蒙古高壓大陸氣團控制.祁連山區(qū)的降水特征不但受海拔高度的影響，而且受所處的緯度、經(jīng)度，以及一系列平行高山的影響.由于帕米爾高原的阻擋，使來自地中海往東的水汽難以到達祁連山區(qū)；而印度洋暖濕氣流也難以越過一系列高山的阻隔到達祁連山區(qū)；另外由于祁連山區(qū)深居內(nèi)陸，遠離海洋，所以從太平洋輸送來的東南季風(fēng)也不足以到達河西走廊地區(qū)，攜帶的水分已遠遠不能滿足水資源的補給需求.

祁連山的氣候改變的趨勢和程度迄今并沒有完全研究清楚，盡管許多研究者做了大量工作，但這些工作多著重于氣候變化本身的研究，而忽視了在此背景下水文循環(huán)的變化，甚至對生態(tài)安全的影響.氣候變化的局地效應(yīng)改變水文循環(huán)過程，影響著水資源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能.隨著氣候變暖趨勢的逐步強烈，祁連山區(qū)域性的氣候?qū)泻畏N變化？這種變化是否會隨著海拔高度的變化而顯示出規(guī)律性變化？氣候變化影響下的大氣—陸面—生態(tài)模式又會有何種變化？這些問題的研究需要大量的觀測資料，尤其是長序列的歷史資料和未來一段時期的現(xiàn)場觀測資料.目前祁連山區(qū)的氣象臺站多建在走廊區(qū)或淺山區(qū)，觀測數(shù)據(jù)很難反映高海拔區(qū)的氣象數(shù)據(jù)變化規(guī)律，因此必須在高山區(qū)建立觀測站.

2 變化中的冰川、凍土水文過程

氣候是受大氣、海洋、冰雪、陸地和巖石五大圈層影響的復(fù)雜系統(tǒng)，冰凍圈在這五大圈層中占據(jù)著重要位置，是各圈層相互作用、相互影響的核心紐帶和關(guān)鍵性因素之一[7,8].冰凍圈的主要組成部分是冰川，當(dāng)氣候條件改變時，冰川能夠發(fā)生快速而且顯著的變化，指示氣候系統(tǒng)的改變.冰川與積雪以固體水資源存儲的形式參與水文循環(huán)過程，成為水文循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié)，對水量平衡具有重要影響.冰川、積雪不斷地與大氣之間進行著物質(zhì)與能量的交換，補給來源為大氣降雨，并以融水的形式排泄給河流，從而對河川徑流產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用[9].

氣候變化和冰川相互聯(lián)系，一方面氣候變化是導(dǎo)致冰川變化的導(dǎo)火索，另一方面冰川變化也是反應(yīng)氣候變化狀況的重要指標[10,11].冰川對環(huán)境具有很大影響，表現(xiàn)在水資源減少、海平面上升、冰川災(zāi)害、社會經(jīng)濟發(fā)展和農(nóng)業(yè)生活等方面，所以說監(jiān)測冰川變化，分析其變化規(guī)律具有重要的科學(xué)和現(xiàn)實意義[12].

大量的資料和研究得出以下結(jié)論：1)祁連山冰川是河西走廊的水塔，對各出山徑流起著決定性作用，直接影響其徑流量的變化；2)冰川對氣候變化的響應(yīng)極為敏感，目前祁連山東段(以石羊河流域為主)的冰川退縮明顯，中段(以黑河流域為主)的冰川雖然退縮趨勢較東段略有減緩，但未來發(fā)展不容樂觀；西段(以疏勒河流域為主)冰川基本保持原態(tài)，個別地段甚至有所發(fā)展，但不可忽視的是人類活動已經(jīng)開始影響冰川的變化.由此可知，對于冰川本身及未來變化的研究目前已經(jīng)得到較科學(xué)的結(jié)論，所以其進一步的研究必須以祁連山的生態(tài)變化和水資源變化為主，即氣候變化背景下冰川水文過程的變化特征及其對水文循環(huán)、出山徑流的影響過程，冰川退縮的生態(tài)地質(zhì)學(xué)機制和對生態(tài)的影響.

凍土問題與冰川變化有著一定的相似性，其凍結(jié)層變化、融化時間變化等都對局部的水文過程產(chǎn)生影響，尤其是其融化機制的變化對生態(tài)和水資源的變化都有著明顯影響，這些過程本質(zhì)上是一個地質(zhì)過程.

無論是冰川研究或是凍土分析，大量的觀測或者測試數(shù)據(jù)是不可或缺的，雖然目前中科院寒旱所已經(jīng)占有一些數(shù)據(jù)資料，并且建有監(jiān)測點，但對于整個祁連山來說還沒遠遠不夠.就祁連山生態(tài)問題的研究而言，不僅需要進行長時期、多波段的遙感數(shù)據(jù)解譯，而且要有大量的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)來證明冰川在過去若干年和今后一段時期的變化趨勢，所以選擇典型冰川和典型地段建設(shè)檢測站點進行長期觀測是必須的.

3 植被演替及其水分調(diào)蓄

人類社會生存于自然生態(tài)系統(tǒng)中，自然生態(tài)系統(tǒng)由水生生態(tài)系統(tǒng)和陸生生態(tài)系統(tǒng)組成，前者是以水為基質(zhì)的生態(tài)系統(tǒng)，后者是以陸地土壤或母質(zhì)等為基質(zhì)的生態(tài)系統(tǒng).其中陸地生態(tài)系統(tǒng)支撐著人類生存和可持續(xù)發(fā)展[13]，此生態(tài)系統(tǒng)中的植被被認為是連接大氣、土壤和水分的自然“紐帶”[14]，對于全球物質(zhì)循環(huán)及能量轉(zhuǎn)化有著重要的調(diào)節(jié)作用，并且植被的初級生產(chǎn)力對人類社會發(fā)展也有及其重要的意義[15].

山地植被以其特有的水資源儲存與調(diào)蓄功能，在祁連山的高山—荒漠—綠洲生態(tài)系統(tǒng)中扮演重要角色.從水文學(xué)角度看，森林能夠通過樹冠層、林下植被層、枯枝落葉層和土壤層等界面層對降雨發(fā)揮截留、涵蓄和阻延等調(diào)節(jié)作用，進而在調(diào)控流域河川的水量平衡中發(fā)揮重要作用.從復(fù)雜性科學(xué)理論看，祁連山植被實際上是一個復(fù)雜系統(tǒng)，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能主要受自然因素的影響，也受人為因素的影響.此系統(tǒng)的各要素之間，系統(tǒng)要素與系統(tǒng)環(huán)境之間相互依賴、相互促進、相互影響，從而發(fā)揮系統(tǒng)的整體功能.該整體功能是系統(tǒng)各要素協(xié)同作用而產(chǎn)生的涌現(xiàn)效應(yīng).植被系統(tǒng)整體通過對冰川融水和大氣降水的綜合調(diào)節(jié)控制而涌現(xiàn)出對人類和生態(tài)有益的防護功能.

由于氣候變化具有由東向西逐漸趨于干旱化的特點，祁連山地區(qū)植被具有明顯的東西水平變化規(guī)律，植被類型及其組成種類也呈現(xiàn)相同的變化趨勢，而且植被的東西水平地帶性規(guī)律是在巨大的海拔高程上展開的.在垂直方向上，植被的類型表現(xiàn)出由東向西逐漸簡化的特點[16].

祁連山區(qū)植被變化的特點在于：1)部分地區(qū)隨著冰川退縮，植被開始出現(xiàn)退化現(xiàn)象；2)植被的水分涵養(yǎng)能力開始下降；3)人類活動對植被演替的影響開始凸顯，部分地區(qū)受人類活動影響植被明顯退化，而部分地區(qū)受還林還草政策驅(qū)使植被覆蓋率和長勢都明顯好轉(zhuǎn).植被演化不僅與光熱條件密切相關(guān)，更重要的是決定于水土條件的變化，即土壤中水分含量的高低及其變化、鹽分的高低及其運移特征，以及土壤溫度變化的影響等，因此說植被演替實質(zhì)上也是一個地質(zhì)過程.

對于祁連山區(qū)植被演替的研究不僅要從宏觀層面上運用遙感手段研究植被的演替規(guī)律和水分涵養(yǎng)能力，更重要的是分析植被演替的生態(tài)地質(zhì)學(xué)機制，以流域為單位、以面上調(diào)查點上剖析為工作方法，從其地境(地下生境)變化和根群特征研究其演替的地質(zhì)過程，進而揭示其水分涵養(yǎng)能力的變化特征和植被變化對水文過程系統(tǒng)的干擾.

4 出山徑流的變化特征

祁連山山體高大，對冰川、植被、地下水具有調(diào)蓄作用，這三個方面共同影響著出山徑流[17].研究認為，在干旱和半干旱地區(qū)，氣候發(fā)生較小變化都能引發(fā)大的水資源問題，當(dāng)溫度升高1～2 ℃時，若降水減少10%，則可能引起年徑流減少40%～70%.由于全球氣候變暖，祁連山地區(qū)以融雪徑流為主要補給的流域，由于冬季積雪消融出現(xiàn)在早春，而降水的強度幾乎沒有變化，年徑流量表現(xiàn)出及其不均衡現(xiàn)象.

氣候變暖導(dǎo)致降雨變化最直接的反映是徑流的變化，但在祁連山區(qū)徑流的變化主要反映在出山徑流的變化上.在全球氣候變化及祁連山的冰川、植被及其生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化的條件下，出山徑流也在發(fā)生這明顯的變化，這些變化主要體現(xiàn)在：1)出山徑流量峰值的變化在微觀上體現(xiàn)出提前的特點，即冰雪融化期的提前直接導(dǎo)致河川徑流量的變化這在石羊河流域可能表現(xiàn)更突出；2)河川徑流量的變化，在一定時間內(nèi)出山徑流可能會呈現(xiàn)出增大的趨勢，但從中長期來看其結(jié)果必然是徑流量的下降甚至個別河流的水資源枯竭；3)河流水質(zhì)的變化，隨著水循環(huán)途徑的變化和水循環(huán)各環(huán)節(jié)的變化，其水質(zhì)也必然發(fā)生變化；4)河川徑流的變化是整個祁連山區(qū)氣候、植被、冰川、凍土等變化的綜合反映.

因此如果氣候的變暖趨勢清晰，那么冰川融化時間相應(yīng)提前，出山徑流峰值的變化規(guī)律將發(fā)生怎樣的變化，對相應(yīng)的水文循環(huán)的影響乃至河西走廊水資源利用方式有何影響都將是研究的重點.而這些都直接影響著未來的水資源及其相應(yīng)地區(qū)的生態(tài)變化，也是政府部門所關(guān)注的最重要的問題.對其研究需要長時期的水文序列資料，目前祁連山各流域的出山口都有水文觀測站，觀測數(shù)據(jù)應(yīng)該可以滿足研究需要，關(guān)鍵是選擇何種科學(xué)研究方法，準確分析出徑流的變化規(guī)律以及受祁連山生態(tài)變化的影響程度.

5 人類活動的影響

由于人類對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其重要性不甚了解，在對自然資源的開發(fā)利用過程中，存在過度開發(fā)，排放生活、生產(chǎn)中產(chǎn)生的污染物的現(xiàn)象，嚴重威脅到人類的生存與健康發(fā)展，其實質(zhì)就是無序的人類活動損害和削弱了生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能[18].

一個流域的發(fā)展過程極其復(fù)雜，受到空間、時間、自然、經(jīng)濟、社會等多方面的影響，這個過程還伴隨著人口增長、環(huán)境惡化、生態(tài)破壞、資源短缺、經(jīng)濟發(fā)展受阻等一系列矛盾的出現(xiàn).在解決生態(tài)環(huán)境與水資源問題時，我們應(yīng)該從整體性角度出發(fā)，綜合考慮人口、資源、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展四者之間的協(xié)調(diào)耦合作用，以流域可持續(xù)發(fā)展為前提，構(gòu)建生態(tài)、社會、經(jīng)濟效益并舉的區(qū)域協(xié)同發(fā)展模式，不以破壞生態(tài)環(huán)境為代價發(fā)展社會經(jīng)濟，將社會發(fā)展與環(huán)境保護有機的結(jié)合起來，形成環(huán)境與經(jīng)濟雙贏的局面.

祁連山地區(qū)人類活動的重點主要在于采礦、伐木、水電開發(fā)、放牧、旅游等，其活動的范圍目前僅限于淺山區(qū)，但影響范圍和強度卻無法量化，其效應(yīng)可能是長程的、范圍可能涉及整個祁連山區(qū)甚至更遠.隨著河西走廊社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口的急劇增長，對祁連山生態(tài)的影響也日趨強烈，在個別地區(qū)甚至成為生態(tài)演替的主要驅(qū)動力.必須注意的是在祁連山這樣生態(tài)極度脆弱的地區(qū)，生態(tài)演化基本是不可逆的.因此，如何考量祁連山區(qū)的生態(tài)承載能力、如何實現(xiàn)社會持續(xù)發(fā)展條件下的生態(tài)良性循環(huán)、如何使已經(jīng)受到破壞的生態(tài)環(huán)境得到逐步的恢復(fù)等問題自然成為研究的重點.

6 結(jié) 語

祁連山被稱為河西走廊的“生命線”，對于祁連山地區(qū)的生態(tài)環(huán)境與水資源問題，必須以大局為重，時刻站在國家的高度思考問題，必須從全民的角度出發(fā)，立足現(xiàn)實放眼未來，堅持生態(tài)安全與水資源安全前提下的民生持續(xù)發(fā)展.

在研究中，既要克服科學(xué)認知上的局限性，又要摒棄學(xué)科研究中的片面性，充分認識到祁連山區(qū)是一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能多樣、不斷演化的復(fù)雜系統(tǒng)，以地球系統(tǒng)科學(xué)思想為指導(dǎo)，從這些生態(tài)問題的地質(zhì)根源分析為主線進行多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)，科學(xué)全面認識祁連山生態(tài)系統(tǒng)和水資源特征，為祁連山的生態(tài)保護、河西走廊社會經(jīng)濟的持續(xù)健康發(fā)展提供科學(xué)依據(jù).

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Exploration of Ecological Problems of Qilian Mountains under the Global Climate Changes on Geology

JIA Xue-jiao, NING Li-bo*, WANG Ye-nan, YANG Dong, WANG Chong-ju

(School of Environmental Studies of University of China Geosciences,Wuhan 430074,China)

The origin of ecological problems of Qilian Mountains mainly lies in the changes of glacier,frozen soil,vegetation,run-off and hydrological cycle under global climate changes.Under the guidance of earth system science,this paper from the point of system evolution explored ecological problems of Qilian Mountains under the global climate change conditions on a macro scale.These problems are inseparable with geological processes,by using the ecological geology theory to study the changeable ecological process.This paper points out the scientific path to study Qilian Mountains geology problems,and provides scientific basis for the ecological protection of Qilian Mountains and social and economic sustainable development of Hexi Corridor.18refs.

global change;Qilian Mountains;ecology;geology of Hexi Corridor

2013-12-13

國家自然科學(xué)基金資助項目(編號：51109192)

賈雪嬌(1990-)，女，湖北荊門人，碩士生，研究方向：水文地質(zhì)、生態(tài)地質(zhì).*通訊作者.

2095-7300(2014)01-034-05

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