青藏高原土地沙化研究進(jìn)展

陳冬冬,田麗慧,張登山,吳汪洋,2

(1.青海大學(xué)省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青海 西寧 810016;2.東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,江西 南昌 330013)

土地沙化是指由于氣候變化及人類活動(dòng)等因素所致的非沙質(zhì)荒漠地區(qū)的土地退化現(xiàn)象[1]。這一問題嚴(yán)重制約了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,對(duì)生態(tài)安全構(gòu)成巨大威脅。青藏高原生態(tài)環(huán)境脆弱,氣候條件惡劣,土地沙化分布廣且類型多樣。受自然恢復(fù)條件的限制,本區(qū)土地沙化的治理極具挑戰(zhàn)性。近幾十年來,對(duì)青藏高原土地沙化的研究相對(duì)零散,缺乏綜合性研究。因此,本研究總結(jié)了關(guān)于本區(qū)土地沙化的現(xiàn)狀、動(dòng)態(tài)變化、驅(qū)動(dòng)因素和防治工作取得的成效,可為未來在本區(qū)開展科學(xué)系統(tǒng)的研究和荒漠化治理提供參考。

青藏高原是中國(guó)和亞洲的江河源和生態(tài)源[2],被譽(yù)為“世界屋脊”和“地球第三極”[3],是北半球氣候變化的啟張器和調(diào)節(jié)器[4]。它不僅直接驅(qū)動(dòng)中國(guó)東部和西南部氣候,對(duì)全球的氣候變化也具有敏感性、超前性和調(diào)節(jié)性[5]。青藏高原土地沙化加劇引發(fā)的自然災(zāi)害可能會(huì)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來重大影響,并對(duì)高原和人類生存環(huán)境造成連鎖反應(yīng)。近 60 年來,針對(duì)青藏高原地區(qū)土地沙化的動(dòng)態(tài)變化、防治措施和生態(tài)恢復(fù)實(shí)踐等領(lǐng)域取得了顯著的進(jìn)展,包括以下幾個(gè)方面。

1 青藏高原地區(qū)土地沙化動(dòng)態(tài)變化及成因

1990年以來青藏高原地區(qū)土地沙化總面積逐年減少,沙化程度總體上呈逆轉(zhuǎn)狀態(tài),但部分區(qū)域土地沙化問題不斷出現(xiàn)。如黃河源區(qū)土地沙化呈先擴(kuò)張后逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì),土地沙化面積呈增加趨勢(shì)[6]。對(duì)于土地沙化成因,學(xué)者們持有不同觀點(diǎn)。張煜星[7]認(rèn)為,高原和高山地形對(duì)氣壓和季風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)的重新分配及阻擋作用,強(qiáng)烈的物理風(fēng)化作用和鹽分積累逐漸導(dǎo)致土地沙化。羅磊等[8]指出氣候因子是導(dǎo)致青藏高原北部土地沙化的主導(dǎo)因素,尤其是降水時(shí)間分布的不均衡。張雪芹等[9]研究發(fā)現(xiàn),不合理的土地資源開發(fā)導(dǎo)致了青藏高原土地沙化現(xiàn)象。靳鶴齡等[10,11]則發(fā)現(xiàn)其過程基于脆弱的生態(tài)環(huán)境和緩慢的自然荒漠化,而人類的不合理活動(dòng)誘發(fā)和加劇了沙漠化的過程。青藏高原土地沙化分布廣且類型多樣,不同地區(qū)沙化成因復(fù)雜。

川西北土地沙化呈局部好轉(zhuǎn)、整體惡化的態(tài)勢(shì)[12]。沙化程度逐漸加深,擴(kuò)張速度加快,潛在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)大,治沙任務(wù)艱巨。川西北土地沙化是自然因素和人為因素綜合作用的結(jié)果,主要原因包括土壤質(zhì)地、氣候變化、鼠蟲害、人口增長(zhǎng)和超載過牧等[13,14]。若爾蓋縣是川西北地區(qū)土地沙化最嚴(yán)重的地區(qū),自1994年以來,土地沙化和草地沙化面積持續(xù)增長(zhǎng),主要為輕度土地沙化,表明沙化問題尚處于初始階段,是治理的良機(jī),但土地沙化演變存在漸變和躍變過程,治沙任務(wù)依然艱巨[15,16]。該區(qū)草原沙化面積不斷擴(kuò)大,處于沙化邊緣的嚴(yán)重退化草原也呈逐年遞增的趨勢(shì)。究其原因,是自然過程和人為加速過程彼此疊加并相互反饋的結(jié)果,氣候因素起到主導(dǎo)作用,而人為因素則是加速沙漠化的激發(fā)因素,草地沙化主要是由過載放牧所引起的[17,18]。

西藏土地沙化主要分布于極高山和高山地貌區(qū)地形緩的地表,盡管全區(qū)沙化程度較為嚴(yán)重,但拉薩、山南地區(qū)的土地沙化面積呈下降趨勢(shì)[19]。西藏地區(qū)土地沙化由地質(zhì)、氣候、人為多種因素共同驅(qū)動(dòng)[20]。域內(nèi)雅魯藏布江是我國(guó)最長(zhǎng)的高原河流,近40年來,沿江地區(qū)土地沙化經(jīng)歷了沙化增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯—快速增長(zhǎng)—緩慢增長(zhǎng)三個(gè)階段,土地沙化的年均遞增速率出現(xiàn)了極大的逆轉(zhuǎn),表明該流域內(nèi)的土地沙化得到了有效控制。這是自然與人為因素相互作用、相互激發(fā)、相互促進(jìn)的結(jié)果[21]。土地沙化成因在流域不同區(qū)域有所差異,上游馬泉河流域主要受自然因素影響[22];中上游地區(qū)人為因素更為顯著[23];中游河谷區(qū)域主要受風(fēng)力吹蝕驅(qū)動(dòng)[24];而在中游下段,自然因素占主導(dǎo)地位,土地資源過度利用加劇了沙漠化的進(jìn)程[25]。

青海省地處青藏高原東北部,號(hào)稱“三江之源”。青海湖流域是維系青藏高原北部生態(tài)安全、控制西部荒漠化向東蔓延、保障東部生態(tài)安全的重要生態(tài)安全屏障。本區(qū)土地沙化面積自1999年呈現(xiàn)波動(dòng)減小的趨勢(shì)[26,27],氣候和土壤結(jié)構(gòu)是影響青海湖流域土地沙化的主要因素[28]。在三江源地區(qū), 2000年之前氣候暖干化和人為活動(dòng)加劇導(dǎo)致土地沙化加劇,2000年之后氣候暖濕化成為改善土地沙化的主要因素[29]。

2 青藏高原土地沙化生態(tài)治理措施

高寒沙地生態(tài)治理包括物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)和綜合治理措施等。物理修復(fù)措施中廣泛采用機(jī)械沙障,如在共和盆地和青海高寒沙區(qū)分別使用粘土沙障、烏柳和檉柳柳條沙障固沙技術(shù)[30,31]。在青海湖沙區(qū)1.5 m×1.5 m規(guī)格的麥草方格防風(fēng)固沙效果最佳[32],盡管尼龍袋沙障效果更好[33],但其不易降解且易造成環(huán)境污染。在若爾蓋地區(qū),生態(tài)毯及生態(tài)毯與高山柳混合模式是治理沙化草地的主要措施[34]。

生物修復(fù)技術(shù)可以提供土壤質(zhì)量,增加土壤團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)含量,改善水分保持能力、肥力和生產(chǎn)力。在高寒沙地治理中,選擇適應(yīng)低溫和水分脅迫的植物,如沙棘、烏柳、高山柳、樟子松、小葉楊等。生物沙障以混合草本帶播和撒播種植模式在高寒沙化治理中效果最佳[35]?；瘜W(xué)治沙可以改良沙土質(zhì)地和理化性質(zhì),提升沙地的水分保持能力,達(dá)到防沙固沙效果[36]。研究發(fā)現(xiàn)噴涂W-OH固沙劑保水效果良好[37],化學(xué)固沙處理+溝處理可以顯著改善沙丘內(nèi)地溫、土壤含水量和植被個(gè)體數(shù)[38]。納米TiO2改性P(VAc/BA)乳液成本低廉,使用便捷且環(huán)境友好,適宜在高寒沙地推廣[39]。此外,田間施用秸稈顆粒改良劑可以增加土壤氮素含量[40]。 盡管化學(xué)治沙和土壤改良劑是可以有效解決土地沙化問題,但修復(fù)周期較長(zhǎng),研發(fā)費(fèi)用高,且易發(fā)環(huán)境污染,應(yīng)用較少[41]。以植物為主體,將生物、機(jī)械和化學(xué)等多種手段相結(jié)合的綜合治理模式已成為我國(guó)防治沙漠化趨勢(shì)[42]。如在青海湖地區(qū),引入種植小麥(TriticumaestivumL.)、青稞(HordeumvulgareL.var.nudumHook.f.)、燕麥(AvenasativaL.)和多年生草本沙障的新技術(shù)、新方法[43]。在川西北地區(qū),構(gòu)建了“生物沙障固沙+叢植灌木+混播草種”等多種重度沙化土地的生態(tài)治理恢復(fù)模式[44]。綜合治理需因地制宜,結(jié)合多種方法,同時(shí)需要加強(qiáng)研究和創(chuàng)新,提高治理的效率和水平。

3 青藏高原沙化治理中存在的問題

3.1 基礎(chǔ)資料不全,區(qū)域研究薄弱

20世紀(jì)90年代以來,學(xué)者們對(duì)青藏高原的土地沙化問題展開研究,然而與其他地區(qū)相比,該地區(qū)的研究仍相對(duì)較少且分散、深度也不夠。這是由于青藏高原地域幅員遼闊、海拔高差大、地形復(fù)雜,氣象站的空間觀測(cè)能力嚴(yán)重不足,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集不夠全面,且大多數(shù)據(jù)不對(duì)外共享。因此,加強(qiáng)數(shù)據(jù)收集和共享,應(yīng)用遙感技術(shù),采用多學(xué)科交叉的方法,結(jié)合野外長(zhǎng)期觀測(cè)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M分析,建立科學(xué)公認(rèn)的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)體系和預(yù)測(cè)模型,形成一套多種研究方法相耦合且完整的土地沙化研究體系,為青藏高原的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和土地沙漠化治理提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。

3.2 生態(tài)修復(fù)技術(shù)體系不完備

目前,防沙治沙技術(shù)的研究與推廣處于探索階段,缺乏系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)體系。生態(tài)恢復(fù)工程選址、樹種選擇、治理模式等問題缺乏詳細(xì)的研究,基層技術(shù)力量薄弱,難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治沙。治沙資金緊缺,治理工程和措施后續(xù)的保障和鞏固困難重重。雖然已治理地區(qū)的植被逐漸恢復(fù),但穩(wěn)定性較差,易發(fā)生反彈。此外,治理與破壞現(xiàn)象同時(shí)存在,形成了治理—破壞—治理的惡性循環(huán)。

傳統(tǒng)固沙材料具有一定效果,但使用年限短、運(yùn)輸成本高、施工難度大。新技術(shù)和新材料為土地沙化治理帶來機(jī)遇,但成本高,專業(yè)性強(qiáng),不適宜大規(guī)模推廣,且在應(yīng)用中存在銜接難題。沙漠化防治項(xiàng)目主要依賴國(guó)家撥款投資,科技含量低,技術(shù)不成熟,產(chǎn)業(yè)模式單一,重經(jīng)濟(jì)而輕生態(tài)。因此,需積極探索適宜的生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)模式,構(gòu)建多元主體協(xié)同治沙模式。未來應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注低成本、綠色且使用便捷的固沙技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化,提高技術(shù)的應(yīng)用效果。

3.3 生態(tài)環(huán)境脆弱,生態(tài)限制因子局限

青藏高原地區(qū)屬我國(guó)生態(tài)環(huán)境典型脆弱區(qū),地形和水資源的限制導(dǎo)致沙化程度嚴(yán)重,加之氣候惡劣,土壤貧瘠和低植被覆蓋率,易受風(fēng)沙侵蝕,且難以恢復(fù)。氣候條件和沙化類型的多樣性,以及立地條件和沙化成因的復(fù)雜性,決定了沙化治理的艱巨性。在青藏高原氣候暖濕化背景下,要充分考慮氣候變化的影響,未來草地退化、生態(tài)安全和水資源短缺的潛在風(fēng)險(xiǎn)可能逐步增加。然而,暖濕化對(duì)植被生長(zhǎng)和恢復(fù)有積極意義,且青藏高原地區(qū)湖泊面積整體擴(kuò)張,多數(shù)河川徑流量增加。沙化地區(qū)水資源彌足珍貴,未來應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注水資源的時(shí)空分布和承載能力,堅(jiān)持以水定治、量水而行的科學(xué)治沙措施,加快植被恢復(fù)。

4 青藏高原土地沙化治理展望

近年來,青藏高原土地沙化的相關(guān)研究取得較多成果,但土地沙化局部好轉(zhuǎn),整體惡化的趨勢(shì)仍未改變。植被在土地沙化恢復(fù)方面起著重要作用,其選擇十分關(guān)鍵。沙區(qū)植被系統(tǒng)生態(tài)水文過程對(duì)植被的組成、格局、演替有深遠(yuǎn)影響,闡明影響植被格局及動(dòng)態(tài)的生態(tài)水文機(jī)理是沙區(qū)植被建設(shè)與固沙植被穩(wěn)定性維持的重要研究?jī)?nèi)容和方向之一,需深入探究[45]。

遙感技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)土地沙化監(jiān)測(cè)和土地沙化信息提取方面取得新突破,監(jiān)測(cè)技術(shù)和分類精度進(jìn)一步提高。研究土地沙化區(qū)域水土資源承載能力和土地合理利用方式, 探討環(huán)境容忍量和土地利用安全格局,利用馬爾可夫(Markov)、土地利用變化及效應(yīng)等模型預(yù)測(cè)土地沙化發(fā)展趨勢(shì),確定重點(diǎn)治理區(qū)域,制定土地沙化綜合防治區(qū)劃,根據(jù)土地沙化敏感性因子和驅(qū)動(dòng)因子,制定防治措施,建立土地沙化生態(tài)系統(tǒng)分析和評(píng)價(jià)的評(píng)估指標(biāo)體系將是未來的重點(diǎn)工作。

土地沙化治理方面,需克服水資源和成本等限制,突破節(jié)水型、低成本和易操作的瓶頸,尋求高效的施工方法,結(jié)合其他固沙措施,形成多種模式相結(jié)合的綜合治沙模式,以綠色環(huán)保技術(shù)為發(fā)展方向。

此外,發(fā)展沙產(chǎn)業(yè)也尤為重要。下一步需要結(jié)合經(jīng)濟(jì)學(xué)、沙漠生態(tài)學(xué)和高新技術(shù)等,將沙漠治理和經(jīng)濟(jì)發(fā)展相結(jié)合,積極探索、開發(fā)和推廣適宜的生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)模式,走生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式,構(gòu)建多元主體協(xié)同治沙模式,科學(xué)、合理、有序開發(fā)利用沙區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè),以防沙治沙誘導(dǎo)沙產(chǎn)業(yè)的開發(fā),借發(fā)展沙產(chǎn)業(yè)促進(jìn)防沙治沙工作發(fā)展和防治沙化科技成果轉(zhuǎn)化,以提高防治沙漠化工作的整體效能。除了繼續(xù)推進(jìn)土地沙化動(dòng)態(tài)變化、成因分析、治理對(duì)策等熱點(diǎn)的研究,我們還應(yīng)在風(fēng)沙物理與沙漠環(huán)境、恢復(fù)生態(tài)學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域開辟新的研究方向[46]。