關于我國荒漠預警指標體系的研究

“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、半干旱和干旱地區的土壤侵蝕。”。荒漠化是全球性的環境問題之一,土地荒漠化所造成的生態環境退化和經濟貧困,已成為21世紀人類面臨的最大威脅,因而防治荒漠化不僅是關系到人類的生存和發展,而且是影響全球社會穩定的重大問題。我國的荒漠化涉及18個省市自治區,荒漠化土地總面積為267.4萬km2,占國土面積的27.9%,其中風蝕荒漠化土地每年還以3436km2的速度擴展。粗略估算,全國因土地荒漠化災害所造成的經濟損失達480億元,荒漠化形勢十分嚴峻。荒漠化作為一種生態環境災害,其直接表現是沙丘流動埋壓農田、房屋、道路及其它工程設施;土壤退化造成有機質、養分的損失,土壤肥力下降;植被退化使生物生產力和多樣性降低,保護能力下降。對荒漠化的適時預警和合理決策是走出荒漠化防治誤區,有效抵御和減免災害的惟一有效途徑。但是長期以來人們一直沒有形成一個統一的荒漠化預警指標體系,使預警工作難以進行。本文以地表穩定性為依據,結合當地植被蓋度,通過對實地調查數據進行分析,初步提出渾善達克沙地荒漠化災害預警指標體系。1可持續生態預警思想的應用雖然思想古已有之,但預警一詞最早出現于軍事領域,19世紀末期被應用于宏觀經濟監測與調控,隨著衛星技術及計算機技術的發展,20世紀80年代開始被用于災害監測。隨著系統動力學、3S技術和計算機及其網絡技術的發展,預警思想在理論、預警技術系統方面得到發展,并展現出良好的應用前景。現應用于全球環境監測、區域生態環境監測、農業資源監測、森林資源監測、社會可持續發展。荒漠化預警指標包括警情指標、警源指標和警兆指標。警情指標是預警研究的對象,是指已存在或潛伏著的荒漠化問題;警情產生于警源,又必然產生警兆。因此,預警系統應以警情指標為對象,以警源指標為依據,以警兆指標為主體。1.1地表系統優化根據荒漠化的定義,荒漠化警素主要是氣候變異和人為活動形成的土地退化,其實質就是地表穩定性的變化,表現為土壤物質流失,土壤物理、化學和生物特性或經濟特性的退化,生物多樣性的減少,景觀結構失穩,功能衰退等,甚至形成災害。本文是依據地表穩定性對渾善達克沙地荒漠化預警體系進行研究。1.2風蝕荒化的因素警源是警情產生的根源。渾善達克沙地土地荒漠化類型主要是風蝕荒漠化,所以產生荒漠化的主要因素是以風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。1.3兆度指標警兆指標是指荒漠化發生、發展前出現的各種先兆。2丹沙阿爾伯茨省的自然概論、成因和過程2.1渾善達克沙地沙漠化渾善達克沙地是內蒙古自治區四大沙地之一,位于北緯42°56′～44°24′、東經112°22′～117°57′之間,地處錫林郭勒高原中部農牧交錯地帶,行政區劃上分屬內蒙古自治區的錫林郭勒盟和赤峰市克什克騰旗。在歷史上渾善達克草地曾是水草豐美、沙地穩定蹬抗災走場放牧的好基地,直至20世紀40年代,本區地貌類型仍然基本屬于固定、半固定沙(丘)地,流沙不到3%。沙丘上除了少數榆樹疏林外,幾乎到處都有黃柳生長;沙丘背風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,只有少數小片的裸露地表,是游牧民的一片樂土。然而進入20世紀60年代以后,渾善達克沙地發生了嚴重的沙漠化,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26.59萬hm2,新增7.39萬hm2,年增長率為2.57%;據1995年全國沙漠化普查結果顯示,渾善達克沙地是全國少數幾個沙漠化土地擴展速率超過4%的地區之一。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、土地生物生產潛力下降;并造成地面裸露,固定沙丘活化,許多沙丘迎風坡被吹蝕成巨大的風蝕窩,大面積草地變成了裸地、半裸地,甚至流動沙丘;揚沙、浮塵和沙塵暴天氣的發生頻率也急劇增大。2.2人為因素是沙漠化發生發展的最重要的社會因素本區雨量少而變率大。東部地區降雨400mm左右,為典型的干草原氣候。中部正藍旗平均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重影響,給牧業生產造成災害。西部條件相對嚴酷,降水100～200mm,已不適合牧業生產。近年持續的干旱,更加加重了本區的沙漠化過程。風大、風多,導致蒸發強烈,加劇干旱化,為沙漠化發展提供了動力條件。本區為我國風速最大的沙區之一,年平均風速為3～5m/s,最大風達12級。在11～4月降水少的干旱期,恰恰卻又是風期,風旱同期,抵消了本來因海拔高、溫度低,而蒸發偏小的優勢,造成2～5月份蒸發急劇增大,加劇了春旱,限制了植物返青。本區地質年代的湖相沉積物在漫長的干旱氣候和風力作用下,形成了豐富的沙物質,成為全國四大沙地之一,從而為沙漠化的發展提供了極其充足的物質基礎。人為因素是沙漠化發生發展驅動力中最活躍的、也是最復雜的因素。各種調查和研究結果顯示,造成渾善達克沙地沙漠化嚴重發生的最主要驅動力就是人為因素的影響。人為因素的作用首先表現在人口的急劇增加上。正藍旗建國初人口為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‰,遠遠超過11.2‰的全國平均水平。隨著人口的增加,需要的糧食、燃料以及牲畜養殖量等也會相應增大,并由此引發出一系列促進沙漠化發生發展的連鎖反應。除此之外,一些其它社會因素的影響也不可忽視,如公眾環境保護意識薄弱、落后的管理和生產方式、信息閉塞、政策失誤等。其實20世紀60年代初期至70年代中期這段時間內,渾善達克沙地沙漠化嚴重擴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的。2.3境條件下自然權利性質的變化綜合上述分析可以看出,渾善達克沙地的沙漠化主要是在當地脆弱環境背景條件下,人為不合理經濟活動和過度利用資源而導致的土地退化過程。其具體表現可分為①固定沙丘(地)的活化;②流沙前移埋壓草場和農田;③農田的風蝕沙化、礫質化;④草場植被嚴重退化。2.3.1風蝕坑、流動沙丘的自然后果這是渾善達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,植被受到嚴重破壞,地面裸露,起沙風速降低,產生風蝕沙化,尤以冬春季節更為突出。其最終結果是形成巨大的風蝕坑、高峻的風蝕陡坎和光裸的流動沙丘。風蝕坑的深度受地下水位和古土壤層的影響較大,據在正藍旗桑根達來鎮的野外調查,一塊350m×200m的沙質草場內,有大小不等的風蝕坑11個,占地面積約7%,風蝕坑最大深度可達6m,侵蝕基底為古土壤層;風蝕陡坎一般產生在沙丘迎風面,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蝕坑下風側的頂部、原沙丘的背風面等地,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,部分被開墾為農田。沙坨邊緣的流動沙丘遇風前移,埋壓草場和農田,造成侵入式沙漠化,并以冬春季節最為嚴重。沙丘的移動速度與沙丘形態有密切關系,當流動沙丘較為低平和緩時,風沙流的飽和路徑長度增大,堆積區域延長,沙丘移動速度相對較快;當沙丘高大陡峭時,背風坡由于氣流急劇減速作用和強大的渦流效應,風沙流中的沙物質在很短距離快速沉積,因而宏觀上移動速度較慢。據野外實地觀測,渾善達克沙地流動沙丘的年平均前移速度為5～8m,最快達到20m之多。2000年春一場大風過后,標注過的沙丘平均前移1.8m。2.3.3耕作的必要性農田風蝕是渾善達克沙地危害最為嚴重的一種沙漠化類型。因為農田一般分布在土壤條件、水分條件較為優越的區域,這種條件是在漫長的地質歷史中形成的,一經破壞,恢復極為困難,甚至根本無法恢復。風蝕是風力作用下土壤結構的破壞和地表物質的損失過程,不合理的耕作恰恰促進了這種過程的進行。耕作不僅造成耕層的松動,而且使土層中原來保護在下面的物質暴露于風力的直接作用下,這樣年復一年的經過風蝕—翻耕—風蝕過程的周期發展,土壤團粒結構遭到破壞,細小粉塵顆粒(<0.05mm被吹走),整個耕作層變得粗化(沙化或礫質化),其物理性狀惡化,保肥、保水能力減弱,土地生產力下降,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果,是渾善達克沙地一種最為普遍的現象,特別是居民點、牲畜飲水點附近和夏營盤、交通沿線更為嚴重。草場植被退化的主要表現是植物種組成減少,植被蓋度、高度、生物產量大幅度下降,優質的多年生、一年生牧草被劣質和有害牧草取代,禾本科牧草被硬質灌木、半灌木取代。嚴重時可能造成土地的風蝕沙化,形成風蝕洼地、片狀流沙、灌叢沙堆等。3強體發展中的預警朱震達(1984)提出荒漠化分為潛在的、正在發展中的、強烈發展中的和嚴重的4個層次。從預警角度來看,對應于安全、輕警、中警、重警4級警度。本文通過對當地的調查數據進行分析,選取下列指標來構建荒漠化災害預警指標體系,見圖1:3.1植被指標3.1.1理論分析監測結果對于土壤風蝕來說,風是主要動力,土壤是被侵蝕的對象,植被是其保護層,植被保護的好,地表植物的流動性受到抑制,就會為成土過程創造必要的環境條件。反之,就要遭受風的侵蝕,向荒漠化的方向發展。因此,植被是荒漠化災害預警的關鍵指標。表1為各種不同蓋度、不同風速條件下風沙流中輸沙率的野外實際測量結果。從上表可以看出,在渾善達克沙地,流沙的起動風速大約為5m/s,所以>5m/s的起沙風速時數可以作為風蝕的監測預警指標之一。在正常起沙風速(6～8)下,30%～50%之間的植被蓋度就有明顯的固沙效果,但當風速超過10m/s時,該區的輸沙率會急劇增加;植被蓋度>50%的地表,在各種風速下,輸沙率都很小,可以認為是固定性地表。由此,便可以得出地表穩定性與植被蓋度的對應關系,見表2。3.1.2植物指示功能植物不僅因為是自然生態系統的重要要素和環境的重要組成部分,是重要的自然資源和改造自然、改善環境的重要手段,而且還因為通過植物可以比較簡單、快速地認識自然生態系統和自然環境的許多性質的特點。這后一種功能便是植物的指示性。近代科學的植物指示現象研究的開創者美國植物生態學家勒門茨(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”。荒漠化是土地自然生態環境的演變過程,隨著荒漠化程度的不同,會出現不同的植物、形成不同的群落類型。通過對該區野外植物樣方調查結果的分析,得到如下的植被指示性特征(表3)3.2氣候指標3.2.1暖季累計降水量和降水量我國屬東亞季風環流控制區域,渾善達克沙地處于溫帶,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)作為渾善達克沙地氣候干濕的預警指標。在耿宏寬(1986)采用干燥度作為沙區分類的基礎上,計算出渾善達克沙地暖季降雨量的域值,見表4。3.2.2沙粒的起沙運動風是造成沙地表面沙粒發生移動的動力,但并不是所有的風都使沙子發生移動。只有當風力逐漸增大到某一臨界值以后,地表沙粒才開始脫離靜止狀態而進入運動,風沙物理學上將這個使沙粒開始運動的臨界風速稱為起沙風速。根據對渾善達克沙地腹地正藍旗40年來起沙風日數的統計資料,確定該地區起沙風日數的域值,見表5。3.3土壤理化性質我們在渾善達克沙地選取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分析,獲得了包括土層厚度、物理性粘粒含量、有機質、全N、速效P、速效K等一系列土樣的理化性質。通過對以上土壤理化性質因子分別和樣方植被蓋度做相關分析,表明:物理性質中腐殖質層厚度與蓋度有極顯著關系,其它指標都未達到相關顯著水平,據腐殖質層厚度可獲得該區可靠的土地荒漠化程度;土壤化學性質中有機質、全N有顯著相關性,據相關系數的大小,選土壤有機質作為評判土地荒漠化程度的土壤化學指標,見表6。3.4社會經濟指標3.4.1草地理論載前量的確定草場嚴重超載,掠奪性經營,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,牧草數量嚴重不足,放牧壓力大,而此時也正是牲畜嚴重缺草、跑青踐踏頻繁的時期,過多牲畜的啃食、踐踏,使得草地利用強度遠遠超過草地的承載力,植物生長、發育、更新受到抑制,自我維持機制失調,草地退化嚴重。與此同時,春季大風頻繁,過牧、覆蓋度小的草地在大風的作用下,導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,并保證家畜正常發育和生長的