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题名	黑河流域沙漠化过程中水土生态—环境变化研究
作者	刘蔚
学位类别	博士
答辩日期	2006-05-31
授予单位	中国科学院寒区旱区环境与工程研究所
授予地点	寒区旱区环境与工程研究所
导师	王涛
关键词	黑河流域 水体化学 土地沙漠化 土壤盐分 土壤养分 土壤微生物 指标体系
学位专业	自然地理学
中文摘要	在我国西北干旱地区，水资源是维护干旱荒漠地区自然生态平衡、保护生态环境的决定性因素，而且水资源也是西北干旱区内陆河流域协调上、中、下游农、林、牧合理布局和可持续发展的最重要的自然条件。因为，在干旱地区，一个内陆河流域就是一个完整的地表水和地下水相互联系的生态系统功能单元。所以，水资源的合理开发和利用是我国西北干旱区内陆河流域制定经济建设可持续发展规划的首要环节和主要任务。 黑河流域是我国河西走廊地区三大内陆河流域之一。目前流域绿洲内土地利用存在的问题主要表现为平原地区的风沙、干旱、盐碱等。区内人类不合理的水、土、生物资源开发利用是土地退化的主要原因，已引起了社会各界与学者的普遍关注和高度重视，加之黑河上中游地区需水量的日益增加，导致黑河下游地区生态环境急剧恶化，致使额济纳绿洲地区湖泊干涸、水质恶化，地下水矿化度升高，土壤盐化加重，河岸胡杨林和灌木大片枯萎等一系列环境问题。因此，在黑河流域内陆河区，水是驱动、役使环境变化最敏感的因素，水是绿洲和整个人类社会的生命线。所以，针对目前这种现状，以西北干旱区内陆河流域—黑河为例，利用已有的遥感数据和调查资料，研究了黑河流域土地沙漠化的现状，分析了该流域沙漠化土地土壤水理特征，目的在于为西北干旱区内陆河流域水、土资源的合理、持续利用以及沙漠化土地的防治、恢复和逆转提供理论依据。本研究论文在野外试验和室内分析的基础上提出以下结论。 1．有关土地沙漠化变化分析 在自然因素包括气候、地质地貌、风沙活动及自然灾害等影响下，历史时期黑河流域绿洲和沙漠化土地交替发展。气候温暖期也正是沙漠化土地减弱时期，寒冷期则是沙漠化发生强烈阶段。 历史时期黑河流域的土地退化、土地沙漠化表现为不同民族统治下土地利用方式的不断更替，垦区的荒废意味着土地退化的蔓延和扩展，一些绿洲变成了沙漠；战乱交加，人口迁徒，生产力发展十分缓慢。只在汉、隋、唐、元、明、清相对安定时农业立之，而且除了汉、唐、清之外，农业的规模和持续的时间也都十分有限。土地沙漠化、退化的主要原因可概括为水土资源开发利用在时间和空间上的不稳定性，过垦、滥垦、战争等导致的垦区荒废及水资源的转移；空间分布上人工绿洲的土地沙漠化基本吻合于人类活动集中的流域下游的垦区，天然绿洲的土地沙化、退化主要与下游的河湖滩地相一致。土地沙漠化的总趋势明显表现为中游人工绿洲扩展的同时，下游绿洲的退缩；而且目前的资源开发和土地沙漠化过程仍然承袭这一规律。 研究表明90年代与80年代中期相比，额济纳旗沙漠化土地面积增加29.1%，从26362 km2增加到34038 km2。相对而言，中游地区沙漠化发展速率相对较慢，中游地区1990年沙漠化达到81.178万hm2，比1949年74.219万hm2增加约9.4%，年增长速率0.27%。1990年以来，沙漠化呈稳定态势。 2000年黑河流域中下游地区的沙漠化土地共有13508.4km2，占监测区域的11.8%。其中，临泽沙漠化土地的面积为229.53km2，占沙漠化土地面积的1.7%，高台沙漠化土地的面积为230.65km2，占1.707%，肃南（部分）沙漠化土地的面积为192.71km2，占1.427%，酒泉沙漠化土地的面积为1149.93km2，占0.851%，嘉峪关沙漠化土地的面积为37.24km2，占0.276%，金塔沙漠化土地的面积为1268.64km2，占9.391%，额济纳旗沙漠化土地的面积为11434.64km2，占84.648%。由此看出，黑河流域下游地区的土地沙漠化形势严峻。 2．有关沙漠化土地土壤养分与盐分 盐土类型与沙漠化土地发育程度关系密切，特别是强度沙漠过程的影响不可忽视。根据各剖面土样的pH、全盐量、离子类型及主要离子所占比例，可将本区土壤沙化和水分条件分成四种类型。 潜在沙漠化土地土壤水化学类型为Cl--SO42--Na+-Mg2+离子型土，剖面平均含盐量为0.20%，盐份在土壤上层聚积不明显，因此盐化程度并不重；正在发展的沙漠化土地土壤水化学类型为SO42--Cl--Mg2+-Na+离子型盐土，土壤含盐量高，剖面的平均含盐量可达4.47%；强烈发展的沙漠化土地土壤水化学类型为HCO3--Cl--Ca2+-Na+，总体特征是土壤含盐量低，剖面均重碳酸盐为主要成分；严重沙漠化土地土壤水化学类型为Cl--SO42--Mg2+-Na+离子型盐土，剖面的平均含盐量为4.57%。总之，黑河下游沙漠化土地土壤质地粗，成土作用差，有机质含量低，土壤含盐量高，表聚性强，具有干旱区漠境土壤的典型特征。不同沙漠化土地土壤含盐量、盐分类型差异很大。 3．额济纳沙地土壤分析 对下游主要沙漠化土地类型分析得出土壤PH值在7.97-9.2之间，呈碱性。从统计结果看，全N、全P、全k、PH和有机质含量比较集中，速效N、速效P和速效K养分成分比较分散； 从主成分分析看，全N、全P、有机质和速效N的累计贡献率达到76.24%，基本上代表了土壤肥力水平，对土壤有正向负荷；速效N、速效P和速效K对土壤肥力有逆向负荷。 通过对主成分低维聚类分析方法，综合养分等级的分异和类同性可将研究区的土壤大致划分为4类：土壤养分低于全区土壤养分均值，尤其缺乏速效养分的贫瘠土壤；速效P、K含量略低于均值，而其他养分含量丰富的林地土壤和速效养分含量相对较高开始向荒漠化发展的林地和草地土，而4类土壤与四种沙漠化土地类型相一致。 4．水分条件变化对土壤的可溶盐的意义 干旱内陆河地区随着上中游水量的减少，在强蒸发作用下，地表水与浅层地下水的矿化度显著升高。水文过程的改变，使维系绿洲的水资源由平衡到失衡，水循环的多个环节发生连锁变化，形成河流水量减少→断流期加长→湖泊干涸→地下水位下降→矿化度增高→水质恶化的连锁反应过程，最终导致绿洲水环境恶化。在水环境的恶化过程中使绿洲内一些湿生、中生植被类型退化、演变为荒漠植物和盐生植物。湿生草本和盐生、旱生灌木逐渐被旱生、强旱生、超旱生荒漠植物替代，并由草甸景观向河岸林景观→灌丛景观→半灌木荒漠景观→草灌丛沙质荒漠景观演变。通过周期性积盐作用，使绿洲内的非盐渍化土壤向轻盐土发展，沿河和湖滩地的盐化潮土、盐化林灌草甸土向轻盐土→中盐土→重盐土发展，盐碱化土地不断扩展。上述各过程共同构成绿洲荒漠化复杂的地表动力学过程。其结果，使天然绿洲的地表形态-植被-土地生物生产力系统退化，绿洲萎缩，生态恶化，土地沙漠化。因此，这种山地—盆地组合的内陆河流域，上中游的水体化学特征的变化必然导致中下游的水质的变化，从而影响土壤化学和植被的生长，所以加强对本地区水体化学的研究是评价地表水资源，合理利用和保护水资源所不可缺少的重要方面，也是评价由水质优劣而决定的土壤和植被环境条件的重要内容之一。 5．流域水体化学特征 大气降水的共同特征是矿化度很低，但离子含量和化学组成不全相同，在海拔3000~4000m高程处，即高山冰雪带及高山草甸带降雪中离子总量小于50mg/L，阴离子组成HCO－3＞SO42-＞Cl－；阳离子组成Ca2+＞Mg2+＞K+＞Na+或Mg2+＞Ca2+＞K+＞Na+，这与祁连山区裸露岩风化壳类型一碳酸盐型是一致的。海拔2000－1500m降雨离子总量在45mg/L－96.9 mg/L之间，高于降雪。地处荒漠带暴雨中离子总量高达209.1 mg/L。大气降水离子总量有随海拔降低而增长的趋势，水化学类型由HCO－3型变为SO42-－HCO－3型。海拔愈低，荒漠气候的影响愈强烈，反映了垂直地带性规律。在荒漠地区由于大陆盐化作用，粉尘含盐较高，随风沙卷入大气又随降水而降落，加上降雨稀少，偶尔一次降雨离子含量都很高。离子含量随降雨持续时间还长而降低，反映了大气尘埃的净化过程。 由于降水量随海拔升高而递增，降雨量愈多矿化度则愈低，呈现明显的地带性分异，这里气象水文条件对水体化学的影响占主要地位。反之随海拔降低，热量增高，岩石物理风化、化学风化作用强烈，矿化度增高，水体化学类型由碳酸盐型向碳酸盐-硫酸盐型再向硫酸盐-氯化物型过渡。发源于高山的低矿化度的河水沿河谷顺流而下途中汇入中低山支流后矿化度陡然升高。此外地表径流渗入岩石缝隙与岩石接触面增大而溶滤了化学物质，也是矿化度增高的一个因素。 分析地下水水体化学特征可将其特征划分为山区裂隙水及山前砾石带-重碳酸盐带，山前冲、洪积、湖积平原-硫酸盐带，荒漠区及积盐洼地―氯化物带。 山区裂隙水广泛形成HCO－3-Ca2+型水，由于补给源大气降水及地表水均为这一类型，加之径流通畅，水循环迅速，变质过程不明显，矿化度一般小于0.5g/L。在张掖盆地前缘过渡为HCO－3-SO42--Na+-Ca2+-Mg2+型，矿化度在0.5-1.0g/L之间。 山前冲、洪积、湖积平原-硫酸盐带。灌溉农业区，地下水以富含硫酸盐为主要特征，埋藏深度1-3m，矿化度一般1-3g/L，水化学类型由SO42--HCO－3型逐步过渡为SO42--Cl－型；阳离子由Ca2+、Mg2+为主过渡为以Na+为主，充分显示了硫酸盐过渡型多元水体化学的特征。 荒漠区及积盐洼地―氯化物带。水化学类型以Cl―-Na+为主，次为Cl―-SO42－-Na+型和SO4－2-Cl-型，矿化度可达8-50g/L以上。由于一价离子比二价离子具有更高的迁移力，往往在流程较长的洼地形成化学沉积。 黑河干流河段微量元素有沿程增加的趋势张掖地区（中游）河水中的微量元素的含量依此为: Sr>Fe>Al>Cu>Ba>P>Cr>Zn>Co>Pb>Ni>Ca>Mn；高台（中下游）河水中的微量元素的含量依此为:Fe>Al>Sr>Ba>Cu>Ni>P>Pb>Cr>Co>Ca>Zn>Mn；湖西新村（下游）河水中的微量元素的含量依此为:Fe>Al>Sr>Cu>Ca>Pb>Ba>Ni>Co>Zn>Cr>P>Mn. 非金属微量元素仅侧定了氟，研究表明，天然水中的F－具有自然地理分带现象，祁连山区地表径流F－含量多在0-0.5mg/L之间，为低氟水；高山山前和受到低山径流补给的山前平原及山间洼地，含氟量在1-6mg/L之间；绿洲边缘与沙漠接壤的拗陷洼地，潜水F－含量1-10mg/L；下游的湖水中的F－可达100mg/L以上。 通过对地下水变化分析看出，研究区浅层地下水矿化度的高低与距离补给源的远近密切相关，在整个河道矿化度变化幅度小；在远离河道，随离补给源距离的增减而升降，从而说明矿化度的高低主要依赖于上游补给水量。地下水的水化学类型遵循干旱半干旱区地下水的运移规律，其化学成分的形成作用主要是溶滤作用、蒸发和浓缩作用、混合作用和离子交换吸附作用。人类活动对浅层地下水的水环境变化起着重要的作用，从宏观上说，它使的地下水水位从有长期连续观测资料(1989-2001)以来不断下降，微观上，使的额旗浅层地下水的矿化度不断升高，而这种影响又反作用于生态环境，使得环境恶化。 6．不同类型土地沙漠化驱动力分析 分析造成黑河流域土地沙漠化发生、发展的原因，除了该区脆弱的生态环境，即：自然因素，包括：蒸发量大，干旱多风，降水极少，地表组成物质疏松等自然因素外，主要是人类不合理的经济活动，导致流域内有限的水资源不能合理利用，从而使得中上游用水量大幅度增加，造成下游水资源的枯竭，致使地表植被因缺水、过度樵采和放牧而大量死亡，引起土地沙漠化的发生。 在长期的土地开发过程中，人类的经济活动强烈地干预了自然绿洲的水文循环过程，引起了一系列水文效应和生态环境的变化，造成了许多湖泊的逐渐萎缩乃至干涸和一些河流的改道迁徙，水量、水情及水盐运动状况的改变，土地沙漠化时有发生。干旱区绿洲的地形地貌条件对于绿洲的兴衰和发展有重要影响。 自然灾害是由于某种作用超出了人类所能承受的能力，对人类的生存与发展造成巨大的威胁和损害。河流改道是绿洲废弃的最直接原因之一。战争导致的农牧业更替也是绿洲演变的一个因素，同时战争对农田水利设施的破坏性也是巨大的。政策导向可以影响到绿洲人口的迁入和迁出，绿洲规模的扩大与缩小，绿洲内部结构、功能、性质的变化，以及对整个流域资源的管理和利用，对于绿洲的影响具有显著的时效性。 沙漠化是干旱区基本地理过程之一。额济纳绿洲的现代沙漠化过程是由水环境恶化过程、土壤干燥化过程、植被退化与生物多样性衰减过程、土地沙漠化过程和土壤盐碱化过程构成的地表动力学过程，也是黑河中下游人地关系演进过程中复杂的作用过程。额济纳绿洲的现代沙漠化过程是气候暖干化、不合理的人为活动同脆弱的环境、贫乏的水、土、生物资源之间不相协调的产物，是涉及自然、社会、经济等多因子共同作用的综合过程。自然驱动力与人为驱动力的多数因子对绿洲沙漠化的影响效力都比较大，过度的人为活动是沙漠化的主导驱动因素。受沙漠化形成的地域性和地表动力过程复杂性的影响，内、外在驱动力在时间与空间上的耦合性形成沙漠化的区域机制，驱动力因子团的互动-激发作用形成沙漠化的动力机制，驱动力与沙漠化土地间的响应又形成正反馈机制，三种作用机制组合成现代沙漠化过程的复杂的驱动机制。 7．沙漠化土地综合评价与指标体系 根据环境质量评价体系与评价对象的构成要素，本研究选用综合模式和景观生态学分析法两种评价来评价沙漠化土地。方法选择的主要依据，一是根据前面流域沙漠化土地分布和各环境质量，需要对各个因子对质量状况的贡献大小进行综合分析，而综合模式法能有效地反映各个因子对总体质量状况的贡献和流域内起决定性因素的生态环境成分，同时能兼顾一些本身非定量化因子评估时对专家意见的采纳和综合；二是流域沙漠化土地判别指标评价从流域整体角度，宏观给出不同区域综合生态环境现状的状况是评价的基本目的，景观生态学正好可从景观角度（中尺度），对生态环境总体结构，空间格局等状况给予定量描述。 沙漠化土地退化导致的生态环境的稳定性问题则是指农、林、牧、水等各业生产活动所造成的对自然资源质量和环境资源质量意义上的生态过度干扰，因此，绿洲沙漠化土地的环境影响评价应循着生态环境的退化过程、生态调节能力、生态发展建立指标体系，通过定量或定性的评价，选择土地沙漠化环境质量目标 　根据对生态环境现状的基本分析和评价，确定了本地区以下分类类型或指标：地表水水质按国家有关标准和模糊聚类分析法划分出5级水质，并相应给出对应的评分，如表6.8所示；地下水水质划分主要依据矿化度与水化学类型两种指标，划分出6级地下水水质。草地生态系统选择产草量和草地；土壤环境可用土壤养分状况，有效土层厚度，土壤质地，土壤沙化程度等因素来描述，共产生11个评价指标。植被生态系统包括总盖度等5种，在社会、经济环境因素中，根据研究区实际情况，筛选出农业总产值、工业总产值、林业及畜牧业总产值、浇灌面积与耕地面积比率、平均单位耕地产出效益、教育普及以及人均收入等评价因子来表征，这样共筛选出典型的生态环境评价因子共34个。 根据以上的分析方法和生态环境评价因子将本地区沙漠化土地划分为以下几区。 I 南部沿山荒漠草原与旱耕生态区：位于祁连山北麓及冲洪积扇中上部，包 括大黄山地；II 流域下游额济内境内现代三角洲区：以弱水河两岸阶地和部分古河道冲积平原为主；III 走廊西北部沙漠戈壁生态区：包括山丹河以北，张掖、临泽黑河灌区以北、高台盐池、肃南明花区、金塔县全境，其主要地貌单元为龙首山、合黎山和马宗山剥蚀残丘及与之相连的戈壁沙丘和盐碱滩地；IV 下游湖盆沙漠化区：包括古日乃、温图高勒两个苏木；V 马鬃山低山丘陵荒漠区：位于弱水三角洲西部。 从上述综合模式法评价结果得出流域内第III、IV、V分区环境状况较差，这与实际状况相符。第III和IV分区为中下游地区现代沙漠化发展最强烈的地区，第III分区还集中了中游地区87%以上的荒漠化土地；水资源条件极差，不仅水量严格受控于中上游地区对水资源利用程度，自产水量极其有限，而且水质很差，水质盐化不断加剧；第III和IV分区还是流域内植被退化最严重地区，V分区主要为马鬃山低山剥蚀残丘戈壁荒漠区，植被覆盖度<5%，各种自然环境均很差，土壤基本不发育或发育很薄，以棕漠土或灰棕漠土为主，水资源极度贫乏，因此，该区域是流域生态环境状况最差的地带。从生态环境变化与发展角度来分析，由于第V分区属自然条件造成的环境恶劣，与人为活动和流域水资源变化关系不大，而第III、IV分区则属人为活动和流域水资源时空再分配影响下的环境恶化，其发展结果将直接引起残存天然绿洲消失和中游人工绿洲的破坏，因此，其影响程度比第Ⅷ分区要深远和严重得多。从这个意义上讲，第III、V分区应是我们最关注的环境恶化区域。 8．总结和展望 通过以上研究和分析得出，黑河流域中下游地区土地沙漠化的发生、发展主要是由于人类对水土资源的不合理利用等经济活动所造成的。因此，为了流域生态环境的持续发展，有效的防治土地沙漠化，提出了以下对策。提高人口素质，控制人口增长，减轻对土地的压力；建立现代化草牧场，加快绿洲生态型经济建设的步伐；合理利用流域内有限的水资源，确保生态用水；加大保护力度，加强水土保持法制宣传及监督管理的力度。同时大力开展节水灌溉，发展节水型社会、保护水源地，促进林地的涵养功能、改变传统畜牧业，建设小经济生物圈等长期对策。 今后在沙漠化研究中应强调下面几个领域：结合风沙物理与沙漠环境的研究：研究自然因素、人文因素对沙漠化作用机理及贡献率，结合现代沙漠化土地相邻生态系统界面上的物质与能量流动规律，以及未来人类活动和全球变化趋势研究成果，建立自然因素、人文因素和沙漠化相互耦合的过程动力学模型，预测未来沙漠化发展态势；沙区水土资源：研究典型类型区不同时空尺度的水平衡，开展沙漠化地区水土资源开发利用的生态风险动态分析，对全球变化背景下沙区环境和资源变化及其利用作出量化趋势预测。深入进行沙漠化土地土壤特征和不同发展类型沙漠化土地的水土资源分布转化的模式；沙区恢复生态学：脆弱生态环境形成演化的生态过程与土地沙漠化的生物学机理，沙漠化及其逆转过程中景观格局、生物多样性变与系统稳定性关系及其维持机制，物种对严酷环境生态适应机制。
语种	中文
公开日期	2013-08-22
页码	189
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.casnw.net/handle/362004/21546]
专题	寒区旱区环境与工程研究所_研究生学位论文_学位论文
推荐引用方式 GB/T 7714	刘蔚. 黑河流域沙漠化过程中水土生态—环境变化研究[D]. 寒区旱区环境与工程研究所. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所. 2006.

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