全球气候变化背景下祁连山生态问题的地质学探析

贾雪娇， 宁立波， 王亚男， 杨 冬， 王崇举

(中国地质大学(武汉) 环境学院，湖北 武汉 430074)

全球气候变化背景下祁连山生态问题的地质学探析

贾雪娇， 宁立波*， 王亚男， 杨 冬， 王崇举

(中国地质大学(武汉) 环境学院，湖北 武汉 430074)

祁连山生态问题产生的根源主要在于全球气候变化背景下冰川、冻土、植被、径流等及其水文循环的变化.该文以地球系统科学为指导，在宏观尺度上从系统演化的角度去探讨在全球气候变化条件下祁连山生态问题，认为这些问题的产生与地质过程密不可分，应以生态地质学的理论来研究这些变化的生态地质过程，并指出未来进行祁连山生态问题研究的科学路径，为祁连山的生态保护、河西走廊社会经济的持续健康发展提供科学依据.参18.

全球变化；祁连山；生态；地质

全球气候变暖会引起一系列气象因素的改变，包括降水、气温、湿度、蒸发量等，进而产生进一步的影响，如减小地表径流，降低土壤含水量，改变全球环境等.在全球气候变化背景下，祁连山地区产生雪山、冰川融化，雪线上升，冰川后退，湿地、水域面积减少，草地严重退化，森林面积减小等生态环境问题[1]，使生态环境退化与水资源安全危机日趋严重.

迄今为止，对于祁连山的气候变化、冰川退缩、植被演替、河川径流变化等的研究成果很多，但却对祁连山生态问题的解决无法起到关键作用的根本原因在于：1)缺乏资料的整合.例如虽然气候变化对祁连山生态问题有着重大影响，但如果仅仅局限于气候变化本身的研究而忽视其与水文循环有机联系，那么其研究意义就会大打折扣.2)科学认知上的局限性.对于祁连山生态问题的认识往往局限于生态系统中某一方面的变化，而缺乏对整个生态系统的全面认识.祁连山生态系统是一个复杂的巨系统，科学全面地认识祁连山生态系统是保证祁连山生态环境持续健康发展、水资源有序科学利用的基础.基于此，该文试图以全球变化为背景以地质学思维探讨引发祁连山生态问题的原因，并指出今后研究的大致方向.

1 全球气候变化条件下局部水文平衡的脆弱性

气候条件改变能够影响全球水文循环的进程，导致水资源在时空上的重新分布，从而影响干旱、洪涝等极端水文事件发生的频率与强度，使地区水循环条件与水质状况发生改变，对生态系统的结构与功能造成影响，从而改变生态系统演替规律及发展趋势[2].全球气候变化影响下，大气环流与水文循环的周期将大大缩短，使得干旱、暴风雨、洪水等灾害发生的强度与频率加大，对地区能量和水分收支平衡产生影响，从而改变水资源系统内部结构[3-6]，导致地区水源供给、调度与管理出现问题，影响水资源系统的稳定性，使其受到破坏.

祁连山区位于中纬度欧亚大陆的腹地，属典型的大陆性高寒半湿润山地气候，属于干旱区和半干旱区，主要受到蒙古高压大陆气团控制.祁连山区的降水特征不但受海拔高度的影响，而且受所处的纬度、经度，以及一系列平行高山的影响.由于帕米尔高原的阻挡，使来自地中海往东的水汽难以到达祁连山区；而印度洋暖湿气流也难以越过一系列高山的阻隔到达祁连山区；另外由于祁连山区深居内陆，远离海洋，所以从太平洋输送来的东南季风也不足以到达河西走廊地区，携带的水分已远远不能满足水资源的补给需求.

祁连山的气候改变的趋势和程度迄今并没有完全研究清楚，尽管许多研究者做了大量工作，但这些工作多着重于气候变化本身的研究，而忽视了在此背景下水文循环的变化，甚至对生态安全的影响.气候变化的局地效应改变水文循环过程，影响着水资源系统的结构和功能.随着气候变暖趋势的逐步强烈，祁连山区域性的气候将会有何种变化？这种变化是否会随着海拔高度的变化而显示出规律性变化？气候变化影响下的大气—陆面—生态模式又会有何种变化？这些问题的研究需要大量的观测资料，尤其是长序列的历史资料和未来一段时期的现场观测资料.目前祁连山区的气象台站多建在走廊区或浅山区，观测数据很难反映高海拔区的气象数据变化规律，因此必须在高山区建立观测站.

2 变化中的冰川、冻土水文过程

气候是受大气、海洋、冰雪、陆地和岩石五大圈层影响的复杂系统，冰冻圈在这五大圈层中占据着重要位置，是各圈层相互作用、相互影响的核心纽带和关键性因素之一[7,8].冰冻圈的主要组成部分是冰川，当气候条件改变时，冰川能够发生快速而且显著的变化，指示气候系统的改变.冰川与积雪以固体水资源存储的形式参与水文循环过程，成为水文循环的一个重要环节，对水量平衡具有重要影响.冰川、积雪不断地与大气之间进行着物质与能量的交换，补给来源为大气降雨，并以融水的形式排泄给河流，从而对河川径流产生调节作用[9].

气候变化和冰川相互联系，一方面气候变化是导致冰川变化的导火索，另一方面冰川变化也是反应气候变化状况的重要指标[10,11].冰川对环境具有很大影响，表现在水资源减少、海平面上升、冰川灾害、社会经济发展和农业生活等方面，所以说监测冰川变化，分析其变化规律具有重要的科学和现实意义[12].

大量的资料和研究得出以下结论：1)祁连山冰川是河西走廊的水塔，对各出山径流起着决定性作用，直接影响其径流量的变化；2)冰川对气候变化的响应极为敏感，目前祁连山东段(以石羊河流域为主)的冰川退缩明显，中段(以黑河流域为主)的冰川虽然退缩趋势较东段略有减缓，但未来发展不容乐观；西段(以疏勒河流域为主)冰川基本保持原态，个别地段甚至有所发展，但不可忽视的是人类活动已经开始影响冰川的变化.由此可知，对于冰川本身及未来变化的研究目前已经得到较科学的结论，所以其进一步的研究必须以祁连山的生态变化和水资源变化为主，即气候变化背景下冰川水文过程的变化特征及其对水文循环、出山径流的影响过程，冰川退缩的生态地质学机制和对生态的影响.

冻土问题与冰川变化有着一定的相似性，其冻结层变化、融化时间变化等都对局部的水文过程产生影响，尤其是其融化机制的变化对生态和水资源的变化都有着明显影响，这些过程本质上是一个地质过程.

无论是冰川研究或是冻土分析，大量的观测或者测试数据是不可或缺的，虽然目前中科院寒旱所已经占有一些数据资料，并且建有监测点，但对于整个祁连山来说还没远远不够.就祁连山生态问题的研究而言，不仅需要进行长时期、多波段的遥感数据解译，而且要有大量的现场观测数据来证明冰川在过去若干年和今后一段时期的变化趋势，所以选择典型冰川和典型地段建设检测站点进行长期观测是必须的.

3 植被演替及其水分调蓄

人类社会生存于自然生态系统中，自然生态系统由水生生态系统和陆生生态系统组成，前者是以水为基质的生态系统，后者是以陆地土壤或母质等为基质的生态系统.其中陆地生态系统支撑着人类生存和可持续发展[13]，此生态系统中的植被被认为是连接大气、土壤和水分的自然“纽带”[14]，对于全球物质循环及能量转化有着重要的调节作用，并且植被的初级生产力对人类社会发展也有及其重要的意义[15].

山地植被以其特有的水资源储存与调蓄功能，在祁连山的高山—荒漠—绿洲生态系统中扮演重要角色.从水文学角度看，森林能够通过树冠层、林下植被层、枯枝落叶层和土壤层等界面层对降雨发挥截留、涵蓄和阻延等调节作用，进而在调控流域河川的水量平衡中发挥重要作用.从复杂性科学理论看，祁连山植被实际上是一个复杂系统，该系统的结构和功能主要受自然因素的影响，也受人为因素的影响.此系统的各要素之间，系统要素与系统环境之间相互依赖、相互促进、相互影响，从而发挥系统的整体功能.该整体功能是系统各要素协同作用而产生的涌现效应.植被系统整体通过对冰川融水和大气降水的综合调节控制而涌现出对人类和生态有益的防护功能.

由于气候变化具有由东向西逐渐趋于干旱化的特点，祁连山地区植被具有明显的东西水平变化规律，植被类型及其组成种类也呈现相同的变化趋势，而且植被的东西水平地带性规律是在巨大的海拔高程上展开的.在垂直方向上，植被的类型表现出由东向西逐渐简化的特点[16].

祁连山区植被变化的特点在于：1)部分地区随着冰川退缩，植被开始出现退化现象；2)植被的水分涵养能力开始下降；3)人类活动对植被演替的影响开始凸显，部分地区受人类活动影响植被明显退化，而部分地区受还林还草政策驱使植被覆盖率和长势都明显好转.植被演化不仅与光热条件密切相关，更重要的是决定于水土条件的变化，即土壤中水分含量的高低及其变化、盐分的高低及其运移特征，以及土壤温度变化的影响等，因此说植被演替实质上也是一个地质过程.

对于祁连山区植被演替的研究不仅要从宏观层面上运用遥感手段研究植被的演替规律和水分涵养能力，更重要的是分析植被演替的生态地质学机制，以流域为单位、以面上调查点上剖析为工作方法，从其地境(地下生境)变化和根群特征研究其演替的地质过程，进而揭示其水分涵养能力的变化特征和植被变化对水文过程系统的干扰.

4 出山径流的变化特征

祁连山山体高大，对冰川、植被、地下水具有调蓄作用，这三个方面共同影响着出山径流[17].研究认为，在干旱和半干旱地区，气候发生较小变化都能引发大的水资源问题，当温度升高1～2 ℃时，若降水减少10%，则可能引起年径流减少40%～70%.由于全球气候变暖，祁连山地区以融雪径流为主要补给的流域，由于冬季积雪消融出现在早春，而降水的强度几乎没有变化，年径流量表现出及其不均衡现象.

气候变暖导致降雨变化最直接的反映是径流的变化，但在祁连山区径流的变化主要反映在出山径流的变化上.在全球气候变化及祁连山的冰川、植被及其生态系统发生变化的条件下，出山径流也在发生这明显的变化，这些变化主要体现在：1)出山径流量峰值的变化在微观上体现出提前的特点，即冰雪融化期的提前直接导致河川径流量的变化这在石羊河流域可能表现更突出；2)河川径流量的变化，在一定时间内出山径流可能会呈现出增大的趋势，但从中长期来看其结果必然是径流量的下降甚至个别河流的水资源枯竭；3)河流水质的变化，随着水循环途径的变化和水循环各环节的变化，其水质也必然发生变化；4)河川径流的变化是整个祁连山区气候、植被、冰川、冻土等变化的综合反映.

因此如果气候的变暖趋势清晰，那么冰川融化时间相应提前，出山径流峰值的变化规律将发生怎样的变化，对相应的水文循环的影响乃至河西走廊水资源利用方式有何影响都将是研究的重点.而这些都直接影响着未来的水资源及其相应地区的生态变化，也是政府部门所关注的最重要的问题.对其研究需要长时期的水文序列资料，目前祁连山各流域的出山口都有水文观测站，观测数据应该可以满足研究需要，关键是选择何种科学研究方法，准确分析出径流的变化规律以及受祁连山生态变化的影响程度.

5 人类活动的影响

由于人类对生态系统服务功能及其重要性不甚了解，在对自然资源的开发利用过程中，存在过度开发，排放生活、生产中产生的污染物的现象，严重威胁到人类的生存与健康发展，其实质就是无序的人类活动损害和削弱了生态系统的服务功能[18].

一个流域的发展过程极其复杂，受到空间、时间、自然、经济、社会等多方面的影响，这个过程还伴随着人口增长、环境恶化、生态破坏、资源短缺、经济发展受阻等一系列矛盾的出现.在解决生态环境与水资源问题时，我们应该从整体性角度出发，综合考虑人口、资源、生态环境、经济发展四者之间的协调耦合作用，以流域可持续发展为前提，构建生态、社会、经济效益并举的区域协同发展模式，不以破坏生态环境为代价发展社会经济，将社会发展与环境保护有机的结合起来，形成环境与经济双赢的局面.

祁连山地区人类活动的重点主要在于采矿、伐木、水电开发、放牧、旅游等，其活动的范围目前仅限于浅山区，但影响范围和强度却无法量化，其效应可能是长程的、范围可能涉及整个祁连山区甚至更远.随着河西走廊社会经济的快速发展和人口的急剧增长，对祁连山生态的影响也日趋强烈，在个别地区甚至成为生态演替的主要驱动力.必须注意的是在祁连山这样生态极度脆弱的地区，生态演化基本是不可逆的.因此，如何考量祁连山区的生态承载能力、如何实现社会持续发展条件下的生态良性循环、如何使已经受到破坏的生态环境得到逐步的恢复等问题自然成为研究的重点.

6 结 语

祁连山被称为河西走廊的“生命线”，对于祁连山地区的生态环境与水资源问题，必须以大局为重，时刻站在国家的高度思考问题，必须从全民的角度出发，立足现实放眼未来，坚持生态安全与水资源安全前提下的民生持续发展.

在研究中，既要克服科学认知上的局限性，又要摒弃学科研究中的片面性，充分认识到祁连山区是一个结构复杂、功能多样、不断演化的复杂系统，以地球系统科学思想为指导，从这些生态问题的地质根源分析为主线进行多学科联合攻关，科学全面认识祁连山生态系统和水资源特征，为祁连山的生态保护、河西走廊社会经济的持续健康发展提供科学依据.

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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

国家自然科学基金资助项目(编号：51109192)

贾雪娇(1990-)，女，湖北荆门人，硕士生，研究方向：水文地质、生态地质.*通讯作者.

2095-7300(2014)01-034-05

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