敦煌地区生态问题的地质学探析

黎志恒， 宁立波， 杨俊仓

(1.甘肃省地质环境监测院，甘肃兰州730050;2.中国地质大学 环境学院，湖北武汉430074)

敦煌南与阿克赛县和肃北县相连，西同新疆库塔姆格沙漠接壤，面积3.12×104 km2.与古楼兰一样，是古丝绸之路上的一颗璀璨明珠，是河西走廊的西大门，楼兰现如今已成漫无人烟的荒漠，敦煌依然像沙漠中的一座灯塔，顽强地屹立.她因有祖国和世界的艺术宝库莫高窟、闻名遐迩的鸣沙山和史称“神泉”月牙泉三大景观而名驰中外.但是近20年来，敦煌开始出现严重的生态退化问题，目前敦煌的生态问题主要有:区域地下水位持续下降导致月牙泉逐步枯竭、人工绿洲扩大、自然绿洲与湿地萎缩，土地盐碱化、荒漠化加剧等.这不仅威胁着敦煌这座历史文化名城的生存，使楼兰悲剧有在敦煌上演的可能;作为河西走廊的天然屏障，同时也影响着这个河西走廊的安危.因此，该文试图从地质学的角度解读敦煌的生态问题根源，并提出从地质学方法解决相应的改善和治理措施思想.

1 月牙泉问题的地质学解读

月牙泉位于敦煌盆地南部三危山山前，党河洪积扇与西水沟洪积扇之间的沙漠洼地中.在历史早期，月牙泉因其奇迹般的存在于沙漠之中千百年来未被蒸发而消失、水深达7～8 m、面积达9 000 m2而成为敦煌的旅游胜景.但这一切由于地下水位的急剧下降而变得岌岌可危.“月牙泉面临干涸是敦煌生态破坏的综合体现，必然会引起一系列的连锁反映”，而且随着问题的日益严重其诱致的一系列生态问题将会愈加严重，其原因是多方面的.虽然通过人工渗水暂时抑制月牙泉湖水位的持续下降，这只是治标，属应急治理，但至今并未解决大范围的地下水下降问题，亦即最终根治月牙泉枯竭问题.

首先是对月牙泉成因问题的认识.对于月牙泉的成因，长期以来存在多种认识，笔者认为月牙泉是区域地下水系统的一个组成部分，地下水由西向东径流和北部平原完全一致，属于同一流场，流经扇间洼地潜水露头，形成为月牙泉湖;近年来，有学者提出，月牙泉与南部的地质构造、局部断裂带有关;文献[1]认为月牙泉大、小泉湾的地形是典型的平原沙质曲流型河谷残留湖地型，后来由于河水退去、或由于河谷改道、或由于南北沙山在月牙泉西部相连，堵塞了古河道.使原来的小河形成了封闭式的残留湖;文献[2]认为月牙泉位于敦煌断陷盆地的边缘，从山前向盆地颗粒急剧变细，渗透性降低，地下水径流受阻而溢出，形成泉水溢出带;文献[3]认为党河洪积扇与西水沟洪积扇之间的沙漠洼地，因地形低洼切割至地下水位而形成的下降泉;文献[4]认为月牙泉是古河道发育过程中因侵蚀作用形成的一处洼地，或者称之为牛轭湖.甚至有人认为是人工挖掘成湖.至今并未有统一的认识.但无论研究者提出怎样的看法，从根本上来说，月牙泉是由地下水形成，其问题的本质就是一个地质学问题.

其次是治理问题.在查明月牙泉成因的前提下，以治理为根本.以往投入的治理工作，如直接往泉中注水、或者通过地下水渗透进行注水等效果不佳的原因就是对地质基础的研究程度不够，地下水的运动模式认识有所偏差.从前文的分析可知，问题的本质是地质学问题，那么首先要从研究地质学的思路出发，用地层演化、沉积环境变化和生态地质环境变迁思维解决地质问题.月牙泉问题是个系统工程，首先必须从系统的观点认识问题，在目前对月牙泉地下水系统结构辨识存在问题的前提下，或者说目前可将该系统视为一个“灰箱”，只能通过系统的输入和输出调整来改变系统的结构与功能，即人工改变月牙泉地下水系统的涨落特征，达到治理的目的.其次，由月牙泉变化诱发的一系列生态问题也只能通过月牙泉的治理来解决，所以必须用地质思维来解决问题，比如用地下水流动系统理论分析水质的变化、水位的变化、区域地下水与月牙泉域地下水之间的关系，在此基础上研究该地区沙漠化、荒漠化、植被的演替规律和恢复.

2 自然绿洲、湿地萎缩的核心与地质条件密切相关

敦煌绿洲是河西走廊西端的屏障，是敦煌赖以生存的基础.自然绿洲消失则必然导致敦煌从气候条件、水资源分布、植被生存、土壤结构、生态环境发生根本性改变，大范围出现沙漠化与荒漠化，重演古楼兰消亡的历史悲剧，进而造成河西走廊沙漠化和荒漠化进程加速.敦煌东、西湖湿地则是敦煌绿洲的生命线，她象月牙泉一样，也是敦煌生态退化的“眼睛”.因此，自然绿洲、湿地无则敦煌亡.湿地的分布不仅与土壤、气候条件有关，更重要的是与地下水紧密联系.纵观历史，汉唐时期敦煌森林茂密林草资源丰富.境内的东湖、西湖、北湖一带分布着23.6万hm2天然植被红柳、胡杨和芦苇等乔灌木，生长极为茂盛;祁连山雪水丰富，大小河流纵横，湖泊遍布，敦煌绿洲区内有666.7 hm2咸水湖和66.67 hm2淡水湖中，但如今 80%已消失[5].如今敦煌市总面积 3.12万 km2，其中绿洲面积仅1 400 km2;据敦煌市林业部门统计，近十几年来，由于水源严重短缺和生态环境日益恶化，敦煌绿洲的绿色防护体系面积急剧减少，截至目前仅剩8.67×104 hm2天然林和9.00×104 hm2草场，分别比新中国成立初期减少40.00%和77.00%.

在敦煌市境内，分布着四个自然保护区，即市区正西方向120 km处的国家级西湖自然保护区、市区西北方向18 km处的县级南泉湿地保护区、市区西南方向70 km处的省级南湖候鸟保护区和市区东北方向的县级东湖自然保护区.比较而言，西湖湿地保护区对敦煌市的意义最大，它不仅是敦煌市的生态屏障，也关系着河西走廊的疏勒河流域的未来.它位于甘肃河西走廊最西端，距敦煌城西120 km处，西接库姆塔格大沙漠，南与阿克赛哈萨克族自治县相邻，北与新疆维吾尔自治区接壤，总面积66.00×104 hm2.敦煌西湖国家级自然保护区是由森林、灌丛、草甸、荒漠和湿地一起构成的复杂多样的生境类型，具有特殊的干旱生态系统和湿地生态系统的发生、发展和演替过程.但是随着环境的恶化，湿地以每年0.13×104 hm2的速度递减，原有的永久性湿地大部分已转为季节性湿地，到2005年，面积减少了近28%，仅存18.00 ×104 hm2.据近几年的监测，随着湿地的萎缩，库姆塔格沙漠正在以4 m/a的速度向前推移[6].据地下水监测资料，30年来，敦煌绿洲地下水位下降了10余m;有生态专家预测，再过50年，敦煌西湖湿地——湾窑墩草场将完全干涸.

有学者认为，这些问题的产生与敦煌地区的水环境变化没有关系，而主要原因是人口的急速增长和地下水的无序开采与超采[7].应该说，这种观点有一定道理，但并不全面.敦煌地区的任何生态变化都必须放在整个西北地区、甚至全国大气候变化的前提下考量.据研究，近数十年来受世界气候带变化的影响，敦煌地区的气候呈现出如下特点:温度持续走高、降雨持续降低、大风天气逐渐增多、蒸发量逐渐增加.尤其是敦煌地区地表水主要来源之一党河的来水量受祁连山冰川融水量的影响，其来水量呈现相对稳定的趋势.而且，研究认为西北地区的干旱化趋势不仅在相当长的时间内不仅无法改观，而且还会更趋加强[8].因此，敦煌地区的水环境必然会有所变化，变化的影响因素很多，既有自然的，也有人为的.自然绿洲、湿地萎缩的核心与地质条件密切相关.

所以，针对敦煌地区的生态其极其脆弱现状，一旦被破坏极难恢复.防治工作首先要做的是保证不再进一步恶化，根据敦煌生态系统的特点，来调整人类各种生产活动.但是这必须以保证敦煌市社会经济的可持续发展为前提，即在满足当地居民正常的生活前提下进行适当调整，就是说要对敦煌市的生态现状、生态容量、最低需水量等指标进行评估，对敦煌市社会经济需水量、居民生活需水量等进行估算，对敦煌市社会经济结构中存在的问题进行认真分析.与上世纪50年代初期相比，敦煌市人口增加了近5倍.据资料统计，2008年敦煌绿洲内共有机井3 180眼，年采地下水3.13×108 m3，达到最大值.其中农业用井2 695眼，开采地下水1.60×108 m3;工业生产、人畜饮水用井485眼，开采地下水1.53×108 m3，可开采利用的地下水量约0.504×108 m3[9].监测资料表明，1975 ～2005 年的 31 年间总计地下水位下降10.77 m，根据2008～2010年监测资料，每年以0.40～0.10 m/a的速度急剧下降.在此基础上，治理工作必须尊重自然客观规律、尊重现实，适当调整产业结构，关停部分机井，控制地下水开采量，保证生态需水的最低要求.

图1 样地调查内容示意图Fig.1 Schematic of plot survey content

生态治理涉及生态学、植物学、种植学、农学、林学等学科，但都无法离开地质学这个基础，即近些年发展起来的生态地质学.生态地质学理论认为，由土壤、部分母质及包含在其中的水分、盐分、空气、有机质等构成的地下空间实体，是植物赖以生存的营养源和根系的固持基质.在一个特定的陆地生态系统中，植物根系所占据的地下空间，是该生态系统内部的一个子系统.这一地下空间称为植物的地下生境(plant below-ground habitat)，简称“地境”.在个体层次上，不同的地境稳定层对应的是个体所处的具体小环境，植物个体的生长状况则是对其地境稳定层特定组态的“生理响应”[10].植物对地境的选择是多因子的，所以它的生长状况也就不仅取决于地境中的某一因子，而是取决于各因子状态的组合情况，同时还受群落中各种群之间能量、水分、养分的依存关系或竞争关系的制约.生存域不是以单一物种对某一因子的耐受性关系为出发点，而是从诸多因子状态组合对植物协同作用的角度分析问题.另外，它规定了所要研究的物种是处于野外的具体群落中，物种的生长状况既反映了植物生长的地境背景对该物种的适宜程度，也隐含了该物种所在群落中各种群关系的重要信息(如共生、竞争关系).从概念可知，生存域可以较充分地体现各生态因子间的协同关系.根据植物的地境稳定层和有关地学指标确定植物的生存域[11].

在敦煌这种及干旱条件的特殊地区，进行植被种植首先必须调查清楚当地的地境特点，这主要是通过生态地质调查来实现，样地调查包括植被调查和地境结构调查，具体的调查内容见图1.通过调查主要研究:(1)植物长势与水肥条件的关系;(2)不同生活型、不同物种与地境层片的对应关系.确定植物的地境稳定层.其次研究各植物种的生存域.并确定在哪些地区适合种植哪种植物.同时也注意乔、灌、草的结合种植，从地境层片看，它们的根群分别占据不同的地镜层片，即各自有不同的生存区域，这样就可以保证它们在水分、盐分、肥分等方面有合理的分配，提高成活率和成长速度.

3 土地荒漠化的地质学分析

20世纪90年代，敦煌市荒漠化土地面积为2 527 658 hm2，占敦煌土地总面积的81.58%，而到2001年，荒漠化土地面积增加到了2 707 335.27 hm2，净增 7%[9].自 1994 年以来，绿洲外围沙化面积平均每年增加1.12×104 hm2.2000年敦煌市盐渍化土地面积达239 853.5 hm2，占总土地面积的7.7%[7].1980年敦煌西湖湿地生态系统内沙漠面积为51.05×104 hm2，占总土地面积的16.36%，2000年沙化土地面积已达 83.06×104 hm2，占总土地面积的26.62%，仅20年间沙化面积增长32.01 ×104 hm2，增幅达 10.26%，年均增加近0.10 ×104 hm2，年吞噬绿洲边缘 2 ～3 m[12].

从地质学的角度看，风力侵蚀、水力侵蚀、土壤盐渍化和土壤的冻融是引起土地荒漠化的主要几种外动力作用.风蚀是一个复杂的风沙物理过程，其是否发生及发生的强度由气流状况和下垫面状况共同决定.实验研究证明，在干旱多风的气候作用下，当地表植被和表层土壤遭到破坏后，土壤风蚀强度将急剧倍增，戈壁化和沙漠化速度会以比植被发育良好的地区高出数倍、十余倍甚至百余倍.之所以出现这种现象，是因为下垫面性状和风蚀之间存在着正反馈作用，在风速不变的情况下，下垫面性质的恶化导致风蚀加剧，风蚀作用的加剧使下垫面性质进一步恶化，为风蚀的进一步加剧创造条件，从而形成一个不需要进一步强化外部驱动力就能逐渐加强风蚀作用的自组织过程[13].此外，土地利用、农业结构、耕作制度、放牧强度、樵采方式等人为活动通过改变下垫面和气流的天然状况，也影响着风力侵蚀的过程，称为人为因素.其中，土地利用类型、工程活动和耕作方式直接影响着地表覆盖物的类型、植被覆盖度、植物群落结构和土壤结构等抗蚀因子;水资源的开发利用可通过影响区域地下水位，进而影响土壤含水量、植被覆盖度和植物群落结构等抗蚀因子;水资源的开发还可能造成干旱区河流、湖泊等地表水域萎缩，使大量松散沉积物暴露在风力作用下.

敦煌地区土地荒漠化的原因主要是干旱气候下的风力侵蚀和人类活动.我国西北地处大陆中心远离海洋“大陆效应”也会使纬度带造成的干旱程度更加增强.另外一个原因是青藏高原的持续隆升.敦煌市深居内陆，属典型的暖温带极端干旱性气候，气候干燥，降水稀少，蒸发强烈，多年平均降雨量仅39.3 mm，蒸发量却高达2 486 mm，年平均风速 1.9 m/s，8 级以上大风日数 7.8 d[12].而且近30年来大风日数越来越多，降水量越来越小.而且敦煌市的人口从上世纪50年代初的3万多人口增长到如今的近20万人;耕地数量从0.89×104 hm2，增加到现在的2.33×104 hm2;灌溉土地数量也呈几何级数增长，灌溉用水量也增加迅速，渠系利用率从0.3左右提高到0.6左右[9].与这些相反的是地下水位的大幅度下降、植被的成片枯死，这些既为风蚀作用提供了大量的物质基础，成为风蚀的加剧因素.

风蚀的形成必须具备两个基本前提:地表有可蚀性颗粒物;要有足以使地表土壤颗粒产生运动的风速[13].所以，要控制风蚀，一方面要改变下垫面结构，提高其抗蚀能力;另一方面要增加地面粗糙度和摩擦力，降低近地面风速.就敦煌市的实际情况而言，土地荒漠化治理的选择并不多，因为改变局部风力，或者说局部气候难度非常大，尤其是在敦煌这样各方面自然条件都非常恶劣的地区，更不用说改变大气候了.因此，应该在查明地下水系统和地下水动态的基础上，根据居民用水和生产用水的基本数额，合理调整地下水的开采量，关停部分机井;合理调整产业机构，减少高耗水、低产出的企业，种植耐旱的农作物和高产出的经济作物;有计划地实施退耕还林还草，在个别荒漠化严重地区，实行人工种植，但必须在生态地质理论的指导下，查明这些地区的地境特征和适合的植物种.

4 结论

1)敦煌地区生态退化问题的根源应该从地质学的角度分析，通过研究水资源转化与地下水运动形式，饱水带与土壤层之间关系，寻求生态退化问题方式，因此说是探求地质问题.

2)敦煌生态退化是一个自然科学的问题，治理必须尊重科学规律.这里生态问题的治理是一个地质科学领域的问题，就必须用生态地质学的理论和方法去解决.

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