青藏高原土地沙化研究进展

陈冬冬,田丽慧,张登山,吴汪洋,2

(1.青海大学省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室,青海 西宁 810016;2.东华理工大学地球科学学院,江西 南昌 330013)

土地沙化是指由于气候变化及人类活动等因素所致的非沙质荒漠地区的土地退化现象[1]。这一问题严重制约了社会经济的可持续发展,对生态安全构成巨大威胁。青藏高原生态环境脆弱,气候条件恶劣,土地沙化分布广且类型多样。受自然恢复条件的限制,本区土地沙化的治理极具挑战性。近几十年来,对青藏高原土地沙化的研究相对零散,缺乏综合性研究。因此,本研究总结了关于本区土地沙化的现状、动态变化、驱动因素和防治工作取得的成效,可为未来在本区开展科学系统的研究和荒漠化治理提供参考。

青藏高原是中国和亚洲的江河源和生态源[2],被誉为“世界屋脊”和“地球第三极”[3],是北半球气候变化的启张器和调节器[4]。它不仅直接驱动中国东部和西南部气候,对全球的气候变化也具有敏感性、超前性和调节性[5]。青藏高原土地沙化加剧引发的自然灾害可能会对社会经济发展带来重大影响,并对高原和人类生存环境造成连锁反应。近 60 年来,针对青藏高原地区土地沙化的动态变化、防治措施和生态恢复实践等领域取得了显著的进展,包括以下几个方面。

1 青藏高原地区土地沙化动态变化及成因

1990年以来青藏高原地区土地沙化总面积逐年减少,沙化程度总体上呈逆转状态,但部分区域土地沙化问题不断出现。如黄河源区土地沙化呈先扩张后逆转的趋势,土地沙化面积呈增加趋势[6]。对于土地沙化成因,学者们持有不同观点。张煜星[7]认为,高原和高山地形对气压和季风环流系统的重新分配及阻挡作用,强烈的物理风化作用和盐分积累逐渐导致土地沙化。罗磊等[8]指出气候因子是导致青藏高原北部土地沙化的主导因素,尤其是降水时间分布的不均衡。张雪芹等[9]研究发现,不合理的土地资源开发导致了青藏高原土地沙化现象。靳鹤龄等[10,11]则发现其过程基于脆弱的生态环境和缓慢的自然荒漠化,而人类的不合理活动诱发和加剧了沙漠化的过程。青藏高原土地沙化分布广且类型多样,不同地区沙化成因复杂。

川西北土地沙化呈局部好转、整体恶化的态势[12]。沙化程度逐渐加深,扩张速度加快,潜在风险区大,治沙任务艰巨。川西北土地沙化是自然因素和人为因素综合作用的结果,主要原因包括土壤质地、气候变化、鼠虫害、人口增长和超载过牧等[13,14]。若尔盖县是川西北地区土地沙化最严重的地区,自1994年以来,土地沙化和草地沙化面积持续增长,主要为轻度土地沙化,表明沙化问题尚处于初始阶段,是治理的良机,但土地沙化演变存在渐变和跃变过程,治沙任务依然艰巨[15,16]。该区草原沙化面积不断扩大,处于沙化边缘的严重退化草原也呈逐年递增的趋势。究其原因,是自然过程和人为加速过程彼此叠加并相互反馈的结果,气候因素起到主导作用,而人为因素则是加速沙漠化的激发因素,草地沙化主要是由过载放牧所引起的[17,18]。

西藏土地沙化主要分布于极高山和高山地貌区地形缓的地表,尽管全区沙化程度较为严重,但拉萨、山南地区的土地沙化面积呈下降趋势[19]。西藏地区土地沙化由地质、气候、人为多种因素共同驱动[20]。域内雅鲁藏布江是我国最长的高原河流,近40年来,沿江地区土地沙化经历了沙化增长趋势明显—快速增长—缓慢增长三个阶段,土地沙化的年均递增速率出现了极大的逆转,表明该流域内的土地沙化得到了有效控制。这是自然与人为因素相互作用、相互激发、相互促进的结果[21]。土地沙化成因在流域不同区域有所差异,上游马泉河流域主要受自然因素影响[22];中上游地区人为因素更为显著[23];中游河谷区域主要受风力吹蚀驱动[24];而在中游下段,自然因素占主导地位,土地资源过度利用加剧了沙漠化的进程[25]。

青海省地处青藏高原东北部,号称“三江之源”。青海湖流域是维系青藏高原北部生态安全、控制西部荒漠化向东蔓延、保障东部生态安全的重要生态安全屏障。本区土地沙化面积自1999年呈现波动减小的趋势[26,27],气候和土壤结构是影响青海湖流域土地沙化的主要因素[28]。在三江源地区, 2000年之前气候暖干化和人为活动加剧导致土地沙化加剧,2000年之后气候暖湿化成为改善土地沙化的主要因素[29]。

2 青藏高原土地沙化生态治理措施

高寒沙地生态治理包括物理修复、化学修复、生物修复和综合治理措施等。物理修复措施中广泛采用机械沙障,如在共和盆地和青海高寒沙区分别使用粘土沙障、乌柳和柽柳柳条沙障固沙技术[30,31]。在青海湖沙区1.5 m×1.5 m规格的麦草方格防风固沙效果最佳[32],尽管尼龙袋沙障效果更好[33],但其不易降解且易造成环境污染。在若尔盖地区,生态毯及生态毯与高山柳混合模式是治理沙化草地的主要措施[34]。

生物修复技术可以提供土壤质量,增加土壤团聚体和有机质含量,改善水分保持能力、肥力和生产力。在高寒沙地治理中,选择适应低温和水分胁迫的植物,如沙棘、乌柳、高山柳、樟子松、小叶杨等。生物沙障以混合草本带播和撒播种植模式在高寒沙化治理中效果最佳[35]。化学治沙可以改良沙土质地和理化性质,提升沙地的水分保持能力,达到防沙固沙效果[36]。研究发现喷涂W-OH固沙剂保水效果良好[37],化学固沙处理+沟处理可以显著改善沙丘内地温、土壤含水量和植被个体数[38]。纳米TiO2改性P(VAc/BA)乳液成本低廉,使用便捷且环境友好,适宜在高寒沙地推广[39]。此外,田间施用秸秆颗粒改良剂可以增加土壤氮素含量[40]。 尽管化学治沙和土壤改良剂是可以有效解决土地沙化问题,但修复周期较长,研发费用高,且易发环境污染,应用较少[41]。以植物为主体,将生物、机械和化学等多种手段相结合的综合治理模式已成为我国防治沙漠化趋势[42]。如在青海湖地区,引入种植小麦(TriticumaestivumL.)、青稞(HordeumvulgareL.var.nudumHook.f.)、燕麦(AvenasativaL.)和多年生草本沙障的新技术、新方法[43]。在川西北地区,构建了“生物沙障固沙+丛植灌木+混播草种”等多种重度沙化土地的生态治理恢复模式[44]。综合治理需因地制宜,结合多种方法,同时需要加强研究和创新,提高治理的效率和水平。

3 青藏高原沙化治理中存在的问题

3.1 基础资料不全,区域研究薄弱

20世纪90年代以来,学者们对青藏高原的土地沙化问题展开研究,然而与其他地区相比,该地区的研究仍相对较少且分散、深度也不够。这是由于青藏高原地域幅员辽阔、海拔高差大、地形复杂,气象站的空间观测能力严重不足,基础数据的收集不够全面,且大多数据不对外共享。因此,加强数据收集和共享,应用遥感技术,采用多学科交叉的方法,结合野外长期观测试验和室内试验模拟分析,建立科学公认的监测评价体系和预测模型,形成一套多种研究方法相耦合且完整的土地沙化研究体系,为青藏高原的生态环境保护和土地沙漠化治理提供科学依据和决策支持。

3.2 生态修复技术体系不完备

目前,防沙治沙技术的研究与推广处于探索阶段,缺乏系统的技术标准和评价体系。生态恢复工程选址、树种选择、治理模式等问题缺乏详细的研究,基层技术力量薄弱,难以实现精准治沙。治沙资金紧缺,治理工程和措施后续的保障和巩固困难重重。虽然已治理地区的植被逐渐恢复,但稳定性较差,易发生反弹。此外,治理与破坏现象同时存在,形成了治理—破坏—治理的恶性循环。

传统固沙材料具有一定效果,但使用年限短、运输成本高、施工难度大。新技术和新材料为土地沙化治理带来机遇,但成本高,专业性强,不适宜大规模推广,且在应用中存在衔接难题。沙漠化防治项目主要依赖国家拨款投资,科技含量低,技术不成熟,产业模式单一,重经济而轻生态。因此,需积极探索适宜的生态农业建设模式,构建多元主体协同治沙模式。未来应重点关注低成本、绿色且使用便捷的固沙技术的产业化和生产标准化,提高技术的应用效果。

3.3 生态环境脆弱,生态限制因子局限

青藏高原地区属我国生态环境典型脆弱区,地形和水资源的限制导致沙化程度严重,加之气候恶劣,土壤贫瘠和低植被覆盖率,易受风沙侵蚀,且难以恢复。气候条件和沙化类型的多样性,以及立地条件和沙化成因的复杂性,决定了沙化治理的艰巨性。在青藏高原气候暖湿化背景下,要充分考虑气候变化的影响,未来草地退化、生态安全和水资源短缺的潜在风险可能逐步增加。然而,暖湿化对植被生长和恢复有积极意义,且青藏高原地区湖泊面积整体扩张,多数河川径流量增加。沙化地区水资源弥足珍贵,未来应重点关注水资源的时空分布和承载能力,坚持以水定治、量水而行的科学治沙措施,加快植被恢复。

4 青藏高原土地沙化治理展望

近年来,青藏高原土地沙化的相关研究取得较多成果,但土地沙化局部好转,整体恶化的趋势仍未改变。植被在土地沙化恢复方面起着重要作用,其选择十分关键。沙区植被系统生态水文过程对植被的组成、格局、演替有深远影响,阐明影响植被格局及动态的生态水文机理是沙区植被建设与固沙植被稳定性维持的重要研究内容和方向之一,需深入探究[45]。

遥感技术的发展推动土地沙化监测和土地沙化信息提取方面取得新突破,监测技术和分类精度进一步提高。研究土地沙化区域水土资源承载能力和土地合理利用方式, 探讨环境容忍量和土地利用安全格局,利用马尔可夫(Markov)、土地利用变化及效应等模型预测土地沙化发展趋势,确定重点治理区域,制定土地沙化综合防治区划,根据土地沙化敏感性因子和驱动因子,制定防治措施,建立土地沙化生态系统分析和评价的评估指标体系将是未来的重点工作。

土地沙化治理方面,需克服水资源和成本等限制,突破节水型、低成本和易操作的瓶颈,寻求高效的施工方法,结合其他固沙措施,形成多种模式相结合的综合治沙模式,以绿色环保技术为发展方向。

此外,发展沙产业也尤为重要。下一步需要结合经济学、沙漠生态学和高新技术等,将沙漠治理和经济发展相结合,积极探索、开发和推广适宜的生态农业建设模式,走生态经济发展模式,构建多元主体协同治沙模式,科学、合理、有序开发利用沙区生态产业,以防沙治沙诱导沙产业的开发,借发展沙产业促进防沙治沙工作发展和防治沙化科技成果转化,以提高防治沙漠化工作的整体效能。除了继续推进土地沙化动态变化、成因分析、治理对策等热点的研究,我们还应在风沙物理与沙漠环境、恢复生态学等基础研究领域开辟新的研究方向[46]。