Question

典型地区环境地质指标研究

Answer 1

我国历来十分关注干旱、半干旱和半湿润地区土地退化、沙化动态。国家为实现宏观管理，制定防治沙化战略，统筹规划，需要掌握沙漠化现状，土地沙化程度等；也需要在研究国内沙漠化过程、危害等基础上，制定一套具有科学性和实用性的评价指标体系。而缺少实地研究是以往制定沙漠化评价指标体系的一大弊端，导致评价指标体系实用性差。因此，我们以干旱地区额济纳旗为研究个案，对沙漠化环境地质指标进行研究和验证。

一、额济纳盆地自然地理背景

（一）地形地貌

额济纳盆地位于黑河流域的下游，地处内蒙古自治区阿拉善盟最西端，系指阿拉善以北、阿尔泰山以南、巴丹吉林沙漠与走廊北山之间的额济纳荒漠平原。地势低平，海拔900～1130m，自南西向北东缓慢倾斜，地面坡度1‰～3‰。其北部和西部为马鬃山和阿尔泰山低山丘陵，海拔1000～1500m，相对高差50～200m；东南部为巴丹吉林沙漠，平均海拔1100～1200m；南与甘肃省鼎新盆地相邻。在行政上隶属甘肃省金塔县和内蒙古自治区额济纳旗，总面积约3.4万km²，地理坐标为E99°30′～102°00′、N40°20′～42°30′（图3-3）（王根绪、程国栋，1999）。

图3-3 研究区地理位置图

额济纳盆地为阿拉善台隆凹陷，其间发育的北东、北西及北北东向构造，将其分割成规模不等的棋盘格式地块，构成凹陷与隆起相间的特征。狼心山—木吉湖隆起把盆地分割成东西两部分，形成两个天然的第四系沉积洼地，控制了第四系地层的沉积厚度及岩相分布。

中生代以来，青藏高原的隆升造成阿拉善高原的掀斜抬升和额济纳平原的相对沉降，使研究区的地势整体上呈南高北低，引起水系侵蚀切割作用的加强，大幅度的沉降过程与充足的物质填充使研究区第四纪地层甚为发育，形成大量的沙物质，为沙漠的扩展和沙尘暴的频发提供了物质基础。研究区第四纪松散沉积物的厚度可达100～300m，总体上呈现出盆地内部较厚、向四周渐薄的特征，北部额济纳旗-老西庙和南部青山头东山以东至古日乃湖一带，第四纪松散层大于200m，北山山前及居延海以北地带小于50m。从岩性上看，南部地区以砂砾石、砾卵石地层为主，夹杂少量的亚砂土、亚粘土；北部为亚砂土、亚粘土与砂砾石互层地层。

中生代的地质构造运动，奠定了研究区地貌的基本格架，近期干旱气候条件下的风化剥蚀，流水和风的搬运堆积作用塑造了现代地貌的形态景观。研究区地貌类型按其成因可分为构造剥蚀地貌、堆积地貌和风成地貌三大类型。每一类型中受外营力的方式与强度不同，显示出形态差异。

地貌类型以构造剥蚀地貌、堆积地貌和风成地貌三大类型为主：构造剥蚀地貌又可分为构造剥蚀低山丘陵和构造剥蚀准平原两个单元，前者主要分布在盆地北部和西部山地，后者分布于盆地东北；堆积地貌构成盆地内部地貌的基本格架，可分为冲洪积、冲湖积和湖积平原及山前倾斜平原四个地貌单元，冲洪积平原分布在盆地南半部的广大戈壁平原，冲湖积平原分布于建国营、额济纳旗以北，湖积平原分布于盆地东、北边缘地带，山前倾斜平原分布于盆地北、西山前地带；风成地貌则包括风积和风蚀两种地貌单元类型，前者主要分布于零星分布于盆地东部和东南部，后者分布在盆地内黑城周围。

（二）气候

额济纳盆地是我国典型的干旱区，大部分地区为荒漠戈壁。额济纳盆地属温带干旱气候，降水稀少，蒸发量大，年降水量一般小于50mm，最小年份仅17mm，气候异常干燥，风沙灾害频发，是严重的缺水区和生态环境脆弱区，也是我国北方沙漠化日益严重和沙尘暴的主要物质源区之一（陈刚等，2001）。

（三）水文

1.地表水

黑河是进入该区的唯一的河流。发源于祁连山区，经高山草原和森林区出山，穿越干旱区山前绿洲带和广袤的荒漠带，流入下游地区的额济纳盆地，称弱水，至狼心山西麓的巴彦博古都分为东、西两河。东河向北分8个支流呈扇形汇入东居延海（索果淖尔），西河向北分四个支流汇入西居延海（嘎顺淖尔）。东居延海（索果淖尔）和西居延海（嘎顺淖尔）是现代黑河的尾闾湖，境内流长297 km。

黑河流入额济纳盆地的水资源量，取决于中游向下游的泄水量。由于黑河流域需水量逐年增长，到达居延海的河水逐年减少。黑河上游正义峡水文观测站实测，多年平均径流量11.24亿m³，额济纳境内有8亿～9亿m³水可供利用，然而，因中游需水量的加大，致使河水下泄量锐减，自1949～2001年，正义峡流入下游地区的年径流从13.19亿m³/年降至6.91亿m³/年，减少了48%。而实际进入额济纳盆地的水量更少，从狼心山水文站的监测资料来看，由20世纪50～60年代的5.46亿m³/年，降到2001年的3.46亿 m³/年。河流流量的锐减，使河道大部分时段都处于干涸状态。2001年后，因生态输水工程的实施，中游下泄水量呈增长趋势，正义峡径流量基本稳定在11.48亿 m³/年左右，狼心山径流量则保持在7.16亿 m³/年左右。

2.地下水

额济纳盆地的含水层组包括：碎屑岩类裂隙孔隙潜水含水层、基岩裂隙潜水含水层、第四系潜水含水层、第四系承压含水层及相对隔水的第四系弱含水层。碎屑岩类潜水含水层和基岩裂隙潜水含水层，呈条带状分布于盆地周边，总面积约1512 km²，含水层的补给条件差，一般不具供水意义；第四系含水层具有单一结构、双层结构和多层结构，是盆地主要的开采层。额济纳盆地地下水系统的补给来源主要是黑河水的垂向渗漏，其次是大气降水的入渗补给。地下水系统的排泄主要有潜水的蒸发蒸腾排泄及工农业生产和居民生活对地下水的开采，其中潜水的蒸发蒸腾占地下水排泄总量的96.75%，是地下水的主要排泄途径。

（四）土壤

额济纳盆地地处中国西北极端干旱区，属于欧亚大陆的中心地段，由于第三纪末以来青藏高原隆起对西南季风的阻隔作用，使该区为高温干燥气团所控制，长期干旱少雨、蒸发强烈。由于风力强劲且地表植被稀疏，研究区风蚀作用剧烈。另外，额济纳盆地是黑河下游的一个封闭式内陆盆地，黑河水及四周山地水源不断的注入，将山地岩石及流域上游成土母质中的盐分携入盆地，由于缺乏径流出路，水中盐分不断向盆地低处和地表聚集，在强烈的蒸发作用下，地下水和包气带深层的盐分随土壤毛细管水不断向地表聚集，而干旱少雨的气候又使土壤淋溶作用微弱，造成土壤积盐。上述作用的综合影响使研究区土壤呈现出以粗砾质物质为主、成壤程度低、有效土层薄、土体干燥、土壤可溶性盐类表聚、有机质缺乏、有效养分不足、土壤生产能力低的基本特征（和文祥等，2000）。

从土壤类型来看：以灰棕漠土为主要地带性土壤，受水盐运移条件和气候及植被影响，非地带性分布硫酸盐盐化潮土、林灌草甸土及盐化林灌草甸土、碱土、草甸盐土、风沙土及龟裂土等。①灰棕漠土广泛分布于全区高平原和冲积平原上，东西戈壁和中戈壁是其典型代表地段；②林灌草甸土和潮土主要分布于弱水河（黑河）河谷阶地和封闭洼地上；③盐土和碱土主要分布于拐子湖、古日乃湖及东西居延海等湖盆地周围；漠盐土主要分布于北部高原封闭洼地内；④石质土、粗骨土、新积土主要分布于盆地东、西及南部的剥蚀残丘和残山上；⑤风沙土除巴丹吉林沙漠外，在东河西岸尚有带状分布；⑥龟裂土面积很小，主要分布于高原和平原上的局部碟形洼地。

（五）植被

额济纳盆地属干旱区半荒漠、荒漠地带，主要由温带落叶小叶疏林、温带荒漠草原和温带草本沼泽三种植被类型组成。以藜科、疾藜科、麻黄科、菊科、禾本科、豆科为多见植物。受河流水源和人类活动影响，在河流两岸、三角洲上与冲积扇缘的湖盆洼地—带，呈现荒漠天然绿洲景观，代表性植物以戈壁成份占优势，如琐琐、泡泡刺、霸王柴、膜果麻黄、松叶猪毛菜、合头藜、短叶假木贼、蒙古沙拐枣等，其中瓣鳞花只分布于额济纳旗；河滩林和灌丛有胡杨、沙枣、柽柳及盐湿草甸种芨芨草、野大麦、盐生草等；在沼泽和树旁生长有芦苇、狭叶香蒲、狗尾草、灰菜、田施花等。

总体来看，研究区植物群落结构简单，种群依赖关系不强，植物的密度和覆盖度较低。

二、额济纳盆地土地沙漠化现状分布与演化过程

（一）额济纳盆地土地沙漠化现状分布特征

同其他内陆河流域下游土地沙漠化形成与发展的过程相类似，额济纳旗境内沙漠化土地的形成与发展源于两种途径：一是绿洲周边与巴丹吉林大沙漠相邻接，沙漠中流动沙丘前移入侵，在交界线上植被生态大范围衰退的条件下，这种推移速度和规模已十分可观；二是沙漠化的产生与发展听命于水资源的盛衰，弱水（黑河）水系变迁及来水量的急剧减少，造成植被生态赖以生存的地表水和地下水源严重不足，形成绿洲土地大量沙漠化。

沙漠化土地已遍布全旗，包括现代河水三角洲地区。据统计，额济纳旗现有风沙化土地面积155.54万hm²其中流动沙丘（地）面积约95.31万hm²，固定和半固定沙丘（地）60.23万hm²；覆沙或砾石的戈壁滩地面积约483.05万hm²，沙漠化土地总面积为638.59万hm²。沙漠化土地占总土地面积的62.32%，是绿洲面积（耕地、林地、草地与水域面积之和）的1.7倍；流动沙丘（地）面积占总沙漠化面积的14.92%，约占单纯风沙化土地面积的61.28%；戈壁滩地占总沙漠化土地面积的75.6%。

从上述沙漠化分布指数可以看出，额济纳旗境内沙漠化土地已成为主要的土壤环境构成要素，沙漠化土地中尚以戈壁滩地为主，但单纯风沙化土地中以流动沙丘（地）占据绝对优势，反映出沙漠化演进程度和潜在危害性都十分严重。昔日以黑城为代表的古居延绿洲现大多成为流动或半固定沙丘（地），深居绿洲内部的古河床或废弃干涸的河床遍布三角洲地区，这些都是沙漠化的源地，绿洲生态十分脆弱。

（二）额济纳盆地土地沙漠化演化过程

额济纳盆地由于所处的地理位置和自然条件，生态环境十分脆弱，再加上历史时期掠夺式的土地利用方式使生态失衡、环境退化，昔日草原逐渐退化为风沙活动频繁、流动沙丘与半固定沙丘交错分布的景象。

在近现代，特别是20世纪中叶以后，人口迅速增长，进一步引发了过度开垦、过度放牧、滥樵采等现象，尤其是黑河中游下泄水量大幅度减少，脆弱的生态系统进一步恶化，虽然2001年中游下泄水量增加，但沙漠化的进程没有减缓：耕地、草场的风蚀和沙丘的活化越来越严重，沙尘暴愈来愈频繁，从20世纪50年代的5次→60年代的8次→70年代的13次→80年代的14次→90年代的23次，且发生强度加大，影响范围扩展，危害程度加重。根据兰州沙漠所在1975～1986年进行的有关监测结果，在所控制的1.6万km²范围内，沙漠化土地从1975年的3400 km²扩大到1986年的5875万km²，平均每年增加225 km²，年增长率达到6.7%。另据曾群柱等人利用TM影像判读得：从20世纪60年代至80年代初，戈壁、沙漠面积增加了约4.62万hm²，年递增2333.3 hm²，而从1987 年至1991年间，戈壁、沙漠化面积（植被覆盖率＜10%）增加了约5.6%，年递增近1.63万hm²。

土壤物质在风力的作用下，通过悬浮、跃移、和蠕动三种方式迁移（美国水土保持局农业信息公告555 号，1994），细粒物质以漂尘形式俗称“沙尘暴”被带到远处，中细粒（在风力强大的地方包括粗沙）大部分以跃移方式沉积到背风坡或洼地，局部地段有的连成沙丘。随着时间的推移，风蚀区的细粒物质被风不断吹走，地表颗粒粗化，呈现近似砾石戈壁的形态，而风积区逐渐形成面积越来越大的沙丘。如此循环往复的过程就是土地沙漠化的形成过程。

综上所述，额济纳盆地，尤其是弱水三角洲地区，包括部分东西戈壁平原但不包括中低山剥蚀残丘区和沙漠区，主要是近代洪积—冲积沼积物，土壤组成多为粗粒的砂砾石为主，有效土层薄，土体干燥，土壤可溶盐类表聚，除少数沿河湖盆洼地分布的潮土、林灌草甸土外（仅是总土地面积的1.8%），其余非沙漠化土地均具有沙漠化倾向，随着植被生态体系的极度衰退和水源枯竭，绿洲主体区外围的零星植被小斑块进一步消亡，裸地的连通性进一步增大，绿洲—荒漠对立分异的格局加强。绿洲继续收缩，黑河沿岸绿洲逐步分解和消亡。随着沿河绿洲的消亡，东、中、西戈壁将连为一体。沙漠化扩展速度及扩展强度（年扩大面积）将继续增强。

三、额济纳盆地沙漠化地质成因分析

（一）物质来源

额济纳盆地内的干湖盆和干河床为沙漠化的发生和发展提供了丰富的沙物质来源：①位于额济纳盆地的古居延泽曾是阿拉善高原上的巨大湖泊，最大时达到2600km²，第四纪以来，由于气候日趋干旱，古居延泽湖盆萎缩，分解为嘎顺淖尔、索果淖尔及天鹅湖等湖泊，近几十年来，这些湖泊也相继干涸，干涸湖盆地表湖相沉积物中粒径小于10μm的颗粒占64%以上，可以在一般风暴条件下就被刮起和搬运。②额济纳盆地地形平缓，坡降在1/1000～1/1200之间，使得河道四散漫溢，很容易淤积改道，古河床和现代干河床中留下了大量松散、干燥的细颗粒沉积物，为沙漠化的发生提供了丰富的尘源。

土壤是沙漠化的基础。额济纳盆地从山麓到河流尾闾区依次分布着灰钙土（粟钙土）、灰漠土、灰棕漠土和棕漠土。其中受人工灌耕及水盐条件等因素影响，非地带性分布有草甸土、沼泽土、盐土、风沙土及灌耕土等类型。

灰漠土、灰棕漠土是研究区分布最为广泛的荒漠土壤类型，以黄土状物质为母质，分布在额济纳河以西地区及北山山地以北、以东和以南。在干旱气候和灌木半灌木荒漠植被条件下的粗骨性母质上，质地较粗，土层较薄，砾石含量多，颗粒大小不一。

棕漠土是极端干旱条件下的产物，其上植被稀少，土壤环境质量最差，多分布在荒滩戈壁上。地表光秃裸露。

天然绿洲内多是草甸土，封闭洼地为沼泽土，农作物种植地多为灌耕土，巴丹吉林沙漠是风沙土的典型代表，盐土主要分布在下游的古日乃湖、东西居延海等湖盆地周围。

总之，在额济纳地区，地表多为第四纪冲、洪积的松散堆积物，戈壁地带土壤质地为沙土含砾，在河流两岸以及湖区，则是细粒的沙及壤土沉积。地表松散的沙含砾及细粒的河湖沉积，为风沙作用提供了沙源。

（二）水文特征

就水资源系统而言，河流上的水利工程和工业排污等在时间和空间上干扰了水文循环质和量的过程，农业灌溉使河道外用水大量增加，改变了地表汇流规律，地表径流量分配（流域不同区段）、年内径流丰枯的自然变化和地下水补给规律。

1.黑河输水量的变化

根据狼心山水文站（黑河干流进入额济纳旗处）监测资料，新中国成立初期，进入额济纳的水量为11.6亿m³，而至1988～1995 年平均水量只有4.47亿m³，1995年狼心山径流量为2.45亿m³，在生态输水工程实施的第二年（2003年），狼心山的径流量恢复到7.16亿m³。黑河水量的减少造成生态环境的劣变，土地沙漠化趋势加强。

2.黑河输水量变化对生态系统形态特征的影响

输水量的变化改变了该区地下水系统。地下水位的埋藏条件控制着植被生态系统的分布与演化。当地下水位较深，大于某种植被的适生水位时，植被开始枯萎，直至大面积死亡；当水位埋深较浅时，虽然能为植被的生长提供足够的水分，但干旱气候条件下强烈的蒸发作用，使土壤带内的盐分含量增高，仍会限制多数植被正常生长。

研究区地下水主要依靠地表水补给，黑河输水量的变化改变了地下水的水位，使区域性地下水位降低，从而带来包气带土壤水分的变化。包气带土壤水分是陆地植物赖以生存的源泉，尤其是在水资源短缺，大气降水稀少的干旱、半干旱地区，非饱和土壤带内水分的数量和盐分含量对植被体系的分布与结构起着重要的控制作用。因此，黑河输水量变化间接引起了生态系统的变化。

（1）绿洲的收缩。

1977～2001年间绿洲的退缩有三个比较明显的区域，即两河沿岸、黑河下游三角洲和古日乃湿地，这三个区域子是研究区地势最低，水分最为丰富的地段。东、西河沿岸和下游三角洲为地表水的径流和泛滥区，同时也是地下水的主要入渗补给区，古日乃湿地是盆地内地下水的汇集区，这些地带潜水埋藏普遍较浅，一般为1～3m（武选民，2002），由于黑河输水量减少，绿洲收缩。在实施了生态工程以后，绿洲又有所扩张。

（2）使绿洲-荒漠过渡带成为植被退化最为显著的区域之一。

前人监测资料证明（曹宇等，2005），绿洲-荒漠过渡带是受上游输水量影响显著、潜水埋深变化幅度较大的地段，1980～2002年间的水位变幅为2～3 m。过渡带的潜水埋深本身处于临界生态潜水埋深附近，地下水位的降低极易造成地表植被的退化，并且因过渡带邻近荒漠区，植被一旦退化，易形成风蚀的突破口，地表细颗粒土短期内就被侵蚀搬运掉，即使黑河放水量恢复，地下水位上升，植被也极难回复到原有水平。

图3-4 1988-2001年间正义峡径流量与狼心山径流量变化图

（三）土壤系统

近半个世纪以来，由于人类采用多种措施对土壤施加影响，使人工耕作土壤代替自然土壤，并逐渐改变了自然土壤的物理、化学和生物性质，以至形成新的人工土壤类型，如长期用泥沙含量高的河水灌溉，在原土壤表层可以淤积50～100cm厚的灌淤层，形成干旱区特有的灌溉淤积土。人类改变土壤的措施主要有：

（1）通过灌溉引水改变水分的自然状况；

（2）通过土壤脱盐等改变土壤盐渍化的方向；

（3）向土壤投入肥料等物质，增加土壤肥力和营养元素；

（4）耕作方式的改变等。

人类干扰后的土壤表现出两重性，即正效应和负效应。正效应主要表现在：

（1）土地生产力提高：使土壤较快地向着有利于作用生长的方向发展；

（2）土壤类型良性转变，新土壤类型如绿洲土的形成。

而负效应主要表现在：

（1）土壤退化，区域内由于水资源条件的再分配，一些地区水源条件劣变，土壤风蚀和侵蚀加剧，土壤肥力下降；

（2）灌溉不当引起的土壤盐渍化或次生盐渍化；

（3）沼泽土、泥炭土、草甸土、吐尕依土等土壤类型由于水分条件的人为干扰，向风沙土和盐土退化演替。

总之，额济纳盆地的土地沙漠化的地质因素内在表现主要是水和土壤系统的变化，受沙漠化形成的地域性和地表动力过程复杂性的外在影响，形成沙漠化的区域机制。

四、额济纳盆地沙漠化监测的环境地质指标研究

通过对额济纳地区土地沙漠化机制和成因的分析，说明在气候条件不发生重大改变的情况下，影响土地沙漠化的地质因子主要是水和土壤系统，确定此地主要的沙漠化调查、监测指标为：

（1）地下水位埋深

（2）水质（主要指矿化度）；

（3）土壤物理性质（土壤含水率和土壤粘利率）；

（4）土壤化学性质（土壤有机质、养分）；

（5）植被（植被盖度和植被类型）。

据额济纳地区土地沙漠化特征，可建立环境地质指标与沙漠化发展程度对应监测表（表3-13）。

表3-13 额济纳盆地土地沙漠化分级环境地质指标体系