西北地區(qū)生態(tài)修復(fù)的景觀研究

西北地區(qū)生態(tài)修復(fù)的景觀研究

中國西北地區(qū)的水資源和生態(tài)環(huán)境問題多樣且嚴(yán)重，形成機(jī)制復(fù)雜，需要采取綜合防治措施。但由于對(duì)一些有關(guān)的基本問題缺乏透徹研究,致使制定的對(duì)策針對(duì)性和有效性不強(qiáng),甚至缺乏科學(xué)依據(jù)。本文綜合已有的研究成果,對(duì)西北地區(qū)缺水類型、生態(tài)修復(fù)的終極目標(biāo)和綠洲規(guī)模的確定等基本問題進(jìn)行了探討。1實(shí)際有效地下水條件西北地區(qū)降水稀少,蒸發(fā)強(qiáng)烈,時(shí)空分布不均,似乎都屬資源型缺水,但缺水類型(資源型缺水,管理型缺水,工程型缺水,水質(zhì)型缺水)及其地區(qū)分布究竟如何?以塔里木河流域(簡稱塔河流域)為例,流域年平均降水量為128mm,平原區(qū)僅20~80mm,其中綠洲區(qū)僅53mm。但水面蒸發(fā)力達(dá)1200~1600mm,干旱指數(shù)高達(dá)13~30。因此,從自然特征看,似乎是資源型缺水。另一方面,年徑流量398億m3,地表水不重復(fù)補(bǔ)給量30.7億m3,總水量為429億m3。人均水量近5200m3/a,是全國人均水量的2.3倍;實(shí)灌面積毛用水定額為84.2m3/hm2,用水效率低,浪費(fèi)嚴(yán)重。因此,從社會(huì)屬性看(人均、畝均用水),肯定是管理型缺水。究竟如何,以塔河流域綠洲區(qū)與海河流域平原區(qū)所擁有的總有效水深情況的比較來說明。據(jù)有關(guān)資料,平原區(qū)降水,塔河流域是54mm,海河流域約560mm;作物和植被可直接利用的有效降雨,塔河流域按54mm算,海河流域按接近土壤水450mm估算;蒸發(fā)能力塔河流域綠洲區(qū)是1200~1400mm,海河流域平原區(qū)是1000~1200mm。海河流域的多年平均徑流量為421億m3,平原面積約為14萬km2,灌溉面積約666.67萬hm2,農(nóng)業(yè)灌溉用水約占總供水量的80%,其中用于平原區(qū)農(nóng)業(yè)的水量約為270億m3。綜上所述和塔河流域(南疆)的情況,得出塔河流域和海河流域的綜合有效水深成果(表1),表中塔河灌溉面積的水深已扣除了在灌溉過程中間接支撐天然生態(tài)的耗水。根據(jù)表1所列成果可以得出以下基本結(jié)論:①塔河流域灌區(qū)用水十分浪費(fèi)。塔河流域的單季作物在扣除間接給天然生態(tài)供水后仍耗用了1240mm的水深,而海河流域(復(fù)種系數(shù)1.5左右情況下)相當(dāng)于單季作物耗用了700mm左右,塔河流域的耗水是海河流域耗水的1.77倍,所以現(xiàn)狀情況下塔河流域的缺水屬管理型缺水,具有很大的節(jié)水潛力。②從研究中所界定的需要保護(hù)的綠洲范圍看,未來塔河流域又會(huì)發(fā)生資源性缺水,理由有以下三點(diǎn):第一,在僅考慮交錯(cuò)過渡帶中非地帶性低蓋度草耗用極小徑流(33mm)的前提下,塔河流域綠洲的平均水深僅有630mm,比公認(rèn)缺水十分嚴(yán)重的海河流域的綜合有效水深還少15mm;第二,塔河流域的水量主要通過引用徑流實(shí)現(xiàn),即使在考慮天然綠洲間接利用灌溉用水的情況下,使引水的有效利用率達(dá)到75%,整個(gè)綠洲的實(shí)際有效水深僅為470多mm,比海河流域平原區(qū)的可利用水深要少170多mm;第三,塔河流域在綠洲的實(shí)際蒸發(fā)能力比海河流域平原區(qū)蒸發(fā)能力要大。綜上所述,塔里木河流域在近期(2010~2020年)屬于管理型缺水,遠(yuǎn)景隨人口和工業(yè)的發(fā)展,為確保一定的綠洲面積,可能需要跨流域調(diào)水。西北地區(qū)地域廣闊,水資源空間分異明顯。各地水資源占有量差異很大,如人均水資源占有量新疆達(dá)5138m3,而寧夏僅187m3,前者是后者的27.5倍,每1hm2耕地占有量青海達(dá)106153m3,寧夏僅為1226m3,相差8倍以上。分析可知,寧夏、甘肅、陜西關(guān)中地區(qū),特別是寧夏,資源型缺水突出并有工程型缺水。而在一些人口、生產(chǎn)密集區(qū),如城市、工礦基地等因水污染嚴(yán)重,水質(zhì)型缺水也不同程度的存在。2原生植被的識(shí)別西北地區(qū)景觀配置受其水資源強(qiáng)烈約束,但合理的景觀配置又是水資源充分合理利用的體現(xiàn),且是西北地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的保證。西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境十分脆弱,區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱度居全國各省(區(qū))之首。因此,退化易、修復(fù)難。面對(duì)西北地區(qū)嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題,生態(tài)修復(fù)是一項(xiàng)長期而艱巨的任務(wù)。西北地區(qū)自然環(huán)境是在長期演化中形成的。據(jù)古地理研究,西北地區(qū)自然環(huán)境早在晚白堊紀(jì)和早第三紀(jì)(距今1.3~0.25億年)已初步形成。當(dāng)時(shí)我國季風(fēng)氣候尚未形成,大部分地區(qū)處于亞熱帶高氣壓控制之下,因而形成了一條從東南的臺(tái)灣島、福建沿岸向西北直到甘肅、新疆的廣闊干旱氣候帶。晚第三紀(jì)時(shí)(距今2500~200萬年),青藏高原及周圍山地大面積隆升達(dá)3500~4000m以上,從而促成我國季風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)的建立,東南沿海及長江流域轉(zhuǎn)趨多雨,而西北地區(qū)更趨干旱。這種形式到第四紀(jì)末更趨明顯,當(dāng)時(shí)我國氣候和地形基本上和現(xiàn)代一致,西北地區(qū)干旱環(huán)境已經(jīng)形成。潛在景觀的多樣性。水熱組合及其對(duì)比關(guān)系是決定自然景觀狀況的首要和基本因素,地形組合條件則通過影響水熱條件的分配使景觀復(fù)雜化。水熱組合及其對(duì)比關(guān)系可通過年干燥系數(shù)或濕潤度指數(shù)來表征。任國玉定義了一個(gè)新的干燥指數(shù)(DI),其物理意義與年干燥度相近,但計(jì)算更為簡潔。DI與氣候及自然景觀之間的關(guān)系如表2。由以上分析可知:一方面,西北地區(qū)的自然景觀呈現(xiàn)出多樣化的特點(diǎn);另一方面,現(xiàn)有景觀與潛在景觀有的差異較大,這反映出人類不合理活動(dòng)所造成的影響,但同時(shí)也反映出過去所提的景觀恢復(fù)目標(biāo)有所偏頗。原生景觀的復(fù)雜性。原生景觀即沒有受到人類活動(dòng)影響的生態(tài)景觀。但目前根據(jù)古生態(tài)資料西北地區(qū)原生景觀還未建立。因此,以用人類活動(dòng)最早顯著干預(yù)植被前某一時(shí)段的景觀來近似代替原生景觀。針對(duì)西北地區(qū)的現(xiàn)實(shí)問題,西北地區(qū)的生態(tài)修復(fù)主要集中在植被方面。因此,研究原生景觀的論述也集中在原生植被上。研究表明,可以利用距今6000年時(shí)間段的古植被分布圖近似代表原生植被。任國玉等依據(jù)花粉圖資料推斷距今6000年植被地帶分布情況。當(dāng)時(shí)黃土高原東南部、山西、內(nèi)蒙古大青山地區(qū)、陜南和隴南喬木分布比現(xiàn)在廣泛得多,是以松屬占優(yōu)勢(shì)的稀疏森林或森林草原。在青藏高原的東部,森林范圍也明顯比今天大,但主要由云、冷杉屬喬木構(gòu)成。在西北極端干燥地帶,因花粉資料比較缺乏,尚未重建原生植被。從原生植被與實(shí)際植被的對(duì)比看,盡管青藏高原東部過去和現(xiàn)在的優(yōu)勢(shì)喬木屬未變,但黃土高原東南部在人類干預(yù)前分布較多的松樹現(xiàn)在卻已很少見,森林衰減程度也比其他地區(qū)來得大。從潛在植被來看,一般傾向于認(rèn)為,黃土高原東南部地帶性植被為溫帶落葉闊葉林。因此,原生植被與目前所認(rèn)識(shí)的潛在地帶性植被和實(shí)際植被均存在明顯差別,這不僅體現(xiàn)在主要生態(tài)過渡帶的位置上,而且也表現(xiàn)在植被類型的變化上。以干燥、炎熱帶的分布看,又以漸新世末為界,分為兩個(gè)時(shí)段:第一個(gè)時(shí)段(古新世,始新世,漸新世)表現(xiàn)為橫貫東西,僅在所處緯度位置和緯度跨度上變化,這表明西北地區(qū)西部干旱環(huán)境已奠定雛形,足以見其干旱環(huán)境形成的久遠(yuǎn)。第二個(gè)時(shí)段(中新世,上新世)則緯度位置基本穩(wěn)定,不再東西橫貫,而表現(xiàn)為東西分異。不同時(shí)期干旱區(qū)分別分布在太行山與大興安嶺以西,或在祁連山以西地區(qū)。第四紀(jì)以來的氣候變化,存在著數(shù)十次較大的氣候冷暖、干濕變化。4~8.5kaBP是距今最近的全新世溫暖適宜性,這個(gè)時(shí)期景觀格局對(duì)西北生態(tài)恢復(fù)有重要指導(dǎo)作用。與現(xiàn)代植被分布相比,這個(gè)時(shí)期的潮濕森林比現(xiàn)代要北移2~3個(gè)緯度,其東段比西段的北移幅度大。由于溫度升高,濕潤森林內(nèi)部的相應(yīng)森林類型也大規(guī)模北移,同時(shí)濕潤森林西移明顯。在現(xiàn)代以草原為主的內(nèi)蒙東部、山西大部和陜西北部都出現(xiàn)了森林,形成了森林—草原環(huán)境,呈北東向展布,東北的科爾沁沙地和內(nèi)蒙東部沙地都發(fā)育了很好的土壤,在中國西北大部地區(qū)沙漠后退,甚至消失,大部分現(xiàn)代荒漠地區(qū)這時(shí)變成了草原或灌叢環(huán)境,僅在塔里木盆地和巴丹吉林地區(qū)留有一定面積的沙漠。在塔里木盆地,河流徑流豐富,孕育了大片綠洲。黃土高原歷史時(shí)期原始天然植被狀況是西北開發(fā)中爭論較多的科學(xué)和實(shí)踐問題,這不僅是因?yàn)橹脖皇屈S土高原自然環(huán)境的重要組成部分,更是因?yàn)檫@個(gè)問題直接關(guān)系到黃土高原植被和生態(tài)建設(shè)的方針和策略的選擇。目前科學(xué)界關(guān)于黃土高原的植被地帶性有3種主要的觀點(diǎn):(1)黃土高原在歷史時(shí)期曾廣泛發(fā)育森林和森林草原,地帶性植被是森林帶和森林草原帶;(2)黃土高原的原始植被未超出草原的范圍,草原植被是黃土高原的頂極群落,地帶性植被是草原帶;(3)黃土高原的植被應(yīng)區(qū)分不同地形部位和區(qū)域,在山地和溝谷中為森林植被,在塬地上為疏林灌叢草原。植被發(fā)育不僅僅受控于溫度和降水量,土壤母質(zhì)、地形條件、地質(zhì)背景及生物活動(dòng)都是不同植被類型發(fā)生、發(fā)展的最基本因素。通過對(duì)不同觀點(diǎn)的證據(jù)和論述進(jìn)行初步分析,認(rèn)為造成對(duì)以上認(rèn)識(shí)差異的主要原因有以下5個(gè)方面:(1)歷史文獻(xiàn)記錄和地質(zhì)記錄的差異。歷史文獻(xiàn)資料多主張歷史時(shí)期黃土高原有大面積的森林分布,仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)歷史記錄多記載了黃土高原的基巖山地才有森林。地質(zhì)記錄表明黃土高原塬面上從來沒有過大面積的穩(wěn)定的森林分布。但是地質(zhì)記錄多來自發(fā)育厚層黃土的黃土塬上,缺少塬下、溝谷地質(zhì)記錄的證據(jù)。(2)溝谷和塬面的差異。地質(zhì)孢粉記錄表明,同一個(gè)地質(zhì)時(shí)期溝谷中生長森林,而塬面上生長的是草原荒漠。(3)基巖山地和黃土塬的差異。目前黃土高原區(qū)大面積生長森林的山地,都不存在厚層的黃土沉積,而是石質(zhì)的基巖山地。但同一地區(qū)的黃土塬區(qū)無論是地質(zhì)記錄還是目前植被類型都不存在大面積的自然森林植被。實(shí)踐證明也是如此,如50~60年代,在陜北黃土塬梁峁頂部,種植了大量的樹木,但5~10年后多逐漸死亡或成為小老樹。(4)地帶性和局地性植被的差異。西北干旱區(qū)的地帶性植被主要有:暖溫帶落葉闊葉林,溫帶草原和溫帶荒漠植被。而綠洲是局地性的植被類型。在沙地梁灘相間區(qū),常常以草甸植被、沙生植被等局地性為主。不可以用局地性的植被資料,推斷地帶性植被的特點(diǎn)。(5)人工林和自然森林演替之間的差異。從以上論述中,也清楚地反映出原生景觀復(fù)雜性的特點(diǎn)。生態(tài)修復(fù)的終極目標(biāo)是:符合西北地區(qū)自然規(guī)律的多樣化景觀,從潛在景觀到原生景觀。西北地區(qū)的現(xiàn)實(shí)景觀與潛在景觀和原生景觀相比差別明顯。這除了自然原因外,特別反映出人類活動(dòng)的影響,其中有相當(dāng)程度的負(fù)面影響。因此,針對(duì)西北地區(qū)眾多的生態(tài)環(huán)境問題,首先應(yīng)恢復(fù)到與目前水熱條件相吻合的潛在景觀,然后朝著歷史最適宜期的理想狀態(tài)(原生景觀)的終極目標(biāo)前進(jìn)。從以上的分析研究,我們可以得出如下指導(dǎo)西北地區(qū)生態(tài)修復(fù)的認(rèn)識(shí):(1)西北地區(qū)的西部干旱環(huán)境形成年代久遠(yuǎn)。植被在其長期進(jìn)化過程中,形成了適宜干旱環(huán)境生長的植被類型和種類,這是當(dāng)前西北地區(qū)生態(tài)修復(fù)應(yīng)首選的類型和種類,真正做到宜林則林,宜灌則灌,宜草則草,宜沙漠戈壁則沙漠戈壁,適地適樹適草。西北地區(qū)橫跨4個(gè)氣候地帶,自然景觀呈現(xiàn)出多樣化的特點(diǎn)?，F(xiàn)在正在實(shí)施的退耕后的植被重建,應(yīng)因地制宜。反對(duì)樹種單一化,重造林、輕種草,重經(jīng)濟(jì)林、輕生態(tài)林的現(xiàn)象。(2)西北地區(qū)的干旱環(huán)境形成東西有別,西部干旱環(huán)境形成歷史久、變化小,而東部時(shí)進(jìn)時(shí)退,特別是賀蘭山以東地區(qū),在全新世適宜期,溫暖潮濕,基本沒有沙漠存在。而現(xiàn)在的沙漠分布卻與末次冰期最盛期(LGM)時(shí)接近,這表明人類的破壞與干擾已達(dá)驚人的程度。因此,荒漠化防治的重點(diǎn)應(yīng)在東部。然而首要的任務(wù)是恢復(fù)其潛在景觀進(jìn)而設(shè)法走向理想景觀;其次對(duì)易破壞但還未破壞的生態(tài)環(huán)境脆弱帶要嚴(yán)加保護(hù),不能走“先破壞、后治理”,“邊破壞、邊治理”,“大范圍破壞、局部區(qū)域改善”的路子。3綠茶適宜規(guī)模的基本原理綠洲是西北干旱區(qū)人民生存與發(fā)展的基本空間,但綠洲又是一個(gè)較脆弱的系統(tǒng),保持一個(gè)與水、熱、土等資源相匹配的適宜規(guī)模,是綠洲持續(xù)存在的基本條件。因此,確定綠洲適宜規(guī)模,具有重要的理論和實(shí)際意義。綠洲的形成必須要有相對(duì)豐富的地表水或地下水資源;平坦且土層較深厚的較肥沃的壤土和沙壤土;較豐富的熱量資源(溫度與光照)。而就現(xiàn)實(shí)西北實(shí)際的自然條件而言,第一個(gè)條件是最為關(guān)鍵的,無水則無綠洲。因此,確定綠洲適宜規(guī)模的基本原理是以水定規(guī)模?；痉椒ㄓ袃煞N:一是水熱平衡法,二是水量供需平衡法。二者從本質(zhì)上來說是相同的。3.1石羊河流域不同流域高效節(jié)水能力分析綠洲是突兀于沙漠中的“濕島”、“綠島”,因此,從表征區(qū)域氣候的水熱組合和對(duì)比關(guān)系的干燥度方法(表1)去研究綠洲的水熱平衡是不合適的,必須針對(duì)綠洲這個(gè)特定區(qū)域來建立,根據(jù)生態(tài)的水熱平衡原理,提出評(píng)價(jià)綠洲的水熱平衡指標(biāo)。其計(jì)算結(jié)果如表3。由于人類對(duì)綠洲規(guī)模的影響主要通過改變綠洲中灌溉面積而產(chǎn)生的,因此表3計(jì)算的適宜綠洲面積以綠洲人工控制的灌溉面積多少為評(píng)價(jià)。由計(jì)算的適宜綠洲面積和灌溉耕地面積與現(xiàn)狀面積比較可知,石羊河流域綠洲現(xiàn)狀已處于不穩(wěn)定狀態(tài),應(yīng)適當(dāng)收縮。若考慮現(xiàn)狀流域年超采地下水3億m3,則可維持綠洲面積2660~3550km2和灌溉面積18.5~25.3萬hm2,與現(xiàn)狀灌溉規(guī)模持平;為維持額濟(jì)納旗天然綠洲,黑河需向其分水9.5億m3,扣除此用水后,黑河流域不含額濟(jì)納旗綠洲的適宜綠洲灌溉面積為26~34萬hm2,與現(xiàn)狀灌溉面積32萬hm2相比,也已不具有開發(fā)潛力;在疏勒河流域計(jì)算干流區(qū)和黨河灌區(qū),適宜綠洲面積和耕地面積與現(xiàn)狀耕地6.3萬hm2和疏勒河移民項(xiàng)目規(guī)模11.8萬hm2相比,現(xiàn)狀生態(tài)環(huán)境是穩(wěn)定狀態(tài),而移民項(xiàng)目完成后,開發(fā)規(guī)模已接近上限,需要認(rèn)真對(duì)待。3.2高山與農(nóng)田生態(tài)需水量區(qū)西北地區(qū)的綠洲除偏東沿黃河兩岸的銀川綠洲與內(nèi)蒙河