（环境工程专业论文）辽西北典型沙地生态环境自然恢复研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 本研究是以辽宁省环境保护局在辽西北彰武县阿尔乡围封治理的4 4 4k m z 沙地为 研究对象，从流动沙丘、半流动沙丘、固定沙丘、风蚀洼平地和丘间低地五种地貌类型 中选择样地，对植被、土壤等指标进行定期定位监测，根据各项指标不同时期的变化及 不同空间的差异，观测沙地变化及植被恢复状况，摸索出沙地自然恢复的过程及规律。 由于沙地的各种地貌类型呈现相间分布的特点，即在流动、半流动沙丘群中有固定 沙丘存在，在固定沙丘中也有半流动沙丘存在。因此，在调查中仅以大面积和大范围的 流动、半流动、固定沙丘为主，说明三种地貌类型之间动态演替变化情况。 随着沙地条件的变化，土壤的特征也不断地发生变化，受沙地类型及土壤条件的影 响，不同沙地类型的主要生长植物及组成各异，每类沙地都有其各自代表植物，沙地演 替代表植物亦随之变化，由此可通过对一些典型代表植物变化进行定量分析，考察沙地 植被的自然恢复情况。 通过对阿尔乡沙地2 0 0 4 - - , 2 0 0 6 _ 三年的围封治理，沙地的分布和演替发生了显著变化， 流动沙地的移动受到遏制，半流动沙地和固定沙地的植被覆盖度有所提高，并且各类沙 地的正向演替植物正在增加等，研究结果表明，整个围封沙地趋于正方向演替。 关键词：围封沙地；自然恢复；沙地类型演替；典型植被群落；土壤特征 辽西北典型沙地生态环境自然恢复研究 r e s e a r c ho nt h ee c d l o g i c a le n v i r o n m e n t a ln a t u r a lr e s t o r a t i o no ft h e t y p i c a ls a n d yl a n di nl i a o n i n gp r o v i n c en o r t h w e s t a b s t r a c t t i l i ss t u d yi sb a s e do nt h er e s e a r c ho fw h i c hi s4 4 4k m ze n c l o s e db yt h ee n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nb u r e a uo fl i a o n i n gp r o v i n c e t h es a n d yl a n dl i e si na e rv i l l a g eo fz h a n g w u c o u n t r yo ft h en o r t h w e s to fl i a o n i n gp r o v i n c e f i v ek i n d so fl a n da r es e l e c t e dt os t u d y ， i n c l u d i n gt h ew a n d e r i n gd u n e s ，s e m i w a n d e r i n gd u n e s ，f i x e dd u n e ，w i n d e r o s i o nf l a t t i n ga r e a a n dl o w - l y i n gi n t e r s p a c e sb e t w e e nm o u n t a i n s n es o i la n dv e g e t a t i o na r em o n i t o r e d r e g u l a r l y a c c o r d i n gt ot h ei n d i c a t o r so fc h a n g e si nd i f f e r e n tp e r i o d sa n dd i f f e r e n ts p a c e ，t h e c h a n g eo fs a n d yl a n da n dv e g e t a t i o nr e c o v e r yi so b s e r v e d ，a n dt h ep r o c e s sa n dt h er e g u l a t i o n o ft h er e s u m p t i o no fn a t u r a lr e s t o r a t i o na r ee x p l o r e d b e c a u s et h ev a r i o u sg e o 伊a p 崎t y p eo ft h es a n d yl a n dp r e s e n ta na l t e r n a t ec h a r a c t e r i s t i c s f o rd i s t r i b u t e ，t h e r ei sf i x e dd u n ei nw a n d e r i n gd u n ea n ds e m i w a n d e r i n gd u n e ，a n dt h e r ei s s e m i w a n d e r i n gd u n ei nf i x e dd u n ea l s o t h e r e f o r e ，t h eb i ga r e aa n dt h eb i gs c o p eo f w a n d e r i n g ，s e m i - w a n d e r i n ga n df i xd u n ea r ei n v e s t i g a t e dm a i n l y ，w h i c he x p l a i nt h ed y n a m i c s u c c e s s i o na n dc h a n g ea m o n gt h et h r e ek i n d so fg e o g r a p h yt y p e s w i t ht h ec h a n g e so ft h es a n d yl a n dc o n d i t i o n s ，s o i lc h a r a c t e r i s t i c sa l ec o n s t a n t l y c h a n g i n g a f f e c t e db yt h es a n d yl a n dt y p e so fa n ds o i lc o n d i t i o n s ，t h em a i np l a n t sa n dt h e c o m p o n e n t so ft h ed i f f e r e n ts a n d yl a n dt y p e sa r ed i f f e r e n t e a c ht y p eo fs a n d yl a n dh a si t s o w nr e p r e s e n t a t i v e sp l a n ta n dn l e yc h a n g ew i t ht h es u c c e s s i o no fs a n d yl a n d a sar e s u l t , n a t u r a lr e s t o r a t i o no ft h es a n d yl a n dv e g e t a t i o nc a nb es t u d i e db yt h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so f t h ec h a n g eo ft h et y p i c a lp l a n t s a f t e rt h r e ey e a r so fe n c l o s u r em a n a g e m e n tw h i c hi sf r o m2 0 0 4t o2 0 0 6 ，t h ed i s t r i b u t i o n a n ds u c c e s s i o no fs a n d yl a n dc h a n g e dd r a m a t i c a l l yi na e rv i l l a g e ，m o r e o v e r ，t h em o v e m e n t o fw a n d e r i n gs a n d yl a n dh a sb e e nc o n t r o l l e d ，a n dt h ev e g e t a t i o nc o v e r a g eo ft h e s e m i w a n d e r i n gs a n d yl a n da n dt h ef i x e ds a n d yl a n dh a sb e e nr i s i n g ，a n dt h ev a r i o u st y p e so f s a n d yl a n dp l a n t s ，w h i c ha r et h ep o s i t i v ed i r e c t i o ns u c c e s s i o np l a n t s ，a r ei n c r e a s i n g i naw o r d ， t h er e s u l ts h o w st h a tt h ew h o l er o u n de n c l o s i n gs a n d yl a n dt e n d st ot h ep o s i t i v ed i r e c t i o n s u c c e s s i o n k e yw o r d s ： r o u n de n c l o s i n gs a n d yl a n d ；n a t u r a lr e s t o r a t i o n ； s a n d yl a n dt y p e s u c c e s s i o n ；t y p i c a lv e g e t a t i o nt y p e ；s o i lc h a r a c t e r i s t i c s 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：垒壹皇堡垒垫兰曼兰丝堡：垒盐杰垡筮：! 蚴血 作者签名： 退凼受一 日期： d2 年月二日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：垒查2 坚盛塾边丝堡垒主塑：壹鱼熊幽垒 作者签名：鲨璺盂 日期：! 墨年旦，月l 日 导师签名：垂堑： 日期：竺2年_ l 月三日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1绪论 1 1 国内外研究进展 1 1 1 土地沙漠化的形势与危害 沙漠化( 即沙质荒漠化) 是指在干旱、半干旱和部分半湿润的原非沙漠地区，由于 气候变异和人类活动的影响，破坏了脆弱的生态平衡，出现了以风沙活动为主要标志的 类似沙漠景观的土地退化过程，是荒漠化的一种重要类型【l 】。沙漠化是当今全球严重的 环境与社会问题之一。 根据联合国环境规划署的资料，全球沙漠化土地面积为3 6 9 x 1 0 1k m 2 ，约占全球陆 地面积的l 4 ，且每年以5 0 0 x10 4 - 7 0 0 x 10 4k m 2 的速度增加。土地沙漠化遍及全球六大 洲1 0 0 多个国家和地区，影响约9 x 1 0 8 人口。全世界因沙漠化造成的直接经济损失每年 约4 2 3 x 1 0 1 0 美元；随着沙漠化土地的蔓延，人类可耕种的土地日益减少，许多人沦为“生 态难民”或环境难民，并由此引发国际和地区争端【2 】。 我国是世界上受沙漠化影响最严重的国家之一。全国沙漠、戈壁和沙漠化土地面积 约为1 6 5 3 x 1 0 4k m 2 ，其中人类活动导致的现代沙漠化土地约3 8 5 7 x 1 0 4k m 2p l 。沙漠化 土地主要分布在北方干旱、半干旱和部分半湿润地区，从东北经华北到西北形成一条不 连续的弧形分布带。沙漠化主要是由于不合理人类活动与脆弱的生态环境相互作用所造 成，表现为土地生产力下降、土地资源丧失、地表呈现类似沙漠景观的土地退化。我国 土地沙漠化发展的速度在不断加快，2 0 世纪5 0 7 0 年代为1 5 6 0k m 2 a 1 h i ，8 0 年代为2 1 0 0 k m 2 a 1 【5 1 ，9 0 年代达到3 6 0 0k m 2 a - 1 【6 】。总体特征是局部逆转，整体恶化。 沙漠化给生态环境和社会经济带来极大危害，一是破坏生态平衡、使环境恶化和土 地生产力严重衰退，危及当地人民的生存发展，加重了贫困程度，有的地方已经出现了 成批的生态难民；二是导致大面积可利用土地资源的丧失，缩小了生存空间，每年因沙 漠化的扩展导致损失一个中等县的土地面积；三是严重威胁村镇、交通、水利、工矿设 施及国防基地的安全，影响工农业生产，每年因沙漠化造成的直接经济损失上百亿元， 严重制约着区域的可持续发展，成为全国性的重大生态环境和社会经济问题【7 j 。 1 1 2 土地沙漠化的主要研究内容 世界各国有关沙漠化的研究早已开始，自法国植物学家a a u b r e v i l l e 于1 9 4 9 年系统 使用“d e s e r t i f i c a t i o n ”一词来说明土地退化过程，人们真正意识到荒漠化所带来的巨大危 害，于是许多专家与学者开始纷纷投入到对荒漠化的研究中，并处于不断的完善之中。 辽西北典型沙地生态环境自然恢复研究 1 9 7 7 年，联合国在肯尼亚首都内罗毕召开了第一次世界荒漠化大会。从此以后，有关国 际组织和许多国家相继开展了荒漠化的专门研究，其中，沙漠化的研究取得了明显的进 展，沙漠化也成为了一门独立的学科。 当前国际上沙漠化研究的总趋势是：把土地沙漠化问题看作是一个严重的环境与社 会经济问题，从自然、社会、经济方面进行全方位综合性的研究。 我国的沙漠化研究始于2 0 世纪5 0 年代，为了治理东北平原西北部的风沙危害，在 彰武县章古台地区进行了樟子松引种实验和农田防护林网建设研究。目前沙漠化研究在 其成因、过程、灾害评价、发展趋势、防治战略及措施研究等方面进展显著。沙漠化的 主要研究内容归纳如下： ( 1 ) 沙漠环境与沙漠化过程。土地沙漠化过程与原因分析是沙漠化研究的重要内容之 一。主要包括分析某一地区，不同时间的土地沙漠化状况与环境特征，某一时期内土地 沙漠化的动态变化及原因【8 - 1 0 。以野外试验站、独特的室内风沙环境风洞、野外土壤风 蚀风洞为依托，在深入研究自然因素、人文因素在不同空间和时间尺度上对沙漠化过程 的作用机理及其贡献率和沙漠化土地对这两种因素之反馈作用的基础上，建立现代沙漠 化过程中各种驱动因素的识别和作用机制模式，结合现代沙漠化土地相邻生态系统界面 上的物质与能量流动规律，以及未来人类活动和全球变化趋势研究成果，建立能够使自 然因素、人文因素和沙漠化土地相互耦合的沙漠化过程动力模型，并较准确地预测未来 沙漠化发展态势。 ( 2 ) 沙漠化地区恢复生态学。主要开展下列几个方面的研究：干旱区脆弱生态环境形 成演化的生态过程与土地沙漠化的生物学机制；干旱区不同等级和尺度下生态系统的结 构功能与能流、物流、信息流；沙漠化及其逆转过程中景观格局、生物多样性时空变化 动态系统稳定性关系及其维持机制和荒漠植物种对严酷环境生态适应机制。 ( 3 ) 沙漠化地区水土资源利用与农业可持续发展。主要开展的研究为：研究典型类型 区不同时间与空间尺度的水平衡，开展沙漠化地区水土资源开发利用的生态风险分析， 对全球变化背景下沙区环境和资源变化及其利用作出量化趋势预测；针对西部大开发中 的“生态环境建设工程 和区域社会经济可持续发展所面临的重大资源环境问题，研究 沙漠化地区水土资源优化配置和资源优势向经济优势转化的模式；研究沙漠化地区农业 工程技术，提出粮食高产稳产和区域可持续发展战略，美国研究了免耕、留茬、草田轮 作、秸杆还田等技术，在新垦区普遍建设农田防护林网，以防止土地沙漠化【l u j 。 ( 4 ) 沙漠化逆转过程及其整治模式。以不同气候地带野外研究试验站为依托，开展不 同类型沙漠化土地逆转的战略研究和整治模式及技术体系的探讨，建立显示效益的示范 样板区，推动区域沙漠化整治。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 5 ) 建立完善中国沙漠化监测、评估与决策、管理系统。进一步在沙漠化地区的资源 环境和高效农业的研究与实践方面利用“3 s ”等高新技术，建立资源环境信息系统，实 现快速的信息处理更新为区域可持续发展服务。 1 1 3 土地沙漠化的研究方法 目前，国际上对荒漠化的评价理论有三种，分别是全球人为作用下的土壤退化 ( g l a s o d ) ，南亚及东南亚人为作用下土壤退化( g l a s o d ) 和俄罗斯科学院提出的 评价方法( r u s s i a ) t j 。 国内也有许多专家及学者对荒漠化监测评价指标作过研究。最初是朱震达等通过荒 漠化土地扩大率来判断沙漠化程度【1 2 】。从地表形态出发，王而力等以沙地的地貌特征作 为评价指标【1 3 】；高尚武、王葆芳则依据地表形态和生态状况的变化确定植被盖度、裸沙 地占地百分比和土壤质地3 项评价指标，从不同侧面指示特定土地的生产力，并将各指 标因子量化，给出沙质荒漠化现状综合评价模型【1 4 1 。从生态学角度分析，刘永志等是利 用生物量指标，观察科尔沁草原地上的动态变化【垮1 ；池宏康采用的是植被盖度大小作为 荒漠化程度的参考指标，对鄂尔多斯地区荒漠化地区进行研究【1 6 1 ；张继义等则以种群生 态位动态特征来研究科尔沁沙地植物群落恢复【l7 1 。 野外调查、试验研究和“3 s ”技术是研究工作的主要技术手段和方法。其中，“3 s ”技 术和野外调查相结合，逐渐成为研究沙漠化的发生发展过程、沙化程度、分布规律、发 展趋势以及进行动态监测和模拟分析的重要手段。 科学考察或野外调查野外调查是获得第一手资料的重要手段。2 0 世纪5 0 年代， 中国科学院组织了大规模的沙漠、沙地科学考察，初步摸清了沙漠、沙地成因和分布， 并绘制了沙漠沙地分布图；随着技术的进步，遥感和地理住处技术的应用逐渐占据主导 地位，但野外调查仍具有不可取代性。 试验研究建立试验站，开展沙漠化防治的实验研究是沙漠化防治研究的重要内 容。随着2 0 世纪5 0 年代沙漠科学考察的进行，在西北和内蒙古等省区的不同条件的自 然地域先后建立了试验站，形成了以民勤、磴口、灵武、格尔木、莎车6 个综合试验站 和沙坡头等2 4 个治沙中心组成的全国治理沙漠的网络；其后国家又建立了沙漠及沙漠 化综合试验站，进行沙漠化防治的试验研究和综合整治研究。因此，国内的许多学者仍 采用传统的野外的实地调查来收集数据，以确保数据的准确性。例如，关文彬的中国东 北西部地区沙质荒漠化过程与植被动态关系的生态学研究i l 引。 “3 s ”技术2 0 世纪8 0 年代，特别是9 0 年代以来，遥感( r s ) 、地理住处系统( g i s ) 、 全球定位系统( g p s ) 等技术在沙漠化研究中得到了广泛的应用【1 9 - 2 2 。目前，国外应用 辽西北典型沙地生态环境自然恢复研究 3 s 技术进行荒漠化监测已日趋成熟，例如，阿根廷首先利用n o a aa v h r rl a c ( l a r g e a r e ac o v e r a g e ) 资料，建立了一个与草原生态系统物候相适应的主影像系列，作为镶嵌 不同时代影响资料的标准，然后结合野外调查与精度较高的影像( m s s ) ，直接通过监 督与非监督分类，确定荒漠化的状态类型【2 3 】。中国也有学者对其进行了大量的研究，例 如：朱震达等利用2 0 世纪5 0 年代后期和7 0 年代中期的航片，通过对比分析和野外考 察，得到了近半个世纪以来沙漠化蔓延明显的地区；王涛在对中国北方地区沙漠化的研 究中，用1 9 8 7 年和1 9 9 3 年两期t m 资料对毛乌互沙地沙漠化的发展进行了监测和评估； 吴薇的沙漠化遥感动态监测的方法与实践【2 4 】等；取得了相对满意的效果。 1 2 辽西北沙化区概述 辽宁省西北沙化区位于内蒙古自治区科尔沁沙地的南缘，是科尔沁沙地沙漠化发展 进程的产物，沙漠化给该地经济和人民生活带来危害，也对辽宁省中部地区构成威胁和 包围态势，围封治理的4 4 4j a n 2 沙地位于辽西北彰武县阿尔乡，因此有必要对辽西北的 生态环境作以简介，科学地认识围封沙地的渊源和未来演进。 1 2 1 辽西北沙化区环境特征 辽西北沙化区位于辽宁省的西北部，与内蒙古自治区相邻，是科尔沁沙漠区域的南 缘，属辽宁省内陆沙地，主要包括与内蒙古自治区边界相接的地域，其自东向西呈弧形 包围状排序的是昌图、康平、法库、彰武、阜新县、北票、朝阳县、建平，对辽宁的中 部地区呈包围态势。其沙地面积总计为8 3 5 0 7k m 2 ，占全省总土地面积的0 0 5 7 4 ，占 未利用土地的0 5 5 4 ，其分布详情见表1 1 。 表1 1 辽西北沙化区分布面积( 单位：k m 2 ) t a b 1 1t h ed i s t r i b u t i o na r e ao fs a n d yl a n di nt h en o r t h w e s to fl i a o n i n gp r o v i n c e ( u n i t ：k m 2 ) 辽西北沙化区其中由风积沙构成的沙地是集中连片分布，主要分布在阜新县、彰 武、康平和法库部分地区，它是内蒙古科尔沁沙地向南延伸的部分，在辽宁境内形成绵 延的沙地。这种沙地多处于沙丘顶部，与半固定的沙丘相间分布。地表基本无植被，仅 生长极少量的耐旱耐贫瘠的沙生植物，地下水位很低，土壤通体为沙质，沙粒含量9 0 以上，粘粒少于5 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 从沙化焦度最新统计辽宁省西北部约为2 3 3 2k m 2 ( 其中包括风沙土6 1 8 万k m 2 ) ， 因此约是辽西北沙地面积的3 0 倍，其分布在昌图、康平与法库、彰武、阜新县、北票、 朝阳县、建平的“沙地”在更大范围的扩展和延伸。 辽西北沙漠化以建平县、彰武县和康平县的北部以及昌图县的西部为重点地区，具 有辽西北沙漠化的典型特征。这些地区按生态学应定义为温带半湿润半干旱地区山杏、 栎树矮林及长芒草、羊草草甸草原棕壤褐土土地生态地带。该生态地带分为两个亚生态 地带，其生态状况如下。 ( 1 ) 彰武县和康平县北部以及昌图西部称为“康北一彰北土地生态区”，属于“科尔 沁南缘沙地小叶杨小青杨树林及羊草草甸草原土地生态亚地带”，面积3 9 3 7 4k m z ，内 蒙古科尔沁沙地伸入彰武北部，地面多沙丘覆盖，海拔2 0 0m 左右。康平北部为海拔2 0 0 m 左右沙质平原。昌图西部在辽河沙质高阶地上，有现代风成的沙丘分布，海拔在1 0 0m 左右。土壤为生草甸土。日均温1 0 年积温总和为3 1 0 0 3 3 0 0 。年降水量4 4 0 5 2 0 倒m ， 干燥度 1 2 。4 5 月平均风速6m s 以上，春季常出现8 级以上大风。春季干旱期3 0 天 左右，秋季近2 0 天，有较长期半干旱期5 0 6 0 天。东部较西部稍湿润些。全年干燥， 年蒸发量高于年降水量的4 倍以上。 本区土地受地表水或地下水位高低变化的约束，从而引起植物群落在空间上呈明显 的组合变化的规律；以湖泊或河流为起点，向外延伸，随着地势升高，地下水位的下降， 植物群落依次为水生植物群落_ 沼泽一草甸_ 农田一羊草群落_ 冰草群落_ 沙生植物 群落或人工林。人为活动对该地自然资源和自然环境的干扰极大。 ( 2 ) 建平县北部称“建平土地生态区”，属“努鲁儿虎山北部黄土丘陵台地次生大针 茅、贝加尔针茅群落的小叶杨、小青杨及长芒草和羊草草甸草原褐土土地生态亚地带”， 该区地势南高北低，多半海拔5 0 0 8 0 0 m ，个别山峰1 1 0 0 m 左右。丘陵高台地由黄土和 黄土状亚沙土覆盖，厚达2 1 5m 。中部和北部的老哈河高地上，覆盖风积沙层，为半固 定沙丘。年均气温5 - 6 ，日均气温1 0 年积温总和为2 8 0 0 。年降水量3 5 0 4 5 0n i l 1 ， 为辽宁省降水量最少的地区。年干燥度 1 2 ，6 级大风日数全年有5 0 6 0 天。春秋季 干旱期3 0 4 0 天，半干旱期在6 0 天以上，湿润期只有6 8 天。 本区是辽宁省最干旱地区，土地生态系统的空间组合特点以老哈河浸滩阶地为起 点，向东随着地势抬升，由于植物群落呈现出的地域组合而导致土地生态系统发生差异 性的变化，其变化主要取决于土壤水分和成土母质的性质。 该区中高大针茅和贝加尔针茅草原群落出现，由它组成“大针茅和贝加尔针茅褐土 ( 含钙层厚) 山地阳坡和丘陵台地项部土地生态系统”，该生态系统是气候旱化，人为 对原生植被破坏后的产物。其土地生态极为脆弱，自然环境条件十分恶劣。本区这种土 辽西北典型沙地生态环境自然恢复研究 地生态系统目前正在不断扩大，百里香小灌丛和次生临裸地面积仍在扩展，人为活动对 自然环境重度干扰，导致土地生态向逆向演替，最终导致完全荒漠化的境地。 1 2 2 辽西北沙化的成因分析 辽西北沙化区位于科尔沁沙地南缘，科尔沁沙地在构造上属松辽沉降带的一部分， 新生代以来，在新构造运动的作用下，继续表现西部缓升，东部渐沉的特点。第三纪期 间，本区沉积厚度为1 0 0 3 5 0m 不等的黄绿、褐色的砂质泥岩和红色泥岩层。第四纪以 来，本区地壳继续下沉，广大西辽河平原形成第四纪的冲积湖积物质，分布广泛，层序 稳定：即下部是中下更新世杂色冲积砂砾石和砾石层，厚2 0 7 0m ，上部为中上更新统 的湖积神积物，多以灰白一灰黄色中细砂为主，约9 0 1 6 0m ，其间夹有1 1 0m 厚深 色粘土和亚粘土透镜体及少量砾石层。砂砾分布大致上部偏细，下部偏粗。 总之，第四纪中、晚期河流相和河湖相沉积物沙层厚度大( 最大厚度达1 8 0m ) ， 分布广，成为本区风成沙的丰富沙源。同时，全新世乃至现代河流和沟谷的冲积洪积物 均不同程度的含有沙性物质，亦会提供风活动的沙源。这些都为科尔沁沙地的形成和发 展提供了丰富的“沙”物质基础。 从科尔沁沙地边缘黄土层孢粉组合特征的论证研究得到的科学结论是：科尔沁沙地 不是直线式地向沙漠化单向发展，而是波动式经历流沙出现_ 扩大_ 固定_ 缩小_ 发展 的一系列正逆演化过程。从科尔沁沙地自然演化过程看，晚更新世沙漠达到最大范围， 此后流沙被固定，沙漠化在缩小，但全新世以来科尔沁沙地沙漠化不断进行正、逆过程。 沙漠化几乎是各种原因综合作用引起的；引起沙漠化的诸因素在组合上变动很大： 地区不同，人的影响性质不同。沙漠化的非生物因素包括降雨趋势、地质地貌条件、土 壤条件，生物因素包括人口压力、土地利用方式变化、林木的开发和利用、水资源分配 和利用不当、工程建设( 旅游、基建、石油开发、水利开发) 等口5 】【2 6 】【2 7 】【2 8 】【2 9 】。科尔沁 沙地在承接历史时期自然沙漠化过程的基础后再加上近百年特别是近半个世纪来人类 活动的破坏作用和不合理的人类活动是沙漠化土地的主要原副3 0 】【3 l 】，促使现代沙漠化正 在发展，其变化模式是沿着波状曲折而上升的曲线发展。 位于科尔沁南缘的辽西北沙化的现代过程就是科尔沁沙地沙漠化发展进程的必然 产物，其成因有自然条件和人为因素两大方面【3 2 】。 ( 1 ) 辽西北沙化的“自然条件”是内因：主要有两点，一是地表组成物质松散、内 聚力较差，其组分以砂粒为主的沉积物或发生在砂质、砂砾质母质土的砂性土壤。二是 气候干旱，多大风，且年内风季与周期性干旱产生时期相吻合。以上两种自然内因相结 合便为辽西北沙漠化的发生创造潜在条件，为风沙运动过程提供丰富的物质基础。 ( 2 ) 辽西北沙化的人为因素是“外因”：主要表现为五点，一是过度农垦，造成大 面积犁耕破坏的无结构砂质地表，裸露地在风蚀中损失掉旱地农业生态系统内参与能 大连理工大学专业学位硕士学位论文 量、物质交换的有机物、营养物质与水分，破坏生态平衡，且这是一个累年的恶性循环 过程，即扩大开垦一引起风蚀一导致土地丧失自然生产力的闭循环圈，直至大片土地丧 失生产力，导致沙化；二是过度放牧，草原开始退化，使原生植被占优势的针茅出现衰 退，冷蒿及其它杂草增多，植被覆盖度、高度明显减低、产量下降，这也是一个累年的 恶性循环过程，直至沙质草原出现斑点状流沙或砂砾质粗化地，低矮灌丛沙堆，从而进 入沙化过程；三是樵采活动失控，更直接导致地表裸露，风力下，风沙物理过程导致流 动沙丘形成。四是水资源利用过度，即内陆河流域中、上游过度用水，下游水量减少， 或者盲目开采地下水，造成地下水位持续下降，引起植被枯死，砂质地表失去植被屏障， 引起风蚀沙化，这是一个较缓慢，又不易为人觉察的过程，一旦铸成，其危害很难逆转； 五是工矿交通城市建设引起的现代沙化，由于机械施工、机动车辗压，人类施工频繁， 破坏植被，使平地固沙活动为流沙，这类因素的沙漠化土地所占比例较小，一般出现在 沿交通线及工矿城市周围，但具有突发性，发展迅速，应值得注重。 ( 3 ) 人为因素和自然因素两者的复合效应：事实上沙漠化现代过程，仅发生在具 有风蚀动力和沙物质的地区，有明显的区域性特征，与此同时如果没有人为因素破坏原 生植被形成的风蚀突破口为起点，激发了沙漠潜在的条件，纯粹的自然因素本身是很难 引发现代沙漠化的过程；因此自然因素的“内因”是通过人为因素的“外因”而起作用，内 因是“本源”，外因是触发的条件，外因与内因的复合作用形成正反馈的恶性循环作用， 促使近百年来现代沙漠过程的加剧；过程见图1 1 沙漠化现代过程模式图。 自 然 内 因 人 为 外 因 辽西北典型沙地生态环境自然恢复研究 随 着 人 口 的 迅 速 增 长 原生疏林草原和干草原景 观及其生态系统的脆弱性 第四纪松散砂质沉 积物呈大面积分布 地表裸露与干旱 和大风季节同期 年降水量变率大 水量急剧减少 图1 1 沙漠化现代过程模式图 f i g 1 1 m o d ed i a g r a mo fs a n d yd e s e r t i f i c a t i o nm o d e mp r o c e s s 8 原 生 环 境 的 变 化 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 4 ) 沙漠化土地成因类型的比例分析：在沙漠化土地内外因的分析中有学者对中 国北方沙漠化土地类型进行了分析，结果是：仅仅由自然风力作用下沙丘前移( 属自然 因素) 造成的沙化土地占全部沙化面积的5 5 ，而五种外因造成的沙化土地占全部沙 化面积的9 4 5 ，中国北方沙漠化土地成因类型统计表见表1 2 。美国波斯坦大学工作 的中国学者2 0 0 2 年9 月在一次沙化治理的论述中就世界沙化的成因分析中表明：促成 全球现代沙漠化的人类因素要占9 2 以上，因此该论点与上述的结论表明国内外的研究 基本是相符的。 表1 2 中国北方沙漠化土地成因类型统计表 t a b 1 2s t a t i s t i c so ft h ec a u s eo fs a n d yd e s e r t i f i c a t i o ni nt h en o r t ho fc h i n a 应指出的是：人为因素与“软环境”是密切相关，所谓“软环境”包括：人口增涨；农 林牧矛盾突出，林地被占，草场被开垦；经济利益趋使，环保意识薄弱，不合理经营， 土地利用失调，农民小开荒，毁林占地；政策和管理上的失误等，因此从法规、管理和 公民意识诸方面重视健全“软环境”建设的工作极为重要。 1 2 3 辽西北沙化的发展趋势 按沙漠化指征和指标可把沙漠化程度分成：潜在、发展中、强烈、严重四类，对直 接影响辽西北的科尔沁左翼后旗西南部地区沙漠化土地的发展趋势用1 5 年前后两次航 空像片影像信息解译和对比分析，测算出以下结果：1 5 年间沙漠化土地严重的类型增加 了4 3 ，强烈发展的沙漠化土地增加了9 6 ；按沙漠化范围的扩大情况1 5 年间由该地 区的6 1 7 扩展到7 5 2 。 辽西北属科尔沁沙地南缘的阜新、彰武、康平、昌图、北票、建平的北部与内蒙古 边界接壤的乡镇受风沙危害目前较难控制，因辽宁省纯沙漠化土地森林覆盖率只有 1 8 5 ，比沙区森林覆盖率的2 2 3 还要低，现在远远不能调节影响干旱气候，抵御风 沙能力极差。彰武县的阿尔乡镇是重风沙区，每年大风季节风沙滚滚，流沙随风向东南、 东北方向移动；流动沙丘1 9 9 5 年为0 2 5k m 2 ，1 9 9 8 年扩展到超过6 6 6 7k m 2 ，流沙直逼 辽西北典型沙地生态环境自然恢复研究 北甸子村。康平县沿内蒙古边界有2 2 个风口，有流动沙丘地6 6 6 7 多k m 2 ，半固定沙丘 地3 4 6 6 7k m 2 ，这些流动沙丘每年随季风向东南和东北向推移的年线速度为4 5 m 。刮8 级西北风时，其沙尘直躯沈阳，影响面更大。 通过调查分析有关辽西北沙化的发展态势在理论和实际上可将其置于整个科尔沁 沙地沙漠化的发展趋势中去考察，现将分析过程阐明如下： ( 1 ) 以景观生态学思想为基础，将沙漠化程度分为四个等级：潜在的沙漠化、正 在发展的沙漠化、强烈发展的沙漠化和严重的沙漠化。把这种等级划分运用于科尔沁沙 地的沙漠化土地中。 ( 2 ) 上述沙漠化过程的等级划分必须用沙漠化指征的指标，即用与沙漠化环境条 件紧密关联的现象或统计量( 有直接、间接指标和定性、定量的指标) 来表征沙漠化的 属性和程度；即根据沙漠化的指征及其指标来定义上述沙漠化程度的四个等级，沙漠化 程度及其指征和指标体系见表1 3 。 表1 3 沙漠化程度及其指征和指标体系表 t a b 1 3t h es a n d yd e s e r t i f i c a t i o nd e g r e e ，t h ei n d i c a t o ra n dt h ei n d i c a t i v es y s t e m 潜在的5 以下 5 0 2 ，0 大部分土地尚未出现流沙或风蚀 地，而有偶见的流沙地和风蚀破 口 片状流沙吹扬灌丛沙堆、风蚀地 等相结合分布 流沙或风蚀地作大面积区域分 布，灌丛沙堆密集吹扬强烈，风 蚀严重 密集流动沙丘或风蚀劣地占绝对 优势 8 03 - 4 5 6 0 3 0 8 0 5 02 9 - 1 5 3 0 1 0 5 0 - 2 01 4 - 1 0 1 0 02 0 0 注：1 ) 植被覆盖度按投影法估算，当地原生景观的植被盖度以1 0 0 计；2 ) 土地滋生潜力是用 水分效率( 或蒸腾系数) 推算出本区单位面积可能的生产量并以其为1 0 0 计。3 ) 估算的我国干草 原农牧交错地区生物量。 ( 3 ) 按照表1 3 的原则将科尔沁沙地沙漠化土地分为四个区域：科尔沁东北部区、 北部区、东部区、西部区，这四个区按沙漠化程度分别属于沙漠化正在发展区、沙漠化 强烈发展区和严重沙漠化区。其分区详情见表1 4 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 表1 4 科尔沁沙地沙漠化土地分区表 t a b 1 4t h ed i v i d ea r e ao fs a n d yd e s e r t i f i c a t i o nl a n di nk e e r q i ns a n d yl a n d ( 4 ) 辽西北沙化区在科尔沁沙地沙漠化区划中所占据的位置实际上决定了它发展 趋势的本质属性，因此位于“科尔沁沙地东北部沙漠化地区”边缘的彰武北部、康平西北、 法库西北等地是沙漠化强烈发展的地区。 1 2 4 辽西北沙化的影响及危害 ( 1 ) 辽西北沙化对景观生态环境的影响。主要体现在一是对地表形态变化的影响， 使地表经历风蚀、灌丛沙堆、斑点状或片状流沙，进而演变成新月形沙丘和沙丘链为主 的密集沙丘，至使片状分布流动沙丘占沙化区的5 0 以上。二是地表植被组群向沙化品 种发展且植被覆盖度大大降低，即植被组群由短花针茅和达乌胡枝子转化为甘草、苦豆 子，直至最后只剩少数油蒿、沙柳等沙生植物，与此同时植被覆盖度也由5 0 左右逐步 降至3 5 4 5 ，最后为1 0 以下。三是地面组成物质的变化，即小于o 0 11 1 1 i i l 的粘粒渐 减，大于o 0 1l t l r n 的颗粒渐增，地表中有机质含量剧降，土壤容重增加、孔隙度和蓄水 性逐渐减少。 ( 2 ) 沙化同时给人类生活带来一系列破坏性的影响。如淤积堵塞河流、水库和渠 道，降低排水能力，影响生产，大涝时又加剧涝灾；使草原和农田遭沙化，轻则风蚀损 失土壤和有机质，重则彻底毁坏农田牧场，迫使人口迁移。 ( 3 ) 大风时辽西北沙化地区作为扬沙源给辽宁中部地区，尤其是中部城市群造成 极大的沙尘危害。据风洞模拟试验，沙土粒径0 2 5i l l n 以上，在风力作用下其运动呈滚 动、蠕动或跃移；0 1i n n 2 以下极易起动；粒径o 0 1m m 以下的沙尘颗粒在8m s 风力下， 则将随风远距离飘移污染大气，据测算彰武沙尘6 h 内可移至沈阳。研究表明，风沙季 节，进入沈阳市上空沙尘每小时可达1 11 1 4 4t 。 辽西北沙化在季风作用下，对辽宁省沙尘危害极大，主要表现为土地沙化面积逐年 扩大；对农业生产、交通、人民生活和整个经济造成损失；沙尘微粒严重威胁人类健康 生活。应突出指出风沙对中部城市群的影响十分严重，有学者对风沙流经沈阳城区时的 沙尘沉积量和风沙输入沈阳的沙尘浓度占当地总悬浮颗粒物的百分率作了测算，结果表 辽西北典型沙地生态环境自然恢复研究 明：春季空气总悬浮颗粒物中2 3 是沙尘，冬季沙尘占1 3 ，在风沙季节，进入沈阳市 上空的沙尘最多时每小时达1 1 1 1 4 4 吨，空气中t s p 五日均值为0 5 8 6 1 5 6 0m g m 3 ( 为 三级标准的1 9 5 5 2 0 倍) ，其中输入的沙尘浓度占9 6 2 5 6 ；t s p 的一次最大值为 2 1 8 9 9 7 8 7m g m 3 ( 为三级标准的4 3 8 1 9 5 7 倍) ，其中输入的沙尘浓度占1 2 8 5 7 。 因此辽西北沙尘对沈阳地区大气环境有明显的影响。 1 3 本研究的目标、内容、方法和技术路线 1 2 1研究目标 本研究以辽宁省彰武县阿尔乡围封沙地为研究对象，在流动沙丘，半流动沙丘，固 定沙丘、风蚀洼平地和丘间低地五种地貌类型中选择样地，对植被和土壤的相关指标进 行长期定位监测。根据各项指标不同时期的变化及不同空间的差异，观测出植被恢复状 况，摸索出沙地植被自然恢复的过程及规律，进一步提出沙化防治措施建议。 1 2 2 研究内容 研究内容主要包括： ( 1 ) 在围封沙化区样地中，对流动沙丘，半流动沙丘，固定沙丘三种地貌类型的 沙地恢复演替过程进行分析； ( 2 ) 每种类型沙地都生长着其特有的植物群落，且随着沙地的演替而变化。通过 长期定位监测，考察比较不同年份围封沙地植被群落的覆盖度、高频度的变化及沙地中 典型植物的生长状况来认识沙地的演替； ( 3 ) 对围封沙化区风沙土的土壤剖面、水分、养份等特征分析，反映沙化土壤特 征。 1 2 3 研究方法和技术路线 ( 1 ) 沙地类型 由于沙地的各种地貌类型呈现出相间分布的特点，即在流动半流动沙丘群中有固定 的风蚀洼平地存在，在固定沙丘和平缓沙地中也有半流动沙丘存在。因此，在调查中仅 以大面积和大范围的沙地类型为主，将阿尔乡沙地分为流动沙地、半流动沙地和固定沙 地三类进行观察其相互间动态变化。 ( 2 ) 植被群落 根据每种植物群落分布的面积与范围，来确定样地数目，一般为l 3 个。每个样 方都用竹签进行固定，以备进行连续调查，观测植被演替过程。样方面积在生长期为2 5 m 2 ，果实期为1 - - 4m s 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 确定不同沙地类型中的主要植物群落，以及该群落中的优势种，对每种地貌类型的 植物进行种类鉴别，统计每种植物数量，并按科进行分类，观察植物分科变化。研究每 种地貌类型植物群落外貌特征，如盖度、高度、密度、频度、物候相、生活型等，调查 样地内建群植物中主要植物地上、地下部分鲜重之和。然后分别取鲜草样品称重，阴干 后，称干重，最后把生物量鲜重换算为干重。 生活型：分为乔木、灌木、草本植物三种。 密度：郁闭度，树木树冠树叶总量，覆盖对地面的比值( ) 。 盖度：群落所有植物枝叶对地面覆盖的比值( ) 。 频度：每一种植物在多个调查样方重复出现的几率( ) 。 高度：植物群落中优势种的高度，分层次高度和所有种的高度。 季候相：主要植物所处生长发育时期，如生长期、开花期、果实期等。 百分比多度：每一种植物数量与总植物数量的比值( ) ( 3 ) 土壤调查方法 采用肉眼观测的方式，将围封区不同的地貌类型分类，并确定监测点位。按照地貌 类型，每种地貌类型选择2 , - 一3 个土壤调查点，挖掘土壤剖面，记载各土壤剖面层次的 土层深度、质地、颜色等，并做土壤含水量测定。 每个土壤调查点按梅花型布点方法，采集1 5 - 2 0 个小样，混合均匀后，用四分法 淘汰，缩分成一个大样，并进行土壤有机质、土壤全氮量、土壤颗粒组成分析方法见表 1 5 。 表1 5 土壤分析项目及方法 t a b 1 5t h ei t e ma n dm e t h o do fs o i la n a l