阿拉善近1万年来的环境演变研究

阿拉善近1万年来的环境演变研究1．1选题依据阿拉善位于内蒙西部，沙漠化土地面积占总土地面积的82.3%（龚家栋，2005）。著名的巴丹吉林、腾格里、乌兰布和三大沙漠横贯全境，统称阿拉善沙漠。自然生态环境极为脆弱。千百年来，阿拉善一直受到区内的三大生态屏障保护——东部贺兰山天然次生林以及沿贺兰山西麓分布的滩地、固定和半固定沙地，西部黑河下游额济纳河沿岸绿洲，东西绵延800多公里的防风固沙梭梭林带。这三大屏障,在空间上呈“π”型分布,是我国西北地区的重要生态防线。近几十年以来，因种种原因，阿拉善的三大生态保障体系已遭到了巨大的破坏，使该地本来就很脆弱的生态环境急剧恶化。主要表现在：1．湖泊湿地减少，绿洲萎缩。自1961年开始，黑河下游额济纳旗境内的居延海的湖泊、盐化沼泽和泥碳地、芦苇地等湿地相继消失，绿洲面积由6500平方公里退化到目前的3328平方公里,并且以每年13平方公里的速度递减。20世纪50年代初，石羊河下游的民勤绿洲北端的青土湖及其周边有湿地面积100多平方公里，如今湖水早已干涸，当年的湿地全部沙漠化，湖底的粉尘已成为危及西北地区和华北地区的新的沙尘暴策源地。阿拉善东部地区的吉兰泰盐湖、头道湖、二道湖、三道湖等的水量极度减少，有的甚至干涸。其中，吉兰泰盐湖是内蒙古自治区最大的盐湖，湖水面积由全新世早期的600多平方公里减少到晚全新世的55平方公里(耿侃等，1990)，而现在盐湖边缘已变成干涸的盐滩。过去盐湖周围被101万亩的天然梭梭林所包围，成为沙害侵袭盐湖的天然屏障。现在梭梭林基本被砍伐殆尽，盐湖进沙量达825.4万立方米。流沙正以每年33米的速度向采盐区推进，照此速度发展，30年后吉兰泰盐湖将不复存在。2．植被退化，生物多样性减少。自1958年到1980年22年间，沿河胡杨、沙枣和怪柳林面积消减85.6万亩，现在沙质戈壁上的梭梭林已几近消亡，湖区边缘上的梭梭林也大部分成为梭梭残株。横贯东西800公里的113.3万公顷梭梭林仅剩38.6万公顷残林，并正以每年0.17万公顷的速度减少；贺兰山西麓天然次生林更新困难，目前仅存3.58万公顷；胡杨林面积由解放初的5万公顷减少到目前的2.94万公顷；草场退化面积达334万公顷以上，原有的130多种植物种现仅存30多种；植被覆盖度降低了30—80%，大面积的草场已无草可食；180余种野生动物或迁栖他乡，或濒临绝迹。3.草原大面积沙化，生产能力下降。阿拉善盟虽然天然草地面积辽阔，但90％的草原不同程度地出现了沙化，其中严重沙化的占40％，中等沙化的占50％。荒漠化草原占天然草原总面积的96.2％，草原植被覆盖率不足5％，草地产草量逐年下降，载畜能力大大降低。加之超载放牧现象严重，阿拉善盟1949年各种牲畜只有35.67万头(只)，到2002年发展到164.81万头(只)，是解放初期的4.6倍。在严酷的自然条件下，再加上人口的增加、人为破坏、乱砍滥伐和病虫鼠害的肆虐等原因，使草地植被覆盖度与50年代相比下降了60％。4．风沙灾害严重，沙漠连成一片。全盟沙漠化土地面积已占总土地面积的82.3%。境内的腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠及乌兰布和沙漠原来靠高山、丘陵相隔，相距较远，而现在这三大沙漠衔接处的戈壁、丘陵地上分别覆盖上了来自两边的沙丘，腾格里沙漠东北缘与乌兰布和沙漠西南缘会合，巴丹吉林沙漠东南缘与腾格里沙漠西北缘会合，阿拉善境内三大沙漠将握手连片（照片1.1）。而且这三大沙漠现正以每年20m的速度向东南方向推进。随着当地生态环境进一步恶化和大风干旱灾害加剧，阿拉善盟的土地沙漠化约以每年1000km2的面积扩展。5．沙尘暴频繁发生。20世纪50年代的十年间，强沙尘暴天气发生过5次；60年代的十年间，强沙尘暴天气发生过8次；70年代的十年间，强沙尘暴天气发生过13次；80年代的十年间，强沙尘暴天气发生过14次；到90年代的十年间，强沙尘暴天气发生过36次；2001-2002两年间，强沙尘暴天气发生过15次（张惠祥等，2003）。据统计，从1982年～2002年的20年间，强沙尘暴发生了65次。我国沙尘暴的北方路径和西北路径均通过阿拉善地区，阿拉善已成为我国最大的沙尘暴源头地（龚家栋，2005）。6.人口剧增，地下水资源开采过量，土地退化严重。阿拉善人口1935年为1.7万人，其中6400人为喇嘛；而2005年末人口约21.2万。人口增加的同时，牧民蓄养量一度上升，过度放牧，导致原有的草原急剧退化，草场沙化严重。长时间过量开采地下水，不仅是对地下水资源造成巨大的浪费，并且影响该地区地下水质急剧恶化，同时产生土地盐碱化、地表板结等土地退化现象。生态环境的恶化，也加重了牧民的贫困化程度，许多地区已失去人畜生存条件，畜群结构失调，农牧民日趋贫困，有近1/4的牧民沦为生态难民。日益恶化的生态环境给阿拉善地区经济社会带来极大危害，严重威胁到东风航天基地的生态安全，同时也直接影响到河西走廊、宁夏平原、河套平原三大商品粮基地和西北、华北及京津地区。大量风沙侵入黄河，使河床抬高，行洪能力下降。20世纪90年代以来,阿拉善地区生态环境恶化问题受到了党中央、自治区以及专家学者和新闻界等的密切关注。阿拉善SEE生态学会是中国首家以社会(Society)责任为己任,以企业家(Entrepreneur)为主体，以保护地球生态(Ecology)为实践目标的非政府公益组织，致力于改善和恢复内蒙古阿拉善地区的生态环境研究。自治区政府也将阿拉善地区列为“十五”时期五大生态重点治理区之一,即阿拉善自然封育治理区，并提出了《阿拉善地区生态环境综合治理意见》（龚家栋，2005）。近几年来，阿拉善各级政府加大生态治理力度，如围栏禁牧、生态移民等措施。2005年8月，长安大学“水与发展研究院”承担了阿拉善SEE生态学会的项目“阿拉善腰坝绿洲地下水承载力及可持续利用研究”。腰坝绿洲是阿拉善盟十大绿洲之一，也是最早接受移民的绿洲。腰坝绿洲的生态环境问题在阿拉善具有代表性。据调查，在退牧搬迁之后，搬迁牧民普遍出现返贫现象，可能出现回迁，给退牧草场造成一定的威胁。同时，绿洲人口增加，长时间过量开采地下水，以漫灌方式种植粮食，不但造成绿洲水源危机，而且也造成土地盐碱化、地表板结等土地退化现象，致使当地生态呈现日益恶化的趋势。所以，定量有效地评价绿洲的水资源承载力就显得尤为重要。同时，还要了解该区的环境演化历史，为政府的决策规划提供有力的证据。本研究报告就是在此项目的基础上完成的。因为，要改善和恢复阿拉善地区的生态环境，减缓或遏制沙尘暴的发生，就必须了解该区生态环境的演化历史，特别是研究人类活动加剧的近万年来该区自然生态环境如何变迁？未来趋势怎样？哪些恶化以自然为主？哪些基于人祸？研究阿拉善地区古气候的演化规律，不仅有助于揭示该区干旱化的强度、分布、转化和演变特征，而且对于正确处理人与自然的关系，防止盲目燥动或无所作为，对于正确指导治理与改善和恢复该区的生态环境，都将具有十分重大的作用。近一万年来是人类文明迅速发展进步的时期。自人类出现以来，人为因素在环境演变中的影响越来越大。阿拉善东部地区地处巴丹吉林沙漠，乌兰布和沙漠和腾格里沙漠的交替地带，脆弱的自然生态环境，对气候、环境变化及人类活动具有敏感的响应，其沉积物会敏感地记录了区域及全球的气候、环境变化及人类活动的信息。所以，深入了解该地这段时间的气候和环境变化，揭示其气候的变化规律，将为预测未来环境的发展趋势，认识现阶段地理环境及其发展趋势具有重要意义，为该区正确的生态规划，为国家西部大开发的整体布局和战略制定提供依据。1．2主要研究内容本研究将通过对阿拉善左旗从北到南三个沙漠边缘的沉积剖面研究，建立高分辨率的气候变化曲线，并结合前人的研究成果，查明阿拉善东部地区全新世各阶段的环境特点和演变规律，同时借助历史文献记载及近代器测气象资料，分析和讨论环境演变的时间和区域分异规律以及由此而造成的社会影响，揭示近1万年以来研究区内自然环境变迁和人地关系演变的规律。主要研究内容包括以下几个方面：1）全新世沉积剖面的选定及样品的采集；2）样品的前处理、测定分析及实验数据的整理、分析和讨论；3）该区近一万年来环境演变的特点及区域差异；4）全新世期间人地关系演变研究。3．3粒度分析的意义和方法3．3．1粒度分析的古气候意义碎屑沉积物的粒度，是指不同粒径的颗粒在沉积环境中所占的比例，通常用重量百分数表示。沉积物的粒度分布主要受搬运介质、搬运方式、沉积环境等因素的控制，因此，通过对沉积物粒度特征的研究可了解沉积物所处的沉积环境，是恢复过去古气候、古环境状况的一个重要代用指标。在20世纪60年代，刘东生等发现黄土高原马兰黄土的粒度由西北向东南变细，可划分为沙黄土带、黄土带和粘黄土带；之后，又比较了黄土与现代风尘堆积物的粒度，发现二者的相似性（刘东生，1985）。这些工作不仅为黄土的物源和风成说提供了可靠的证据，又从本质上为粒度分析在古环境研究上的应用奠定了基础。黄土的研究表明,其沉积物粒度值的大小是指示东亚冬、夏季风气候变化的良好代用指标（Anetal，1991；Dingetal.，1994；Xiao，1992）；已有的湖泊沉积学研究也表明,湖水能量是控制沉积物粒度分布的重要因素，粒度的粗细代表了水动力的强弱、湖泊输入水量的相对大小，在一定程度上可以反映湖区降水的变化，因而具有干湿变化的指示意义（Celina，1997；陈敬安等，1999，2000）。目前，粒度分析被当作气候变化的代用指标用于过去全球变化研究，在划分气候变化旋回和全球变化对比方面应用广泛（鹿化煜等，1997，1998；孙东怀等，2000等）。3．3．2粒度标准粒度标准是指人们通用的粒度标算方法。目前各个部门根据自己的需要采用各自的粒级分类标准，很不一致。除通常采用的毫米值外，目前国际上应用最广的粒度分级是克鲁宾（1934）提出的等比粒径标准（256,128，64，32，……，1/2，1/4，……，1/256）。根据本文涉及范围主要有以下划分（表3.2）。表3.2粒级分类表（第四纪环境研究方法，1992）粒组类型粒级名称粒径范围Φ=－log2D简分法细分法国际常用（μm）中国习用（mm）DΦ砂粗砂极粗砂2000-10002-0.510粗砂1000-5001/21中砂中砂500-2500.5-0.251/42细砂细砂250-1250.25-0.101/83极细砂125-630.10-0.051/164粉砂粗粉砂粗粉砂63-320.05-0.011/325中粉砂32-161/646细粉砂细粉砂16-80.01-0.0051/1287极细粉砂8-41/2568粘土粘土粘土<4<0.0051/51293．3．3粒度的测试方法常用的粒度测量方法有直接测量法、沉降法、筛析法等。随着技术的发展，新的方法和技术不断产生。激光粒度分析仪法就是20世纪70年代发展起来的一种有效、快速测定粒度的方法。它的主要特点是测量原理突破了传统方法，且与计算机系统相连接，使原始数据直接得到各种统计分析，研究人员可以快速而准确地得到各种类型的结果。相对于经典的沉降法和重力沉积作用法来说，具有精度高、快速、人为因素造成的误差小等优点。在国外该方法已取得一致公认，并得到广泛地应用（丁喜桂等，2005）。本研究所有样品的粒度分析使用的是激光粒度仪法。全部样品的粒度分析在中国科学院地球环境研究所Mastersizer-S型激光粒度仪上测量。粒度测量前，对样品进行了较为彻底的前处理（鹿化煜，1997），以除去全样中的有机质、成壤作用过程中产生的碳酸盐和次生粘土矿物等，然后用超声波清洗仪振荡加以分散。仪器的测量范围为0.05—880μm，测量组分间距为0.15F，测量误差小于3%。常规测量的前处理方法如下：（1）去除有机质：取粉末样品约1.5g，放入300ml的烧杯中，加10ml10％的双氧水（H2O2），摇匀使之充分溶解；（2）除去碳酸盐及部分次生粘土矿物：待烧杯降到室温后，加入10ml10％的盐酸（HCL），摇匀后煮沸使之反应充分，加热过程中应不时加入蒸馏水以免蒸干；（3）待上述反应结束后，给烧杯中加满蒸馏水稀释并静置一夜，使样品充分浸泡后，抽去烧杯中的蒸馏水，至粒度仪测量所需的浓度（7-15%）；（4）分散、制备悬液：给稀释后的溶液中加入0.05N的分散液((NaPO3)6)10ml，摇匀后置于超声波振荡器中振荡10分钟以形成高度分散的颗粒悬浊液，准备在粒度仪上进行测量。2．3．1磁化率磁化率作为一种重要的环境指标，在恢复气候环境演变方面得到了较为广泛的应用。已有的研究表明沉积物磁性特征的变化主要是由其粒度组成变化、成土作用所引起的〔刘秀铭等，1990；张振克等，1998；王建等，1996；J.Bloemendaletal.,1995〕。样本中磁化率的高低变化在一定程度上反映了粘滞性颗粒相对含量的变化，间接的指示了沉积动力的变化，故利用沉积物磁化率可以得到气候环境演变的信息。本研究的磁化率在陕西师范大学旅环院实验室用MS—2B磁化率仪（Bartington公司生产）测定。将自然风干土样在玛瑙研钵磨碎（以不损伤自然颗粒为度），而后称取10ｇ装入特制的样品盒进行高频和低频磁性测量，重复测量3次，取其平均值为最后结果。2．3．2粒度分析根据沉积物的粒度变化来分析其形成环境特征，这一研究手段己经在沉积物地区得到广泛应用。沉积物的粒度分布主要受搬运介质、搬运方式、沉积环境等因素的控制，因此，通过对沉积物粒度特征的研究可了解沉积物所处的沉积环境，是恢复过去古气候、古环境状况的一个重要代用指标，被广泛应用于风成、海洋、湖泊、河流和浊流沉积环境的分析、比较上（黄杏珍等，1981；鹿化煜等，1998；胡刚等，2001；孙有斌等，2003）主要参考文献Aitken，M.J.，ThermoluminescenceDating［M］，London，AcademicPress，1985。AlleyRB，MayewskiPA，SowersT，etal.，Holoceneclimaticinstability，Aprominent，widespreadevent8200yrago，Geology，1997，25(6)，483～486。AnZS，KuklaG，PorterSC，etal，LateQuaternarydustflowontheChineseloessplateau[J]，Catana，1991，18，125～132。BianchiGG，McCaveIN，HoloceneperiodicityinNorthAtlanticclimateanddeep-oceanflowsouthofIceland，Nature，1999，397，515～717。BiscayePE，GroussetFE，RevelM，etal.，Asianprovenanceofglacialdust(stage2)intheGreenlandIceCoreProject2icecore，summit，Greenland，JournalofGeophysicalResearch，1998，102(C12)，26765～26781。BondG，ShowerChesebyM，etal.，Apervasivemillennial-scalecycleinNorthAtlanticHoloceneandglacialclimates，Science，1997，278，1257～1266。CampbellID，CampbellC，AppsMJ，etal.，LateHolocene1500yearclimaticperiodficitiesandtheirimplications，Geology，1998，26，471～473。CelinaCampell，LateHolocenelakesedimentologyandclimatechangeinsouthernAlberta，Canada[J]，QuaternaryResearch，1997，49，96～101。ChenFH，ChengB，ZhaoY，ZhuYandMadsenDB.，Holoceneenvironmentalchangeinferredfromahigh-resolutionpollenrecord，LakeZhuyeze，aridChina，TheHolocene，2006，16（5），675～684。ChenFH，ShiQ，WangJM，EnvironmentalchangedocumentedbysedimentationofLakeYiemainaridChinasincethelastglaciation，JournalofPaleolimnology，1999，22(2)，159～169。ChenF.H.，WuW.，HolmesJ.A.，etal.，Amid-HolocencedroughtintervalasevidencedbyLakedesiccationintheAlashanPlateau，InnerMongolia，China，ChineseScienceBulletin2003，48（14），1401～1410。ChenF.H.，ZhuY.，LiJ.J.etal.，AbruptHolocenechangesoftheAsianmonsoonatmillennial-andcentennial-scales:EvidencefromLakesedimentdocumentinMinqinBasin,NorthChina，ChineseScienceBulletin，2001，46，1414～1418。DingZL，YuZW，RutterNW，etal.，TowardsanorbitaltimescaleforChineseloessdeposits[J]，QuaternaryScienceReviews，1994，13，39～70。FangJQ.，Lakeevolutionduringthelast30,000yearsinChina，anditsimplicationsforenvironmental-change，QuaternaryResearch，1993，36(1)，37～60。FengZD，ThompsonLG，Mosley-ThompsonE，etal.，Time-spacemodelofclimaticchangeinChinaduringthepast10,000years，Holocene，1993，3，174～180。GaoS.，JinH.，ChenW.etal.，DesertsoftheHoloceneMegathermalinChina，ScienceinChina，Ser.B，1993，23，201。GasseF，VanCampoE，Abruptpost-glacialclimateeventsinWestAsiaandNorthAfricamonsoondomains，EarthandPlanetaryScienceLetters，1994，126，435～456。GiancarloGBianch，NicholasMcCave，HoloceneperiodicityinNorthAtlanticclimateanddeepoceanflowsouthofIceland[J]，Nature，1999，397，515～517。GuoZT，Petit-MaireN，KropelinS，Holocenenon-orbitalclimaticeventsinpresent-dayaridareasofnorthernAfricaandChina，GlobalandPlanetaryChange，2000，26(1-3)，97～103。HerzschuhU，TarasovP，WűnnemannB，HartmannK，HolocenevegetationandclimateoftheAlashanPlateau,NWChina,reconstructedfrompollendata，Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology，2211，1～17。HuangC.C.,PangJ.L.，ZhouQ.Y.，ChenS.E.，HolocenePedogenicChangeandtheEmergenceandDeclineofRain-fedCerealAgricultureontheChineseLoessPlateau，QuaternaryScienceReviews，2004，23(23-24)，2529～2539。Huang，C.C.，Pang，J.L.，Chen，S.E.，Zhang，Z.P.，HoloceneDustAccumulationandtheFormationofPolicyclicCinnamonSoilsintheChineseLoessPlateau，EarthSurfaceProcessesandLandforms，2003，28(12)，1259～1270。Huang，C.C.，Pang，J.L.，Li，P.H.，Abruptlyincreasedclimaticaridityanditssocialimpactat3100aBPontheLoessPlateauofChina，JournalofAridEnvironments，2002，52(1)，87～99。LuckmanB.N.，NeoglacialglacierfluctuationinCanadianRockies[J]，QuaternaryResearch，1993，39（2），144-153。MadsenD.B.，ChenFH,，OviattCh.G.，ZhuY，BrantinghamP.J.，ElstonR.G.&BettingerR.L.，LatePleistocene/HolocenewetlandeventsrecordedinsoutheastTenggerDesertlakesediments，NWChina，ChineseScienceBulletin2003，48（14），1423～1429。O'BrienSR，MayewskiPA，MeekerLD，etal.，ComplexityofHoloceneclimateasreconstructedfromaGreenlandicecore，Science，1995，270，1962～1964。Pachur，H.，Wünnemann，B.，HucaiZ.，LakeevolutionintheTenggerDesert，NorthwesternChina，duringthelast40000years，QuaternaryResearch，1995，44，171～180。PestiauxP，VanderMerschI，BergerA，etal.，Paleoclimatevariabilityatfrequenciesrangingfrom1cycleper10,000yearsto1cycleper1000years：Evidencefornon-linearbehaviouroftheclimatesystems，ClimateChange，1988，12，9～37。PrellW，KutzbachJE，SensitivityoftheIndianmonsoontoforcingparametersandimpolicationsforitsevolution，nature，1992，360，647～652。Rees-Jones，J.，Opticaldatingofyoungsedimentsusingfine-grainquartz［J］,AncientTL，1995，13(2)，9～14。ShiQ，ChenFH，LiuY，etal.，LakeevolutionoftheterminalareaofShiyangRiverDraina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