咸海生態危機:荒漠化趨勢與生態恢復防控對策

發布時間:2021-02-26 15:40:00  |  來源:中國網·中國發展門戶網  |  作者:何明珠 等  |  責任編輯:殷曉霞
關鍵詞:咸海,荒漠化,可持續發展,鹽漬化,鹽塵,植被承載力

中國網/中國發展門戶網訊 可持續發展已成為全球共識。2015?年?9?月聯合國發展峰會通過的《變革我們的世界:2030?年可持續發展議程》,開啟了全球可持續發展的新紀元。中國政府在積極落實聯合國?2030?年可持續發展目標的同時,提出“共同建設‘綠色絲綢之路’”倡議,將“綠色絲綢之路”建設與中亞的環境建設融于一體,打造中國-中亞命運共同體,積極推動地區綠色可持續發展。

咸海流域覆蓋了中亞五國及阿富汗、伊朗?7?個國家在內的?123?萬平方公里,地處亞歐大陸地理中心,是“一帶一路”倡議輻射歐洲、非洲的核心樞紐。然而,由于地處亞洲大陸干旱區內,區域生態環境十分脆弱,人口增長和水土資源的不合理利用,導致土地荒漠化、水土流失和環境污染等問題非常嚴重。20?世紀后半葉以來,隨著咸海水體大幅萎縮,大面積的干旱湖底直接成為裸地、鹽土或被鹽殼覆蓋,在風力作用下形成了多發性、高污染的鹽塵暴和鹽堿地,引發區域植被退化和土地鹽漬化問題;同時,該區域地下水位下降和氣候干旱化導致植被退化、草地和農田沙化,加速形成新的沙漠帶?。2017?年?7月,聯合國秘書長古特雷斯考察咸海時指出,咸海干涸成為“20?世紀最大的環境災難”。目前,沙化和鹽漬化等土地荒漠化問題是咸海生態危機亟待面對和解決的重要難題。本文擬通過分析阿姆河-咸海流域土地荒漠化發展趨勢,并基于沙化和鹽漬化土地生態恢復重建的技術和實踐總結,提出咸海危機的生態恢復防控對策和展望。 


咸海流域土地荒漠化問題

咸海,曾經是中亞第一大咸水湖、世界第四大內陸湖泊,面積將近?7×104 km2;中亞兩大內流河錫爾河和阿姆河注入咸海,維持了咸海水域的穩定。20?世紀?60?年代開始,蘇聯在哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦和土庫曼斯坦興建重大引水工程,并將阿姆河和錫爾河水資源引至沙漠地區開墾農田,種植高耗水的棉花和其他農作物,農業豐產豐收的盛景背后是咸海的逐漸枯竭和系列生態環境問題。

(1)水域縮減、水質下降、生物多樣性下降。咸海面積由?1986?年的?44?164 km2?縮減到?2017?年的?9?772 km2,減少了約?78%;其中,2015?年南咸海的東部盆地已完全干涸。隨水域面積減小,西咸海的溶解鹽濃度高達?150 g/L,是?1960?年水體鹽濃度的?15?倍以上?。此外,水位下降引起水體生物多樣性的喪失,曾經豐富的鳊魚、鯉魚和其他淡水魚類大幅減少乃至消失。例如,西咸海中已無魚類,僅有咸水蝦和少量底棲動物生存。

(2)鹽堿荒漠化土地快速發展、土地質量下降。灌溉引起的農田鹽漬化問題日益嚴重,尤其在阿姆河下游咸海附近的烏茲別克斯坦卡拉卡爾帕克斯坦自治共和國和布哈拉州等地,部分地方?90%—94%?的土地受到鹽漬化侵害。鹽漬化成因包括外源輸入和內源溶解表聚?2?個方面:①外源輸入主要來自于內陸河攜帶的鹽分。據世界銀行的調研報告,錫爾河和阿姆河攜帶的鹽量從?20?世紀?60?年代的?5.5×107—6.0×107 t增加到了20?世紀?90?年代中期的?1.354×108 t?。②內源溶解表聚主要是灌溉溶解深層土壤鹽分,通過毛細管作用在地表富集。據烏茲別克斯坦農業與水利部水利與水問題研究所測算,輕度、中度和重度鹽堿化可分別導致?20%—30%、40%—60%?和?80%?以上棉花產量的損失。

(3)干涸湖底鹽分積累、鹽塵頻發且危害嚴重。咸海干涸湖底聚集著大量的有毒鹽;據估計,咸海完全干涸后會形成寸草不生的鹽漠,大約會產生?100?多億噸鹽。咸海鹽塵在風力驅動下進入大氣,形成長達數百公里的羽狀塵埃流,對生態環境造成極大破壞(圖?2a?和?b)。鹽塵的危害包括但不限于?3?個方面:①人口健康(特別是婦女和兒童)。毗鄰咸海的地區生存條件極度惡化,空氣中長期懸浮鹽塵顆粒,從而導致個別地方的嬰兒死亡率高達?8.2%;該地區婦女和兒童患呼吸道疾病和消化道疾病的概率也大幅上升,生活在烏茲別克斯坦西北部、咸海南岸的卡拉卡爾帕克斯坦共和國的?100?多萬人健康狀況受到影響?。②土壤“健康”。鹽塵活動作為一類重要的地表物質空間再分配的過程,可被視為一個“風源水匯”的雙向流:一方面在風力驅動下以鹽塵源的形式不斷向大氣輸出顆粒物;另一方面又不斷接收來自地表、地下徑流的輸送,成為鹽分、泥沙及化學物質的匯,加速了土壤次生鹽堿化過程(圖?2c)。③生物“健康”。鹽塵對植被的破壞包括機械打磨、化學腐蝕、生物脫水,并造成植物枯萎死亡(圖?2d)。在大風作用下鹽堿沙塵暴會將沙塵和鹽堿擴散到?250 km?外的農田和牧場,每年進入大氣層的鹽塵達?1.5×107—1.7×107 t?。攜帶鹽堿、沙塵和有害化學物質的沙塵暴已對農牧業生產和陸面生態系統產生嚴重危害。

 

(4)咸海局地氣候干旱化、風沙活動加劇。隨著咸海水體面積的減小,對局地氣候的調節作用減弱,咸海地區干旱程度日趨加劇,空氣濕度降低?20%—25%;溫差增大,夏季氣溫比過去升高了?2℃,最高氣溫達?45℃。阿姆河三角洲地區的氣候逐漸與周圍的沙漠氣候趨同,夏季高溫少雨,冬季寒冷少雪(圖?3)?;哪恋財U張疊加氣候干旱多風,導致沙塵暴和鹽塵暴肆虐。2000—2016?年,咸海湖盆鹽/沙塵活動一直比較活躍,平均發生次數達?15.3?次/年;最頻繁的風暴出現在咸海北部地區,平均頻率達到?36—84?天/年,而東部地區為?9—23?天/年。咸海干涸湖底及其附近的荒漠地區已成為世界上最重要的塵源地之一。據不完全統計,“綠色絲綢之路”建設過程中的交通干線、電力網絡、油氣管網均受到鹽塵災害的威脅。咸海危機造成的社會經濟損失已高達數百億美元。

荒漠化土地發展趨勢與植被承載力

荒漠化土地發展趨勢

為準確提取烏茲別克斯坦荒漠化土地信息,本文選取?Landsat TM?遙感影像,并進行波段合成(?4、3、2?波段分別被賦予紅、綠、藍?3?種顏色,此波段組合能很好地反映植被生長狀況和風成地表形態,使遙感圖像目標物更加突出),以對?1990?年、2000?年、2010年和?2015?年烏茲別克斯坦遙感影像進行解譯。然后,基于荒漠化土地解譯方法和地面驗證點無人機航拍影像資料,建立了研究區域土地荒漠化目視解譯標志和定量評價體系,具體包括沙化土地、鹽漬化土地、沙漠、草地和其他?5?個一級分類,并將沙化土地分為流動沙丘、灌叢沙化和耕地沙化?3?個二級分類。進而,通過?160?個地面驗證點與判讀結果的對比驗證發現,利用建立的解譯標志進行人工判讀的總體精度可以達到?93.79%。其中,輕度沙化判讀精度為?91.67%,中度沙化為?100%,重度沙化為?100%,極重度沙化為?93.75%,其他土地類型為?92.37%,均顯示了較高的判別精度。研究區域土地荒漠化的時空變異特征主要表現如下。

(1)土地荒漠化呈擴張趨勢。自?20?世紀?90?年代以來,烏茲別克斯坦阿姆河流域至咸海地區的土地荒漠化呈顯著增加趨勢,1990?年、2000?年、2010?年和?2015?年土地荒漠化(包括沙化和鹽堿化土地)面積分別為?7.45×104?km2、7.49×104?km2、8.24×104?km2?和?10.48×104?km2(圖?4),分別占烏茲別克斯坦國土面積的?16.86%、16.96%、18.65%?和?23.72%。其中,鹽堿化土地從?1990?年的?1.05×104 km2?發展到?2015?年的?2.64×104 km2,增加了?1.52?倍;同期沙化土地面積從?7.03×104 km2?擴大到?10.04×104 km2,增加了?0.43?倍。上述數據呈現出鹽漬化增加速率高于沙化的趨勢;沙化/鹽漬化土地面積之比在上述?4?個階段分別為?16.87、12.41、15.61?和?22.81。其中,鹽漬化土地發生區域集中分布在咸海區域、鹽/沙塵暴波及區域和部分灌溉農田等;部分區域也存在鹽漬化和沙化問題疊加的現象,這給荒漠化土地的治理提出新的挑戰。因此,分析咸海生態危機引發的荒漠化問題,需要在沙化治理的同時,高度重視鹽漬化土地防控與生態治理。

 

(2)荒漠化程度呈現“三增一減”趨勢。按照沙化土地退化程度等級(極重度、重度、中度和輕度沙化)劃分和量化評價,1990—2015?年,土地退化等級呈現“三增一減”趨勢,即:輕度、中度和重度沙化面積呈現顯著增加趨勢,尤其是?2010—2015?年輕度和中度沙化土地面積的增長速率顯著增加(圖?5);而同期極重度沙化面積呈現波動下降趨勢。進一步分析發現,農田沙化逐漸占主導。例如,2010—2015?年,耕地沙化面積從?1.05×104 km2?增加為?3.18×104 km2,5?年間面積增加了?2?倍。輕度、中度和重度沙化土地面積的迅速擴張,表明咸海流域土地沙化的總體態勢呈現惡化趨勢,而耕地沙化可能和水資源短缺導致的灌溉不足或棄耕等問題密切相關。

 

植被穩定性與承載力分析

基于荒漠化時空分布格局,從景觀尺度對研究區域的植被穩定性及其承載力進行分析,綜合面積-邊緣指標(area-edge)、形狀指標(shape)、核心面積指標(core area)、聚集度指標(aggregation)、對比度指標(contrast)和多樣性指標(diversity)等?6?類景觀指數,并選取不穩定性區域內變化明顯的最大斑塊指數(LPI)、斑塊密度(PD)、獨立核心斑塊密度(DCAD)、總邊緣對比度指數(TECI)和分離度指數(SPLIT)等?5?個景觀指數作為衡量植被穩定性的關鍵指標,對阿姆河-咸海流域植被穩定性與承載力進行分析。

(1)植被穩定性土地面積呈下降趨勢。通過對?2?個時期的植被穩定性面積的分析發現:1990—2010?年,阿姆河-咸海流域植被穩定和不穩定面積分別為?39.16×104 km2?和?5.72×104 km2,分別占國土面積的?87.2%?和?12.8%;2010—2015?年,穩定和不穩定地區分別為?37.34×104?和?7.55×104 km2,分別占比國土總面積為?83.2%?和?16.8%;25?年間,植被不穩定土地面積增加了?1.82×104 km2(表?1)。

(2)植被承載力下降且呈現顯著空間異質性。參照李新榮等提出的我國北方風沙危害區生態重建與恢復植被承載力的方法,以沙漠生態系統穩定植被-土壤系統的年蒸散與降水比值(ET/P=1.03)及相應的灌木(蓋度?10%)、草本(蓋度?40%)和隱花植物(蓋度?60%)為基準,分析阿姆河流域-咸海區域?1990?年、2010?年?4?月和?10?月(分別代表雨季和旱季)的?ET/P?值空間分布特征,發現研究區域植被承載力呈現明顯時空異質性(圖?6)。①從空間尺度上看,沿阿姆河流域下游的植被承載力較中游地區高。②從時間尺度上看,1990?年?4?月阿姆河流域-咸海區域總體?ET/P?較?。ǚ秶?0.02—0.30),可以廣泛開展灌+草+隱花植物的種植;但隨著近年來咸海生態危機及干旱加劇,2010?年?4?月?ET/P?值(范圍在?0.03—0.64)較?1990?年?4?月升高。因此,阿姆河流域(尤其是中游地區)不宜再進行大面積以灌木為主的植被建設,最好以草本+隱花植物為主。

 

咸海流域土地荒漠化防控的意義與發展機遇

跨地區生態保護的意義

良好的生態環境是“綠色絲綢之路”發展繁榮的自然載體和支撐;咸海干涸、植被銳減,以及土地沙化、鹽漬化和鹽塵的科學防控與生態恢復是咸海流域良好發展的組成部分和目標之一。隨著近年來“綠色絲綢之路”的向西延伸,“綠水青山就是金山銀山”理念勾勒下的“綠色絲綢之路”建設對咸海流域的生態保護、生態安全和生態文明建設提出了新的要求。當前,土地荒漠化不僅影響了中亞地區?30%—60%?的灌溉耕地,還限制了中亞地區豐富的油氣資源和可再生能源的開發利用,并對太陽能電池組、風力發電機組、油氣管線造成風沙破壞,這極大地制約了當地經濟的發展,限制了中亞“綠色絲綢之路”樞紐功能的發揮。統籌解決好咸海流域的土地退化、水資源利用效率低、人口增加、產業落后與結構不合理等問題和矛盾,均衡生態保護與可持續發展的關系,將有助于打破中亞地區發展“瓶頸”,營造中亞地區繁榮穩定的發展局面。此外,“綠色絲綢之路”的建設,既可以為中亞經濟發展、災害防控提供中國智慧和中國方案,又可在國際社會內凝聚共識、形成合力,提高國際社會應對全球性風險災害的防控能力,這對于實現中亞地區的社會-經濟-自然復合生態系統的可持續發展具有重要意義。

綠色高質量發展的機遇

自?1991?年?10?月在塔什干簽署《中亞各共和國和哈薩克斯坦水利經濟組織領導人宣言》(《塔什干宣言》)起,咸海生態問題開始上升至國際層面;1993?年?1?月,國際拯救咸?;鸾M織正式成立,并于同年在克孜勒奧爾達峰會上通過了《關于解決咸海及其周邊地帶改善環境并保障咸海地區社會經濟發展聯合行動的協議》;2008?年國際拯救咸?;鸾M織在聯合國大會獲得觀察員席位;2016?年習近平主席在烏茲別克斯坦最高會議立法院發表演講時指出,要著力深化環保合作,踐行綠色發展理念,加大生態環境保護力度,攜手打造“綠色絲綢之路”。國際社會對咸海生態問題的關注逐步加強,為妥善解決咸海流域的土地荒漠化問題提供了良好的機遇。

咸海流域荒漠化防控的框架思路

咸海流域荒漠化土地的治理要在聯合國?2030?年可持續發展目標的框架下,權衡社會、經濟和自然系統之間的利益與矛盾,遵循綠色發展和生態文明建設的理念。通過提高用水效率、優化灌溉制度、調整產業結構,實現咸海流域生態保護與高質量發展。同時,還要遵循地理單元完整性、防治策略一致性、可持續發展原則,自上而下地提出和落實咸海干涸湖盆生態環境綜合治理區劃方案。

(1)平臺建設:咸海流域荒漠化監測大數據云平臺和決策支持系統。咸海流域土地荒漠化問題的剖析和解決對策要建立在多源(如自然、社會、經濟等)、多尺度(如種群、群落、生態系統、景觀、區域等)、多要素(如水、土、氣、生,以及社會經濟要素等)和多過程(如生態、水文、養分循環、能量循環等)大數據云平臺的基礎上。流域尺度的土地荒漠化監測和災害風險預警網絡是基礎:通過對咸海流域進行充分的本底調查,宏觀上掌握沙化、鹽漬化和鹽塵土地發展趨勢及其驅動要素,確定生態保護、資源配置、方法導向的著力點;以“生態優先,綠色發展”為導向,對影響土地荒漠化的水、土、氣、生等關鍵要素進行較為全面的刻畫,充分發掘咸海流域自然本底的生態恢復潛力。結合遙感數據、長期氣象水文觀測數據、流域水資源利用和社會經濟發展數據、情景模擬的模型對比等,整合人工智能數據挖掘技術、計算機數值模擬分析大數據資源,建立咸海流域土地荒漠化防控的決策支持系統(圖?7)。

 

(2)頂層設計:咸海流域綜合治理方案?;趯ο毯8珊?、沙化、鹽漬化土地時空分布格局的分析,遵守因地制宜、因害設防、適地適樹(灌草)、水量平衡、兼顧人工植被結構和功能的綜合恢復等原則,通過高分辨率遙感影像和地面調查相結合,綜合分析地形地貌、土地覆被、植被覆蓋、土地荒漠化程度等要素,構建咸?;哪乐尉C合治理方案。

(3)防控措施:沙化和鹽漬化土地植被恢復重建技術集成與示范。咸海流域的沙化和鹽漬化問題引起的植被退化與水資源承載力、人類活動、氣候變化等要素密切相關。生態恢復對策針對沙化和鹽漬化的程度、驅動要素的差異,從植被地理、生態恢復、土壤改良,以及水資源的合理配置與高效利用等角度,建立沙化和鹽漬化土地植被恢復重建試驗觀測平臺,并從適宜沙旱生、鹽生植物種質資源篩選、植物群落重建、植物多樣性及其功能恢復等出發,開展植被恢復重建關鍵技術的研發;通過生態學對比試驗綜合分析,凝練成組配套、高效環保的沙化和鹽堿化生態恢復技術體系。依托中國科學院戰略性先導科技專項(A?類)“泛第三極環境變化與綠色絲綢之路建設”和中-烏科研機構國際合作,在烏茲別克斯坦的布哈拉州和阿姆河三角洲穆伊納克分別建立沙化和鹽漬化土地植被恢復重建試驗示范區,以期在試驗、監測、技術集成和示范推廣等方面為解決咸海生態危機的荒漠化問題提供思路和借鑒。

結語

咸海生態危機無疑是人類違反自然規律、“涸澤而漁”造成的地區乃至全球性的生態災難。我國西北地區和中亞國家同處于北半球中緯度干旱帶和歐亞大陸腹地,在生態環境、資源稟賦、社會人文等方面具有諸多相似性。雖然我國在內陸河水資源的合理利用和流域管理方面也曾經走過彎路,但在推進生態文明建設和可持續發展的道路上這些問題已得到很好解決。我國在過去幾十年積累的經驗模式可為咸海生態危機提供有益的借鑒。

咸海生態危機是“綠色絲綢之路”建設過程中荒漠化土地問題的典型代表和縮影。中國在防沙治沙和生態治理方面已有成熟的理論和技術,構建起了荒漠化防治技術推廣應用模式,可以實現荒漠化快速高效治理技術成果在咸海地區的轉化,這些都可為“綠色絲綢之路”沿線國家和地區荒漠化治理提供中國方案和中國智慧,從而助力解決咸海生態危機及荒漠化問題,服務中亞-西亞地區廊道安全和基礎設施建設,為實現“綠色絲綢之路”的生態目標提供技術支撐與示范樣板。

 

(作者:何明珠,中國科學院西北生態環境資源研究院沙坡頭沙漠試驗研究站;高鑫,中國科學院新疆生態與地理研究所國家荒漠-綠洲生態建設工程技術研究中心;趙振勇,中國科學院新疆生態與地理研究所國家荒漠-綠洲生態建設工程技術研究中心;楊昊天,中國科學院西北生態環境資源研究院沙坡頭沙漠試驗研究站;黃磊,中國科學院西北生態環境資源研究院沙坡頭沙漠試驗研究站;李新榮,中國科學院西北生態環境資源研究院沙坡頭沙漠試驗研究站;雷加強,中國科學院新疆生態與地理研究所國家荒漠-綠洲生態建設工程技術研究中心?!吨袊茖W院院刊》供稿)。

 

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