沙漠化环境地质指标体系

沙漠化在空间上既可发生在原非沙漠地区，又可以发生在原系沙漠的地域；在时间上，既可以发生在人类历史时期，也可以发生在地质历史时期。无论是从地质还是人类时间尺度看，导致沙漠化发生与发展的基本条件：一是气候背景，即干旱气候条件；二是物质基础，即丰富的沙源。

近年来，随着我国土地沙漠化研究的不断深入，一些研究者也认识到“沙漠化过程的起因主要包括气候和人类活动两个方面，两者在土地沙漠化中的贡献率及其耦合效应是国际科学界长期悬而未决的问题。如何复原特征时期沙漠与沙漠化土地空间格局，通过对比、个例分析和系统分析建立和提取沙漠化过程响应气候变化和人为干扰的判据指标与量化方法，是必须解决的关键问题”。从目前一些国内外研究趋势来看，地学方法正在成为探讨自然沙漠化对气候环境响应过程的最重要研究途径之一。土地沙漠化地学指标体系的建立，已成为国内、外沙漠化过程与地质环境研究中十分关注的首要议题，为此，我们拟在大量的土地沙漠化研究资料的基础上，结合地学方法，针对土地沙漠化及其生态环境脆弱区的地质环境，基于实地调查，研究土地沙漠化环境地质指标体系。为科学评价我国北方地质环境演化与土地沙漠化的发展过程，监测生态地质环境质量与土地沙漠化程度，分析地质环境变化与土地沙漠化趋势，结合人类活动的影响，从自然环境地学角度提供技术支撑。

一、沙漠化地质环境调查指标体系

从地学角度来看，土地沙漠化的风蚀、风积过程，是地球表面由气圈、水圈、生物圈、岩土圈相互作用，而正在进行的以风营力为主的地质过程。土地沙漠化的发生、发展与地质、地理和自然气候环境变迁有着不可分割的因果关系。而这种自然过程及变化（发生在土壤、基岩、地表水和地下水之中的物理、化学过程）决定地表景观和物化环境的基本特征，进而影响着地表生物的演替与生存。人类不合理的经济活动，则是基于此种动态的自然环境背景下，在一定区域内加剧了当地沙漠化强度和土地沙漠化正向进程。为此，本项目将以沙漠化发生、演化的环境地质过程研究为基础，以地球各圈相互作用为驱动，以地表（或近地表）的表征景观和物化地质环境特征为标志，以自然生态功能平衡为基准，进行环境地质指标体系研究、定义与设计。

依据土地沙漠化过程的定义、成因、发展过程及其危害（图3-2），调查指标内容应包括影响指标、状态指标和后果指标三个方面（具体指标见表3-6。）。

图3-2 沙漠化的形成及危害示意图

表3-6 沙漠化环境地质调查指标框架

沙漠化影响指标调查：沙漠化定义表明，沙漠化是在干旱、多风和疏松地表条件下，由于过度的人为活动造成的，其中干旱、多风与疏松地表构成的脆弱生态环境是沙漠化发生与发展的物质与动力基础，强化的人为因素则是沙漠化的触发因子。调查内容应包括上述两个方面的有关指标的调查，通过对脆弱生态环境与各种人为活动的监测与分析，揭示干旱半干旱区土地沙漠化过程的脆弱性及其程度，区内人口=—资源、环境—经济问题的复杂关系等。

沙漠化状态指标调查：指在一定时间、一定地区所发生沙漠化变化的状态的监测。这是沙漠化过程最直接的反映，旨在通过对沙漠化发展的速度、程度等指标的调查和分析，揭示沙漠化的运行规律，预测其发展趋势，为沙漠化防治提供重要的科学依据。

沙漠化后果指标调查：后果指标调查主要指沙漠化的危害调查。沙漠化的发生与发展，造成自然环境中地表形态、土壤、植被等方面的急剧变化，影响到生态系统的发展，危及到调查区内农牧业生产。对沙漠化危害的调查可以全面反映土地沙漠化的本质特征以及沙漠化土地整治的紧迫性和重要性。

其中沙漠化状态监测是其核心，是沙漠化过程最直接、最重要的反映，危险性调查和危害调查对沙漠化的状态调查起着辅助与补充说明作用。上述整个沙漠化的调查内容，实质上是对土地沙漠化的形成、发展过程、强度、发展趋势全方位的调查，三个方面相互结合，能够全面、准确地揭示土地沙漠化之本质，显示其过程，反映其特点。

（一）影响指标

影响指标相关的类别有气候、社会经济和水文。其中气候类别包括降水、蒸发和风三项环境地质指标；社会经济类别包括人口和牧畜环境地质指标；水文类别包括地表水和地下水两个环境地质指标。

气候：气候因素对沙漠化的作用主要是干旱的影响，是指1～2年或更多年份内降雨量低于平均值的情况，或者是一个干旱时期持续达10年之久的干旱化，干旱程度的变化可以加速或延缓荒漠化（朱震达，1994）。因此，以风速、降水量和蒸发量来表征气候因素对沙漠化的影响。

社会经济：人为压力是沙漠化的主要触发因子，因此社会经济对土地沙漠化的影响中考虑人口和牲畜两个因素。

人口的增加是沙漠化发展因素之一。随着人口的增长，加大了土地资源利用的压力，不合理的垦荒、滥牧和滥樵等方式造成地表植被和土壤的破坏。在干旱气候作用下，可以使土地沙漠化尤其是风蚀沙漠化急剧增加（表3-7）这种沙漠化速度高出了自然状态下数倍、数十倍甚至是百倍的速度。它们之间的相关是很密切的（表3-8）。因此，人口快速增长是诱发沙漠化的重要因素，土地沙漠化地区也是我国人口集中分布的地区。

表3-7 人为因素对土壤风蚀的加剧效应（风洞试验）

表3-8 荒漠化单因子相关分析

牧畜数量的增加使草场负荷量过大，超负荷的草原植被变的低矮，覆盖率降低，裸露的地表面积不断增大，在牲畜的践踏下，土地表层结皮碾碎，形成裸露沙地，成为风力作用的突破口，为土地沙漠化提供了条件。

水文：在干旱区水资源是最主要的限制因素，水资源利用不当，会导致植被衰退和死亡，进而导致土地沙漠化的发生和发展。因此，在水文对沙漠化的影响中考虑地表水和地下水两项因素。

自古以来，我国干旱地区绿洲的兴衰大多与水资源的变化有关。“无水是荒漠，有水是绿洲。”所以稳定和充足的水源是绿洲可持续存在与发展的条件。尤其在内陆河的下游地段，表现最为明显。如新疆塔里木河沿岸，随着中上游地段农业开发用水量不断增大，使下游水资源显著减少，甚至断流，地下水位也随之下降，矿化度上升。随着水分条件的变化，天然植被生长衰退，灌木丛大量死亡，胡杨林也失去了更新能力，加之人为活动，致使地表裸露，沙漠化面积逐渐扩大。因此水资源利用不当，是关系到生态环境的一个重要问题。

（二）状态指标

状态指标相关的类别仅土壤指标，包括物理指标和化学指标。

土壤：是覆盖在地球陆地表面上能够生长植物的疏松层，它由生物、气候、母岩、地貌、时间等五大自然成土因素综合作用和人类活动影响的产物，它是人类赖于生存和生产的物质基础和条件。土壤的有机质含量、生物和物理化学质量均对植被的类型和生长状态具有决定性作用，土壤一旦丧失，将使生物失去存在的基础，生态系统将极难以恢复到稳定的高等级状态，因此，对植物来说，土壤环境质量的好坏，水分养分供给能力的强弱，将直接关系到植被的生存和繁衍。而在土地沙漠化过程中，由于土壤蚀积，常导致土壤质地和水肥条件的恶化，进而对植被产生危害，最终导致风沙环境的形成。因此本文选择土壤的物理和化学指标作为调查的指标。土壤物理指标包括土壤粘粒率、土壤粒径、含水率；土壤化学指标包括土壤有机质含量、磷、钾、氮含量、盐分等。

（三）后果指标

后果指标相关的类别有生态、环境和地表形态。其中生态类别以植被作为代表；环境类别选择尘暴指标为代表；地表形态类别包括沙丘、风蚀和风积三个环境地质指标。

植被：土地沙漠化的生态过程，最明显的直观特征是植被的迅速退化。地表植被也是保护表土层免受风蚀的重要条件。沙漠化特征在生态上主要反映在两个方面，一是植被组成的变化，二是植被覆盖度的变化。从景观生态学的意义上来说，生物群落的均质化，说明沙漠化将会从轻度向重度发展。当地表缺乏植被保护时，地表直接处于裸露和半裸露状态，特别是冬春季节，由于天然植被的枯萎以及农田作物的收割，地表土地直接与风接触，从而使得地表物质非常容易被风吹扬移动，形成风沙危害，使沙漠化加剧。

尘暴：尘暴是干旱和半干旱地区风搬运粉尘和其他微细沉积物结果，与土地沙漠化紧密相关。一方面沙尘暴是土地沙漠化的恶果，因为土地发生沙漠化，地面失去植被保护，水分条件变差，遇风起沙为沙尘暴的发生建立了地面的条件；另一方面，沙尘暴又是土地沙漠化的爆发过程。沙尘暴发生时，破坏地面植被，对地面产生强烈的侵蚀，地面物质、土壤有机质和微量元素又一次在沙尘暴的作用下损失，土地沙漠化迅速发展。因此沙尘暴是沙漠化环境变化的重要体现。

地表形态：这是沙漠化最明显的标志，往往是衡量沙漠化发展各阶段的主要指征，以沙丘、风蚀和风积来表征。由于不同沙漠化类型地区沙漠化过程的差异，所引起的地表形态也不相同。在原来没有类似沙漠景观的沙质草原，在各种人为因素破坏植被以后，一般经历了地表风蚀，灌丛沙堆，斑点状或片状流沙发育，并进一步发展成以新月形沙丘和沙丘链为主的密集沙丘。

在干旱荒漠地带绿洲边缘以沙丘活化为主的沙漠化地区，沙漠化发展结果，其地表形态由固定的灌丛沙堆演变为具有流沙分布的吹扬灌丛沙堆和新月形沙丘及沙丘链。

二、沙漠化地质环境监测指标

根据沙漠化地质环境调查指标体系，针对沙漠化演化趋势和防治对策，结合易测、广泛使用性；对沙漠化状况变化的敏感性；经得起定量检查的原则确定土地沙漠化地质环境监测指标。具体内容详见表3-9。

表3-9 沙漠化地质环境监测指标

（一）响应指标

水文：在干旱、半干旱地区，水文环境对沙漠化的进程具有重要的控制作用，水文是沙漠化进程的重要监测指标之一。

水文的影响首先表现为潜水面对风蚀作用的制约。Nash（1997）在研究地下水与风沙作用过程时指出，由于孔隙水的表面张力作用，靠近潜水面附近的湿润沙粒粘合力增大，不易被风力吹移。贺大良等（1988）所作的风洞试验也表明，只有在沙的含水率小于1%时，沙粒才能起动。而在这种情况下，风总是先吹干地面，再将沙粒吹离地面产生迁移。另外，较高的潜水面在强蒸发作用下，有助于胶结物聚集形成胶结硬化层，抵御风蚀作用。因此，潜水面也是沙漠区的风蚀基准面。

潜水位埋深对植物生长的影响，也会进而影响沙漠化进程。植物需要有适宜其自身生长的地下水位，其最低水位称为凋萎水位。一般沙生植物的适生水位深度为1～5 m（崔亚莉等，2001）。一旦地下水位下降到低于凋萎水位，植物即发生枯死，这是土地沙漠化的主要原因之一。

气候：气候因素对沙漠化的作用主要是干旱的影响，气候因素的表征指标包括风速、降水量和蒸发量。降雨的时空分布以及降雨量大小，不仅影响了整个水循环系统，而且直接影响了植被的成活率和农作物的收成。监测1～2年或更多年份内降雨量的变化情况，可以表征某地区的干旱程度变化。

社会经济：沙漠化形成的人为方面原因主要为掠夺式的土地利用方式，人口、牲畜的超载，加大了土地资源利用的压力，人口承载力可作为评价沙漠化发展趋势的监测指标。

在土地质量相对较差的半干旱地区，生态环境承受自然灾害的能力差，随着人口的增长，对土地掠夺式经营活动频繁出现，势必造成人口承载力的降低。人口承载力的高低可作为沙漠化监测的指示性压力指标。

（二）状态指标

土壤环境：选择土壤环境作为监测指标，源于土壤是土地沙漠化的物质基础。土壤的物理指标（土壤粒径、含水率）和化学指标（土壤有机质含量、磷、钾、氮含量）制约着土壤温度和湿度的变化，进而影响土壤的肥力，土壤有机质反映了地面植被生长的情况。因此，土壤含水量、地表物质颗粒组成及其营养物质是土壤沙漠化的基础，也是沙漠化监测的主要状态指标。

土壤的粒径决定土壤的抗风蚀能力，土地沙漠化首先起源于土壤风蚀。Bagnold（1941）指出，风吹砂粒的粒径一般在0.15～0.30 mm，土壤中粒径0.05～0.5mm的颗粒比重越高，土壤越容易发生风蚀且风蚀程度越大。吴正（1987）和胡梦春的实验结果表明，不同粒径的土壤颗粒启动风速不同，相同风速下不同粒级的吹蚀也有很大差异。在12.47m/s风速下，中细砂的吹蚀量是粉砂的1000 倍。伴随着土壤风蚀，形成了土壤粗化过程。

土壤粗化过程是土地沙漠化过程中最为普遍的现象。土地开始发生沙漠化，首先表现为土壤粒级中细粒物质的减少，粗大物质占绝对优势。如表3-10所示。

表3-10 沙漠化土地粒级组成的变化

大量风洞实验结果表明，沙土含水量2%时抗风蚀能力变化趋于稳定。当沙土含水量达到饱和持水量4.73%时，抗风蚀极限风速稳定在14m/s左右，即可抗御6～7级大风。而当风速一定时，沙土风蚀模数随含水量减少而增加。胡梦春、刘玉璋等人的风洞实验还表明，土壤含水量对土壤颗粒的风蚀启动风速也有很大影响。流沙在干燥的情况下启动风速较低，约为4.5～5.0m。随着土壤含水量的提高，启动风速也迅速提高。当达到最大持水量时，起沙风速需要提高近2倍。另外，不同植物种群对土壤含水率的要求各异，草本植物一般要求土壤含水率在8%以上，而沙生植物对土壤含水率只要求在3%以上。在我国西北地区，当土壤含水率

土壤中的养分随着沙漠化的发展发生了由多到少的变化（表3-11）。由于土壤中养分的减少，导致了土壤的贫瘠化，从而使沙漠化土地的生产潜力下降，促使土地进入恶性循环。

表3-11 沙漠化土地养分

地表形态：是沙漠化最明显的标志，不同沙漠化类型地区沙漠化过程的差异，所引起的地表形态也不相同。风蚀和风积可以作为表征沙漠化发展各阶段的主要指征，作为沙漠化的状态监测指标。

（三）压力指标

生态环境：植被是表述沙漠化土地的基本特征之一，它直接影响风沙地貌的形成、发育和演化，特别是在风沙地貌形成之初和衰亡之时，这种影响成为沙漠化土地等级划分工作中的难点与关键。也是易于判断沙漠化程度的指标，可以作为直接信息衡量土地沙漠化程度。

在沙漠化过程中，植被的盖度和种群基本反映了沙漠化程度（表3-12）。

表3-12 不同沙漠化土地类型植被盖度和类型