沙漠化环境地质指标体系

一、内容概述
（一）项目背景
在1987年和1992年两次地球环境峰会之后，世界各国相继建立了“环境状况公报体系”，包括大气、水和生物指标在内的生态环境指标，用于监测环境变化，保障可持续发展。但其中普遍忽视了土壤、基岩、地下水等各种地质因素。为此，国际地科联（IUGS）通过其地学为环境规划服务委员会（COGEOENVIRONMENT）建立了一个专门机构——国际地质指标工作组（IWGEOIN），负责研究和编制用于环境公报或报告和生态系统管理的地质指标（Geoindicator），并于1996年发布了包括27个地质指标在内的地质指标清单（Geoindicators Checklist）。
我国复杂、多变、脆弱的地质生态环境以及经济发展和人为活动加剧了生态环境地质问题的危害，研究产生这些生态环境地质问题的原因、自然作用与人为影响之间的关系以及对生态经济和人类健康的影响，建立快速评价生态环境变化的指标体系具有十分重要的意义。我国的管理者和环境地质工作者高度关注国际地质指标工作组的研究成果，并试图引入到我国环境地质调查和管理中。同时，也认为国际地质指标工作组所建立的地质指标都是分散的、独立的，未构成统一的体系，这在某种程度上也阻碍了地质指标的推广和应用。因此，在2004年9月中国地质调查局启动了“生态环境变化地质指标体系研究”立项论证工作，并于2005年正式开展工作。
（二）取得的主要成果
项目吸收借鉴了国际地质指标研究成果和理念，对国际地质指标研究成果进行系统地研读、译校和综述。在全面分析国内外地质指标研究进展和存在问题的基础上，确定了我国环境地质指标体系构建和应用的基本思路和框架。形成了以“影响-状态-后果”模型和“压力-状态-响应”模型为理论框架分别构建调查指标体系和监测指标体系的基本思路，并结合我国主要生态环境问题和社会经济发展需求，针对石漠化、沙漠化、草地退化、湿地退化、海岸线变化、城市水土环境变化等6大类生态环境问题，分别构建了环境地质调查指标体系和环境地质监测指标体系，为科学评价地质环境变化和完善环境地质调查监测体系提供了技术支撑。
（三）主要创新点
1.首次深入介绍了国际地质指标研究成果，提出了环境地质指标的概念
通过对国际地质指标概念和27个地质指标的分析，将地质指标表述为在百年或更短尺度上描述地球表层地质作用和现象的变化幅度、频度、速率和发展趋势的一系列参数。借鉴国际地质指标研究成果，结合我国地质环境状况和社会经济发展需求，提出了环境地质指标的概念。环境地质指标是在百年或更短尺度上描述地球表层地质作用和现象的形成条件和影响因素、发育分布状态和变化（形态、规模、尺度、幅度、频度、速率和发展趋势）以及产生的后果和给人类造成的危害的一系列地质环境参数。
2.研究建立了环境地质指标体系构建思路，丰富了地质指标的内容，同时为地质指标的应用探索了有效途径
在研究、借鉴国际地质指标研究成果的基础上，结合我国的实际，从各种生态环境问题的形成和演化规律出发，首次提出了“影响-状态-后果”模型（CSR模型）和以此为依据构建环境地质调查指标体系框架，进而从地质环境管理的视角出发，以国际广泛应用的“压力-状态-响应”模型（PSR模型）为基础，建立了环境地质监测指标体系框架。
3.构建了石漠化环境地质指标体系，提出了石漠化治理技术和模式
在统一的CSR模型和PSR模型框架下，建立了石漠化环境地质调查和监测指标体系。通过对石漠化环境地质响应指标研究，提出了石漠化治理技术和模式，为石漠化治理提供了科学的地质标准。
4.构建了沙漠化环境地质指标体系，弥补了沙漠化指标体系中缺乏地质指标的不足
分析和研究了沙漠化的形成条件、存在状态及引起的环境变化，依据CSR模型建立了沙漠化环境地质调查指标体系，依据PSR模型建立了沙漠化环境地质监测指标体系。弥补了沙漠化指标体系中缺乏地质指标的不足，为今后沙漠化评价提供了更为科学的地质标准和监测依据。
5.构建了草地退化环境地质指标体系，深入分析筛选了草地退化重要环境地质指标
在对草地退化生态环境问题的形成条件、发育分布现状、发展趋势、后果与危害等进行系统分析的基础上，深入分析了造成草地退化的主控因子，在统一的CSR模型和PSR模型框架下，建立了草地退化环境地质调查和监测指标体系。从草地赖以生存的地质环境角度，全面地分析和研究了表征草地退化的各种环境地质指标，对于评价我国草地资源的安全性，制定合理的区域生态保护和经济开发决策、保护和恢复草地资源效用具有重要意义。
6.构建了湿地退化环境地质指标体系，遴选了出不同湿地退化类型的环境地质指标
掌握了我国各种类型湿地的分布、动态变化特点及其退化过程、退化原因和机制。在CSR模型和PSR模型框架下，构建了湿地退化的环境地质指标体系框架，并遴选出不同湿地退化类型的环境地质指标。系统研究了湿地退化的过程和机制、湿地演化规律，建立的湿地退化的地质指标，可为湿地管理以及湿地恢复和重建提供理论依据。
7.构建了海岸线变化环境地质指标体系，研究了不同海岸带类型的环境地质指标
研究了南、北方海岸的形态与特征、海滩的形态和沉积特征等，分析了造成海岸线变化的主要环境地质因子。应用CSR模型和PSR模型，建立了海岸线变化环境地质调查和监测指标体系，并进行了实地考察校验。成果可应用于海岸带地质环境调查与监测，为政府制定政策和科学管理服务。
8.构建了城市水土环境变化环境地质指标体系，形成了典型城市地质环境调控方案
针对当前国际环境地质指标研究缺乏系统性以及在我国适用性不强的特点，根据CSR模型，提出了一套描述城市水土环境变化的地质环境调查指标体系；在此基础上，从演化趋势和防治对策中抽取主控因子，以PSR模型框架为主线构建监测指标体系。选择能源矿产典型城市———大庆市进行指标敏感性计算，对指标进行赋权和瓶颈因子的识别，确定了引起大庆市水土环境变化的主要驱动因子，确定了大庆市地质环境调控方案。
二、应用范围及应用实例
（一）成果应用范围
项目成果可应用于国土、环保等相关部门的规划和技术标准的起草和制定，可服务于地质环境管理和地质环境保护，完善地质环境调查监测体系，并能在相关领域的科学研究中得以推广应用。
（二）成果推广应用实例
1.项目成果为国土资源部履行地质环境管理职责提供了参考依据和技术支撑
项目成果在编制《国土资源调查评价“十二五”规划》和起草修订环境地质调查评价技术标准中被引用，为国土资源部部署环境地质调查评价工作、履行国土资源和地质环境管理职能提供了重要的参考依据和技术支撑。
2.项目成果在生态建设规划、环境规划及环境保护中发挥了科技支撑作用，环境效益及社会效益明显
中国地质科学院环境工程技术设计研究院在组织开展的地学及生态系统污水处理技术研发，城市生态环境规划及新农村建设城镇环境规划，工业园区规划及大型矿山生态环境影响评价中均不同程度利用了“生态环境变化地质指标体系研究”成果。
3.项目成果为各省地质环境管理和地质环境保护提供了重要技术支撑
内蒙古地质环境监测院在编制“十二五”内蒙古自治区地质环境防治规划、内蒙古自治区重点生态功能区划等相关规划的前期研究工作中及2011年完成的“河套平原地下水资源及其环境问题调查”中，引用了“生态环境变化地质指标体系研究”项目成果，为规划的编制和项目的研究提供了技术支撑。
4.项目成果为完善我国环境地质调查监测体系提供了技术参考和科学借鉴
针对我国生态环境变化显著且与人类生存生活密切相关的各类生态环境问题，所建立的环境地质调查和监测指标体系，为实施环境地质调查监测工作，可提供很好的借鉴及理论依据。目前，在我国华北平原开展的水土环境地质监测工作，已应用该体系实施监测网络建设。
三、推广转化方式
媒体宣传、会议交流、咨询服务、技术培训等。
技术依托单位：中国地质环境监测院
联系人：褚洪斌　李瑞敏
通讯地址：北京市海淀区大慧寺20号
邮政编码：100081
联系电话：010-62179611
电子邮件：chuhb@mail.cigem.gov.cn，lirm@mail.cigem.gov.cn

我国历来十分关注干旱、半干旱和半湿润地区土地退化、沙化动态。国家为实现宏观管理，制定防治沙化战略，统筹规划，需要掌握沙漠化现状，土地沙化程度等；也需要在研究国内沙漠化过程、危害等基础上，制定一套具有科学性和实用性的评价指标体系。而缺少实地研究是以往制定沙漠化评价指标体系的一大弊端，导致评价指标体系实用性差。因此，我们以干旱地区额济纳旗为研究个案，对沙漠化环境地质指标进行研究和验证。
一、额济纳盆地自然地理背景
（一）地形地貌
额济纳盆地位于黑河流域的下游，地处内蒙古自治区阿拉善盟最西端，系指阿拉善以北、阿尔泰山以南、巴丹吉林沙漠与走廊北山之间的额济纳荒漠平原。地势低平，海拔900～1130m，自南西向北东缓慢倾斜，地面坡度1‰～3‰。其北部和西部为马鬃山和阿尔泰山低山丘陵，海拔1000～1500m，相对高差50～200m；东南部为巴丹吉林沙漠，平均海拔1100～1200m；南与甘肃省鼎新盆地相邻。在行政上隶属甘肃省金塔县和内蒙古自治区额济纳旗，总面积约3.4万km2，地理坐标为E99°30′～102°00′、N40°20′～42°30′（图3-3）（王根绪、程国栋，1999）。

图3-3 研究区地理位置图

额济纳盆地为阿拉善台隆凹陷，其间发育的北东、北西及北北东向构造，将其分割成规模不等的棋盘格式地块，构成凹陷与隆起相间的特征。狼心山—木吉湖隆起把盆地分割成东西两部分，形成两个天然的第四系沉积洼地，控制了第四系地层的沉积厚度及岩相分布。
中生代以来，青藏高原的隆升造成阿拉善高原的掀斜抬升和额济纳平原的相对沉降，使研究区的地势整体上呈南高北低，引起水系侵蚀切割作用的加强，大幅度的沉降过程与充足的物质填充使研究区第四纪地层甚为发育，形成大量的沙物质，为沙漠的扩展和沙尘暴的频发提供了物质基础。研究区第四纪松散沉积物的厚度可达100～300m，总体上呈现出盆地内部较厚、向四周渐薄的特征，北部额济纳旗-老西庙和南部青山头东山以东至古日乃湖一带，第四纪松散层大于200m，北山山前及居延海以北地带小于50m。从岩性上看，南部地区以砂砾石、砾卵石地层为主，夹杂少量的亚砂土、亚粘土；北部为亚砂土、亚粘土与砂砾石互层地层。
中生代的地质构造运动，奠定了研究区地貌的基本格架，近期干旱气候条件下的风化剥蚀，流水和风的搬运堆积作用塑造了现代地貌的形态景观。研究区地貌类型按其成因可分为构造剥蚀地貌、堆积地貌和风成地貌三大类型。每一类型中受外营力的方式与强度不同，显示出形态差异。
地貌类型以构造剥蚀地貌、堆积地貌和风成地貌三大类型为主：构造剥蚀地貌又可分为构造剥蚀低山丘陵和构造剥蚀准平原两个单元，前者主要分布在盆地北部和西部山地，后者分布于盆地东北；堆积地貌构成盆地内部地貌的基本格架，可分为冲洪积、冲湖积和湖积平原及山前倾斜平原四个地貌单元，冲洪积平原分布在盆地南半部的广大戈壁平原，冲湖积平原分布于建国营、额济纳旗以北，湖积平原分布于盆地东、北边缘地带，山前倾斜平原分布于盆地北、西山前地带；风成地貌则包括风积和风蚀两种地貌单元类型，前者主要分布于零星分布于盆地东部和东南部，后者分布在盆地内黑城周围。
（二）气候
额济纳盆地是我国典型的干旱区，大部分地区为荒漠戈壁。额济纳盆地属温带干旱气候，降水稀少，蒸发量大，年降水量一般小于50mm，最小年份仅17mm，气候异常干燥，风沙灾害频发，是严重的缺水区和生态环境脆弱区，也是我国北方沙漠化日益严重和沙尘暴的主要物质源区之一（陈刚等，2001）。
（三）水文
1.地表水
黑河是进入该区的唯一的河流。发源于祁连山区，经高山草原和森林区出山，穿越干旱区山前绿洲带和广袤的荒漠带，流入下游地区的额济纳盆地，称弱水，至狼心山西麓的巴彦博古都分为东、西两河。东河向北分8个支流呈扇形汇入东居延海（索果淖尔），西河向北分四个支流汇入西居延海（嘎顺淖尔）。东居延海（索果淖尔）和西居延海（嘎顺淖尔）是现代黑河的尾闾湖，境内流长297 km。
黑河流入额济纳盆地的水资源量，取决于中游向下游的泄水量。由于黑河流域需水量逐年增长，到达居延海的河水逐年减少。黑河上游正义峡水文观测站实测，多年平均径流量11.24亿m3，额济纳境内有8亿～9亿m3水可供利用，然而，因中游需水量的加大，致使河水下泄量锐减，自1949～2001年，正义峡流入下游地区的年径流从13.19亿m3/年降至6.91亿m3/年，减少了48%。而实际进入额济纳盆地的水量更少，从狼心山水文站的监测资料来看，由20世纪50～60年代的5.46亿m3/年，降到2001年的3.46亿 m3/年。河流流量的锐减，使河道大部分时段都处于干涸状态。2001年后，因生态输水工程的实施，中游下泄水量呈增长趋势，正义峡径流量基本稳定在11.48亿 m3/年左右，狼心山径流量则保持在7.16亿 m3/年左右。
2.地下水
额济纳盆地的含水层组包括：碎屑岩类裂隙孔隙潜水含水层、基岩裂隙潜水含水层、第四系潜水含水层、第四系承压含水层及相对隔水的第四系弱含水层。碎屑岩类潜水含水层和基岩裂隙潜水含水层，呈条带状分布于盆地周边，总面积约1512 km2，含水层的补给条件差，一般不具供水意义；第四系含水层具有单一结构、双层结构和多层结构，是盆地主要的开采层。额济纳盆地地下水系统的补给来源主要是黑河水的垂向渗漏，其次是大气降水的入渗补给。地下水系统的排泄主要有潜水的蒸发蒸腾排泄及工农业生产和居民生活对地下水的开采，其中潜水的蒸发蒸腾占地下水排泄总量的96.75%，是地下水的主要排泄途径。
（四）土壤
额济纳盆地地处中国西北极端干旱区，属于欧亚大陆的中心地段，由于第三纪末以来青藏高原隆起对西南季风的阻隔作用，使该区为高温干燥气团所控制，长期干旱少雨、蒸发强烈。由于风力强劲且地表植被稀疏，研究区风蚀作用剧烈。另外，额济纳盆地是黑河下游的一个封闭式内陆盆地，黑河水及四周山地水源不断的注入，将山地岩石及流域上游成土母质中的盐分携入盆地，由于缺乏径流出路，水中盐分不断向盆地低处和地表聚集，在强烈的蒸发作用下，地下水和包气带深层的盐分随土壤毛细管水不断向地表聚集，而干旱少雨的气候又使土壤淋溶作用微弱，造成土壤积盐。上述作用的综合影响使研究区土壤呈现出以粗砾质物质为主、成壤程度低、有效土层薄、土体干燥、土壤可溶性盐类表聚、有机质缺乏、有效养分不足、土壤生产能力低的基本特征（和文祥等，2000）。
从土壤类型来看：以灰棕漠土为主要地带性土壤，受水盐运移条件和气候及植被影响，非地带性分布硫酸盐盐化潮土、林灌草甸土及盐化林灌草甸土、碱土、草甸盐土、风沙土及龟裂土等。①灰棕漠土广泛分布于全区高平原和冲积平原上，东西戈壁和中戈壁是其典型代表地段；②林灌草甸土和潮土主要分布于弱水河（黑河）河谷阶地和封闭洼地上；③盐土和碱土主要分布于拐子湖、古日乃湖及东西居延海等湖盆地周围；漠盐土主要分布于北部高原封闭洼地内；④石质土、粗骨土、新积土主要分布于盆地东、西及南部的剥蚀残丘和残山上；⑤风沙土除巴丹吉林沙漠外，在东河西岸尚有带状分布；⑥龟裂土面积很小，主要分布于高原和平原上的局部碟形洼地。
（五）植被
额济纳盆地属干旱区半荒漠、荒漠地带，主要由温带落叶小叶疏林、温带荒漠草原和温带草本沼泽三种植被类型组成。以藜科、疾藜科、麻黄科、菊科、禾本科、豆科为多见植物。受河流水源和人类活动影响，在河流两岸、三角洲上与冲积扇缘的湖盆洼地—带，呈现荒漠天然绿洲景观，代表性植物以戈壁成份占优势，如琐琐、泡泡刺、霸王柴、膜果麻黄、松叶猪毛菜、合头藜、短叶假木贼、蒙古沙拐枣等，其中瓣鳞花只分布于额济纳旗；河滩林和灌丛有胡杨、沙枣、柽柳及盐湿草甸种芨芨草、野大麦、盐生草等；在沼泽和树旁生长有芦苇、狭叶香蒲、狗尾草、灰菜、田施花等。
总体来看，研究区植物群落结构简单，种群依赖关系不强，植物的密度和覆盖度较低。
二、额济纳盆地土地沙漠化现状分布与演化过程
（一）额济纳盆地土地沙漠化现状分布特征
同其他内陆河流域下游土地沙漠化形成与发展的过程相类似，额济纳旗境内沙漠化土地的形成与发展源于两种途径：一是绿洲周边与巴丹吉林大沙漠相邻接，沙漠中流动沙丘前移入侵，在交界线上植被生态大范围衰退的条件下，这种推移速度和规模已十分可观；二是沙漠化的产生与发展听命于水资源的盛衰，弱水（黑河）水系变迁及来水量的急剧减少，造成植被生态赖以生存的地表水和地下水源严重不足，形成绿洲土地大量沙漠化。
沙漠化土地已遍布全旗，包括现代河水三角洲地区。据统计，额济纳旗现有风沙化土地面积155.54万hm2其中流动沙丘（地）面积约95.31万hm2，固定和半固定沙丘（地）60.23万hm2；覆沙或砾石的戈壁滩地面积约483.05万hm2，沙漠化土地总面积为638.59万hm2。沙漠化土地占总土地面积的62.32%，是绿洲面积（耕地、林地、草地与水域面积之和）的1.7倍；流动沙丘（地）面积占总沙漠化面积的14.92%，约占单纯风沙化土地面积的61.28%；戈壁滩地占总沙漠化土地面积的75.6%。
从上述沙漠化分布指数可以看出，额济纳旗境内沙漠化土地已成为主要的土壤环境构成要素，沙漠化土地中尚以戈壁滩地为主，但单纯风沙化土地中以流动沙丘（地）占据绝对优势，反映出沙漠化演进程度和潜在危害性都十分严重。昔日以黑城为代表的古居延绿洲现大多成为流动或半固定沙丘（地），深居绿洲内部的古河床或废弃干涸的河床遍布三角洲地区，这些都是沙漠化的源地，绿洲生态十分脆弱。
（二）额济纳盆地土地沙漠化演化过程
额济纳盆地由于所处的地理位置和自然条件，生态环境十分脆弱，再加上历史时期掠夺式的土地利用方式使生态失衡、环境退化，昔日草原逐渐退化为风沙活动频繁、流动沙丘与半固定沙丘交错分布的景象。
在近现代，特别是20世纪中叶以后，人口迅速增长，进一步引发了过度开垦、过度放牧、滥樵采等现象，尤其是黑河中游下泄水量大幅度减少，脆弱的生态系统进一步恶化，虽然2001年中游下泄水量增加，但沙漠化的进程没有减缓：耕地、草场的风蚀和沙丘的活化越来越严重，沙尘暴愈来愈频繁，从20世纪50年代的5次→60年代的8次→70年代的13次→80年代的14次→90年代的23次，且发生强度加大，影响范围扩展，危害程度加重。根据兰州沙漠所在1975～1986年进行的有关监测结果，在所控制的1.6万km2范围内，沙漠化土地从1975年的3400 km2扩大到1986年的5875万km2，平均每年增加225 km2，年增长率达到6.7%。另据曾群柱等人利用TM影像判读得：从20世纪60年代至80年代初，戈壁、沙漠面积增加了约4.62万hm2，年递增2333.3 hm2，而从1987 年至1991年间，戈壁、沙漠化面积（植被覆盖率＜10%）增加了约5.6%，年递增近1.63万hm2。
土壤物质在风力的作用下，通过悬浮、跃移、和蠕动三种方式迁移（美国水土保持局农业信息公告555 号，1994），细粒物质以漂尘形式俗称“沙尘暴”被带到远处，中细粒（在风力强大的地方包括粗沙）大部分以跃移方式沉积到背风坡或洼地，局部地段有的连成沙丘。随着时间的推移，风蚀区的细粒物质被风不断吹走，地表颗粒粗化，呈现近似砾石戈壁的形态，而风积区逐渐形成面积越来越大的沙丘。如此循环往复的过程就是土地沙漠化的形成过程。
综上所述，额济纳盆地，尤其是弱水三角洲地区，包括部分东西戈壁平原但不包括中低山剥蚀残丘区和沙漠区，主要是近代洪积—冲积沼积物，土壤组成多为粗粒的砂砾石为主，有效土层薄，土体干燥，土壤可溶盐类表聚，除少数沿河湖盆洼地分布的潮土、林灌草甸土外（仅是总土地面积的1.8%），其余非沙漠化土地均具有沙漠化倾向，随着植被生态体系的极度衰退和水源枯竭，绿洲主体区外围的零星植被小斑块进一步消亡，裸地的连通性进一步增大，绿洲—荒漠对立分异的格局加强。绿洲继续收缩，黑河沿岸绿洲逐步分解和消亡。随着沿河绿洲的消亡，东、中、西戈壁将连为一体。沙漠化扩展速度及扩展强度（年扩大面积）将继续增强。
三、额济纳盆地沙漠化地质成因分析
（一）物质来源
额济纳盆地内的干湖盆和干河床为沙漠化的发生和发展提供了丰富的沙物质来源：①位于额济纳盆地的古居延泽曾是阿拉善高原上的巨大湖泊，最大时达到2600km2，第四纪以来，由于气候日趋干旱，古居延泽湖盆萎缩，分解为嘎顺淖尔、索果淖尔及天鹅湖等湖泊，近几十年来，这些湖泊也相继干涸，干涸湖盆地表湖相沉积物中粒径小于10μm的颗粒占64%以上，可以在一般风暴条件下就被刮起和搬运。②额济纳盆地地形平缓，坡降在1/1000～1/1200之间，使得河道四散漫溢，很容易淤积改道，古河床和现代干河床中留下了大量松散、干燥的细颗粒沉积物，为沙漠化的发生提供了丰富的尘源。
土壤是沙漠化的基础。额济纳盆地从山麓到河流尾闾区依次分布着灰钙土（粟钙土）、灰漠土、灰棕漠土和棕漠土。其中受人工灌耕及水盐条件等因素影响，非地带性分布有草甸土、沼泽土、盐土、风沙土及灌耕土等类型。
灰漠土、灰棕漠土是研究区分布最为广泛的荒漠土壤类型，以黄土状物质为母质，分布在额济纳河以西地区及北山山地以北、以东和以南。在干旱气候和灌木半灌木荒漠植被条件下的粗骨性母质上，质地较粗，土层较薄，砾石含量多，颗粒大小不一。
棕漠土是极端干旱条件下的产物，其上植被稀少，土壤环境质量最差，多分布在荒滩戈壁上。地表光秃裸露。
天然绿洲内多是草甸土，封闭洼地为沼泽土，农作物种植地多为灌耕土，巴丹吉林沙漠是风沙土的典型代表，盐土主要分布在下游的古日乃湖、东西居延海等湖盆地周围。
总之，在额济纳地区，地表多为第四纪冲、洪积的松散堆积物，戈壁地带土壤质地为沙土含砾，在河流两岸以及湖区，则是细粒的沙及壤土沉积。地表松散的沙含砾及细粒的河湖沉积，为风沙作用提供了沙源。
（二）水文特征
就水资源系统而言，河流上的水利工程和工业排污等在时间和空间上干扰了水文循环质和量的过程，农业灌溉使河道外用水大量增加，改变了地表汇流规律，地表径流量分配（流域不同区段）、年内径流丰枯的自然变化和地下水补给规律。
1.黑河输水量的变化
根据狼心山水文站（黑河干流进入额济纳旗处）监测资料，新中国成立初期，进入额济纳的水量为11.6亿m3，而至1988～1995 年平均水量只有4.47亿m3，1995年狼心山径流量为2.45亿m3，在生态输水工程实施的第二年（2003年），狼心山的径流量恢复到7.16亿m3。黑河水量的减少造成生态环境的劣变，土地沙漠化趋势加强。
2.黑河输水量变化对生态系统形态特征的影响
输水量的变化改变了该区地下水系统。地下水位的埋藏条件控制着植被生态系统的分布与演化。当地下水位较深，大于某种植被的适生水位时，植被开始枯萎，直至大面积死亡；当水位埋深较浅时，虽然能为植被的生长提供足够的水分，但干旱气候条件下强烈的蒸发作用，使土壤带内的盐分含量增高，仍会限制多数植被正常生长。
研究区地下水主要依靠地表水补给，黑河输水量的变化改变了地下水的水位，使区域性地下水位降低，从而带来包气带土壤水分的变化。包气带土壤水分是陆地植物赖以生存的源泉，尤其是在水资源短缺，大气降水稀少的干旱、半干旱地区，非饱和土壤带内水分的数量和盐分含量对植被体系的分布与结构起着重要的控制作用。因此，黑河输水量变化间接引起了生态系统的变化。
（1）绿洲的收缩。
1977～2001年间绿洲的退缩有三个比较明显的区域，即两河沿岸、黑河下游三角洲和古日乃湿地，这三个区域子是研究区地势最低，水分最为丰富的地段。东、西河沿岸和下游三角洲为地表水的径流和泛滥区，同时也是地下水的主要入渗补给区，古日乃湿地是盆地内地下水的汇集区，这些地带潜水埋藏普遍较浅，一般为1～3m（武选民，2002），由于黑河输水量减少，绿洲收缩。在实施了生态工程以后，绿洲又有所扩张。
（2）使绿洲-荒漠过渡带成为植被退化最为显著的区域之一。
前人监测资料证明（曹宇等，2005），绿洲-荒漠过渡带是受上游输水量影响显著、潜水埋深变化幅度较大的地段，1980～2002年间的水位变幅为2～3 m。过渡带的潜水埋深本身处于临界生态潜水埋深附近，地下水位的降低极易造成地表植被的退化，并且因过渡带邻近荒漠区，植被一旦退化，易形成风蚀的突破口，地表细颗粒土短期内就被侵蚀搬运掉，即使黑河放水量恢复，地下水位上升，植被也极难回复到原有水平。

图3-4 1988-2001年间正义峡径流量与狼心山径流量变化图

（三）土壤系统
近半个世纪以来，由于人类采用多种措施对土壤施加影响，使人工耕作土壤代替自然土壤，并逐渐改变了自然土壤的物理、化学和生物性质，以至形成新的人工土壤类型，如长期用泥沙含量高的河水灌溉，在原土壤表层可以淤积50～100cm厚的灌淤层，形成干旱区特有的灌溉淤积土。人类改变土壤的措施主要有：
（1）通过灌溉引水改变水分的自然状况；
（2）通过土壤脱盐等改变土壤盐渍化的方向；
（3）向土壤投入肥料等物质，增加土壤肥力和营养元素；
（4）耕作方式的改变等。
人类干扰后的土壤表现出两重性，即正效应和负效应。正效应主要表现在：
（1）土地生产力提高：使土壤较快地向着有利于作用生长的方向发展；
（2）土壤类型良性转变，新土壤类型如绿洲土的形成。
而负效应主要表现在：
（1）土壤退化，区域内由于水资源条件的再分配，一些地区水源条件劣变，土壤风蚀和侵蚀加剧，土壤肥力下降；
（2）灌溉不当引起的土壤盐渍化或次生盐渍化；
（3）沼泽土、泥炭土、草甸土、吐尕依土等土壤类型由于水分条件的人为干扰，向风沙土和盐土退化演替。
总之，额济纳盆地的土地沙漠化的地质因素内在表现主要是水和土壤系统的变化，受沙漠化形成的地域性和地表动力过程复杂性的外在影响，形成沙漠化的区域机制。
四、额济纳盆地沙漠化监测的环境地质指标研究
通过对额济纳地区土地沙漠化机制和成因的分析，说明在气候条件不发生重大改变的情况下，影响土地沙漠化的地质因子主要是水和土壤系统，确定此地主要的沙漠化调查、监测指标为：
（1）地下水位埋深
（2）水质（主要指矿化度）；
（3）土壤物理性质（土壤含水率和土壤粘利率）；
（4）土壤化学性质（土壤有机质、养分）；
（5）植被（植被盖度和植被类型）。
据额济纳地区土地沙漠化特征，可建立环境地质指标与沙漠化发展程度对应监测表（表3-13）。
表3-13 额济纳盆地土地沙漠化分级环境地质指标体系

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，抗风蚀能力变化大，当>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<7%时，天然植被开始退化，土地开始沙化；当土壤含水率<5%时，植被退化，土地沙化明显；当土壤含水率<3%时，基本无植被生长，土地严重沙化。科尔沁地区，对于大部分0～2cm的表层土壤，其含水量在春季不足1%，甚至低于0.3%（赵哈林等，2003）。如此低的含水量，植被大量死亡，地面裸露，大约4～5m/s的风速即可引起风蚀，这为多风的科尔沁沙地土壤风蚀、沙化奠定了基础。

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