陜北毛烏素沙地生態(tài)修復效果分析

朱 剛

（中國煤炭地質總局航測遙感局，陜西 西安 710199）

0 引言

土地的沙質荒漠化問題是我國主要的生態(tài)問題之一，北方地區(qū)冬春季頻發(fā)的沙塵天氣與此密切相關，嚴重影響著我國的生態(tài)安全[1-3]。為遏制沙質荒漠化的發(fā)展以及修復沙質荒漠化地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，國家對沙質荒漠化的分布范圍、發(fā)展趨勢進行了長期監(jiān)控。期間眾多學者對我國沙質荒漠化的成因條件、演化機制、分布范圍、發(fā)展態(tài)勢及修復措施與建議等進行了大量的研究[4-8]。從20世紀70年代末開始，國家層面上先后實施了三北防護林工程、退耕還林等生態(tài)治理工程及調控政策，產生的生態(tài)效應于21世紀初期開始顯現(xiàn)，我國沙質荒漠化的發(fā)展態(tài)勢基本得到了控制[9]。對具有可修復條件的沙質荒漠化土地進行生態(tài)修復是現(xiàn)階段國家生態(tài)文明建設的戰(zhàn)略需求。目前，沙質荒漠化土地的生態(tài)修復主要采用人工修復與自然修復兩種措施[10-11]。從效果來看，受不同地質成因、氣候條件與人類活動方式的影響，在同一區(qū)域的沙質荒漠化土地內部以及不同區(qū)域的沙質荒漠化土地之間的修復效果不一致[12-14]。為使沙質荒漠化土地的生態(tài)修復更具針對性，達到事半功倍的效果，文中選取毛烏素沙地東部的陜西省榆林市境內區(qū)域作為研究區(qū)，應用“3S”技術研究了近45年來不同人類干預方式下沙質荒漠化土地的分布現(xiàn)狀與變化特征，同時對不同修復措施下沙質荒漠化土地的土壤養(yǎng)分差異進行了對比分析，旨在為沙質荒漠化土地的生態(tài)修復提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于毛烏素沙地東南部的陜北境內區(qū)域，涉及榆林市的榆陽區(qū)、神木市、橫山區(qū)、定邊縣、靖邊縣、府谷縣及佳縣等縣區(qū)，總面積約1.6×104km2。為半干旱氣候，年均降水量250～440 mm。地理位置處于毛烏素沙地與陜北黃土高原的過渡地帶，受風蝕與水蝕共同作用的影響，導致風沙活動與水土流失強烈，生態(tài)環(huán)境較為脆弱。植被類型單調，以沙蒿、沙柳、檸條等耐旱的植物為主。礦產資源儲量豐富，是我國煤炭資源和油氣資源的重要產區(qū)。近幾十年來由于礦產資源的持續(xù)大規(guī)模開采以及過度放牧、荒草地開墾等一系列人類活動的強烈干預，導致研究區(qū)的土地沙質荒漠化問題十分嚴重。沙質荒漠化的成因類型有兩種，一種是覆沙黃土丘陵地區(qū)發(fā)生的沙質荒漠化，沙源物質主要為更新世砂質黃土與中生代砒砂巖的殘坡積物；另一種是風沙灘地地區(qū)發(fā)生的沙質荒漠化，沙源物質主要為晚更新世薩拉烏蘇組沖湖積砂。從20世紀60年代開始，通過興建防風林帶、引水拉沙、引洪淤地等措施進行治理，先后開展了三年植綠大行動、林業(yè)建設五年大提升行動，實施了三北防護林、退耕還林等國家重點工程，榆林市已在沙地腹地建立了萬畝以上的成片林165 處，建成了總長1 500 km 的4 條大型防護林帶，沙地治理率達90%以上，實現(xiàn)了區(qū)域性逆轉。

1.2 研究方法

1.2.1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)源的選取與處理

為反映人類不同干預方式對沙質荒漠化發(fā)展或逆轉的影響，將研究區(qū)人類活動對沙質荒漠化過程有明顯影響的重大事件發(fā)生的時間節(jié)點作為多期遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)選擇的依據(jù)。重大事件主要是指國家生態(tài)調控政策的實施、區(qū)域經濟社會發(fā)展方式的變化以及人口劇烈變化等。因此，采用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)時相與類型分別如下：應用1975年MSS 數(shù)據(jù)反映研究區(qū)煤炭資源大規(guī)模開采前沙質荒漠化分布的本底狀態(tài)，空間分辨率79 m；應用2000年TM 數(shù)據(jù)反映煤炭資源開采規(guī)模擴大、退耕（牧）還林（草）政策實施初期的沙質荒漠化分布狀況，空間分辨率30 m；應用2007年TM 數(shù)據(jù)反映煤炭資源持續(xù)大規(guī)模開采并對生態(tài)環(huán)境產生一定影響情況下沙質荒漠化分布狀況，空間分辨率30 m；應用2019年的Landsat-8 數(shù)據(jù)反映目前沙質荒漠化的分布現(xiàn)狀，空間分辨率30 m。四期數(shù)據(jù)的季相在5—10月之間，該時間段植被生長茂盛，反映的沙質荒漠化信息真實、客觀，滿足沙質荒漠化遙感解譯的要求。

數(shù)據(jù)獲取后對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行幾何校正、波段融合等處理，制作研究區(qū)四期衛(wèi)星影像圖。

1.2.2 沙質荒漠化現(xiàn)狀與變化信息的獲取

首先，建立不同程度的沙質荒漠化遙感解譯標志，程度分級參照《聯(lián)合國關于發(fā)生嚴重干旱和荒漠化的國家特別是在非洲防治荒漠化的公約（CCD）》[15]、《沙化土地監(jiān)測技術規(guī)程（GB/T 24255-2009）》[16]的分類標準，將研究區(qū)的沙質荒漠化土地分為輕度、中度和重度三個級別[17-18]（表1）；其次，根據(jù)建立的遙感解譯標志，在ArcGIS 軟件支持下，采用人機交互式解譯的方法對研究區(qū)不同程度的沙質荒漠化信息進行提取，遙感解譯精度為1∶25 萬比例尺，即單個圖斑面積不小于4 mm2；第三，解譯工作完成后，通過野外調查與驗證，對存在問題與疑義的圖斑進行修改，最終形成研究區(qū)1975年、2000年、2007年、2019年四期沙質荒漠化分布情況解譯成果并對四期分布面積進行統(tǒng)計（圖1）。

圖1 研究區(qū)不同時期沙質荒漠化土地分布圖Fig.1 Distribution map of sandy desertification in the study area in different years

表1 研究區(qū)沙質荒漠化分級標準及遙感解譯標志Table 1 Classification standards and remote sensing interpretation marks of sandy desertification in the study area

1.2.3 沙質荒漠化土地土壤取樣測試的方法

土壤養(yǎng)分條件的差異可在一定程度上反映沙質荒漠化土地的可修復程度或已修復效果。為反映不同修復措施下沙化土地土壤養(yǎng)分條件的差別，選取不同強度的沙化土地進行取樣測試，對比不同強度、不同治理方式、不同地質成因條件下土壤中養(yǎng)分的區(qū)別，以便分析適宜該地區(qū)沙質荒漠化土地的生態(tài)修復方式。

取樣點的布置：首先，在不同地質成因地區(qū)，對輕度、中度、重度三種程度的沙質荒漠化分布地區(qū)設置取樣點；其次，在不同修復措施區(qū)域，按照人工修復、自然修復兩種修復方式，對輕度、中度、重度三種程度的沙質荒漠化地區(qū)設置取樣點；第三，在黃土丘陵、風沙灘地地區(qū)的耕地地區(qū)，以及毛烏素沙地特有的自然植被群落分布地區(qū)——臭柏自然保護區(qū)設置取樣點作為背景值（圖2）。

圖2 研究區(qū)取樣點分布圖Fig.2 Distributed map of sampling points in the study area

土壤取樣的方法：每個采樣點的取土深度相同，采樣量應均勻一致，土樣上層與下層比例要相同。采集土樣前，應先去除地表浮土，采用手工挖掘坑（如探坑）的方法，取0～20 cm 耕作層土壤混合樣，剔除雜草、樹根、礫石等雜物，采樣完成后將底土和表土分別按原層回填。初步采集的混合樣采用四分法保留1～2 kg 樣品，待土壤樣品自然風干后取500 g 裝入布袋，內外均應附標簽，標明采樣編號、名稱、采樣深度、采樣地點、日期、采集人等信息。

土壤樣品測試指標：選取土壤全氮、總磷、全鉀、有機質等指標進行測試，依據(jù)的標準分別為：全氮依據(jù)HJ 717-2014[19]；總磷依據(jù)LY/T 1232-2015[20]；全鉀依據(jù)LY/T 1234-2015[21]；有機質依據(jù)NY/T 11121.6-2006[22]。

2 結果與分析

2.1 沙質荒漠化土地的分布現(xiàn)狀與生態(tài)修復狀況

根據(jù)遙感解譯結果，研究區(qū)2019年沙質荒漠化土地面積8 208.28 km2，其中，輕度沙質荒漠化土地面積2 423.31 km2，中度沙質荒漠化土地面積3 929.08 km2，重度沙質荒漠化土地面積1 855.88 km2，以中度與輕度沙質荒漠化為主。沙質荒漠化分布的主體區(qū)域為無定河北部、榆溪河與禿尾河上游的風沙灘地地區(qū)，覆沙黃土丘陵地區(qū)的沙質荒漠化主要分布于蘆河西部、無定河南部、榆溪河與禿尾河下游地區(qū)。沙質荒漠化程度的強弱與地質成因條件的關系不密切，不同程度的沙質荒漠化在兩種成因條件地區(qū)均有分布。

從修復方式上來看，輕度與中度沙質荒漠化分布地區(qū)的人工修復程度高，修復方式為人工種植沙蒿、沙柳、檸條等沙生植被，通過人工植被建設改良區(qū)域生態(tài)條件，促進自然植被群落恢復。同時，工程治理也是近年來沙質荒漠化土地治理經常采用的方式，在榆陽區(qū)北部的風沙灘地地區(qū)，對原來難以耕作的沙質荒漠化土地進行了平整，開辟了大量的耕地，在一定程度上減小了沙化土地的分布面積。但在毛烏素沙地腹地的重度沙質荒漠化分布地區(qū)，由于風沙活動強烈，地表以流動性強的高大沙丘為主，目前仍以自然修復為主。

2.2 1975—2019年沙質荒漠化土地的變化特征分析

2.2.1 氣候變化影響分析

彈性蛋白酶能水解彈性蛋白，還可水解脂肪族氨基酸如亮氨酸、丙氨酸、絲氨酸等殘基的羧基所組成的肽鍵。彈性蛋白酶在皮膚上施用，可防止皮膚的過度角質化，可用于消除皺紋和防止粉刺的生成。彈性蛋白酶如與胰蛋白酶配合，可增加彈性蛋白酶的活性。

氣候條件對沙質荒漠化的影響主要體現(xiàn)在對植被生長以及其生長環(huán)境的影響。濕潤多雨的氣候條件有利于植被生長，可有效提高地表植被覆蓋度，從而降低沙質荒漠化的分布面積與強度。根據(jù)研究區(qū)氣象站點監(jiān)測結果，近45年來，研究區(qū)的氣溫與降水均呈小幅度增加的趨勢，氣溫升高引起的蒸發(fā)量增加抵消了降水量增加產生的效應。因此，氣候條件的變化對研究區(qū)沙質荒漠化的變化影響較弱[23]。

2.2.2 水文條件影響分析

在半干旱地區(qū)，水文條件對沙質荒漠化的發(fā)生與逆轉有一定的影響。研究區(qū)年均降水量250～440 mm，植被種類以耐旱的沙柳、檸條、沙蒿等為主，天然降水條件能夠滿足該地區(qū)植被的生長。研究區(qū)的主要地下水含水巖組為黃土下部的白堊系洛河組砂巖，埋藏較深，植被生長較難利用[24]，但由于黃土的孔隙度高、保水性較強，天然降水賦存于黃土孔隙中，黃土地區(qū)植被生長的水分需求主要來源于黃土中賦存的孔隙水；而風沙灘地區(qū)淺層地下水的含水巖組為第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組沖湖積砂，在研究區(qū)的風沙灘地地區(qū)廣泛分布，埋藏淺、水量大，目前在沙地內部丘間地低洼處，有大范圍出露形成地表積水，因此，研究區(qū)的水文條件較優(yōu)越，有利于植被恢復。

2.2.3 人類活動影響分析

研究區(qū)20世紀80年代以前的人類活動方式主要為農牧活動，對沙質荒漠化的影響為過度放牧、荒地開墾等活動方式。1975年的監(jiān)測數(shù)據(jù)反映了沙質荒漠化分布的本底狀態(tài)，該年研究區(qū)沙質荒漠化土地面積13 624.17 km2，以中度與重度沙質荒漠化為主。

研究區(qū)的礦產資源大規(guī)模開發(fā)始于20世紀90年代，至90年代末期具一定規(guī)模。該時間段內煤礦開采的規(guī)模與強度相對較小，而過度放牧、荒地開墾等活動強烈。根據(jù)遙感監(jiān)測結果，1975—2000年研究區(qū)沙質荒漠化土地面積與強度均出現(xiàn)大幅度發(fā)展，沙質荒漠化的分布面積增加了571.76 km2，各種程度的沙質荒漠化面積均增加，至2000年研究區(qū)的沙質荒漠化土地面積達到14 195.93 km2。與此同時，北方沙質荒漠化的快速發(fā)展對我國生態(tài)安全產生了嚴重影響，沙質荒漠化問題已引起國家的重視。為遏制沙質荒漠化的發(fā)展，國家先后在20世紀70年代開始建設三北防護林工程、20世紀90年代末期開始實施退耕還林政策，研究區(qū)正是這兩項生態(tài)調控政策與工程實施的主體區(qū)域。

2000—2007 年，盡管煤炭開采規(guī)模進一步擴大，但是由于退耕還林政策的實施，研究區(qū)的農牧活動強度較20世紀明顯減弱。該時期沙質荒漠化仍呈現(xiàn)一定的發(fā)展態(tài)勢，分布面積增加了742.4 km2，至2007年沙質荒漠化土地分布面積為14 938.33 km2，其中重度沙質荒漠化的面積減小，而中度與輕度沙質荒漠化的面積小幅度增加。

隨著三北防護林工程建設、退耕還林政策等生態(tài)工程與調控措施發(fā)揮作用，尤其是十八大以來，研究區(qū)礦產資源開發(fā)活動與礦山生態(tài)環(huán)境修復兩方面并重，沙質荒漠化土地出現(xiàn)明顯逆轉，面積與強度均大幅度減弱，2007—2019年面積減小了6 730.05 km2，各種程度的沙質荒漠化面積均大幅度減?。ū?）。

表2 研究區(qū)沙質荒漠化土地面積四期統(tǒng)計結果Table 2 The statistical of sandy desertification land area in four periods

2.3 沙質荒漠化土地的土壤養(yǎng)分條件分析

圖3 不同土壤養(yǎng)分含量對比曲線圖Fig.3 Comparison of different soil nutrient contents

表3 研究區(qū)土壤養(yǎng)分測試結果Table 3 Testing results of soil nutrients in the study area

根據(jù)測試結果可得出以下結論，風沙灘地地區(qū)的沙質荒漠化土地的土壤養(yǎng)分條件優(yōu)于覆沙黃土丘陵地區(qū)的沙質荒漠化土地，并且與風沙灘地地區(qū)經過人工施肥、培育的耕作土壤的養(yǎng)分條件差別不明顯，與天然生長的毛烏素沙地特有的臭柏分布區(qū)域的養(yǎng)分值基本一致，表明在自然修復的條件下，風沙灘地地區(qū)的土壤養(yǎng)分條件更有利于植被的生長。人工修復區(qū)沙質荒漠化土地的土壤養(yǎng)分值優(yōu)于自然修復區(qū)，表明人為干預能明顯改良土壤養(yǎng)分條件，促進自然植被生長。

文中僅從土壤養(yǎng)分條件的差異來反映沙質荒漠化土地的修復效果或可修復程度有一定的局限性，沙質荒漠化土地的生態(tài)修復是多種要素共同作用的結果，但在區(qū)域水文條件、氣候條件滿足植被恢復需求的情況下，對于生物生產力低下的沙地地區(qū)而言，土壤肥力水平可作為沙質荒漠化土地的可修復性分析或修復效果評價的指標之一[25]。

3 結論

（1）研究區(qū)的沙質荒漠化土地的強度以中度和輕度為主，生態(tài)修復方式為人工修復與自然修復兩種方式。沙質荒漠化土地的分布強度與生態(tài)修復方式、修復力度密切相關，現(xiàn)有的中度、輕度沙質荒漠化土地分布地區(qū)基本上為人工修復的地區(qū)，而重度沙質荒漠化地區(qū)由于風沙活動強烈，人工植被建設較困難，目前以自然修復為主。

（2）近45年來沙質荒漠化的分布范圍與強度呈現(xiàn)先增強后減弱的變化特征，與研究區(qū)人類活動方式變化的吻合度較高。近45年來研究區(qū)的氣候與水文條件變化對沙質荒漠化的變化影響較弱，導致沙質荒漠化變化的主要原因是人類活動方式與強度的變化。當人類活動對自然環(huán)境的干擾強烈時，沙質荒漠化呈現(xiàn)發(fā)展的特征，2000年以前研究區(qū)沙質荒漠化的擴張與農牧活動、礦產資源開發(fā)等活動密切相關；當人類活動方式以生態(tài)修復為主時，沙質荒漠化呈現(xiàn)逆轉的特征，在退耕還林政策實施、三北防護林建設、礦山地質環(huán)境生態(tài)修復等生態(tài)調控政策、生態(tài)修復工程實施后，沙質荒漠化的發(fā)展態(tài)勢得到了有效遏制。

（3）土壤養(yǎng)分測試結果表明人工修復地區(qū)的土壤養(yǎng)分含量優(yōu)于自然修復地區(qū)，在同等背景的自然修復條件下，不同地質成因的沙質荒漠化土地土壤養(yǎng)分含量有一定區(qū)別。以植被恢復為主的生態(tài)修復工作能改良沙質荒漠化土地的土壤養(yǎng)分條件，較好的土壤養(yǎng)分條件也能促進植被恢復，進而有效降低沙質荒漠化的強度。在毛烏素沙地采用人工修復與自然修復相結合的方式，以人工植被建設帶動區(qū)域土壤條件改變，促進植被自然修復，是研究區(qū)有效的生態(tài)修復方式。

（4）盡管研究區(qū)的沙質荒漠化土地的生態(tài)修復工作取得了顯著進步，但處于毛烏素沙地腹地的重度沙質荒漠化地區(qū)生態(tài)修復程度較低，應加強該區(qū)域的生態(tài)修復工作。