黎志恒， 寧立波， 楊俊倉

(1.甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，甘肅蘭州730050;2.中國地質(zhì)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，湖北武漢430074)

敦煌南與阿克賽縣和肅北縣相連，西同新疆庫塔姆格沙漠接壤，面積3.12×104 km2.與古樓蘭一樣，是古絲綢之路上的一顆璀璨明珠，是河西走廊的西大門，樓蘭現(xiàn)如今已成漫無人煙的荒漠，敦煌依然像沙漠中的一座燈塔，頑強地屹立.她因有祖國和世界的藝術(shù)寶庫莫高窟、聞名遐邇的鳴沙山和史稱“神泉”月牙泉三大景觀而名馳中外.但是近20年來，敦煌開始出現(xiàn)嚴重的生態(tài)退化問題，目前敦煌的生態(tài)問題主要有:區(qū)域地下水位持續(xù)下降導(dǎo)致月牙泉逐步枯竭、人工綠洲擴大、自然綠洲與濕地萎縮，土地鹽堿化、荒漠化加劇等.這不僅威脅著敦煌這座歷史文化名城的生存，使樓蘭悲劇有在敦煌上演的可能;作為河西走廊的天然屏障，同時也影響著這個河西走廊的安危.因此，該文試圖從地質(zhì)學(xué)的角度解讀敦煌的生態(tài)問題根源，并提出從地質(zhì)學(xué)方法解決相應(yīng)的改善和治理措施思想.

1 月牙泉問題的地質(zhì)學(xué)解讀

月牙泉位于敦煌盆地南部三危山山前，黨河洪積扇與西水溝洪積扇之間的沙漠洼地中.在歷史早期，月牙泉因其奇跡般的存在于沙漠之中千百年來未被蒸發(fā)而消失、水深達7～8 m、面積達9 000 m2而成為敦煌的旅游勝景.但這一切由于地下水位的急劇下降而變得岌岌可危.“月牙泉面臨干涸是敦煌生態(tài)破壞的綜合體現(xiàn)，必然會引起一系列的連鎖反映”，而且隨著問題的日益嚴重其誘致的一系列生態(tài)問題將會愈加嚴重，其原因是多方面的.雖然通過人工滲水暫時抑制月牙泉湖水位的持續(xù)下降，這只是治標，屬應(yīng)急治理，但至今并未解決大范圍的地下水下降問題，亦即最終根治月牙泉枯竭問題.

首先是對月牙泉成因問題的認識.對于月牙泉的成因，長期以來存在多種認識，筆者認為月牙泉是區(qū)域地下水系統(tǒng)的一個組成部分，地下水由西向東徑流和北部平原完全一致，屬于同一流場，流經(jīng)扇間洼地潛水露頭，形成為月牙泉湖;近年來，有學(xué)者提出，月牙泉與南部的地質(zhì)構(gòu)造、局部斷裂帶有關(guān);文獻[1]認為月牙泉大、小泉灣的地形是典型的平原沙質(zhì)曲流型河谷殘留湖地型，后來由于河水退去、或由于河谷改道、或由于南北沙山在月牙泉西部相連，堵塞了古河道.使原來的小河形成了封閉式的殘留湖;文獻[2]認為月牙泉位于敦煌斷陷盆地的邊緣，從山前向盆地顆粒急劇變細，滲透性降低，地下水徑流受阻而溢出，形成泉水溢出帶;文獻[3]認為黨河洪積扇與西水溝洪積扇之間的沙漠洼地，因地形低洼切割至地下水位而形成的下降泉;文獻[4]認為月牙泉是古河道發(fā)育過程中因侵蝕作用形成的一處洼地，或者稱之為牛軛湖.甚至有人認為是人工挖掘成湖.至今并未有統(tǒng)一的認識.但無論研究者提出怎樣的看法，從根本上來說，月牙泉是由地下水形成，其問題的本質(zhì)就是一個地質(zhì)學(xué)問題.

其次是治理問題.在查明月牙泉成因的前提下，以治理為根本.以往投入的治理工作，如直接往泉中注水、或者通過地下水滲透進行注水等效果不佳的原因就是對地質(zhì)基礎(chǔ)的研究程度不夠，地下水的運動模式認識有所偏差.從前文的分析可知，問題的本質(zhì)是地質(zhì)學(xué)問題，那么首先要從研究地質(zhì)學(xué)的思路出發(fā)，用地層演化、沉積環(huán)境變化和生態(tài)地質(zhì)環(huán)境變遷思維解決地質(zhì)問題.月牙泉問題是個系統(tǒng)工程，首先必須從系統(tǒng)的觀點認識問題，在目前對月牙泉地下水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)辨識存在問題的前提下，或者說目前可將該系統(tǒng)視為一個“灰箱”，只能通過系統(tǒng)的輸入和輸出調(diào)整來改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，即人工改變月牙泉地下水系統(tǒng)的漲落特征，達到治理的目的.其次，由月牙泉變化誘發(fā)的一系列生態(tài)問題也只能通過月牙泉的治理來解決，所以必須用地質(zhì)思維來解決問題，比如用地下水流動系統(tǒng)理論分析水質(zhì)的變化、水位的變化、區(qū)域地下水與月牙泉域地下水之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上研究該地區(qū)沙漠化、荒漠化、植被的演替規(guī)律和恢復(fù).

2 自然綠洲、濕地萎縮的核心與地質(zhì)條件密切相關(guān)

敦煌綠洲是河西走廊西端的屏障，是敦煌賴以生存的基礎(chǔ).自然綠洲消失則必然導(dǎo)致敦煌從氣候條件、水資源分布、植被生存、土壤結(jié)構(gòu)、生態(tài)環(huán)境發(fā)生根本性改變，大范圍出現(xiàn)沙漠化與荒漠化，重演古樓蘭消亡的歷史悲劇，進而造成河西走廊沙漠化和荒漠化進程加速.敦煌東、西湖濕地則是敦煌綠洲的生命線，她象月牙泉一樣，也是敦煌生態(tài)退化的“眼睛”.因此，自然綠洲、濕地?zé)o則敦煌亡.濕地的分布不僅與土壤、氣候條件有關(guān)，更重要的是與地下水緊密聯(lián)系.縱觀歷史，漢唐時期敦煌森林茂密林草資源豐富.境內(nèi)的東湖、西湖、北湖一帶分布著23.6萬hm2天然植被紅柳、胡楊和蘆葦?shù)葐坦嗄?，生長極為茂盛;祁連山雪水豐富，大小河流縱橫，湖泊遍布，敦煌綠洲區(qū)內(nèi)有666.7 hm2咸水湖和66.67 hm2淡水湖中，但如今 80%已消失[5].如今敦煌市總面積 3.12萬 km2，其中綠洲面積僅1 400 km2;據(jù)敦煌市林業(yè)部門統(tǒng)計，近十幾年來，由于水源嚴重短缺和生態(tài)環(huán)境日益惡化，敦煌綠洲的綠色防護體系面積急劇減少，截至目前僅剩8.67×104 hm2天然林和9.00×104 hm2草場，分別比新中國成立初期減少40.00%和77.00%.

在敦煌市境內(nèi)，分布著四個自然保護區(qū)，即市區(qū)正西方向120 km處的國家級西湖自然保護區(qū)、市區(qū)西北方向18 km處的縣級南泉濕地保護區(qū)、市區(qū)西南方向70 km處的省級南湖候鳥保護區(qū)和市區(qū)東北方向的縣級東湖自然保護區(qū).比較而言，西湖濕地保護區(qū)對敦煌市的意義最大，它不僅是敦煌市的生態(tài)屏障，也關(guān)系著河西走廊的疏勒河流域的未來.它位于甘肅河西走廊最西端，距敦煌城西120 km處，西接庫姆塔格大沙漠，南與阿克賽哈薩克族自治縣相鄰，北與新疆維吾爾自治區(qū)接壤，總面積66.00×104 hm2.敦煌西湖國家級自然保護區(qū)是由森林、灌叢、草甸、荒漠和濕地一起構(gòu)成的復(fù)雜多樣的生境類型，具有特殊的干旱生態(tài)系統(tǒng)和濕地生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展和演替過程.但是隨著環(huán)境的惡化，濕地以每年0.13×104 hm2的速度遞減，原有的永久性濕地大部分已轉(zhuǎn)為季節(jié)性濕地，到2005年，面積減少了近28%，僅存18.00 ×104 hm2.據(jù)近幾年的監(jiān)測，隨著濕地的萎縮，庫姆塔格沙漠正在以4 m/a的速度向前推移[6].據(jù)地下水監(jiān)測資料，30年來，敦煌綠洲地下水位下降了10余m;有生態(tài)專家預(yù)測，再過50年，敦煌西湖濕地——灣窯墩草場將完全干涸.

有學(xué)者認為，這些問題的產(chǎn)生與敦煌地區(qū)的水環(huán)境變化沒有關(guān)系，而主要原因是人口的急速增長和地下水的無序開采與超采[7].應(yīng)該說，這種觀點有一定道理，但并不全面.敦煌地區(qū)的任何生態(tài)變化都必須放在整個西北地區(qū)、甚至全國大氣候變化的前提下考量.據(jù)研究，近數(shù)十年來受世界氣候帶變化的影響，敦煌地區(qū)的氣候呈現(xiàn)出如下特點:溫度持續(xù)走高、降雨持續(xù)降低、大風(fēng)天氣逐漸增多、蒸發(fā)量逐漸增加.尤其是敦煌地區(qū)地表水主要來源之一黨河的來水量受祁連山冰川融水量的影響，其來水量呈現(xiàn)相對穩(wěn)定的趨勢.而且，研究認為西北地區(qū)的干旱化趨勢不僅在相當(dāng)長的時間內(nèi)不僅無法改觀，而且還會更趨加強[8].因此，敦煌地區(qū)的水環(huán)境必然會有所變化，變化的影響因素很多，既有自然的，也有人為的.自然綠洲、濕地萎縮的核心與地質(zhì)條件密切相關(guān).

所以，針對敦煌地區(qū)的生態(tài)其極其脆弱現(xiàn)狀，一旦被破壞極難恢復(fù).防治工作首先要做的是保證不再進一步惡化，根據(jù)敦煌生態(tài)系統(tǒng)的特點，來調(diào)整人類各種生產(chǎn)活動.但是這必須以保證敦煌市社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展為前提，即在滿足當(dāng)?shù)鼐用裾５纳钋疤嵯逻M行適當(dāng)調(diào)整，就是說要對敦煌市的生態(tài)現(xiàn)狀、生態(tài)容量、最低需水量等指標進行評估，對敦煌市社會經(jīng)濟需水量、居民生活需水量等進行估算，對敦煌市社會經(jīng)濟結(jié)構(gòu)中存在的問題進行認真分析.與上世紀50年代初期相比，敦煌市人口增加了近5倍.據(jù)資料統(tǒng)計，2008年敦煌綠洲內(nèi)共有機井3 180眼，年采地下水3.13×108 m3，達到最大值.其中農(nóng)業(yè)用井2 695眼，開采地下水1.60×108 m3;工業(yè)生產(chǎn)、人畜飲水用井485眼，開采地下水1.53×108 m3，可開采利用的地下水量約0.504×108 m3[9].監(jiān)測資料表明，1975 ～2005 年的 31 年間總計地下水位下降10.77 m，根據(jù)2008～2010年監(jiān)測資料，每年以0.40～0.10 m/a的速度急劇下降.在此基礎(chǔ)上，治理工作必須尊重自然客觀規(guī)律、尊重現(xiàn)實，適當(dāng)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，關(guān)停部分機井，控制地下水開采量，保證生態(tài)需水的最低要求.

圖1 樣地調(diào)查內(nèi)容示意圖Fig.1 Schematic of plot survey content

生態(tài)治理涉及生態(tài)學(xué)、植物學(xué)、種植學(xué)、農(nóng)學(xué)、林學(xué)等學(xué)科，但都無法離開地質(zhì)學(xué)這個基礎(chǔ)，即近些年發(fā)展起來的生態(tài)地質(zhì)學(xué).生態(tài)地質(zhì)學(xué)理論認為，由土壤、部分母質(zhì)及包含在其中的水分、鹽分、空氣、有機質(zhì)等構(gòu)成的地下空間實體，是植物賴以生存的營養(yǎng)源和根系的固持基質(zhì).在一個特定的陸地生態(tài)系統(tǒng)中，植物根系所占據(jù)的地下空間，是該生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的一個子系統(tǒng).這一地下空間稱為植物的地下生境(plant below-ground habitat)，簡稱“地境”.在個體層次上，不同的地境穩(wěn)定層對應(yīng)的是個體所處的具體小環(huán)境，植物個體的生長狀況則是對其地境穩(wěn)定層特定組態(tài)的“生理響應(yīng)”[10].植物對地境的選擇是多因子的，所以它的生長狀況也就不僅取決于地境中的某一因子，而是取決于各因子狀態(tài)的組合情況，同時還受群落中各種群之間能量、水分、養(yǎng)分的依存關(guān)系或競爭關(guān)系的制約.生存域不是以單一物種對某一因子的耐受性關(guān)系為出發(fā)點，而是從諸多因子狀態(tài)組合對植物協(xié)同作用的角度分析問題.另外，它規(guī)定了所要研究的物種是處于野外的具體群落中，物種的生長狀況既反映了植物生長的地境背景對該物種的適宜程度，也隱含了該物種所在群落中各種群關(guān)系的重要信息(如共生、競爭關(guān)系).從概念可知，生存域可以較充分地體現(xiàn)各生態(tài)因子間的協(xié)同關(guān)系.根據(jù)植物的地境穩(wěn)定層和有關(guān)地學(xué)指標確定植物的生存域[11].

在敦煌這種及干旱條件的特殊地區(qū)，進行植被種植首先必須調(diào)查清楚當(dāng)?shù)氐牡鼐程攸c，這主要是通過生態(tài)地質(zhì)調(diào)查來實現(xiàn)，樣地調(diào)查包括植被調(diào)查和地境結(jié)構(gòu)調(diào)查，具體的調(diào)查內(nèi)容見圖1.通過調(diào)查主要研究:(1)植物長勢與水肥條件的關(guān)系;(2)不同生活型、不同物種與地境層片的對應(yīng)關(guān)系.確定植物的地境穩(wěn)定層.其次研究各植物種的生存域.并確定在哪些地區(qū)適合種植哪種植物.同時也注意喬、灌、草的結(jié)合種植，從地境層片看，它們的根群分別占據(jù)不同的地鏡層片，即各自有不同的生存區(qū)域，這樣就可以保證它們在水分、鹽分、肥分等方面有合理的分配，提高成活率和成長速度.

3 土地荒漠化的地質(zhì)學(xué)分析

20世紀90年代，敦煌市荒漠化土地面積為2 527 658 hm2，占敦煌土地總面積的81.58%，而到2001年，荒漠化土地面積增加到了2 707 335.27 hm2，凈增 7%[9].自 1994 年以來，綠洲外圍沙化面積平均每年增加1.12×104 hm2.2000年敦煌市鹽漬化土地面積達239 853.5 hm2，占總土地面積的7.7%[7].1980年敦煌西湖濕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)沙漠面積為51.05×104 hm2，占總土地面積的16.36%，2000年沙化土地面積已達 83.06×104 hm2，占總土地面積的26.62%，僅20年間沙化面積增長32.01 ×104 hm2，增幅達 10.26%，年均增加近0.10 ×104 hm2，年吞噬綠洲邊緣 2 ～3 m[12].

從地質(zhì)學(xué)的角度看，風(fēng)力侵蝕、水力侵蝕、土壤鹽漬化和土壤的凍融是引起土地荒漠化的主要幾種外動力作用.風(fēng)蝕是一個復(fù)雜的風(fēng)沙物理過程，其是否發(fā)生及發(fā)生的強度由氣流狀況和下墊面狀況共同決定.實驗研究證明，在干旱多風(fēng)的氣候作用下，當(dāng)?shù)乇碇脖缓捅韺油寥涝獾狡茐暮螅寥里L(fēng)蝕強度將急劇倍增，戈壁化和沙漠化速度會以比植被發(fā)育良好的地區(qū)高出數(shù)倍、十余倍甚至百余倍.之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象，是因為下墊面性狀和風(fēng)蝕之間存在著正反饋作用，在風(fēng)速不變的情況下，下墊面性質(zhì)的惡化導(dǎo)致風(fēng)蝕加劇，風(fēng)蝕作用的加劇使下墊面性質(zhì)進一步惡化，為風(fēng)蝕的進一步加劇創(chuàng)造條件，從而形成一個不需要進一步強化外部驅(qū)動力就能逐漸加強風(fēng)蝕作用的自組織過程[13].此外，土地利用、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、耕作制度、放牧強度、樵采方式等人為活動通過改變下墊面和氣流的天然狀況，也影響著風(fēng)力侵蝕的過程，稱為人為因素.其中，土地利用類型、工程活動和耕作方式直接影響著地表覆蓋物的類型、植被覆蓋度、植物群落結(jié)構(gòu)和土壤結(jié)構(gòu)等抗蝕因子;水資源的開發(fā)利用可通過影響區(qū)域地下水位，進而影響土壤含水量、植被覆蓋度和植物群落結(jié)構(gòu)等抗蝕因子;水資源的開發(fā)還可能造成干旱區(qū)河流、湖泊等地表水域萎縮，使大量松散沉積物暴露在風(fēng)力作用下.

敦煌地區(qū)土地荒漠化的原因主要是干旱氣候下的風(fēng)力侵蝕和人類活動.我國西北地處大陸中心遠離海洋“大陸效應(yīng)”也會使緯度帶造成的干旱程度更加增強.另外一個原因是青藏高原的持續(xù)隆升.敦煌市深居內(nèi)陸，屬典型的暖溫帶極端干旱性氣候，氣候干燥，降水稀少，蒸發(fā)強烈，多年平均降雨量僅39.3 mm，蒸發(fā)量卻高達2 486 mm，年平均風(fēng)速 1.9 m/s，8 級以上大風(fēng)日數(shù) 7.8 d[12].而且近30年來大風(fēng)日數(shù)越來越多，降水量越來越小.而且敦煌市的人口從上世紀50年代初的3萬多人口增長到如今的近20萬人;耕地數(shù)量從0.89×104 hm2，增加到現(xiàn)在的2.33×104 hm2;灌溉土地數(shù)量也呈幾何級數(shù)增長，灌溉用水量也增加迅速，渠系利用率從0.3左右提高到0.6左右[9].與這些相反的是地下水位的大幅度下降、植被的成片枯死，這些既為風(fēng)蝕作用提供了大量的物質(zhì)基礎(chǔ)，成為風(fēng)蝕的加劇因素.

風(fēng)蝕的形成必須具備兩個基本前提:地表有可蝕性顆粒物;要有足以使地表土壤顆粒產(chǎn)生運動的風(fēng)速[13].所以，要控制風(fēng)蝕，一方面要改變下墊面結(jié)構(gòu)，提高其抗蝕能力;另一方面要增加地面粗糙度和摩擦力，降低近地面風(fēng)速.就敦煌市的實際情況而言，土地荒漠化治理的選擇并不多，因為改變局部風(fēng)力，或者說局部氣候難度非常大，尤其是在敦煌這樣各方面自然條件都非常惡劣的地區(qū)，更不用說改變大氣候了.因此，應(yīng)該在查明地下水系統(tǒng)和地下水動態(tài)的基礎(chǔ)上，根據(jù)居民用水和生產(chǎn)用水的基本數(shù)額，合理調(diào)整地下水的開采量，關(guān)停部分機井;合理調(diào)整產(chǎn)業(yè)機構(gòu)，減少高耗水、低產(chǎn)出的企業(yè)，種植耐旱的農(nóng)作物和高產(chǎn)出的經(jīng)濟作物;有計劃地實施退耕還林還草，在個別荒漠化嚴重地區(qū)，實行人工種植，但必須在生態(tài)地質(zhì)理論的指導(dǎo)下，查明這些地區(qū)的地境特征和適合的植物種.

4 結(jié)論

1)敦煌地區(qū)生態(tài)退化問題的根源應(yīng)該從地質(zhì)學(xué)的角度分析，通過研究水資源轉(zhuǎn)化與地下水運動形式，飽水帶與土壤層之間關(guān)系，尋求生態(tài)退化問題方式，因此說是探求地質(zhì)問題.

2)敦煌生態(tài)退化是一個自然科學(xué)的問題，治理必須尊重科學(xué)規(guī)律.這里生態(tài)問題的治理是一個地質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域的問題，就必須用生態(tài)地質(zhì)學(xué)的理論和方法去解決.

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