拉薩河下游河谷區風沙災害現狀、成因及發展趨勢探討*

常春平,原立峰

（1.河北師范大學資源與環境科學學院,石家莊050016;2.南京郵電大學電子信息科學系,南京 210003）

風沙災害以其發生頻率高、影響范圍廣、危害程度大對經濟建設、社會發展、大氣環境、交通運輸及人民生命財產和健康帶來嚴重不利影響[1]。拉薩河下游地帶北依念青唐古拉山脈,南達喜馬拉雅山脈東段北側。作為西藏自治區的政治、經濟、文化中心的拉薩市位于拉薩河下游寬谷區。隨著青藏鐵路的建設和拉薩市經濟、旅游及城市建設的發展,拉薩河下游河谷風沙災害已成為影響該區域首要環境問題。本文在遙感影像解譯和實地調查基礎上,對該區域風沙災害現狀、危害、成因與發展趨勢進行了分析,為進一步風沙治理提供依據。

1 拉薩河下游河谷區域背景

研究區東自拉薩大橋、西至曲水的拉薩河下游河谷地帶。沿拉薩河河谷全長64.5 km,寬 2～7 km 不等 。地理坐標介于東經 91°09′07″-90°43′52″,北緯 29°20′05″-29°39′29″,面積約 727.5 km2。

拉薩河下游河谷區因受不同等級的斷裂(帶)控制及第四紀以來強烈的構造運動影響,河谷兩側的山體巖石十分破碎,山勢陡峻。山坡中下部以及山前地帶堆積厚度不等的第四紀砂礫質沉積物;河道成多股辮狀,河漫灘和河心洲沙丘發育。河谷平原為巨厚的第四系松散堆積物,大都為砂卵石層上覆砂土或亞砂土。本區屬高原溫帶半干旱氣候,夏季溫涼多雨、冬季干冷多風。風沙天氣也主要發生在冬春季節(2-5月),起沙風以偏西風為主。地表水資源主要是拉薩河及其支流。植被分區屬于青藏高原中部溫性草原地帶的雅魯藏布江中游谷地灌叢草原區,地帶性植被為溫性草原。

截止2006年,拉薩市城關區、堆龍德慶縣和曲水縣三區縣農村總人口109 666人,勞動力35 093人;國民生產總值 60 940萬元,農村經濟總收入39 564萬元。

2 沙塵源分布特征與危害

2.1 沙塵源分布特征

根據IKONOS和Quick Bird影像解譯結果,風沙源分布特征為:

(1)沿河谷及河谷兩側分布。從沙塵源地的物質基礎來看,絕大多數是拉薩河及其一級支流沖積物,即使有部分沙塵源地也已被風力侵蝕改造,沙塵物質源頭仍是河流沖積物。極少數沙塵源地的物質基礎為洪積物,它們也分布于拉薩河兩側的谷地前緣。在河流沖積物基礎上成為沙塵源地(耕地除外)的面積占沙塵源地總面積的31.91%。

(2)分布地貌部位多樣。復雜多樣的河谷地貌類型,決定了沙塵源地分布地貌部位的多樣性。根據野外調查,沙塵源地主要分布在洪積扇、邊灘(高河漫灘)和心灘、河流階地面和河谷兩側山坡,分布在這四種地貌部位的沙塵源地總面積(耕地除外),自大到小依次為洪積扇＞邊灘(高河漫灘)和心灘＞河谷兩側山坡＞河流階地面。

(3)呈小面積零星分布。研究區處于拉薩河下游,河床寬闊,河灘亂流,常常將低級階地、河漫灘和心灘侵蝕切割成零星斑塊。河谷兩側山體高大,拉薩河沿岸突兀的中小山嘴眾多,河谷地帶近地面風場在大尺度大氣流場的控制下,受地形影響顯著,山谷風和山嘴附近局部回流十分強盛,形成很多面積不大、相對孤立的山坡覆沙體。

其次,人類經濟活動對沙塵源地的形成和分布特征也產生重大影響,主要是天然草地利用不當而退化成沙塵源地,以及大面積耕地在冬春季節成為沙塵源地等等。

2.2 風沙危害

(1)污染城市大氣環境。根據在拉薩市1990-2001年的環境空氣質量監測數據和2003年西藏自治區環境狀況公報表明,SO2、NO2和其他NOX的監測值無論何時都小于100 μ g/m3,SO2日均值濃度 2～ 4 μ g/m3,年均值濃度為 2 μ g/m3;NOX日均值濃度 2～ 73 μ g/m3,年均值濃度為 26 μ g/m3,符合《環境空氣質量標準》一級標準的要求。但TSP或PM10的小時監測值在大風時超過1 000 μ g/m3,TSP日均值濃度 41～1 437 μ g/m3,年均值濃度為337 μ g/m3;降塵量 3.32 ～ 31.34t/(km2?月),嚴重超標。所以,懸浮顆粒物為首要污染物,且空氣污染程度較重時段均與風沙天氣有關[2-4]。

(2)危害農牧業生產和水利設施。首先,蠶食可利用土地。研究區為西藏自治區的政治、經濟和文化核心地帶,可利用土地資源十分寶貴,但根據IKONOS和Quick Bird影像解譯結果表明現有裸露和半裸露沙塵源地面積27 264.74 hm2,占總土地面積37.48%,且仍在繼續擴大,造成土地失去利用價值。

其次,降低土地質量。根據野外調查,分布于拉薩河階地面上的農田,年風蝕深度一般可達0.5～3.0 cm。風蝕模擬研究結果顯示,采集于調查區的農田沙土和沙壤土原生樣品,在風速分別達到6.8 m/s和7.6 m/s時便發生土壤風蝕起沙現象,并且隨風速增大,風蝕量迅速增加。表層耕作土的細顆粒物質和營養元素被大量吹蝕。用當地常見的15 m/s風速吹蝕85 min后,不論沙土和沙壤土,土壤表層中不僅＜0.063 mm的粉黏粒組分普遍減少4.2%～4.8%,甚至0.063～1.0 mm的極細紗和粗砂也減少1.78%～1.85%,而＞1.0 mm的極粗砂和礫石組分增加了4.1%～6.69%。因而其平均粒徑都相應增加0.03 mm左右。

第三,直接危害種植業和畜牧業。調查中發現,研究區大面積的草地因沙埋而退化,不僅草地建群種發生明顯變化,產草量也大幅降低。風沙流對春季稚嫩的禾苗具有強烈打擊作用,常導致禾苗植物組織嚴重受傷而減產甚至枯死。

第四,填埋水利設施。調查中發現,在菜納、協榮等地修建的灌溉系統普遍遭受風沙危害,冬春季節渠道積沙嚴重,部分渠道不得不采取地下渠的方式。這不僅增加投資,而且明渠部分每年需要清沙,增大維護費用,影響水利設施正常的灌溉功能。

(3)威脅交通安全。冬春季節經常出現大風天氣,風沙活動強度大,造成能見度大幅降低,嚴重威脅交通安全。當前,公路交通受影響最大的是拉薩河南岸沿線。據查訪,風沙天氣嚴重時的能見度僅50 m左右,有時甚至小于50 m,已經到了車輛無法通行的程度。青藏鐵路開通后,風沙天氣對鐵路安全運營的威脅是顯而易見的。

3 風沙災害成因分析

3.1 氣候因素

拉薩河谷冬春季節干冷多風、年內降水分配不均。由于地勢海拔高,大部分地面位于大氣對流層1/3的厚度內,空氣干潔,太陽總輻射量高,但反輻射和長波有效輻射量很大,輻射平衡值相對偏小。由此決定了年平均氣溫較低(7.7℃),而且變化強烈(月均最高與最低氣溫差17.7℃)。受喜馬拉雅山脈阻擋,印度洋西南氣流進入拉薩河下游地帶時已成為強弩之末,年均降水量僅有435 mm,且95%以上集中在夏半年(5-9月)的少風時段。冬半年降水稀少,大風頻發,而同期干燥度卻高達10以上。在這種氣候條件下,風蝕氣候侵蝕力很強,年風蝕氣候因子指數一般在50以上,為風沙活動提供了極為有利的氣候條件[5]。

3.2 沙源因素

根據野外調查和遙感影像判讀結果,按沙質地表流動性和砂礫質地表的植被覆蓋狀況,將沙塵源地劃分為8類,再根據所處地貌部位劃分為24個亞類。統計表明,沙塵源地總面積達27 264.74 hm2,占土地總面積的37.48%。從9種典型沙塵源地的地表粒度組成可以看出(圖1),每種地表類型沙粒粒徑集中分布在0.25 mm以下,以細沙、極細沙和黏粒成分為主,平均含量占60.69%。根據董治寶等對風蝕率與粒度關系特征的研究表明[6],風成沙粒徑0.4～0.075 mm為易蝕性顆粒。研究區風沙源地表物質易蝕性顆粒含量顯示,易蝕性顆粒含量達到69.64%,總體分布趨勢是流動沙地＞半固定沙地＞固定沙地。這些顆粒極易被風力吹揚成為大氣的沙塵物質,為拉薩市風沙天氣提供了豐富的物質來源。

3.3 植被因素

在山坡下部沙黃土母質上發育的冷棕鈣土,地帶性植被有寬苞金背柳灌叢和砂生槐灌叢,主要受到放牧的影響,成為退化灌叢。植被蓋度和高度都受到明顯的影響,寬苞金背柳灌叢的蓋度在45%左右,群落高度10 cm左右。物種可達到10種以上,常見的伴生種有砂生槐、固沙草、披堿草、針茅和豆科黃芪屬的幾種植物等。砂生槐灌叢的蓋度也在50%左右,群落平均高度20～30 cm,常常伴生有藏沙蒿、固沙草、青藏苔草、西藏黃芪、勁直黃芪、甘遂、馬先蒿等,可達到10余種。

圖1 典型沙塵源地地表物質粒度組成

沙礫地和沙地上的原生植被砂生槐灌叢和固沙草群落,由于生態環境脆弱,受人為活動影響較大,處于沙地植被的不同演替階段。砂生槐灌叢的蓋度最低只有30%,在保護較好的地區,可以達到75%。而在覆沙的沙礫地上,固沙草常常成為砂生槐的共建種,有時也形成砂生槐-藏龍蒿或砂生槐-藏沙蒿群落;群落物種數常常為2～6個,常見的有固沙草、藏沙蒿、藏龍蒿、勁直黃芪、小畫眉草等。固沙草群落的蓋度從10%到60%都會出現。固定沙地上的固沙草草原蓋度可以達到50%～60%,但常形成單優勢種群落,群落中的伴生種很少,常常在1 m×1 m范圍內僅有1～2個伴生物種出現,而在半固定沙地上,蓋度只有10%～40%,但物種組成有所提高,可達到3～4種,并常與藏龍蒿、藏沙蒿和砂生槐形成斑塊狀鑲嵌分布的半流動-半固定沙地植被景觀。

隨著沙礫地和沙地上的原生植被遭到破壞,有較大面積的沙地處于流動和半固定狀態,流動沙地上次生演替的早期階段主要為毛瓣棘豆群居,蓋度最大可達20%～30%,常形成單優勢種群落;而在沙礫地上,次生演替的早期階段主要為勁直黃芪-藏沙蒿群落,蓋度常常5%～10%,物種數3～5個。在半固定沙地上以藏沙蒿灌叢和藏龍蒿灌叢為主,常伴生固沙草、勁直黃芪、毛瓣棘豆等。隨著群落的演替進程,漸有砂生槐定居,在景觀尺度上呈斑塊狀鑲嵌分布。在河岸邊水分條件相對較好的沙礫地和沙地上生長有三春柳灌叢和白草草原,三春柳灌叢的蓋度一般為30%～40%,常有白草伴生。白草草原作為演替中間階段的群落,常形成單優勢群落,蓋度可達20%～40%。

對沙地植被不同演替階段的植物群落蓋度、物種數和高度進行了對比(圖2)。群落蓋度可很好地反映沙地的固定程度。隨沙地植被受干擾強度的增加,從固定沙地到半固定沙地,再到半流動沙地,植物群落的蓋度和高度都有明顯降低,而蓋度和高度是影響植物群落防沙和固沙效率的主要因素。研究區砂礫地和沙地植被都受到了不同程度的干擾,以半固定-半流動沙地植被為主。因此,植被退化是風沙活動強度增強的主要因素之一。

圖2 拉薩河谷沙地植物群落特征

3.4 人類生產行為

近年來,研究區的人類工程行為規模越來越大,涉及的空間范圍很廣,對原本脆弱的生態環境造成的局部損害逐漸加劇。人類工程行為主要有交通建設、采挖砂石和建筑工程三種類型,其中前兩者造成的沙塵源地面積最大,危害最嚴重。盡管從絕對面積來看,這三種類型的沙塵源地都不大,但工程建設過程中對原生地表產生的破壞程度極大,沙質或砂礫地表的物質內聚力幾乎全部喪失。工程建設場地在缺乏保護性措施的情況下,冬春季節的大風極易使干燥疏松的地表物質風蝕,并形成高濃度的沙塵氣流。

圖3 典型地表類型起沙強度

通過對流沙區、砂礫質地、翻耕農田、半固定沙地(沙質退化灌草地)起沙強度計算分析表明(圖3),隨著風速增大,地表起沙強度迅速增強,尤其是砂礫質地表遭人為破壞后,起沙強度呈現數倍甚至數十倍增加。就原生地表而言,流沙地的起沙強度最大;風速在23 m/s以下時,起沙強度從大到小依次為翻耕農田、半固定沙地(沙質退化灌草地)和砂礫質地表。農業生產活動場所的耕地盡管起沙起塵強度沒有流沙地大,但其顯著特點是面積廣、可提供的沙塵量大,臨界起沙風速相對較小,使耕地對大氣粉塵的貢獻率較高,成為沙塵源的主體之一。牧業生產利用的土地類型多樣,包括沙質、砂礫質地表,這些地類因過度利用而退化,是目前主要的沙塵源地。

4 沙害發展趨勢分析

4.1 自然影響因素的發展趨勢

氣候因素是最活躍、多變的,是制約植被、土壤、水文等因子的主導因素。因此,對沙害發展趨勢進行分析,主要著重討論氣候因素(重點是溫度、降水和大風)的可能變化趨勢。據吳祥定、林振耀等人的研究成果[5-9],氣溫(圖4A)在17世紀80年代前為寒冷期,17世紀80年代至18世紀20年代為溫暖期,隨后到80年代為較寒冷期,從18世紀80年代至今為相對溫暖期。降水量的變化略有不同(圖4B),19世紀以前為干濕波動期,19世紀中葉至20世紀初為干旱少雨期,20世紀初至60年代為相對多雨期,70年代又處于相對干旱少雨期。20世紀70年代以來,我們根據現代氣象觀測數據進行了補充研究,結果表明,氣溫自20世紀70年代末至今,仍處于顯著的繼續升高階段(圖5A),而降水也略有增加(圖5B),大風日數略有減少。

在以上中尺度氣候變化中,也明顯存在小尺度(10 a尺度)的波動。從拉薩市氣象臺的記錄數據看,近期氣候波動較大,分析其變化并根據其冷暖、干濕和大風期的演替規律和演替期時間長短,可以粗略地判定其小尺度氣候變化周期。根據小波分析結果,溫度變化主要有33年周期,降水以8 a為主要周期,大風日數則以24 a周期最明顯(表1)。按照這一周期推算,未來20 a內的氣溫可能會維持在相對較高的水平;降水量在未來10 a內可能有所增加,但總體增加幅度不大;大風日數在未來15 a內總體上不會減少。基于這樣的推算結果,在未來15 a內,氣候變化將對風沙災害起到繼續強化的作用。

表1 氣候要素周期分析

圖4 西藏1978年以前氣溫(A)和降水(B)變化

圖5 拉蒴市自20世紀50年代以來的氣溫(A)和降水(B)變化

4.2 人文影響因素的發展趨勢

由于研究區內居民環護意識的不斷增強,農牧業生產對沙塵天氣發生的貢獻率沒有明顯上升。根據西藏自治區統計資料,從研究區的人口變化、農作物播種面積和牲畜年末存欄數分析,1992-2002年間研究區人口由188 662人增長到217 828人,增加了29 166人;農作物播種面積由11 786.7 hm2增加到12 667 hm2,增加了880.3 hm2;牲畜總頭數由77.66萬羊單位下降為71.52萬羊單位,下降了6.14萬羊單位。所以,近10 a來上述三項指標變化微小,加之農田基本建設力度逐年加大,農田風蝕基本維持在原有的水平。牧業發展基本上處于多年下降的趨勢,草地過載現象將會減緩;預計在國家人口政策不發生改變的情況下,人口增長率將維持目前的水平或有所下降;另外,隨著第三產業的興起,產業結構將得到有效調整,對土地壓力增加的幅度不會過大。總體來看,人類活動將繼續起到增強風沙災害的作用,但不會有顯著增強趨勢。

總之,在10 a尺度上的氣候變化相對于人文因素變化,其總體趨勢是相對緩慢的,但其影響范圍十分廣泛和深刻。在前述氣候變化的背景下,干燥度將繼續上升,由此決定了植被的自然恢復能力不能得到提高,依靠植被自然演替而固定沙塵源地非常困難。因此,氣候變化趨勢在未來15 a內不利于削弱風沙災害強度。人文因素的發展趨勢在未來15 a內,盡管對風沙災害強度的加強作用會逐漸降低,但總體上仍起強化作用。因此,拉薩河下游河谷地帶的風沙災害如果沒有人為的強迫干擾(即有效治理)活動,風沙災害將會進一步發展,拉薩市的人居環境不可能得到顯著改善。

[1]徐海量,陳亞寧.塔里木盆地風沙災害危險性評價[J].自然災害學報,2003,12(2):35-39.

[2]倪雪.拉薩貢嘎機場干季風沙、浮塵天氣特征及預報初探[J].四川氣象,2001,21(4):46-48.

[3]周順武,黃瓊中.拉薩市空氣污染物濃度的統計分析及其可能的天氣原因[J].西藏科技,2002(5):39-42.

[4]黃瓊中.拉薩市環境空氣質量與氣象特征分析[J].中國環境監測,2001,17(6):50-53.

[5]繆啟龍,向毓意,顧顯躍.氣候變化對西藏環境經濟的可能影響[J].應用氣象學報,1998,9(2):225-230.

[6]董治寶,李振山.風成沙粒度特征對其風蝕可蝕性的影響[J].土壤侵蝕與水土保持學報,1998,4(4):1-5,12.

[7]代加冼.青藏高原氣候學[M].北京:氣象出版社,1990.

[8]吳祥定,林振耀.歷史時期青藏高原高原氣候變化特征的初步分析[J].氣象學報,1981,39(1):90-97.

[9]吳祥定,林振耀.橫斷山區近代氣候變化的研究[J].地理研究,1987,6(2):48-55.

[10]林振耀,趙昕奕.青藏高原氣溫降水變化的空間特征[J].中國科學:D輯,1996,26(4):354-358.