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沙漠绿洲的开发与环境变化的相互影响
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杜明远 真木太一
日本农林水产省 农业环境技术研究所环境资源部 教育部 环境演变与自然灾害开放研究实验室，北京 100875
提 要 干旱区的农业活动、特别是沙漠绿洲的开发，改变了地—气系统的能量交换。几年来的沙漠绿洲气候与防风林的研究、气候资料的分析和实地考察表明，中国西部干旱区最近 43 年来的沙漠绿洲开发已改变着那里的局地气候环境，使其向有利于人类和农业的方向发展着。在沙漠绿洲的开发利用与局地环境变化之间，存在着两种截然相反的反馈作用：环境变好→绿洲发展→环境更好→绿洲再发展；环境恶化→绿洲退化→环境更坏→绿洲再退化，甚至消失。决定这两种反馈作用的是大环境的变迁和绿洲开发利用中是否合理利用资源和按自然规律办事。
关键词 绿洲开发；环境变化
中图分类号 P941.73 X144
文献标识码 A
文章编号 1000－3037(1999)04－0368－04
1 引言
沙漠、戈壁等干旱地带占据着地球陆地的近 1/3。人类从很早以前就开始在不毛之地的沙漠中开发和利用沙漠绿洲。随着人类人口的增加和科学技术的发展，沙漠绿洲的开发和利用就越来越重要。然而，地球环境的变化会很大程度地影响沙漠绿洲的开发和利用，反之沙漠绿洲的开发利用也会影响局地环境的改变。在我国现有的沙漠中，有不少的古代城镇及水利设施的遗迹。这些遗迹的废弃原因，大多与河流的改道和断流以及战争相关，有的还不清楚[1]。近年有学者提出东亚游牧民的南迁与气候的变化相关[2]。许多学者研究认为，随着全球变化，我国干旱、半干旱区气候在
变干[3～6]。然而，作者近来对我国干旱区气候变化，特别是近 15 年来的变化研究表明，我国干旱区西部和东部的气温和降水变化是不同的。因此，研究我国干旱区环境变化与沙漠绿洲的开发和利用的关系有着很重要的意义。本文试图总结沙漠绿洲气候特点、绿洲防风林效益，结合近年来我国西部干旱区气候环境及沙漠绿洲开发和利用的变化，阐明沙漠绿洲的开发与环境变化的相互影响关系，为今后绿洲开发与利用提供科学依据。
2 沙漠绿洲的气候特点，防风设施的效益
2.1 沙漠与森林的地—气系统能量交换的比较
我们知道，地—气系统能量交换的各个分量是随下垫面覆盖、水分及大气中的水分（云）等因素的不同而变化的。沙漠地带由于空气中水分（云）含量少，到达大气上层的太阳能几乎 95% 以上可以到达下垫面，而雨林地区只有约 70% 到达下垫面；由于反射率大和下垫面温度高，到达下垫面的太阳能作为净辐射能的部分在沙漠却少于雨林；下垫面的净辐射能在沙漠主要以显热交换形式传给大气，而雨林地主要以潜热形式与大气交换能量。因此，在大面积干旱荒漠地区，改变下垫面植被覆盖及土壤物理特性，会对局地边界层气候产生影响，甚至可能影响全球气候变化。
2.2 沙漠绿洲的气候特点
通过对在我国新疆吐鲁番距绿洲边缘 1km 的风蚀地建立的自动气象站与绿洲内气象站资料的对比分析[7]结果表明：由于绿洲内的灌溉和植被的增加，改变了地—气系统的能量交换。绿洲与邻近的荒漠相比，反射率下降，风速降低，地中热容量及热流量增加。在夏季白天，地表温度上升缓慢，净辐射值增加，而得到的太阳能大部分被消耗在蒸散上，显热输送却比荒漠地少；在冬季夜间，地表温度下降缓慢，净辐射损失减少。其结果，绿洲内的气温和地表层温度在冬季和夜间比荒漠地高，在夏季和白天比荒漠低。可谓冬暖夏凉、夜暖日凉。在 7 月，自早晨 7～8 时（地方时 5～6 时）绿洲内气温开始低于荒漠地，直到 20 时；而在 12 月大部分时间绿洲内气温高于荒漠地，只有在 10～11 时到 15～16 时（地方时 13～14 时）绿洲内气温才低于荒漠地。7 月平均气温绿洲内比邻近荒漠地低 1.1℃，12 月平均气温绿洲内高出邻近荒漠地 2.4℃。如果测站伸入荒漠内，这种差异会更大。对于湿度和降水，由于测站距绿洲太近，加之仪器问题（湿球纱布的夏季积沙和冬季结冰），没有明显差异。但有研究表明绿洲有增加湿度和降水的“湿岛”和增雨作用[8、9]。
2.3 绿洲防风设施的效益
沙漠绿洲的开发，为防止风沙，防风林等防风设施的建立是非常重要的。近年来作者在新疆吐鲁番的研究表明[10、11、12]，干旱区绿洲防风设施（林、网）不仅有防风、防沙的作用，对气候的缓和作用比湿润的日本要大，能抑制土壤蒸发和植物蒸腾，以利水分的合理利用，促进作物生长。作物的生长高度和产量都随防风林的防护距离有明显的变化。另外，如上所述，在绿洲与荒漠之间存在有明显的温湿度差，这必然在它们之间有一个局地环流，防风设施通过降低风速，同时调节温湿度的变化，增大绿洲效应。
3 43年来气候环境的变化
3.1 平均气温和降水变化
作者选取处于我国西部干旱区大绿洲中的 13 个气象站，计算了 43 年来（1951～1993 年）冬季（12～2 月）和夏季（6～8 月）平均气温和降水量的变化，发现 43 年来冬季平均气温增加了 2.0℃（若羌）～9.0℃（乌鲁木齐），13 站平均增温 3.0℃。但夏季平均气温却下降了 1.5℃，在哈密甚至下降了 4.5℃。43 年来冬季降水没有明显的变化趋势，而夏季降水量在多数站都有增加的趋势，特别是近 15 年来（1977 年以来），降水量增加了 5%（若羌）～100%（塔城、和田等）。我国西部干旱区大绿洲中的 13 个气象站 1951～1993 年夏季（6～8 月）和冬季（12～2 月）平均气温和降水量的逐年变化表明，近 15 年来我国西部干旱区气候环境的变化结果与绿洲效应一样，是冬暖夏凉、夏季雨水增加。
3.2 干旱指数（P／(t＋α)）的变化
为评价气候环境变化对农业的影响，作者计算了夏季 Martonne 干旱指数（AI=P/(t＋α)，这里 P 为降水量、t 为平均气温、α为系数，本文取 0）。Martonne 干旱指数越大，表明农业依存于水或灌溉程度就越低，即气候就越适合农业生产[13]。图 1 给出 1951～1993 年我国西部干旱区大绿洲中的 13 个气象站平均的标准化后的干旱指数逐年变化曲线及 5 年滑动平均、线性回归和 5 次多项式回归曲线。可以看出，干旱指数虽然波动很大，但在增加。特别是 5 年滑动平均表示出 50 年代后期的下降、60～70 年代的波动和 70 年代后期开始的大幅度上升，表明气候环境向有利于人类和农业的方向发展着。
4 沙漠绿洲的开发与环境变化的相互影响
4.1 近年来沙漠绿洲开发与利用的变化
近 43 年来，中国西部干旱区绿洲扩大很快，新疆的耕地面积增加了近 1.4 倍。绿洲的扩大主要分两个时期：50 年代到 60 年代初和近 15 年。早期的绿洲大多以自然植被的破坏和减少为代价。例如，在塔里木盆地塔里木河流域，1951～1958 年在原有植被的地带扩大耕地面积 3648.5km2，而由于燃料及用材的需求，1958～1978 年天然胡杨林减少了 1748.9km2、沙漠化土地面积发展到 2.17万km2[14]。而近 15 年的耕地扩大多是向沙漠要地，作者实地考察发现[15]，随着经济的发展，以煤代柴使沙漠地带植被的滥砍乱伐得到了很大程度的控制，同时防风林也长大成林。这些变化正与上述干旱指数的变化相对应。
4.2 绿洲的开发与环境变化的相互影响
如上所述，沙漠绿洲有冬暖夏凉、夜暖日凉的温度调节作用和增湿增雨的作用，而这些作用正好又适应沙漠绿洲农业生产。所以，绿洲越发展，对环境调节作用就越大，从而绿洲就越能发展。反之，如果沙漠绿洲开发利用不当，如河流水源涵养林破坏引起水土流失，水流不稳；过量超采地下水，破坏地下水资源引起植被死亡、土地旱化、沙漠化；过量灌溉，地下水位上升引起土地盐碱化；滥砍乱伐，沙漠植被破坏引起沙丘活化、流沙再起等等造成绿洲退化，则会使绿洲效应减少，环境恶化，进而使沙漠绿洲进一步退化。也就是说，在沙漠绿洲的开发利用与局地环境变化之间，存在着两种截然相反的反馈作用：环境变好→绿洲发展→环境更好→绿洲再发展；环境恶化→绿洲退化→环境更坏→绿洲再退化，甚至消失。
5 结论
综合几年来的沙漠绿洲气候与防风设施效益的研究、气候资料的分析和实地考察，可得以下结论及建议：
(1) 由于改变了下垫面和地表粗燥度，增加了水分（灌溉）和植被，沙漠绿洲与其周围的沙漠相比，有着冬暖夏凉、夜暖日凉的温度调节特性；有着增湿的“湿岛”效应；也可以有增雨作用。
(2) 绿洲防风设施不仅有防风、防沙的作用，还能抑制土壤蒸发和植物蒸腾，以利水分的合理利用；同时调节温湿度的变化，增大绿洲效应。
(3) 近 43 年来，特别是近 15 年来，中国西部干旱区的气候环境有冬季升温、夏季降温增雨有利于人类和农业生产的变化，但有必要进一步加强对山区降水等气象要素的监测。
(4) 近 43 年来，中国西部干旱区绿洲扩大很快，新疆的耕地面积增加了近 1.4 倍。特别是近 15 年来，随着经济的发展，沙漠地带植被的滥砍乱伐得到了很大程度的控制，同时植树造林得到了很大发展。近年的气候变化，特别是冬季的升温与全球变化有关，而夏季的降温增雨主要是绿洲的扩大、防风林的营造和沙漠植被砍伐减少的结果。
(5) 在沙漠绿洲的开发利用与局地环境变化之间，存在着两种截然相反的反馈作用。环境变好→绿洲发展→环境更好→绿洲再发展；环境恶化→绿洲退化→环境更坏→绿洲再退化，甚至消失。决定这两种反馈作用的是大环境的变迁和绿洲开发利用中是否合理利用资源和按自然规律办事。近 15 年来中国西部干旱区的变化正是促使环境变好的反馈作用在起主要作用的结果。但是，在水资源的有效合理利用方面，却存在严重问题。因此，今后合理开发利用绿洲，对于局地环境的变化有着极其重要的意义。
(6) 由于人口的增加，向沙漠要地、要粮、要财富已成必然。但如果不能合理利用资源，盲目扩大绿洲；过量使用地下水和破坏沙漠植被，可能导致沙漠化和环境的恶化，甚至绿洲的消失。对于中国西部干旱区而言，要有对以水资源为主的自然资源进行区域性、流域性的总体评价和规划，把开发利用的重点放在开发利用节水栽培技术、改良灌溉设施等提高水资源利用率和提高单位面积生产力上，以适应人口增加和环境变化的要求。
参考文献
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作者简介
杜明远（1959－），男，青海省乌兰县人，理学博士，研究员，日本农林水产省农业环境技术研究所环境资源部大气生态研究室主任研究官。
基金项目：国家“九五”重大基础研究预选项目 (227218001)；国家自然科学基金重大项目 (39899374)。
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