王根绪 程国栋 徐中民

（中国科学院兰州冰川冻土研究所 兰州 730000）

提　要　近 50 年来，西北干旱区随水土资源开发利用规模的不断扩展，使区域内工农业与经济得以稳定持续发展。但同时，引起一系列生态环境变化。①大多数河流下游水量锐减，甚至断流，河道缩短，终端湖泊萎缩或干涸，水质咸化和污染趋势加剧；②土壤沙漠化和盐碱化，沙漠化土地面积达 674.93×10⁴hm²，盐碱化耕地面积逾 135.56×10⁴hm²；③植被退化，生物多样性减少，与 50 年代初相比，天然森林面积减少 49%～58%，草地面积减少 16%～92%；④沙尘暴灾害发生频数增加，灾害程度加剧。节约与高效化利用水资源以及生态环境效益与经济效益间统一协调是西北干旱区可持续发展的根本途径。

关键词　西北干旱区 水资源 生态环境 效应

分　类　中图法　P343.9

1 引言

　　中国西北干旱区系指 35°N 以北，106°E 以西的内陆干旱区，包括新疆全境、甘肃河西走廊及内蒙古贺兰山以西的地区，土地面积约占中国总土地面积的 24.5%。由于深居欧亚大陆腹地，平原降水量在 160mm 以下，基本上不产生地表径流，形成世界上最严酷的干旱区之一^[1]。

　　西北干旱区内陆盆地与高山相间分布的地形，使所有发源于高山地区的河流都向盆地汇集，组成向心式水系。一些水量不大的小河流在出山后不久即消失于沙漠与戈壁中；一些水量较大的河流可在盆地低洼处渚成内陆湖泊。内陆盆地是第四系冲洪积松散物质的堆积区，特别有利于地下水贮存，也有利于地表水渗漏补给，由地表水渗漏补给的地下水量占地下水总补给资源的 60%～87%^[2]。水资源的这种分布特点决定了流域地表径流及其与之密切联系的地下水资源是维系中下游经济发展和生态环境平衡的纽带。内陆流域从形成到消亡一般要跨越 3 种不同的自然地理分带：高山湿冷及半干旱区、温带及暖温带干旱区，气候条件分异明显，降水量从山区的 300～1000mm 下降到中游平原区的 100～200mm，在下游尾闾地带，一般不足 50mm，在这种水资源分布与气候条件制约下，内陆流域生态环境体系具有干湿交替带、农牧交错带、森林边缘带及沙漠边缘带等多种宏观意义上的生态环境脆弱带。生态体系的极度脆弱性使其对水土资源开发响应强烈，从本世纪 40 年代以来，干旱区人口增加、社会经济发展和水土资源的大规模开发利用引起一系列水文和生态环境变化，这些变化已严重制约本区域经济的可持续发展和人居环境的可持续改善。认识水土资源开发过程中干旱区生态环境的变化，寻求治理环境的对策，一直是干旱区研究所关注的核心问题。

2 水资源开发利用与水文效应

2.1 水资源开发利用

　　从本世纪 40 年代开始，干旱区农耕规模飞速发展，新疆地区耕地面积从 1949 年的 121.0×10⁴hm² 增加到 1990 年的 310.0×10⁴hm²，人口增加 2.5 倍，粮食产量增加 2.52 倍；河西走廊地区耕地面积从 1949 年的 36.3×10⁴hm² 增加到 1992 年的 68.90×10⁴hm²，人口增加 3.3 倍。土地资源开发程度和社会经济的发展是以水资源利用为基础的。1949 年以前，新疆全境仅有 1 座蓄水量为 0.5×10⁸m³ 的水库，到 80 年代，发展到 458 座，总库容达到 53.71×10⁸m³，灌溉面积达到 273.9×10⁴hm²。到 90 年代，水库数进一步增加到 480 座，蓄水量达到 55.0×10⁸m³，几乎在所有河流上均修建了不同规模的水库，河西走廊由 1949 年仅有水库 2 座，现发展到 142 座，蓄水量达到 10.5×10⁸m³。在大规模开发利用地表水的同时，自 70 年代以后，干旱区各流域内普遍开始采用地下水，到 1993 年，新疆地区和河西走廊区机井数已超过 4.8×10⁴ 眼，开采地下水分别达到 20×10⁸m³/a 和 12×10⁸m³/a。

　　干旱区水资源利用现状如表 1 所示，河西走廊、准噶尔盆地和塔里木盆地等中国干旱区最主要的平原区，水资源利用率都超过 65% 以上，远远超出世界干旱区平均水资源利用率为 30% 的水平。在局部地区，如乌鲁木齐河流域和石羊河流域，水资源利用率分别已达 108.1% 和 104.7%，超过流域可更新的水资源量^[1、3、5]。水资源利用程度的提高直接引起干旱区水文状况的剧烈变化，河道缩短，湖泊萎缩或干涸，区域地下水位下降以及流域水量的时空重新分配等。自 70 年代以来，干旱区水文状况的这些变化十分显著而且具有普遍性。

表 1 西北干旱区水资源量与利用现状
Table 1 The status quo of water resources and their utilization in arid northwest China

2.2 流域水文状况的变化

　　塔里木河是中国西北干旱区最长的内陆河流，全长约 2200km，共有大小支流 183 条，在本世纪初有常年性河流 128 条，现在仅有较大的阿克苏河、和田河和叶尔羌河 3 条支流尚有径流汇入塔里木河以外，其他支流均在 80 年代初就全都断流，而消失于各自河流水库和灌溉绿洲。黑河是河西走廊最大的内陆河流域，全长 821km，共有大小支流 33 条，到 80 年代初，就已全部断流，均无水汇入干流。天山北坡径流量最大的玛纳斯河，在出山口即被人工渠网所代替，平原区天然河道已不复存在，石羊河、孔雀河、喀什噶尔河等较大的内陆河水系下游河道均干涸废弃，河道缩短。河流水量时空分配发生改变，这种改变突出地体现在流域上、中、下游间的水量年际分配发生显著变化。如图 1 所示，塔里木河流域在 3 个源流河出山径流量稳定的情况下，上游阿拉尔站自 1957～1994 年间流量减少约 10%，中游英巴扎水文站流量减少 32.7%，而下游卡拉站减少达 80.3%；黑河流域多年平均出山径流量（莺落峡站）稳定在 15.83×10⁴m³／a，下游水量（正义峡站）由 50 年代的平均 11.9×10⁸m³ 减少到 90 年代的平均 6.91×10⁸m³，减少约 41.6%；石羊河流域进入下游民勤盆地的径流量 50 年代平均 5.731×10⁸m³，80 年代减少到 1.7×10⁸m³，与 50 年代相比，减少 74.5%。艾比湖的水量在 50 年代约年均 25.9×10⁸m³，在 80 年代以后，仅有大约 6.0×10⁸m³ 水量（以下游泉水、农田回归水等为主）补给艾比湖，减少近 76.9%。

图 1 干旱区典型流域下游径流量多年变化
Fig. 1　Mutiyear discharge changes in the lower reaches of the typical river basins in arid northwest China

　　河流水文的变化还体现在流域地表径流年内分配受制于人为活动。根据 1954～1986 年共 32 年观测资料分析，塔里木河上、中游地区，洪水期水量增加 6.5%～9.8%，而枯水期水量减少约 4.8%～5.9%，下游河流径流量的年内丰枯变化不明显，水量呈年内稳定状态；洪水次洪量及出现时间均发生了变化，中上游地区在 50 年代以前洪峰流量 75% 发生在 8 月上、中旬，但现状表现出洪峰出现时期不一，变率较大，年内洪峰次数增加，而下游洪峰量减少，洪水出现时间平均比 50 年代推迟 36 天左右^[4、12]。黑河流域年内水文情势的变化受中游水资源利用所支配，一般在 5～7 月下游断流，8～10 月出现夏汛，11 月后再度减少乃至断流，直至翌年 3～4 月水量增加形成春汛，下游水资源供需的时间矛盾十分突出，在需水高峰期，正好是河水断流期。

　　地表水文情势的变化以及人为大量开采活动，使地下水位在干旱区中下游平原地带普遍出现显著变化，在中游灌溉绿洲内受不合理灌溉影响，水位上升造成土壤次生盐渍化，在下游地区及中游绿洲外围地带则呈现地下水位持续下降。石羊河流域下游盆地，地下水位下降 4～17m，形成总面积达 1.0×10³km² 的大型区域水位下降漏斗；黑河流域下游地区水位下降 1.2～5.0m，乌鲁木齐河流域河谷地带、北部山前倾斜平原和细土平原区，地下水位平均每年下降 0.44～1.2mm；承压水埋深自 1966 年以来下降了 70～110m。

3 生态环境问题

3.1 湖泊水环境变化

　　西北干旱区大多数平原湖泊属内陆流域终端渚水而成的封闭式湖泊，流域水文情势的变化必然导致湖泊水环境发生变化。表 2 列出了西北区主要湖泊的水域面积变化情况，可以看出以大幅度萎缩和趋于干涸为其特征。自 50 年代以来，已干涸的著名湖泊如罗布泊，湖水面积最大时达到 5000 多 km²，在 40 年代水域面积尚有 3006km²，1962 年减少到 66km²，于 60 年代末，70 年代初干涸，现在干涸湖泊中心地下水位在 8～10m 以下。另外还有水域面积曾一度超过 400km² 的许多大型湖泊如卓尔湖（最大达到 450km²）、西居延海（最大达到 560km²）在 70 年代初就已干涸而成盐漠。

　　随湖泊水量减少，水化学特征也发生较大改变（表 2），大部分湖泊矿化度增加，水化学类型由 HC₃^-—Ca²⁺—Mg²⁺ 型变为 Cl^-O₄^2-—Na⁺ 或 SO₄^2-—Cl^-—Na⁺ 型水。在干旱漠境气候条件下，随入湖淡水减少，蒸发浓缩作用加强，对趋于干涸的湖泊，其水体矿化度可高达 100～300g/l 以上，湖水干涸后在地表形成较厚的坚硬盐壳。

表 2 西北干旱区主要湖泊水域面积与矿化度变化 ^[1、4、6]
Table 2 Changes of lake areas and salt-content in arid northwest China

3.2 水质恶化

　　西北干旱区随流域水文情势的改变，普遍存在水质恶化现象，表现在中下游天然水体（地表水、地下水）不断咸化和人为污染两方面。流域水资源利用程度的提高，加速地表水与地下水之间的转化过程，水资源重复利用率提高，加上下游地表水量减少，使流域下游区地表水与地下水均表现出明显盐化趋势（图 2），尤其在地下水大规模开采的地区，如石羊河与乌鲁木齐河流域下游，地下水矿化度平均升高幅度在 0.3～1.8g/l^[6]，水化学类型由 HCO₃^-—SO₄^2-—Na⁺·Ca²⁺ 型变为 Cl^-·SO₄^2-—Na⁺ 或 SO₄^2-·Cl^-—Na⁺ 型水。近 20 年来，地下水质盐化还呈现溯源现象，矿化度增高向上游发展，据黑河流域金塔灌区和石羊河流域民勤灌区监测结果，地下水矿化度达到 2.0～3.0g/l 的面积，年均向上游扩展约 2～6km^2[6、8]。

图 2 西北干旱区天然水体矿化度变化趋势
Fig. 2 Variations of natural water salinity in arid northwest China

　　干旱内陆河流域人类活动加剧还引起水体污染，地表水污染主要分布于流域中下游，其中地表水污染以塔里木河、乌鲁木齐河、黑河、疏勒河等流域较为严重。

3.3 植被生态退化

　　近半个世纪以来，植被生态的变化主要表现为：山地森林过伐严重，林木蓄积量减少；平原胡杨、灌木林大面积衰败；草场载畜能力下降，面积缩小。

　　天山西部及阿尔泰山山地森林的集中采伐程度达到 70%～80%，实际采伐量达合理采伐时的 1.5～2 倍。新疆全区森林用材林资源自 50 年代以来减少了 38.9×10⁴m^3[4]；祁连山区森林界线平均退缩 29.6km，最多可达 40.0km，森林覆盖率由 50 年代的 20% 减少到现状的 12.4%，祁连山西段大约 400×10⁴hm² 山地森林已荡然无存。山地森林大面积破坏的结果，直接导致山地土壤侵蚀加剧，石羊河流域水土流失面积达 86.3×10⁴hm²，年输沙量 93×10⁴m³/a；新疆境内玛纳斯河流域森林采伐十分严重，流域输沙量由 50 年代的 117×10⁴t/a 上升至 70 年代的 192.6×10⁴t/a。

　　新疆地区 80% 以上的河谷次生林分布于阿勒泰、伊犁两地区，80 年代与 50 年代相比，河谷林面积分别减少 3.04×10⁴hm² 和 5.27×10⁴hm²；胡杨林及柽柳等灌木林是西北干旱平原最主要的森林生态构成植物，其分布一般呈“走廊”式分布在河流两岸，对流域中下游生态环境具有重要的作用，也是构成荒漠天然绿洲的主要成分。从 50 年代以来，干旱区内陆流域中下游普遍出现天然胡杨及灌木林衰败现象。新疆地区自 1958 年到 1989 年的 30 年内，胡杨林面积减少了 49.9%，蓄积量减少 59.6%，塔里木河流域上游面积减少达 74.8%，下游面积减少 69.6%，蓄积量减少达 77.1%。叶尔羌河流域、喀什噶尔河、和田河流域是中国独有树种——灰杨的主要分布区，从 1959～1986 年的 27 年中，叶尔羌河流域灰杨分布面积减少 46%，和田河流域减少 55%^[4、7、12]。黑河下游额济纳旗境内，森林生态系统退化严重，自 1958 年至 1982 年间，下游三角洲区沿河胡杨、沙枣和柽柳林面积减少了 5.73×10⁴hm²，林灌草甸面积减少 19.23×10⁴hm²，年递减 1.37×10⁴hm²。

　　干旱平原区草地生态衰退也十分严重。根据 1958 年与 1981 年的调查资料分析，新疆阿勒泰地区，牧草产量平均下降 16.3%～39.4%，伊犁地区下降 28.8%～75.4%^[4、10]；黑河流域中下游地区在 1958～1993 年内牧草产量下降 52%～87%。由于水资源急剧减少引起草地干旱以及草地开垦与超载过牧等原因，内陆流域草地面积大幅度减少（表 3）。植被退化使一些建群种和优势种逐渐衰退和消失，生物多样性下降。以黑河流域下游为例，草本植物从 50 年代的 200 多种减少到 80 余种，原有 130 多种牧草仅存 20 多种；植被退化使区内珍稀动物失去栖息地，种类和数量显著减少，原有 26 种国家 1～3 类保护动物已有 9 种消失，10 余种迁移它乡^[9]。

表 3 干旱区草地面积变化
Table 3 The variance of grassland area in arid area

3.4 土地荒漠化

　　在西北干旱区，由于干旱多风和疏松沙质土壤表层结构等自然因素，在水土资源过度开发利用的人类作用下，土地沙漠化十分活跃，现代沙漠化发展迅速。如表 4 所示，沙漠化土地主要分布于流域中下游地区，尤其是流域人工绿洲相对集中而高效的中游地区，土地沙漠化十分严重，占土地面积的 40% 以上。内陆流域中下游地区沙漠化的发展过程与水土资源利用的发展过程和封沙治沙的人为治理之间具有密切的相关性。

表 4 干旱区主要地区土地沙漠化现状
Table 4 The status quo of land desertification in same typical regions

　　分析塔里木河和黑河流域中下游地区 1949～1993 年的沙漠化土地面积变化（图 3），内陆流域中下游沙漠化发展具有截然不同规律，50 年代以来中游地区沙漠化发展的鼎盛时期为 70～80 年代，沙漠化发展速率达到近半个世纪的最大值（塔里木河中游地区为 0.76%，黑河流域中游地区为 2.6%），1990 年以后，沙漠化发展速度明显减缓，沙漠化发展速度在塔里木河和黑河流域分别降至 0.27% 和 0.5%，在局部地带还出现逆转趋势。但与之不同的是，流域下游地区沙漠化面积和强度持续增加，如塔里木河流域下游，从 1958 年到 1993 年，流动沙丘面积从占土地面积的 44.34% 上升为 64.47%，强度和极强度沙漠化土地增加了 3.12% 和 3.56%^[12]；黑河流域下游自 60 年代以来，沙漠化发展速度从 5.0% 上升为 6.8%。产生上述沙漠化发展趋势的根本原因可以归纳为两方面：一是流域水资源开发规模在 70～80 年代形成高峰期，地表水的利用已完成大规模修建水库与渠系的开发阶段转化为提高效率阶段；因水资源开发利用引起的沙漠效应也随之达到高峰；二是从 80 年代以来，干旱区迫于生态环境恶化对经济与社会发展的严重影响，封沙治沙的力度与规模不断加强与提高，尤其是防护林网体系建设取得显著成效，有效地阻滞了沙漠演进。

图 3 干旱区典型流域中下游沙漠化发展趋势对比（1949～1994 年）
Fig. 3 Comparison of land desertification trend between middle and lower reaches of the typical river basins

　　在土地沙漠化的同时，干旱区绿洲内部还产生土地盐渍化问题。在新疆地区，盐渍化耕地达 126.3×10⁴hm²，占现有耕地的 31.1%，严重沼泽化耕地有 8.43×10⁴hm²，占耕地总面积的 2.1%；河西走廊地区盐碱化耕地为 9.26×10⁴hm²，占现有耕地面积的 14.7%。

3.5 沙尘暴灾害

　　沙尘暴天气多发生于内陆沙漠地区，如非洲的撒哈拉沙漠、北美中西部地区等。中国西北干旱区也是世界上主要的沙尘暴频发区之一。通过对沙尘暴天气成因分折，确认具备强风、干燥、沙源和不稳定大气条件的新疆、河西走廊及阿拉善高原等地区为中国沙尘暴的源地^[13]。根据历史上有记载的强沙尘暴发生频率统计分析，随西北干旱区人口的迅速增长和内陆流域水土资源开发程度的提高，沙尘暴发生次数急剧增加。尽管沙尘暴产生的机理尚不十分清楚，西北地区人口增加和水土资源的大规模开发利用引起的植被衰退与土地沙漠化等生态环境问题，加剧沙尘发生与发展是可以肯定的^[14]。在 1950～1993 年内，共发生强沙暴 76 次，平均 1.76 次/a，而且影响范围和破坏程度不断扩大，进入 90 年代以来几乎所有强沙尘暴天气灾害范围都要超过 31×10⁴km²，而在 50～70 年代一般为 11～29.1×10⁴m^2[15]。

　　从沙尘暴发生的时间来看，一般多发生于 3～5 月间。根据前述可知，受人类活动影响，各内陆流域的水资源时空分配和水文情势已受控于流域人类生产活动，每年 3～6 月份中下游水量不断减少甚至断流的现象十分普遍。一般 3～6 月份是一年中流域水资源供需矛盾最为突出的时段。因此，流域水文状况的改变造成流域中下游地区，尤其是靠近沙漠边缘的流域尾闾区在 3～6 月间水资源严重短缺而旱化加剧的状况，正好与沙尘暴多发时段相吻合，且近 50 年来随中下游水量的不断减少，沙尘暴发生频率不断增大，反映了西北干旱区水土资源开发与沙尘暴灾害发生的密切相关性。

4 结论与讨论

　　近 50 年来，各内陆流域人工绿洲发展迅速，灌溉耕地面积已达 377.59×10⁴hm²，工农业经济平均增长 3.5 倍，这些发展是建立在水资源大规模开发利用基础上，现状地表径流利用率达到 57.9%～67.0%，水资源利用率达到 34.9%～72.0%。由于缺乏合理规划和高效利用措施，长期以来，水资源的开发利用存在严重的低效浪费和过度利用的不合理现象，产生一系列的水文和生态环境的负面效应。河流下游水量持续减少，终端湖泊萎缩，水质恶化；许多小规模河流出山后即消失于人工渠道和水库，河道缩减，泉水削减，区域地下水位持续下降，众多平原湖泊干涸，植被生态体系衰败；水文情势的改变直接导致土地沙漠化和盐渍化，在流域中下游地区，沙漠化土地已达总土地面积的 40%～94%，在沙漠化扩展强烈地区，年递增速度已达 6.9%，强烈发展的沙漠化过程，不仅使可利用土地资源迅速减少，促使沙尘暴灾害发生频率迅速提高，破坏程度不断加剧，而且严重威胁流域中下游地区十分脆弱的人工绿洲的稳定与发展。

　　水资源开发利用引起的一系列生态环境变化，有些是可以避免的，有些则不可避免，不应该片面强调保护，使生态系统回到低效能自然平衡中的观点是不切实际的，西北干旱地区经济与生态环境的可持续协调在于寻求干旱区天然绿洲向高效人工绿洲转化的合理途径。但同时也应该看到，西北干旱区脆弱的生态体系，水资源的开发对其具有决定性的影响，“有水是绿洲，无水是沙漠，水多盐渍化”。在水资源开发中，也不能片面追求经济效益，而应以生态环境的可持续性为优先的原则，以求得生态效益和经济效益的统一。应按照“以水定地，以水定人口，以水定发展规模”的原则，进行水资源的合理配置；按照流域是一个完善的地表和地下水相互联系的生态系统的观点，统筹协调上、中、下游用水关系，农、林、牧、生态与工矿、城市用水关系，地表水与地下水联合开发的关系，以实现水资源的可持续高效利用。

　　水是制约干旱区生态环境变化的关键因素，节约与高效化利用水资源和合理规划经济发展与水资源开发，坚持“资源节约型”发展方向，是解决西北干旱区流域经济发展和生态环境问题的根本途径。在这方面国际上已有许多成功的例子，以同样处于干旱和极干旱荒漠区的以色列为例，水资源不足河西走廊区的 1/4，在高技术支撑下走节水、省水型农业发展道路，严格限制游牧，使经济发展与生态环境呈现良性循环，这些成功的经验应该借鉴。坚持大力度封沙育林，建立完善的防护林网体系，对控制土地沙漠化有显著作用，塔里木河、黑河等流域中游地区出现沙漠化逆转就是例证。

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作者简介

王根绪，男，生于 1965 年 11 月，博士，讲师，现主要研究方向为干旱区水资源与环境。

*	国家“九五”重点攻关课题 (96-912-03-03) 资助。