干旱氣候、充足的砂粒物質(zhì)和平坦地形(或盆地), 是形成沙漠的基本條件。地球表面有~20×106km2被沙漠覆蓋(圖1), 其中, 亞洲和非洲沙漠面積最大, 占全球沙漠70%以上。作為風揚砂質(zhì)和粉砂質(zhì)顆粒物的源區(qū), 沙漠排放的粉塵影響天氣和氣候; 粉塵還為海洋和陸地貧營養(yǎng)區(qū)提供養(yǎng)分, 促進植物生長, 調(diào)節(jié)大氣CO2含量, 進而影響全球氣候。因此, 沙漠的形成、演變以及沙漠化, 在地球系統(tǒng)演變和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展過程中, 扮演著重要角色。

圖 1 全球沙漠和干旱氣候分布

沙漠演變指沙漠發(fā)生、發(fā)展和變化過程, 包括沙漠的擴張、收縮、移動以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成的變化; 沙漠化指非沙漠地區(qū)向沙漠轉(zhuǎn)化, 即土地退化導致的沙漠擴張, 包括自然變化和人類活動的影響, 與人類社會經(jīng)濟活動密切相關, 是荒漠化的重要組成部分。作為交叉學科的沙漠科學和沙漠工程學, 是揭示沙漠變化規(guī)律、機制和防治沙漠化的基礎學科。

近年來, 國內(nèi)外對沙漠的形成、變化規(guī)律和驅(qū)動機制, 以及防沙治沙、沙漠化等研究不斷深入, 實現(xiàn)了部分沙區(qū)人地和諧發(fā)展?？偨Y(jié)沙漠演變和沙漠化研究成果, 提出沙漠科學進一步研究的問題, 是新階段沙漠科學的新需求。

1 全球沙漠的形成

隨著氣候和地質(zhì)環(huán)境的變化, 沙漠不斷演變。沙漠中沙丘和沙物質(zhì)受風力吹蝕、搬運和沉積, 快速變化。比如, 經(jīng)過百年或者幾百年, 一個中小型沙丘可能完全移位、頂?shù)追崔D(zhuǎn)。風沙沉積物因其運動速度快、動力過程復雜, 在沙漠內(nèi)部難以保存穩(wěn)定且連續(xù)的沉積序列, 因此, 沙漠內(nèi)部的沉積記錄難以揭示沙漠的起源和演化全過程。

科學研究發(fā)現(xiàn), 沙漠作為粉砂和砂質(zhì)顆粒沉積物的中轉(zhuǎn)站和源區(qū), 不斷向外排放粉砂(粉塵)顆粒物, 并在下風向堆積。沙漠排放的粉塵物質(zhì)通過全球和區(qū)域尺度大氣傳輸, 可以堆積到遠近不同的地方。亞洲內(nèi)陸粉塵被傳輸?shù)近S土高原和北太平洋、非洲大陸的粉塵被傳輸?shù)奖贝笪餮蠛陀《妊蟊辈俊Ｔ谏衬鈬逊e的黃土和深海大洋風塵沉積, 成為揭示沙漠形成和演化過程的關鍵證據(jù)。

基于上述科學認識, 研究發(fā)現(xiàn), 亞洲內(nèi)陸荒漠(類沙漠或沙漠雛形)在2000多萬年以前, 甚至更早的時間已經(jīng)形成, 并經(jīng)過了長期的、階段性演化過程, 在第四紀初期現(xiàn)代亞洲沙漠景觀建立。以前認為, 非洲撒哈拉沙漠在上新世末-第四紀初期形成; 但是, 這一結(jié)論受到了新發(fā)現(xiàn)的沉積證據(jù)的質(zhì)疑。研究顯示, 撒哈拉沙漠在中新世晚期~700萬年前形成。為了檢驗這個結(jié)論, 研究人員利用古氣候數(shù)值模擬技術, 結(jié)合太陽輻射量、大氣CO2、地形和下墊面等變化, 分析撒哈拉沙漠的形成過程。結(jié)果表明, 在距今約700萬年, 古特提斯海退縮, 改變了下墊面條件, 造就了非洲北部的干旱氣候, 撒哈拉沙漠形成。澳大利亞干旱氣候至少在上新世已經(jīng)形成, 干旱氣候隨著冰期氣候發(fā)展而變化。澳大利亞地形平坦、物源供應不足, 高大沙丘少見。由于大冰蓋的影響, 北美洲沙漠形成時間相對較晚; 南美洲沙漠形成于晚上新世但分布面積有限。新生代亞洲沙漠形成年代相對最為久遠, 其雛形應該是新生代早期的產(chǎn)物。

已有沉積證據(jù)和古氣候數(shù)值模擬顯示, 全球沙漠演化具有區(qū)域差異性、演變階段性和環(huán)境決定性。比如, 類似現(xiàn)代的全球沙漠景觀, 在亞洲起源最早, 可能在始新世就存在; 非洲沙漠景觀始于晚中新世; 美洲在晚上新世就有沙漠發(fā)育。沙漠演化區(qū)域性差異受到地質(zhì)、氣候和環(huán)境控制, 并存在不同幅度變化。在中國北方和美國大平原地區(qū), 沙地(dune fields)受冰期-間冰期氣候影響, 變幅最大, 可以從裸露的流動沙丘變?yōu)橹脖幻艿牟莸亍?/p>

第四紀冰期氣候大發(fā)展, 是全球沙漠形成的一個關鍵時間點。冰期氣候總體上減弱了水汽循環(huán)、使陸地更加干燥; 同時, 冰川和冰蓋研磨和侵蝕作用, 可以產(chǎn)生大量砂質(zhì)和粉砂質(zhì)顆粒物, 加速沙漠形成。在地貌格局相對穩(wěn)定的條件下, 氣候變干和砂顆粒物增多, 是形成沙漠的決定性因素。在全球尺度, 現(xiàn)代沙漠景觀在第四紀初, 400~200萬年前后, 開始顯現(xiàn),并伴隨著北半球冰期氣候大發(fā)展、全球變冷、海平面下降和氣候變干、晝夜溫差加大而產(chǎn)生?？梢哉f, 第四紀冰期氣候建立是決定現(xiàn)代全球沙漠景觀的關鍵因素。

2 沙漠演變及沙漠化對氣候變化和人類活動的響應

氣候以萬年、百年、十年和年際多個時間尺度發(fā)生變化, 不同時間尺度氣候變化的原因和變幅、變率有差異, 進而影響干旱區(qū)大氣流場和降水分布, 決定著沙漠變化(圖2)。如何準確認識不同干旱區(qū)和不同時間尺度氣候變化及其對沙漠的作用, 是當今沙漠科學著力解決的理論問題。其中, 對冰期-間冰期氣候旋回影響沙漠的規(guī)律和機制的認識最為深入, 這與軌道時間尺度古氣候變化研究程度高有關。對中亞和西亞、北非、北美沙漠的研究認為, 間冰期溫暖濕潤氣候使植被生長茂盛、沙丘固定、沙漠面積縮小; 反之, 沙丘活動性增強, 沙漠擴張。南美、南部非洲和極地地區(qū)的沙漠沉積記錄碎片化嚴重, 研究程度低。

圖 2 數(shù)值模擬揭示東亞內(nèi)陸干旱(沙漠)區(qū)過去150年和未來60年有效降水量變化

(a) 實線是Historical試驗24個模式平均凈降水量距平; 不確定區(qū)間(灰色)以24個模式的凈降水量距平的最大值和最小值框定。(b) 不同增暖情景下24個模式平均凈降水量距平; 左上數(shù)值為4條實線的斜率(slope)以及凈降水量最大值和最小值(mm), 其中, 斜率單位為mm a?1。第六次國際模式耦合比較計劃(CMIP6)介紹見Eyring等(2016)。該圖的原始數(shù)據(jù)見期刊官網(wǎng)附加材料

年代際和年際尺度氣候變化復雜、變率大; 尤其是人類活動對大氣CO2含量和地表覆蓋的改變, 極大地影響了氣候變化過程, 使氣候變化的不確定性增大。年代際和年際尺度的氣候變化受太陽黑子活動、厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)、北太平洋振蕩(PDO)、大西洋振蕩(AMO)、地表反饋和大氣CO2含量驟增等影響, 變化復雜, 區(qū)域氣候變化差異大?，F(xiàn)在對年代際和年際尺度氣候變化規(guī)律難以掌握。因此, 難以揭示干旱區(qū)十年和年際尺度沙漠變化的特征(圖2)。但是, 研究者不斷努力, 通過衛(wèi)星遙感、地理信息、生態(tài)分析、數(shù)值模擬等綜合運用, 了解區(qū)域沙漠變化過程和原因。人類活動加劇, 亦成為沙漠演變和沙漠化的直接因素, 至少在20世紀80年代后期的薩赫勒地區(qū)(Sahel)沙漠化, 被認為是人類活動的結(jié)果。

年代際和年際尺度干旱氣候變化研究難度大、規(guī)律不明, 因此, 受其影響的沙漠化過程難以掌握。以東亞內(nèi)陸為例, 基于樹輪氣候代用指標重建了1500~2005年期間6~8月scPDSI干旱指數(shù)、1500~2000年期間5~9月降水量變化, 顯示當前東亞干旱區(qū)干旱指數(shù)相較過去500年變化不顯著, 即觀測時段干旱指數(shù)線性擬合曲線均處于過去500年變化±2倍標準偏差內(nèi)。然而, 極端性分析表明, 東亞干旱區(qū)干旱指數(shù)年際變化值超過±2倍標準偏差的頻率在1950年后明顯增多, 特別是極端干旱年份增多。該結(jié)果揭示, 東亞內(nèi)陸干旱區(qū)近幾十年發(fā)生極端干濕事件, 特別是干旱事件的頻率有所增加。1975年以來, 干旱區(qū)降水相較于過去500年出現(xiàn)顯著增加趨勢(1975~2022年, p<0.05); 特別在2000年之后, 年降水量大于過去500年平均值的2倍標準偏差, 顯示了在2000年后5~9月降水總量可能常年處于極端高值水平。上述分析表明, 干旱氣候變化不確定性, 直接影響對沙漠變化認識的不確定性以及人類利用沙漠的程度。

降水變化對全球沙漠變化有直接影響。潛在蒸發(fā)、溫度和濕度變化與沙漠變化呈顯著相關(圖2)?；谛l(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)估算, 中國新疆地區(qū)沙漠面積在過去110年間減小了22.3%, 由裸露沙漠轉(zhuǎn)變?yōu)橛兄脖桓采w的土地類型; 增加的冬季降水和升高的春季溫度是沙漠轉(zhuǎn)變的原因?？梢酝茢? 當前我國西北“暖濕化”帶來的溫度升高和降水增加、極端降水事件頻次增多以及近地面風速下降, 可能是沙漠植被增多、沙塵暴減少的原因之一。中國北方極端氣候事件對沙漠化的影響, 缺乏定量研究。在全球尺度, 沙漠化變率和沙漠化定量研究基本是空白, 并且, 全球干旱氣候變化還存在認識上的分歧, 缺乏對全球沙漠年代際和年際尺度變化規(guī)律的認識。

人類通過制定和實施土地利用管理政策, 對干旱區(qū)植被變化產(chǎn)生直接影響。例如, 清代中葉人口向中國西北墾殖遷徙達到高峰, 在此期間, 西北地區(qū)大量草原被墾耕為農(nóng)田, 沙漠化加劇。20世紀80年代改革開放以來, 通過實施“三北防護林工程”“天然林保護工程”“退耕還林還草工程”等, 加快了植被覆蓋的增加, 沙漠化危害程度降低。通過制定有效的土地利用管理政策, 過去20年, 中國用全球6.6%植被覆蓋面積貢獻了全球25%植被葉面積凈增長?？茖W研究和政策管理雙管齊下, 是防治沙漠化和實現(xiàn)沙漠區(qū)人地高質(zhì)量持續(xù)發(fā)展的基礎。

3 全球沙漠治理與生態(tài)系統(tǒng)臨界點

2024年12月,《聯(lián)合國防治荒漠化公約》第十六次締約方大會(COP16)在沙特阿拉伯舉行, 主題為“我們的土地, 我們的未來”。這次大會在解決荒漠化(包括沙漠化)、土地退化和干旱等重要問題上取得了進展。大會將土地和干旱議題提升到更廣泛層面進行討論, 并將其確立為全球努力應對氣候變化、生物多樣性和糧食安全等相互關聯(lián)挑戰(zhàn)的基石。經(jīng)過40多年不懈努力, 中國成功走出了一條具有特色的防沙治沙道路, 保護生態(tài)與改善民生步入良性循環(huán), 成為國際上防沙治沙典范。中國是沙漠大國, 受荒漠化影響嚴重。在未來治沙防沙工作中, 如何依據(jù)科學規(guī)律、提高效率、實現(xiàn)科學防治的精確化、高效化和長效化, 實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展, 有諸多科學問題需要解決。

最近幾十年全球變暖, 干旱氣候做出一系列的響應, 進而影響沙漠變化和沙漠化。但是, 全球變暖可能不是“干的地區(qū)更干、濕的地區(qū)更濕”簡單模式,而是表現(xiàn)為區(qū)域氣候差異變化、大氣流場改變、干旱區(qū)有效降水不均衡等(圖2)。現(xiàn)在, 人們還缺乏對全球沙漠區(qū)未來氣候變化的準確預測, 對沙漠區(qū)氣候變化和生物地球循環(huán)過程認識嚴重不足。以前的治沙防沙, 有的是科學規(guī)劃的成功、有的是基于經(jīng)驗的成功、有的是局地的成功、有的是高投入的成功。現(xiàn)在, 急需提高荒漠化防治中科學和技術支持的力度, 尤其是精確認識氣候變化、人類行為、植被生態(tài)和沙漠過程的關系, 揭示不同尺度氣候變化(包括災害極端降水和風力事件等)和人類行為對沙漠變化的影響, 制訂科學策略防治沙漠化。

當今, 地球行星尺度邊界的9個要素中, 6個已經(jīng)超過了臨界點。全球沙漠生態(tài)系統(tǒng)變化是否到達了不可逆轉(zhuǎn)的程度, 或者說, 沙漠化對氣候變化和人類活動的響應, 是否已經(jīng)達到了臨界點, 沒有明確的答案。加強沙漠科學基礎理論研究, 解決沙漠演變和沙漠化過程的重大基礎科學問題, 依然是沙漠科學面臨的挑戰(zhàn)。

4 小結(jié)

在全球變暖背景下, 干旱氣候會有一系列的響應, 進而影響沙漠演變和沙漠化過程; 加上人類活動增強, 沙漠化成為世界性問題, 影響社會經(jīng)濟高質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展。如何科學認識長時間尺度和短時間尺度沙漠變化的聯(lián)系、不同時間和空間尺度沙漠變化的規(guī)律和機制是什么、未來干旱氣候變化如何影響沙漠、如何實現(xiàn)沙漠地區(qū)人地和諧高質(zhì)量發(fā)展, 是沙漠科學和沙漠工程學的新問題。聯(lián)合攻關解決這些問題, 是人類進軍沙漠的基礎, 是沙漠科學發(fā)展的必由之路。

【了解更多詳情，請登錄《中國科學：地球科學》期刊官網(wǎng)】