河套地区农牧交错带灌丛沙堆消亡现象与农业活动关系初探

李怡静，刘小槺*，鲁瑞洁，肖锋军

1. 陕西师范大学 地理科学与旅游学院，西安 710119

2. 北京师范大学 地理科学学部 防沙治沙教育部工程研究中心，北京 100875

灌丛沙堆（又名灌丛沙丘、灌丛沙包）是一种典型风积地貌类型。由于受到植物的阻挡作用，前进的风沙流内的沙物质积聚在植物灌丛内部及其周围，从而形成高度为几厘米至几米不等的突起的土堆（Tengberg，1995；Goudie，2022），即灌丛沙堆。已有研究聚焦灌丛沙堆的空间分布格局（杜建会等，2007；Cramer and Midgley，2015；Yang et al，2015）和生态学意义（贾宝全等，2002），同时基于光释光（OSL）和碳-14（AMS14C）等定年技术的发展，在年代学框架构建基础上（凌智永等，2018），有关灌丛沙堆形态与沉积特征（Nava and Gorsline，2000；Li et al，2019；李向洁等，2021）以及历史时期沙漠化过程的反演（Wang et al，2006）研究已成为近年来研究的热点。灌丛沙堆一般分布于干旱、半干旱及半湿润荒漠地区，具体包括湖泊滨岸带、古河道、古湖床、大型流动沙丘的丘间地、洪积扇及退化后的草原等区域（郎丽丽等，2012），特别是在荒漠绿洲过渡带、农牧交错带以及草原和沙漠边缘地带（岳兴玲等，2005）。

在我国北方河套地区，灌丛沙堆分布极为广泛，是荒漠人居环境中极好的天然屏障和良好的生态过渡带（于春堂，2006）。河套地区是指黄河“几”字湾河道以内及其周边流域的地区，一般包括长城以北、阴山以南、吕梁山以西、贺兰山以东之地，包括银川平原（宁夏平原）和鄂尔多斯高原、库布齐沙漠、毛乌素沙地和黄土高原的部分地区（图1）。河套地区范围内的河套平原一般指内蒙古高原中部黄河沿岸的平原，处于黄河中上游，自古以来农业发达，是我国重要的引黄河水灌溉农业区核心区域（李晓明等，2021）。由于该区地理位置十分特殊，地处沙漠沙地边缘，同时位于东亚季风边缘区和北方农牧交错区，生态环境脆弱，土地沙漠化问题突出（Liu et al，2021）。

图1 河套地区研究点的位置（a）以及红旗一社（b）和红眼沙（c）的无人机影像Fig. 1 Location of research sites in Hetao Region (a) and unmanned aerial vehicle image of Hongqiyishe site (b)and Hongyansha site (c)

灌丛沙堆在河套地区具有不可替代的存在意义：例如在荒漠 — 绿洲过渡带上的白刺灌丛沙堆有着很强的防风固沙功能，且不同发育阶段防风固沙功效的程度不同（孙涛等，2019）。此外，灌丛沙堆可以降低近地面风速，一般地，沙堆体积越大，固沙效率越高（高永等，2015）。在此基础上，灌丛沙堆可有效阻止流沙入侵绿洲，减缓土地沙漠化速度，维持绿洲农田生态系统的稳定（王升堂等，2007）。由于受到气候变化和人类活动的共同影响，灌丛沙堆的形成、演化和衰亡是周围风沙环境的“晴雨表”，与土地沙漠化有着密不可分的关系（Quets et al，2013；余海龙等，2019）。自然状态下灌丛沙堆的生长周期一般要经历雏形—增长—稳定—衰退等阶段（Tengberg and Chen，1998；Wang et al，2006；Li et al，2010）：随着风场改变和沙物质增加，灌丛沙堆逐渐增长至稳定阶段，之后随着植被的死亡，沙堆会消失或者开始发育新一期灌丛沙堆。事实上，在广泛的野外科学考察过程中，发现河套地区农牧交错带灌丛沙堆的发展演化与人类生活生产实践活动有着密切的关联，特别是人为状态下的灌丛沙堆消亡现象的发生，鲜有人关注。

本文以河套地区农牧交错带红旗一社和红眼沙两个典型灌丛沙堆分布样点为主要研究区，分析近10 a以来的遥感影像，结合野外实地调查等方法，探究河套地区农牧交错带灌丛沙堆的消亡现象及原因，进一步分析其消减对当地自然环境的影响以及和人类利用之间的关系，并提出河套地区灌丛沙堆的发展建议。本文对于进一步理解河套地区人地关系，促进黄河流域高质量发展具有一定的科学参考和指导意义。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

本文研究点分别为红旗一社和红眼沙。其中红旗一社研究点（108°00′43″ E，40°47′38″ N，海拔1031 m）位于内蒙古自治区鄂尔多斯市杭锦旗吉日嘎朗图镇北部，地处库布齐沙漠的边缘地区，地势南高北低，北部为黄河冲积平原，南部与库布齐沙漠相连接。研究点附近多年平均气温约为7℃，年平均降水量约为230 mm，植物主要有甘草（Glycyrrhiza uralensis）、黑沙蒿（Artemisia ordosica）、沙竹（Psammochloa villosa）和沙柳（Salix cheilophila）等沙生植物，这里还广泛分布着白刺（Nitraria tangutorum）灌丛沙堆（于春堂等，2007）。红眼沙研究点（108°59′20″E，37°35′31″ N，海拔1310 m）位于陕西省榆林市靖边县杨桥畔镇，地处毛乌素沙地的边缘地带，地势西高东低，南高北低。上述研究点都位于西风带和东南季风、温带和暖温带的交错带，也是自然带和植被的过渡带（李朝生，2005）。研究区属于中温带大陆性季风气候，冬季寒冷干旱，夏季炎热多雨，春季沙尘多，秋季干燥凉爽，气温日较差大，光照充足，土壤类型有盐土、盐碱化风沙土和风沙土（李朝生等，2007）。研究点附近多年平均气温约为8℃，年平均降水量约为381 mm，生长植物有旱柳（Salix matsudana）、榆树（Ulmus pumila）、黑沙蒿（Artemisia ordosica）等，其中沙柳（Salix cheilophila）灌丛沙堆分布广泛。

据杭锦旗人民政府官网公告（http://www.hjq.gov.cn/qq_hjzc_0002/qq_hjzc_0033/sm/jrgltz_97022/jgjs/jggk/），红旗一社研究点所在的吉日嘎朗图镇面积为2871 km2，辖1个社区和12个行政村，截至2020年，总户籍人口数为15236人，耕地211 km2，可利用草地2422 km2，林地176 km2，农作物以玉米、小麦、油葵和花葵为主，是一个以汉族居多数、蒙古族为主体的典型农牧业镇。据杨桥畔镇人民政府官网公告（http://www.jingbian.gov.cn/zwgk/xzzdgkml/yqpz/jgxx/xzjs/1539100168694013953.html/），红眼沙研究点所在的杨桥畔镇总土地面积为201 km2，辖5个行政村，截至2021年末，农业总人口12690人，耕地面积为16 km2，粮食作物主要以马铃薯、玉米、小杂粮为主，是一个以农为主、农牧结合发展大镇。

1.2 数据和方法

1.2.1 数据来源

（1）在河套地区农牧交错带实地验证过程中初步确定10个点位，获取其地理坐标数据和观察周边自然和人文环境，拍摄约200张无人机影像照片，选取位于北部的红旗一社和中部的红眼沙两个灌丛沙堆典型分布区为研究点，无人机影像照片分别为35张和40张。（2）通过Google Earth 软件下载2009 — 2020年两个研究点的历史遥感影像，其中2016年和2017年红眼沙遥感影像数据源于Landsat 8影像（http://www.gscloud.cn/search/）。所选影像时间月份多属于生长季。（3）从中国气象局国家气象信息中心（https://data.cma.cn/data/detail/dataCode/A.0012.0001.html/）获取到2009 — 2020年 杭 锦 旗（108°15′ E，40°45′ N）和靖边县（108°45′ E，37°45′ N）两个气象站点的逐日气象数据。（4）对红旗一社和红眼沙两个研究点附近约3 km内约20户农户（包括进行灌丛沙堆挖掘工作的工作人员）进行实地走访调查并记录谈话内容。

1.2.2 研究方法

本文采用计算机屏幕人机交互和目视解译方法对遥感影像进行判读和勾画，具体步骤如下：为了提高判读精度，利用ENVI软件对卫星遥感影像进行大气校正处理，再利用ArcGIS软件对影像中灌丛沙堆集中分布区进行勾画，建立坐标系和比例尺相同的线图层即图2和图3黄线部分，通过栅格图层的属性表即可获取所勾画的灌丛沙堆分布面积数据。采用年变化率指标以便更好地体现灌丛沙堆分布面积变化速率，其中年变化率计算公式为：

式中：Kj表示当年灌丛沙堆面积变化率，Si为上一年灌丛沙堆分布面积，ΔSij为当年灌丛沙堆分布面积与上一年之差。

为了探究河套地区农牧交错带灌丛沙堆数量减少原因，在库布齐沙漠和毛乌素沙地边缘绿洲和荒漠过渡地带进行野外实地调查并走访当地农牧民，记录调查资料并进行无人机拍摄。为了研究降水量对灌丛沙堆生长的影响，计算2009 —2020年研究点的降水变率，其中降水变率（各年降水量的距平数与多年平均降水量的百分比）表征降水量的变化程度，计算公式为：

式中：Dv为当年的降水变率，R为研究点2019 —2020年平均降水量，Ri为当年降水量。

2 结果和分析

2.1 2009 — 2020年灌丛沙堆面积变化

根据红旗一社研究点灌丛沙堆典型分布区域的遥感影像，选择2010年、2011年、2012年、2014年、2018年和2019年月份相近的6个年份，进行灌丛沙堆分布区域的面积识别并进行对比（图2），黄线内即为灌丛沙堆分布密度较大且集中的区域，可见该研究点的灌丛沙堆数量呈现明显减少的趋势，灌丛沙堆消失后形成了较为平整的土地。并利用ArcGIS软件对6年历史遥感影像中灌丛沙堆分布面积进行统计分析，得出2009 — 2020年灌丛沙堆的消亡速率及年变化率（图3a），其中研究点面积为51.99 × 104m2，计算出灌丛沙堆消亡速率约为1.44×104m2· a-1，从年变化率可以看出2014年灌丛沙堆分布面积与2012年相比变化较少，而相较于上一年变化较明显的有2011年和2019年，年变化率为-9.65%和-10.67%。2019年红旗一社研究点灌丛沙堆分布面积减少至10.31 × 104m2，相较于2010年减少了7.38 × 104m2，占原有灌丛沙堆分布面积的41.72%。

图2 红旗一社研究点典型灌丛沙堆分布区面积变化图Fig. 2 Area change of typical nabkhas distribution in Hongqiyishe site

根据红眼沙研究点灌丛沙堆典型分布区域的遥感影像，选择2009年、2010年、2013年、2014年、2016年、2017年、2018年、2019年和 2020年月份相近的9个年份，对灌丛沙堆分布密度较大且集中的分布区域进行识别并对比（图4），其中2010年的遥感影像由2010年和2012年的历史遥感影像拼接而成，但是大部分区域影像获取自2010年并且对研究结果影响不大，所以采用此2010年历史遥感图像进行分析。对比发现：红眼沙研究点的灌丛沙堆典型分布面积逐年减少，而耕地面积有着明显增加趋势。红眼沙研究点面积为126.93 × 104m2，灌丛沙堆消亡速率大约为4.05 × 104m2· a-1，年变化率总体呈波动上升，其中2010年变化明显，相较于2009年减少的面积最多，2010年的年变化率为-12.96%，2014年次之。相较于上一年灌丛沙堆分布面积变化最少的是2019年，年变化率为-2.12%。近10 a来，红眼沙灌丛沙堆分布面积减少明显，与2009年相比，2020年灌丛沙堆分布面积减少了41.47%，即减少了35.02 × 104m2（图3b）。

图3 红旗一社和红眼沙灌丛沙堆分布面积及年变化率Fig. 3 Area and annual change rate of nabkhas distribution area of Hongqiyishe and Hongyansha sites

图4 红眼沙研究点典型灌丛沙堆分布区变化图Fig. 4 Area change of typical nabkhas distribution in Hongyansha site

2.2 灌丛沙堆消亡现象自然原因分析

根据观察2009 — 2020年的历史遥感影像和实地调查等方法可以发现两个研究点的灌丛沙堆分布面积呈现明显的减少趋势，并且通过计算得出平均减少速率均超过1 × 104m2· a-1，减少的面积均超过了原有面积的40%。一般认为，灌丛沙堆的发展演化与区域人类活动和气候变化密切相关（Lang et al，2013），降水作为最主要的气候因子，深刻地影响着灌丛沙堆中植物的生长和发育。基于2009 — 2020年两个研究点的降水变率年际变化曲线（图5），可得研究点近10 a的年降水量总体上变化不大。其中杭锦旗（红旗一社）近10 a中，2018年降水变率较高，达到76.82%，其余年份的降水变率绝对值均小于50%，而靖边县（红眼沙）的年降水量近10 a来均偏多或偏少于常年的30%。我国北方河套地区的全年降水变率在30% — 50%，一般认为，降水变率小于60%，可认为年降水量变化不大（冯丽文和郑斯中，1986）。再者，鉴于灌丛沙堆的形成、发展和消亡的一般过程，自然状态下灌丛沙堆的消亡亦需要经历较长的时间周期。综上，得出2009 — 2020年来研究点的降水量年际变化不明显，区域灌丛沙堆的生长和消亡与降水量的变化并无直接关系。

图5 2009 — 2020年杭锦旗（红旗一社）和靖边县（红眼沙）降水变率的年际变化Fig. 5 Interannual variations of precipitation variability of Hanggin Banner (Hongqiyishe)and Jingbian County (Hongyansha) during 2009 — 2020

2.3 灌丛沙堆消亡现象人为原因分析

基于河套地区灌丛沙堆消减的事实，通过走访当地居民和调研分析两个研究点灌丛沙堆消亡的原因，可以分为以下几种情况：

2.3.1 人类的垦荒行为

调查发现该区的灌丛沙堆存在人为挖掘的现象，并开辟成为新的农田，无人机拍摄记录了当地农民利用挖掘机挖掘灌丛沙堆的场景（图1b）。之所以有垦荒行为，除了灌丛沙堆地质基底相对平坦，利于土地的整平，还因为河套平原地区地理位置特殊，生态环境脆弱，降水集中在夏季且降水量稀少，蒸发强烈，当地盐碱耕地分布广泛，需要扩大耕地面积以提高粮食产量。研究表明：河套平原灌区的地下水位埋深一般小于5 m，当地不合理的灌溉用水方式如大水漫灌、水利工程建设等，致使地下水位升高，造成河套平原地区土壤盐碱化（韩双宝等，2021）。自古以来，该区域就是我国重要粮食生产基地之一，其中内蒙古自治区盐碱化耕地面积约占引黄灌区的45%，面积达到32.3万hm2，土地可利用率大大降低，盐碱化土壤无法提供农作物正常生长所需要的养分，甚至严重影响到粮食安全（陈怡平和傅伯杰，2021-03-02）。根据内蒙古自治区统计年鉴和陕西省统计年鉴，整理得到2009 — 2020年杭锦旗和靖边县耕地面积数据：研究点所在县级区域的耕地面积在近10 a总体上均呈现增加趋势，其中杭锦旗耕地面积与10 a前相比增加了145.20 km2，靖边县增加了68.81 km2。这可能与该区域人类的垦荒行为，尤其是灌丛沙堆被利用开辟成为新的耕地有关。

2.3.2 被用于改良土壤盐碱化

通过对当地农民进行实地走访调查，采访正在进行灌丛沙堆运输工作的工作人员，整理采访信息，超过90%的农民对于挖掘后的灌丛沙堆用途具有相同的解释：灌丛沙堆不仅被用来垦荒造田，在每年种庄稼之前，为了改良土壤盐碱化，使其适合农作物生长，当地农民会引黄河水灌溉淋盐压碱，保持土壤水盐平衡，并将灌丛沙堆里的沙子覆盖于去盐碱化的土壤中，以此来改良土壤质地，确保农作物正常生长，提高粮食产量。研究表明沙子有改土保苗的作用，是因为土壤与沙子混合可以有效改善土壤质地成分（杨忠信，1984），可以使土质疏松，增加空气，改良结构，改变理化性质，其次沙子比土壤吸热能力强，提高温度效果好（尤满仓，1983）。特别是由于植被的存在，灌丛沙堆具有“沃岛”效应，植被形成的阴影可使土壤温度降低，减少蒸散从而降低水分的损失，枯枝落叶还会使土壤携带腐殖质，可以提供给农作物生长所需的良好物质条件，提高土壤肥力（王晓峰等，2008）。河套地区农牧交错带位于绿洲和荒漠边缘地带，灌丛沙堆分布广泛，这就为利用其进行农业活动提供了物质基础和前提条件。

因此，本文认为河套地区农牧交错带人类的垦荒活动和利用沙子改良土壤盐渍化是两个研究点近10 a来灌丛沙堆分布面积减少的最主要原因，当地灌丛沙堆被挖掘后留下的平地可直接用来开垦成耕地，在种植庄稼之前又需要灌丛沙堆里的沙物质来改良土壤。针对河套地区特殊的人地关系和灌丛沙堆在此地区的生态保护意义，对于灌丛沙堆是利用还是保护需要进一步讨论。

3 讨论

3.1 河套地区农牧交错带灌丛沙堆消亡现象与农业发展的关系

研究结果表明：区域灌丛沙堆的消减与农业活动有着紧密的联系：当地农民利用灌丛沙堆里的沙物质进行土壤改良，同时沙堆被挖掘后产生的相对较为平坦的地表在经过土地整平等工序后，可开辟为新的耕地良田（图6）。这种天然植被的丧失与耕地形成的土地利用类型快速转化的现象，在我国北方农牧交错带较为常见。有研究表明：自全新世以来，在西辽河流域的农业活动中，草地和耕地的相互转化频繁，农业的垦殖行为促使天然草地逐渐扩展为农田，这一过程也直接加快了该区土地沙化速度以及土地退化局面的形成（韩茂莉等，2008）。由此可见，我国北方农牧交错带的生态系统对于气候变化和人类活动方式的改变响应极为敏感，在充分保障国家粮食安全的前提下，需多考虑该区生态系统的脆弱性（高树琴等，2021）。

图6 河套地区农牧交错带灌丛沙堆消亡现象与农业活动关系图Fig. 6 Relationship between the extinction of nabkhas and agricultural activity in farming-pastoral ecotone in Hetao Region

2022年3月中央环保督察组对陕西省进行第二轮生态环境保护督察时反馈（http://www.shaanxi.gov.cn/xw/sxyw/202203/t20220322_2214535.html/），陕北地区违背自然规律安排大量耕地占补平衡项目，2012年以来靖边县开垦沙地和林草地，部分项目位于毛乌素沙地腹地，2018年以来榆林市毁林开垦加剧了林地退化和土地沙化。反馈中所涉及和阐述的问题以及特别关注的研究区与本文的研究结果相一致。由此提出疑问：关于河套地区农牧交错带的灌丛沙堆被人为广泛利用和改造是否为一个长久可行之策？

3.2 灌丛沙堆的利用和保护问题辨析

在自然状态下即人类活动影响较小时，灌丛沙堆的生长周期是一个缓慢并且循序渐进的漫长过程（谭凤翥等，2018）。研究发现人类挖掘灌丛沙堆的速度远快于其自然衰亡的速度，从河套地区特殊的生态环境角度来看，区域灌丛沙堆数量和面积逐年递减（图2、图3），极大地削弱了其在荒漠—绿洲边缘地区生态环境保护中的屏障作用。纵使区域耕地面积增大，但大量自然植被的丧失，仍导致了区域沙漠化程度的增加。特别是在冬春季节，大量缺乏水土保持措施的裸露耕地的存在，致使土壤风蚀强度增大，沙漠化现象“复燃”。同时，灌丛沙堆数量的急剧减少，使得植物种子难以停留，草本植物的定居和发展受到一定程度抑制，灌丛沙堆对植物的庇护作用减弱，区域沙地植被退化显著，进而导致植物多样性的减少，绿洲边缘地带生态环境的稳定性遭到破环（孙涛等，2016）。此外，关于灌丛沙堆的利用，有学者研究认为，在塔里木盆地，长期人为利用柽柳灌丛沙堆进行农业生产，不仅会破坏周围环境，而且其富集的盐分可能还会加重土壤盐碱化（尹传华等，2013）。因此，关于灌丛沙堆的利用需格外小心谨慎。

从长远来看，更不能以破坏脆弱生态区的自然环境为代价促进农业的发展，特别是本研究所阐述的河套地区农民自发的无节制的垦殖行为，需要充分统筹自然环境和社会经济的发展现状。虽然土壤盐碱化是制约河套地区农业发展的主要原因（巴盟党校课题组，2000），但当地农牧民尝试解决土壤盐碱化问题和缓解土地沙漠化的努力值得肯定。除了挖掘灌丛沙堆，利用其进行土壤改良试验，还可以通过在土壤里施加微生物菌肥（王丹等，2020）、脱硫石膏和腐殖酸（高惠敏等，2020）、土壤改良剂（朱家骝等，2020）等多种方法和措施来防治土壤盐碱化，避免不必要的生态环境的破坏。

同时，位于沙漠沙地边缘特别是生态环境极为脆弱的农牧交错带的灌丛沙堆，作为防风固沙的“先锋”、农民就地取材改良土壤的天然素材和区域生态环境发展变化的“晴雨表”，是衔接“山水林田湖草沙冰”这一生命共同体的重要组分（石岳等，2022）。不仅关乎“林地”、“草地”、“沙地”自然生态系统的稳定，同时在保障耕地（“田地”）红线，提高粮食产量，防治土地退化（沙漠化、盐碱化）等诸多方面（图6）举足轻重。因此，灌丛沙堆的利用与保护需得到相关部门和当地农牧民的足够重视，并在未来的可持续发展中，充分考虑二者相互转化的事实，更好地更有规划地平衡二者的关系。特别是研究区位于黄河流域的上中游，妥善协调区域灌丛沙堆的保护与利用之间的关系，可保障黄河中下游地区的生态安全，促进黄河流域的永续发展。因此，本文认为需大力保护该区灌丛沙堆，充分发挥其生态作用，严格限制其利用程度和范围，才是长久之计。

4 结论

通过遥感影像分析和野外调查等方法研究河套地区农牧交错带红旗一社和红眼沙两个典型样点的灌丛沙堆，得出以下结论：（1）2009 — 2020年，研究点灌丛沙堆分布区面积呈现出递减的趋势：红旗一社研究点减少速率大约为1.44 ×104m2· a-1，近10 a来 共 减 少 了 约7.38 × 104m2；红眼沙研究点减少速率大约为4.05×104m2· a-1，近10 a来减少了约35.02 × 104m2。（2）根据调查走访数据和降水资料整理分析，得出灌丛沙堆消减的原因主要与人类干扰有关，与降水量关系较小。人类干扰首先是当地农牧民为了扩大耕地面积和提高粮食产量而出现的垦荒行为；其次是在每年播种季之前，当地农民为了缓解黄灌区存在的土地盐渍化问题，利用灌丛沙堆进行土壤改良。（3）基于河套地区农牧交错带在经济发展和生态环境保护方面的重要战略地位和灌丛沙堆的风沙防治作用，未来需要更加有序、有计划地保护灌丛沙堆，走可持续农牧业发展之路。