中国科学院寒区旱区环境与工程研究所
沙漠与沙漠化重点实验室
中国北方沙漠化过程及其防治研究
1、项目背景
沙漠化(Sandy Desertification)是荒漠化(Desertification)的主要类型之一。20世纪60年代，随着从北非经过阿拉伯半岛、中亚到我国北方的广大地区进入新一轮的干旱时期，沙漠化问题成为困扰当今世界最重要的环境和社会经济问题之一。我国是世界上受沙漠化影响最严重的国家之一。全国沙漠、戈壁和沙漠化土地约为165.3万km2，其中人类活动导致的现代沙漠化土地约有37万km2。沙漠化土地主要分布在北方干旱、半干旱和部分半湿润地区，从东北经华北到西北形成一条不连续的弧形分布带，尤以贺兰山以东的半干旱区分布更为集中。沙漠化是由不合理的人类活动与脆弱的生态环境相互作用所造成，表现为土地生产力下降、资源丧失、地表呈现类似沙漠景观的土地退化。土地沙漠化发展的速率不断加快， 60-70年代为1,560 km2/年，80年代为2,100 km2/年，90年代达到2,460 km2/年。
随着土地沙漠化的加速发展，突发性风沙灾害—强沙尘暴的发生频率愈来愈高。据统计，我国北方50年代共发生大范围强沙尘暴灾害5次，60年代8次，70年代13次，80年代14次，90年代23次。沙尘暴直接危害西北和华北地区，并影响到我国南方和整个东亚，成为东北半球一个重要的环境问题。特别是2000年春季，北京地区遭受12次沙尘暴袭击，沙尘暴出现时间之早、发生频率之高、影响范围之广、强度之大近年罕见，不仅危害北京的经济活动，污染环境，使首都的形象受损，而且殃及天津、上海、南京等地。并引起临国的恐慌。
沙漠化给生态环境和社会经济带来极大危害：一是破坏生态平衡、使环境恶化和土地生产力严重衰退，危及沙漠化区域人民的生存发展，加重了贫困程度，有的地方已经出现了成批的生态难民；二是导致大面积可利用土地资源的丧失，缩小了中华民族的生存空间，我国每年因沙漠化的扩展导致损失一个中等县的土地面积；三是严重威胁村镇、交通、水利、工矿设施及国防基地的安全，影响工农业生产，每年因沙漠化造成的直接经济损失高达540亿元，严重制约西北地区社会经济的持续发展，也成为全国性的重大生态环境问题。
科学、系统、深入地认识我国沙漠化过程和沙尘暴的发生、发展规律，积极有效地开展沙漠化防治工作已势在必行。本项目沙漠化过程及防治的科学研究，对加快实施西部大开发战略、促进地区社会经济发展、缩小东西部差别、保障政治稳定、民族团结和国家安全等方面具有重要现实意义。本项理论基础研究还为全国沙漠化防治规划的制定和实施提供技术支撑，直接为《全国防沙治沙工程规划》和《全国生态环境建设规划》的实施服务。
沙尘暴既是土地沙尘暴的结果，又是土地迅速沙漠化的过程。认识沙尘暴发生的规律，实现对沙尘暴的预报预警，对采取有效措施、减轻灾害损失、改善环境质量，乃至首都北京的形象具有重要意义。2008年世界各国健儿将云聚北京，举办26届奥运会，通过研究做到对沙尘暴的预报预警，采取一系列有力措施，在短期内遏制沙漠化迅速蔓延的势头，使我国北方的生态环境有所改善，把一个空气清新，环境优美的新北京呈献在世人面前是我们奋斗的目标之一。
研究表明，尽管我国开展沙漠化研究与防治已有半个世纪，但沙漠化一直在加速扩展，目前我国沙漠化防治仍然处于“局部治理，整体恶化”的严峻态势。除国家投入不足和政策失误等原因外，沙漠化发生机制不清楚，尚未建立比较完善的沙漠化防治理论和技术体系也是重要的原因。沙漠化过程与防治中许多科学问题的解决，需要以沙漠科学为主的多学科交叉与综合集成研究。本项目将汇集自然和人文领域的众多学科，在强调整体和系统理念的基础上，以自然与人为因素及其相互作用为主线，以地球系统科学为框架，以区域可持续发展为目标，开展我国北方沙漠化过程及防治基础研究，同时，瞄准国家需求，更加注重沙漠化防治的原理、技术和战略的研究。本项目的实施，可以解决沙漠化研究及其防治中的一些重要科学问题，发展沙漠科学理论，促进相关学科的交叉和边缘学科的发展。
预期本项目的突破点有4个方面：
1、定量认识自然与人为因素对沙漠化过程的贡献率；
2、进一步揭示沙漠化过程的物理学和生物学机制；
3、揭示中国内陆沙尘暴形成机制，探寻预报预警方法；
4、在充分认识沙漠化过程的基础上，提出沙漠化防治原理和模式。
学术界对人的经济活动在土地沙漠化现代过程中起到了主导作用这一点已经达成共识。但是对自然和人为因素干预沙漠化过程，破坏生态平衡的详细过程和相互干扰机理认识尚较肤浅，尤其是对人为因素干扰沙漠化过程的深度认识尚不统一。要定量认识自然因素和人为因素对沙漠化过程的贡献率，必然要深入研究干旱过程中光热、水、气（风）、沙诸物质的链接、相互作用及其深入程度；对是“人为沙漠化还是自然（必然）沙漠化”的争论有一个较为完满的回答；也为遏制沙漠化的蔓延，治理业已沙漠化的土地树立信心；约束人的自身行为，制订防治沙漠化的各项方针、政策、法规、措施提供可靠的依据。
沙漠化的物理过程和生物过程是相互作用、相互反馈的，是整个沙漠化过程的核心，深入认识沙漠化的物理过程和生物过程，从过程本身寻找制止过程发展的突破口，探索防治沙漠化的方法措施，解释从群众中总结出的现有治沙方法的原理和合理性是沙漠化过程和治理研究的根本目标之一。
沙尘暴既是土地沙漠化严重发展的灾难性结果，又是土地沙漠化过程中的突发事件。沙尘暴污染城乡环境，直接破坏生产设施，威胁群众生活和交通安全。一次沙尘暴所带来的经济损失常为数亿元。通过对沙尘暴过程的深入研究，探索沙尘暴发生发展的规律，圈定沙尘暴经常性的暴发地、行进路径和沙尘物质的提供区域；研究预测、预报沙尘暴的方法原理，结合各地大气物理网点对气象形势的检测，使之对中长期沙尘暴发生的频率和强度作出评价，对短期内发生的沙尘暴作预警、预报，减少沙尘暴的损失，保障人民生命安全；采取积极的对策，改善包括首都北京在内的整个北方的大气环境质量，尤其是西北地区的生态环境是本基础研究项目直接服务与国民经济、社会的关键问题。
干旱是产生沙漠化问题的根源。水是制约北方沙漠化地区生态环境发展方向的阀限。本项目要通过对各种植物耗水的规律、水土资源的承载能力研究，确定北方不同自然地带土地利用的安全格局，完善中央提出的《全国生态规划》，提出各地区生态建设的具体目标，为有关部门制订科学的生态建设政策、策略提供依据。并将树立不同生物气候带防沙治沙的模式，形成完整的，有中国特色的防沙治沙技术体系。也为同样受沙漠化困扰的国家进行生态建设和防治沙漠化树立技术样板。
2、主要研究内容、拟解决的关键科学问题和预期目标
项目的主要研究内容包括四个方面：
（1） 沙漠化过程的自然与人为背景研究
探讨近2000年和近50年来我国沙漠化的发展历程和原因，确定自然和人文因素在沙漠化过程中的贡献率，为深入研究我国沙漠化过程的动力学和生物学机制提供科学的宏观环境背景。沙漠化过程中自然与人为影响因素指标的确定与量化方法是这一研究要解决的关键科学问题。沙漠化过程的起因主要包括气候变化和人类活动两个方面，二者在沙漠化中的贡献率及其耦合效应是国际科学界长期悬而未决的问题。如何复原特征时期沙漠与沙漠化土地空间格局，通过对比、个例分析和系统分析建立和提取沙漠化过程响应气候变化和人为干扰的判据指标与量化方法，是必须解决的关键问题。
（2） 沙漠化（包括沙尘暴）动力学过程及其调控
通过对不同尺度风沙运动的力学建摸及转换关联、风沙电机理及其对风沙运动和环境的影响等基本规律的研究，揭示土壤风蚀过程和沙尘暴起动的物理机制。在此基础上，建立土壤风蚀的定量模型与土壤风沙容忍量，确定土壤风蚀的定量评价指标体系与区划，给出防沙治沙工程设计的力学原理与调控模式；通过沙尘源区释放、输送路径、影响范围及气候环境效应的模拟和验证研究，分辨沙尘暴频发源区，揭示沙尘暴天气气候特征及其形成机制，建立沙尘暴监测、预报与预警方法。
建立多场耦合的近地面层风沙流运动的力学模型。在地表条件与气象环境已知的前提下，建立在风场和电场作用下沙粒流运动的力学模型是风沙物理学研究的关键课题。本研究通过对风沙运动的不同力学机制建模（如碰撞起跳，湍流激发机制，沙粒运动与流体的相互作用，气-固交界面的物质、动量和能量等的交换规律等），采用概率和数理统计方法，实现微（细）宏观不同尺度风沙运动模型的关联和过渡，给出适于计算机仿真的近地层风沙流运动模式。
土壤风蚀因子参数化及风蚀容忍量的确定是进行土壤风蚀定量评价必须解决的关键问题。土壤风蚀定量评价要依靠土壤风蚀模型，风蚀因子参数化就是建立土壤风蚀强度与各因子之间的定量关系，是建立多因子土壤风蚀模型的基础。土壤风蚀定量评价指标体系的建立必须基于对土壤风蚀程度的准确判定，而风蚀程度要由风蚀强度与成土速率（土壤风蚀容忍量）之比较来确定。
进行沙尘在源区释放量的测定与数值模拟，揭示沙尘暴系统结构特征及其成因是沙漠化动力过程研究的另一关键科学问题。模拟沙尘在源区的释放并通过观测加以验证，是获得分辨沙尘暴源地的关键方法，以及进一步研究沙尘暴输送路径、空间分布、气候效应、形成机制的基础。这其中涉及到整个源区表土特征要素的提取，卫星遥感对大范围地表状况的测定及沙尘特征反演等国际研究的热点和难点问题。由于沙尘暴过程是突发和低概率事件，揭示其结构特征和形成机理对预报预警是至关重要的。
（3）沙漠化的生物学过程与植被恢复重建机理
在研究沙漠化过程中土壤C、N衰减规律及其生态效应的基础上，分析沙地植物种群的抗干扰机理及适应对策，揭示植物从个体到种群对环境变化的响应，探讨沙地植被的受损与恢复过程及其稳定性，阐明植被演替动因及其自身调节、维持稳定的机制；研究沙地主要植物的耗水规律和水分循环，确定植物的耗水量及其对植被稳定性的影响。
沙漠化生物学的研究关键问题是正逆过程中植被受损和恢复的动因及稳定性机理。认识沙漠化及其逆转过程中，植被受到外界干扰的因素和强度及植物的适应对策和抗干扰能力，明确植被偏离平衡状态而进入受损或恢复过程的关键动因，搞清植被维持自身稳定性的调控机制，是阐明沙漠化生物过程及其植被恢复重建机理的关键。
（4）沙漠化综合防治战略与模式
在上述研究的基础上，总结我国北方沙漠化的现状、危害，分析人-地关系的协调程度，预测沙漠化发展趋势；通过对沙漠化地区水土资源承载能力和土地合理利用方式的研究，探讨环境容忍量和土地利用安全格局，确定沙漠化的重点治理区域，制定沙漠化与沙尘暴综合防治区划；通过对以往防沙治沙经验的系统总结和防治模式及技术体系的评估，提出适合不同区域沙漠化防治的新模式与新技术；并就典型地区的社会、经济与环境协调发展提出相应的对策及政策建议。最终，为国家的沙漠化防治提供决策依据、理论依据和技术支撑。
沙漠化是干旱的产物。探讨干旱地区环境的容忍量和土地利用安全格局必须以水资源为前提条件，水资源的承载能力与水资源的利用方式息息相关。确定适宜地区情况的节水方式，测算水资源的承载能力就成为进行沙漠化治理的关键问题。
3、项目的总体目标
（1）揭示我国沙漠化形成的自然和人文背景，阐明我国沙漠化发生发展的原因、物理过程、生物过程及动力学机制，认识沙尘暴的形成与发展过程，建立沙尘暴的预报预警方法，确定我国沙漠化和沙尘暴的重点防治区域，提出防治对策和防治区划，为我国西部大开发中沙漠化防治的战略决策提供科学依据。
（2）确定主要沙漠化地区的水土资源承载力和合理利用途径，提出区域植被恢复重建的规模、格局，建立不同类型区沙漠化综合整治模式和人工植被建设模式，进行新固沙植物种的培育、推广和新技术的集成及其技术经济评价，为沙漠化地区生态环境建设和可持续发展提供理论与技术支撑。
（3）凝聚一批年轻学科带头人和学术骨干；强化现有沙漠与沙漠化科学研究队伍，充实完善从事沙漠化研究的实验基地。建成我国的沙漠化研究基地，进行地球科学、生命科学、大气科学、环境科学、物理学等多学科交叉和部门间强强联合，促进我国沙漠科学及相关学科的发展。
本项目计划研究时间为5年，2000年9月—2005年4月。
项目前三年的目标已经完成，并于2002年7月通过验收。
后3年目标主要有：
揭示沙漠化环境背景演化规律，分辨自然与人为因素对沙漠化过程的贡献率；确定沙尘起动与悬浮的临界判据，给出防沙治沙工程效果评估的力学方法；建立土壤风蚀预报模型，作出土壤风蚀区划；查明沙尘暴发生的主要源地，揭示沙尘暴发生发展规律，提出沙尘暴预报预警方法；揭示沙漠化过程中的植物群落受损过程、适应对策及恢复机理；确定重点沙漠化地区水土资源承载力和土地利用安全格局，预测沙漠化发展趋势，制定防治区划并提出防治对策，建立重点地区防沙治沙技术体系和优化模式；在国内外核心刊物上发表研究论文250篇，其中在SCI收录的刊物上达到40篇；力争在Nature或Science上发表研究成果。
4、研究和管理组织
1、 首席科学家：
王 涛 研究员 中国科学院寒区旱区环境与工程所
2、 项目科学顾问：
程国栋 院 士 中国科学院寒区旱区环境与工程所
安芷生 院 士 中国科学院地球环境研究所
李吉均 院 士 兰州大学
3、 项目专家组
王 涛 研究员 中国科学院寒区旱区环境与工程所
王乃昂 教 授 兰州大学
郑晓静 教 授 兰州大学
张小曳 研究员 中国科学院地球环境研究所
赵哈林 研究员 中国科学院寒区旱区环境与工程所
陈发虎 教 授 兰州大学
4、课题根据研究内容划分为5个子项目（研究课题）
（一）沙漠化过程的自然与人文背景（编码：G2000048701）
课题负责单位：兰州大学资环学院
负责人：王乃昂（兰州大学、中科院寒旱所）
陈发虎（兰州大学、中科院寒旱所）
参加单位：兰州大学资环学院、北京师范大学地理系、中科院寒旱所沙漠室
（二）风沙运动的力学机理与土壤风蚀的定量评价（编码：G2000048702）
课题负责单位：兰州大学力学系
课题负责人：郑晓静（兰州大学）
董治宝（中科院寒旱所）
参加单位：兰州大学物理学院、中科院寒旱所沙漠室、西安交通大学 北京师范大学地理系
（三）沙尘暴形成机制及预报、预警方法（编码：G2000048703）
课题负责单位：中科院地环所
课题负责人：张小曳
参加单位：中科院地环所、中国气象局、兰州大学资环学院、中科院大气物理所等
（四）沙漠化的生物学过程与植被恢复重建机理（编码：G2000048704）
课题负责单位：中科院寒旱所
课题负责人：赵哈林
参加单位：中科院寒旱所，兰州大学资环学院、草原研究所，内蒙古大学等
（五）沙漠化综合防治战略与优化模式（编码：G2000048705）
课题负责单位：中科院寒旱所
课题负责人：王 涛
参加单位：中科院寒旱所、北京大学、中科院地质与地球物理所
5、项目办公室
主 任：陈广庭 中国科学院寒区旱区环境与工程所
秘 书：袁文丽 中国科学院寒区旱区环境与工程所