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干旱.半干旱地区水资源是制约区域社会经济发展与生态环境变化的关键因素,在以往人类活动的不合理干预、水资源的不合理利用过程中,出现了严重的区域生态环境问题。湖泊是干旱一半干旱区水资源的重要组成部分,湖泊资源与环境变化是流域自然与人类活动共同作用的产物。因此,定量确定自然和人类活动各自对湖泊环境变化的贡献分量,对于深入了解区域人类活动对环境变化的影响机制,从而规范区域人类活动的类型和方式,实现流域的可持续发展具有科学意义。另一方面,由于器测资料有限,一些气候突变现象及环境响应过程无法被记录,使得对当前环境变化的状态及未来的变化趋势难以把握。为此,有必要对历史时期的湖泊演化进行剖析,以便提高对未来气候和湖泊环境变化趋势的可预见性。湖泊沉积物是陆地环境变化的天然档案库,保存了丰富的环境演化信息,是研究过去环境变化的良好载体。通过干旱.半干旱区湖泊沉积记录研究百年来人类活动和气候变化作用下湖泊环境的响应,揭示干旱.半干旱区湖泊环境演变的过程和因为,可以为预测人类生存环境的未来发展趋势提供依据。
本文首先通过对遥感、气象、社会发展等数据的综合分析,研究了近50年西北干旱.半干旱区湖泊变化的趋势及其影响因素。在此基础上,初步建立了评估人类活动与自然作用对湖泊变化贡献的定量模型,并对典型地区特征时段流域人类活动对湖泊的影响强度以及变化趋势进行评估。在衔接器测与自然档案记录的百年尺度上,重点选取干旱区柴窝堡湖和半干旱区乌梁素海,开展千年尺度自然变化背景下近百年来人类活动和气候变化对湖泊环境的影响研究,探讨自然和人类活动作用下湖泊环境的响应特色和机理。最后,本文通过综合干旱.半干旱区典型湖泊沉积记录及其它气候环境档案与器测资料的分析、比较,对干旱.半干旱区近千年来特征时段的气候环境进行分析,初步揭示了研究区不同气候与人类活动作用下湖泊环境演变的趋势及驱动机制。主要研究成果有如下几个方面:
1.通过重点分析新疆干旱区柴窝堡湖和内蒙半干旱区乌梁素海等湖泊近50年来的变化,揭示了器测以来西北干旱、半干旱区湖泊的变化规律。近50年来,西北干旱、半干旱地区以20世纪60、70年代人为活动对湖泊水资源变化的影响最为强烈,新疆地区湖泊萎缩、干涸尤其明显,罗布泊、玛纳斯湖等100km2以上的大湖快速干涸。上世纪末本世纪初,新疆干旱区湖泊扩展明显,并与气候变化呈现较好的一致性,玛纳斯湖出现季节性蓄水,艾比湖水面大幅扩展,博斯腾湖等山地湖泊也有较大幅度的回升,而近几年湖泊又呈现普遍退缩的趋势。然而,内蒙地区湖泊岱海、乌梁素海等却近50年来总体上保持萎缩、咸化的趋势,与干旱区湖泊的变化存在明显的差异。
2.初步建立了区分人文因素和自然因素对湖泊变化贡献量的评估模型,并应用水热平衡模型进行了验证。在此基础上,对西北干旱、半干旱地区不同时段、不同流域人类活动对湖面变化的贡献量进行了比较研究。结果表明,在上世纪50、60年代人类活动对艾比湖湖面变化的贡献量快速增加,到上世纪70年代达60％左右,从上世纪80年代开始贡献量减小。半干旱区乌梁素海和岱海人类活动对湖泊的贡献量变化也与干旱区湖泊呈现较一致的趋势,从上世纪50年代人类活动对湖面变化的贡献量开始呈上升趋势,但从上世纪80年代早期开始,趋势放缓。因此,西北干旱.半干旱地区上世纪80年代以来人类活动贡献量的变化存在一致的变化趋势。但是,不同地区湖泊变化呈现差异,反映了区域气候变化格局的不一致。
3.通过分析湖泊沉积物粒度、元素含量、有机质含量以及有机碳同位素等环境指标,并与器测资料比较,探讨了湖泊沉积记录的区域气候环境意义。研究表明,干旱区柴窝堡湖沉积物粒径<161am组份变化指示了流域降水强度,>16gm粒径则反映了沙尘灾害的历史,而半干旱区乌梁素海湖泊沉积物中>22.91μm粒径的含量指示了沙尘灾害的变化；有机质含量在柴窝堡地区指示了区域湿润度的变化,在乌梁素海则与湖泊生产力有关；通过有机碳同位素与其它代用指标的综合分析,发现湖泊沉积物中有机碳同位素值的大小,可以用来反映湖泊有机质组成来源的变化；研究发现在湖泊稳定发展时期,元素含量变化稳定,而在极端气候事件或者人类活动强烈影响时期,元素变化特征明显,表明元素对气候和人类活动变化敏感。
4.利用湖泊沉积记录,分析了近百年来干旱、半干旱地区人类活动和自然因素对湖泊环境的影响,揭示了在不同自然和人文驱动下湖泊环境演化的区域特征及其规律。研究表明,干旱区的柴窝堡湖和半干旱区的岱海、乌梁素海等湖泊沉积均记录了约1920AD前后干旱沙尘事件以及近50年来人类活动对湖泊环境的巨大影响。然而,近百年来干旱和半干旱区湖泊演化的过程存在差异。
5.通过综合湖泊沉积记录与其它环境代用指标和器测资料的分析、比较,对不同自然与人类活动条件下湖泊环境的响应特征进行分析,揭示了研究区不同气候与人类活动背景下湖泊环境演变的趋势及机理。结果表明,在不同时间尺度、不同地区其气候及环境变化的驱动机制不同。在千年尺度的自然变化背景下,湖泊环境受自然因素控制,湖泊扩展和收缩主要反映了区域气候的变化。近百年来,人类对湖泊环境的影响经历了由弱到强的过程,在上世纪50年代之前自然作用对湖泊的影响占主导,上世纪50年代之后人为活动对湖泊的影响逐渐强烈。近50年来,无论湖泊沉积记录还是器测资料都揭示了人类活动对湖泊演化的重大影响。然而,自然因素的作用是对湖泊环境的较长期调节,人类活动主要表现为对气候效应的放大作用,即人类活动叠加于自然作用的结果使得湖泊的变化频率加快幅度增加。