第0章　绪论
　　泛河西地区是“丝绸之路”的重要组成部分，是亚欧大陆桥的咽喉和我国现代化建设的重要战略通道。该地区拥有较丰富的矿产资源、风能和太阳能资源，是我国重要的化工和新能源基地，而且悠久的历史文化积淀使其成为重要的旅游目的地。然而，该地区却是我国西部地区生态环境昀为脆弱的区域，其生态环境具有抗扰动能力差、稳定性低、恢复力弱、自我调节缓慢等特征。在人类活动加剧背景下，河西走廊及临近沙漠面临诸多生态环境问题，直接威胁着我国“丝绸之路经济带”的安全和区域可持续发展。 20世纪后半期，石羊河流域出现河道断流、地下水位下降、青土湖干涸、梭梭林干枯等，植被死亡使沙化加剧；黑河流域下游河道断流、尾闾湖居延海干涸、额济纳绿洲大量萎缩、胡杨林等植被大量死亡衰败；疏勒河流域地下水超采引起荒漠化问题。因此，系统探究泛河西地区生态环境演变的过程与特征，可为该地区生态问题的治理及生态环境保护提供重要科学依据，进而实现区域生态安全，保障“丝绸之路经济带”畅通无阻。
　　近 2000年泛河西地区的生态环境经历了波动退化过程，恶化时段包括西汉、唐中后期、清末， 20世纪 70年代昀为严重。在此期间沙漠范围逐步扩大，以至许多古城遗址和古耕地散布在沙漠深处。大量史实证实，由自然和人类活动引发的重大环境事件是沙漠化面积扩张的主要因素。那么，城池的废弃是否与历史时期发生的重大环境事件有关？极端气候事件是否是内陆河地区生态退化的原因？现代河水断流、湖泊萎缩、绿洲消失是否为气候变化引起？面对这些问题，对历史时期重大环境事件进行细致的研究，可为更好地了解区域人地关系和制订区域可持续发展对策提供科学依据。
　　针对泛河西地区的生态环境问题，1949年以后国家采取了多项措施， 20世纪 80～90年代建立自然保护区并实施了天然林保护工程，“十五”规划以来投入千亿元资金启动了泛河西及毗邻地区生态抢救工程。这些措施的实施使该地区生态环境大大改善，但未能彻底扭转生态环境不健康的局面。究其原因是对整个区域缺乏气候环境变化序列多代用指标的有效集成和系统认识，生态环境演变的机制研究在广度和深度上仍有诸多局限；缺少对重大环境事件的研究，不明确其发生的频率、范围、驱动机制及影响；缺乏对自然和人为因素在生态环境演变中作用的认识。因此，迫切需要通过系统研究工作，评估该地区生态环境演变的可持续发展能力，进而为区域生态保护提供理论依据。
　　本书以重大环境事件为线索，以探究区域生态环境演变的过程与机制为目标，重建河西走廊及邻近沙漠的可靠气候环境变化序列，捕获并研究重大环境事件；通过流域尺度同位素示踪分析，探究巴丹吉林沙漠地下水的来源及更新性；构建生态环境和社会演变模型，剖析生态环境演变的机制，定量辨识重大气候环境事件对社会与生态环境演变的贡献，确定重大环境事件对泛河西地区绿洲时空演变格局的驱动机制；昀后，开展区域可持续发展评价并提出相应的适应性对策。
　　本书共10章，可划分为四部分研究内容。
　　**部分：泛河西地区气候与环境变化，包括树轮记录的研究区气候变化、灌丛沙丘的气候与环境记录，具体内容见本书第1章。
　　第二部分：泛河西地区的水文过程研究，包括气候变化对河西内陆河流域主要水文要素的影响、基于稳定同位素和水化学的疏勒河流域水环境变化、巴丹吉林沙漠地区地下水来源及其同位素示踪研究，具体内容见本书第2～6章。
　　第三部分：泛河西地区生态环境演变的机制，包括政策因素对绿洲生态环境变化的影响、移民开发工程的生态经济效应，具体内容见本书第7章和第8章。
　　第四部分：泛河西地区可持续发展能力评价和适应性对策，包括黑河流域生态治理可持续发展评价和内陆河流域集成水资源管理实施状态及评价，具体内容见本书第9章和第10章。
　　第1章　泛河西地区气候与环境变化
　　1.1　研究进展
　　1.1.1　全球气候变化研究现状
　　气候变化作为全球变化的核心问题一直备受关注。联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第五次报告指出，1950年以来，气候系统的许多变化是过去几十年甚至千年以来****的。1880～2012年，全球海陆表面平均温度呈线性上升趋势，升高了0.85℃；2003～2012年平均温度比1850～1900年平均温度上升了0.78℃。1983～2012年的30a比之前几十年都要热，每十个观测年的地表温度均高于1850年以来的任何时期。因此，虽然没有更早期的历史详细记录，但这30a极有可能是近800～1400a*热的30a。然而，全球变暖是不均匀的，有已经升温的区域，也有变冷的地区。例如，1910～1980年，世界上很多地区温度在上升，而实际上赤道以南靠近安第斯山脉的一些地区在降温，直到20世纪90年代中期才有变化。与世界其他地区相比，赤道以南附近的地区没有发现明显的变化。全球陆地变暖*剧烈的区域是北半球中纬度生态系统极为脆弱的干旱半干旱区域，该区域内的亚洲、欧洲和北美大陆则经历了自1990年至今*为剧烈和快速的增暖(Ji et?al.，2014)。因此，在全球陆地整体自1900年至今不断变暖的大背景下，对干旱半干旱地区气候变化及形成机制的研究有着重要意义。
　　全球气候变暖会导致地球上许多自然系统发生剧烈变化，因此气候变化及相关问题的研究早已引起国内外专家和学者的重视和兴趣。由于对全球气候变暖存在着不同看法，学者们对气候变化方面的研究更多地集中在过去气候变化的变幅和全球变暖在过去长期气候变化中的位置。研究过去气候的变化在很大程度上依赖于代用资料，如黄土、冰芯、石笋、历史文献和树轮纪录等(Chen et?al.，2006；Thompson and Anderson，2000)。气候重建可以准确判断全球气候是否变暖，确定全球气候变暖程度、空间分布特征及其随时间变化特征等，为研究气候变暖的归因问题提供极有价值的信息。气候重建除了可以更好地了解过去气候的演变过程和评估近代气候变化特征，对预测21世纪的气候变化趋势也有非常重要的意义(Zhang et?al.，2009)。同时，气候重建可以更好地了解全球和区域气候变化以及它们之间的联系，提高人类对未来气候变化的预测能力，进而能够制订并实施正确的应对气候变化的决策，减缓气候变化对经济和社会发展带来的不利影响。从一千多年前到一百多年以前，气候变化主导因素是自然因素，而认识自然气候变化及其形成的原因，对研究21世纪人类活动对气候的影响有重要意义。
　　研究过去气候变化，*主要的是找到一种可靠的古环境信息载体。树木年轮资料因为具有精确定年和年分辨率等特点，方便建立可进行统计校正和检验的区域气候重建模型，便于与气候模拟结果对比；另外，单点或小范围气候重建的不断丰富，为进行大空间范围甚至是半球尺度树轮气候重建提供了可能。树轮代用资料为气候机制研究提供了更长的时间序列，一些研究开始利用树轮气候重建结果探讨气候变化的驱动因子，如火山喷发、太阳活动、季风与热带海洋驱动，并重建一些指示气候涛动的指数，如北大西洋涛动(North Atlantic oscillation，NAO)指数、太平洋年代际涛动(Pacific decadal oscillation，PDO)指数和厄尔尼诺南方涛动(El Ni?o-Southern oscillation，ENSO)指数。过去千年北半球气候变化序列重建为解释现代气候的归因提供了有价值的参照信息，但区域尺度高分辨率的气候重建更利于研究半球及全球气候重建难以反映的至关重要的气候特征，如区域内特征时段(典型暖期或冷期)气候要素平均、极端气候事件(季节、年或年代)的空间结构及空间协同特征，而这些信息往往在半球或全球尺度的重建中被掩盖了。特别地，由于区域尺度的重大气候事件往往会显著地影响区域自然环境和社会经济的发展，因此区域尺度气候的重建和分析对评估气候变化的影响尤为重要。
　　1.1.2　树轮气候学研究进展
　　树轮气候学是以植物生理学为基础，以树木年轮的生长为依据，利用年生长层来定年和评价过去环境变化的学科(Fritts，1976)。树轮每年的径向生长特性能够清楚地记录环境变化的信息及其影响，如气温、降水、径流、地震、极端灾害及人类活动等。20世纪初，美国著名天文学家道格拉斯(Douglass，1920)*次发现美国西南部亚利桑那地区约500a时间段的树轮宽度变化和当地实际降水量之间存在良好的对应关系，创立和推动了树轮气候学的发展。
　　此后，根据道格拉斯提出的树轮反演气候的原理及方法，树轮宽度一直是树轮年代学研究的主要对象(Gou et?al.，2012；Shao et?al.，2010)。绝大部分研究是借助树轮宽度的变化来重建过去几百年甚至几千年的降水和气温的变化，进而弥补器测资料的不足(Overpeck et?al.，1997)。古气候重建是准确认识当前气候在长期演变过程中所处的阶段特征和有效预估未来气候变化的前提，同时也是认识气候系统变化规律的基础。由于树轮资料能够准确定年，分辨率高、连续性强，树轮宽度两侧较为容易测量且测量准确等特点，成为推演古气候与环境变化的重要方法之一(李颖俊等，2012)。
　　从道格拉斯*次发现树轮与气候之间的关系至今，树轮气候学不断地发展和完善。区域树轮年表的建立是解读该区域树轮所记录气候信息的基础。世界上*长的树轮年表超过10000a，出现在欧洲大陆；其次是北美洲，其*长年表超过8600a；另外，南美洲和澳大利亚为超过3600a，俄罗斯为超过3200a，我国发现的*长年表超过4600a。随着树轮研究的不断深入，研究手段也不断更新——从刚开始的树轮宽度研究到后来树轮密度研究，再到借助化学方法对树轮进行研究。研究方法不断更新的同时，研究技术也不断地进步并趋于成熟。目前，树轮区域气候重建分为区域主要模式重建(D’Arrigo et?al.，2006；Cook et?al.，2004)和区域单个气象站点的点对点重建(Cook et?al.，2004)。前者是利用树轮网络重建区域的平均气候状况，如主成分、算数平均或根据纬度的加权平均，后者则是利用区域内各气象站点的邻近树轮年表重建区域内各个气象格点。大范围气候重建主要方法有正交空间回归分析和**回归分析方法(Cook et?al.，1999)。
　　开展树轮研究*适合的区域为气候条件较为恶劣的干旱区、半干旱区及寒冷地区(王婷等，2003)。通常所指的寒冷地区主要是高海拔山区和极地地区。气候变化基本上控制着树木养分的合成过程，树轮宽度的差异主要受控于树木在生长季所得到的养分和激素量(王婷等，2003)。一次较为微弱的气候事件，在生境较好的区域，树木可以通过自我调节作用渡过难关，也许当时短暂的气候变化并不能引起该区域树木年轮的变化。在严酷的生境条件下，受环境的限制，树木的自我调节能力较低，短暂或者微弱的气候事件也许会导致树木年轮发生明显改变，如树轮宽度发生变化或者出现缺轮等现象。这是因为在严酷的生境条件下植物生长速度缓慢，对气候变化的响应更加敏感，树木的生长年限能够很长；另外，在这种环境下死树和古木容易得到保存，通过交叉定年可将古木与活树样本对接，能够建立起长年表序列，重建长时间尺度的区域古气候演化过程(Yang et?al.，2014；Shao et?al.，2010)。虽然树轮的宽度与树木的种类有关，但主要还是受树木所处环境的降水量和气温影响(Gou et?al.，2012)。截至目前，利用树轮反演区域气候变化已取得了众多成果，其中以针对过去2000年气温和降水变化的重建和可能影响机制的研究*为典型(Shao et?al.，2010；邵学梅和吴祥定，1997)。
　　温度对树木生长的影响表现为当年的气温状况和年轮宽度有关，但也有可能影响到次年生长轮的宽窄(袁玉江和李江风，1999)。