干旱的气候环境、丰富的砂石资源以及广阔的平坦地带或盆地，构成了沙漠形成的必要条件。地球表层约有20×10^6平方公里的面积被沙漠所覆盖（如图1所示），其中，亚洲和非洲的沙漠面积最为广阔，占据了全球沙漠总面积的70%以上。沙漠作为风扬砂质和粉砂质颗粒的主要来源，其排放的尘埃不仅作用于天气和气候，而且为海洋及陆地上的贫瘠区域输送养分，推动植被的生长，并调节大气中的二氧化碳含量，从而对全球气候产生深远影响。鉴于此，沙漠的形成、变化及其沙漠化过程，在地球系统的发展和社会经济的持续发展中，占据着至关重要的地位。

图 1 全球沙漠和干旱气候分布

沙漠的演变过程涵盖了其发生、成长及转变的各个阶段，这其中包括沙漠范围的扩大、缩小、迁移，以及其内部构造和物质成分的变动；而沙漠化则是指非沙漠区域向沙漠状态的转变，即由于土地退化引发的沙漠扩张现象，这一过程既受到自然因素的驱动，也受到人类活动的显著影响，与人类社会经济的活动紧密相连，是荒漠化现象的一个重要组成部分。沙漠科学与沙漠工程学，作为一门跨学科的领域，构成了探究沙漠变迁规律、作用机理以及沙漠化防治的根本性学科基础。

近期，无论是国内还是国外，对沙漠的形成过程、变化趋势及其动力机制的研究持续深化，并在防沙治沙、沙漠化防治等方面取得了一定成果，促进了部分沙区人与自然的和谐共生。综合沙漠演变和沙漠化研究的进展，提出沙漠科学未来研究方向的问题，已成为当前沙漠科学研究的新趋势。

全球沙漠的形成

气候与地质环境的变化促使沙漠持续发生变迁。在沙漠中，沙丘和沙粒受到风力侵蚀、运输及沉积的作用，其形态发生迅速变化。以百年或数百年为时间尺度，一个中小型的沙丘或许会经历彻底的位移，甚至翻转其顶部与底部。风沙沉积物由于流动速度较快、动力机制复杂，故在沙漠区域难以形成稳定且连续的沉积层序，这导致沙漠内部的沉积记录难以完整展现沙漠的起源以及其演变的历史全貌。

科学研究揭示，沙漠是粉砂及砂质颗粒的过渡点和发源地，持续向外界释放粉砂（即粉尘）颗粒。这些粉尘物质在全球及区域大气传输过程中，能够沉积于不同距离的地点。例如，亚洲内陆的粉尘被运送至黄土高原和北太平洋地区；而非洲大陆的粉尘则被带到北大西洋以及印度洋的北部区域。沙漠边缘堆积的黄土以及深海中的尘埃沉积，构成了揭示沙漠形成与演变历程的重要凭证。

根据上述科学见解，研究揭示，亚洲的内陆荒漠（包括类似沙漠或沙漠的早期形态）在两千万年前乃至更早的时期就已形成，并且经历了漫长且分阶段的演变历程，最终在第四纪初期形成了现代的亚洲沙漠景观。此前，人们普遍认为非洲的撒哈拉沙漠是在上新世末期至第四纪初期形成的；然而，这一观点遭到了新近发现的沉积物证据的挑战。研究表明，撒哈拉沙漠是在中新世晚期至700万年前形成的。为了验证这一观点，科研人员运用了古气候数值模拟技术，并将太阳辐射量、大气中的二氧化碳浓度、地形以及地表条件等因素纳入考量，对撒哈拉沙漠的形成历程进行了深入分析。分析结果显示，大约在700万年前，古特提斯海开始退缩，这一变化导致了地表条件的改变，进而形成了非洲北部的干旱气候，促成了撒哈拉沙漠的诞生。澳大利亚自上新世起便呈现出干旱的气候特征，这一气候特征伴随冰期气候的演变而有所改变。澳大利亚地势相对平坦，且物质来源匮乏，因此高大的沙丘较为罕见。受大冰盖的影响，北美洲沙漠的形成时间相较于其他地区较晚；而南美洲的沙漠则出现在晚上新世，但分布范围并不广泛。亚洲的沙漠在新生代形成的时间相对较早，其原始形态可能源自新生代早期。

沉积物记录和古代气候数据模拟揭示，全球沙漠的形成和发展呈现出明显的地域特色、阶段性特征以及环境主导性。例如，与现今全球沙漠相似的景观，在亚洲出现的时间最早，或许可追溯至始新世；非洲的沙漠景观则始于晚中新世；而美洲的沙漠形成则是在晚上新世。沙漠演化的地域差异受到地质、气候以及环境因素的共同影响，并且这种差异在不同地区呈现出不同程度的波动。我国北方及美国广阔的大平原地带，沙地（dune fields）深受冰河时期与间冰时期气候变化的影响，其变化幅度尤为显著，能够从裸露的流动沙丘转变为植被繁茂的草地。

第四纪的冰河时期对气候产生了重大影响，这一时期成为了全球沙漠形成的关键时期。在这个时期，气候总体上减弱了水汽循环，导致陆地变得更加干燥。与此同时，冰川和冰盖的研磨与侵蚀作用，产生了大量的砂质和粉砂质颗粒物，从而加速了沙漠的形成。在地貌格局相对稳定的情况下，气候的干燥和砂颗粒物的增多，成为了沙漠形成的决定性因素。在全球范围内，第四纪初期，大约在400至200万年前，现代沙漠的地貌特征开始出现。这一现象与北半球冰期气候的显著发展紧密相连，表现为全球气候变冷、海平面降低、气候干燥以及昼夜温差显著增大。因此，第四纪冰期气候的形成被认为是塑造现代全球沙漠景观的关键性因素。

沙漠演变及沙漠化对气候变化和人类活动的响应

气候变化在万年、百年、十年乃至年际等多个时间尺度上展现不同特征，其成因、幅度和变化速率亦各不相同，这些差异进而作用于干旱区的大气环流和降水格局，从而决定了沙漠的演变过程（见图2）。准确把握不同干旱区在不同时间尺度上的气候变化及其对沙漠的影响，是当前沙漠科学研究亟需解决的理论难题。在此领域，对冰河时期与间冰时期气候周期如何影响沙漠的演变规律及其内在机理的理解尤为透彻，这主要得益于对地球轨道周期所引发的古气候变化研究水平的提升。根据对中亚、西亚、北非以及北美沙漠的研究成果，可以得知，在间冰期期间，由于气候温暖湿润，植被得以繁茂生长，沙丘得以稳定，沙漠的面积相应减小；而反观冰河时期，沙丘的活跃度增加，沙漠的面积则呈现扩张趋势。南美洲、南非以及极地区域的沙漠沉积物记录呈现出高度碎片化，且相关研究工作尚处于初级阶段。

图2中的数值模拟结果显示，东亚内陆干旱（沙漠）区域在过去150年间以及未来60年内，有效降水量发生了显著变化。

(a) 实线表示Historical试验中24个模式计算得出的平均净降水量与正常值的偏差；而不确定范围（以灰色表示）则是通过24个模式计算出的净降水量偏差的最大值和最小值来界定的。(b) 在不同的增暖情景中，24个模式计算出的平均净降水量偏差被展示；左上角的数值包括了四条实线的斜率（表示为mm a−1）以及净降水量偏差的最大值和最小值（单位为毫米）。关于第六次国际模式耦合比较计划（CMIP6）的介绍，可参考Eyring等人在2016年发表的文献。该图表的原始数据，可在期刊的官方网站上找到，位于附加材料部分。

年代际与年际间的气候变化既复杂又多变；特别是人类活动对大气中二氧化碳浓度及地表植被覆盖的调整，显著干扰了气候变化的进程，进而使得气候变化的预测难度加大。年代际及年际气候变化受到太阳黑子活动、厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）、北太平洋振荡（PDO）、大西洋振荡（AMO）、地表反馈作用以及大气中二氧化碳含量急剧上升等因素的共同作用，其变化过程错综复杂，不同区域的气候变化差异显著。目前，我们对于年代际和年际气候变化规律的认识尚不充分。鉴于此，我们难以准确揭示干旱区在十年和年际尺度上沙漠变化的特征（见图2）。研究者持续致力于通过卫星遥感技术、地理信息系统的应用、生态分析以及数值模拟等多种手段的综合运用，深入探究区域沙漠化的发展进程及其成因。随着人类活动的日益增强，其也对沙漠的演变和沙漠化现象产生了直接影响。特别是在20世纪80年代后期，萨赫勒地区（Sahel）的沙漠化现象，就被广泛认为是人类活动引发的后果。

年代际及年际间的干旱气候变化研究面临诸多挑战，其规律尚不清晰，故而，受此影响的沙漠化进程亦难以被有效把握。以东亚内陆地区为研究对象，通过利用树木年轮所反映的气候信息，构建了1500年至2005年间6至8月的scPDSI干旱指数以及1500年至2000年间5至9月的降水量变化数据，结果表明，目前东亚干旱区的干旱指数与过去500年间相比，并未出现显著差异，也就是说，在观测期间内，干旱指数的线性拟合曲线均位于过去500年变化范围的正负2倍标准偏差之内。然而，研究发现，自1950年以来，东亚干旱区干旱指数的年际波动幅度超过正负两倍标准差的频率显著上升，尤其是在极端干旱年份的数量上呈现出明显的增长趋势。这一发现揭示了东亚内陆干旱区在近几十年内频繁出现极端的干湿变化现象，尤其是干旱事件的发生频率有所提升。自1975年起，干旱地区的降水量与过去500年相比有了明显的上升态势；在1975年至2022年间，尤其是在2000年之后，年降水量常常超过了过去500年平均值的两倍标准差；这一现象表明，自2000年起，5月至9月的降水量或许将长期维持在极端高水平。该分析揭示，干旱气候的变化具有不确定性，这直接导致了我们对沙漠变迁的认知存在疑虑，同时也影响了人类对沙漠资源的开发利用程度。

全球沙漠的变迁受到降水变化的直接影响。蒸发量、气温以及湿度波动与沙漠的演变密切相关（见图2）。通过卫星遥感影像数据的分析，我们得知，我国新疆地区的沙漠面积在过去的110年里减少了22.3%，从裸露的沙漠转变成了被植被覆盖的土地；而冬季降水的增加和春季气温的上升则是导致这一转变的主要因素。据分析，我国西北地区“暖湿化”现象引发的气温上升、降水量提升、极端降水事件频发以及近地面风速降低，或许是导致沙漠植被增多、沙尘暴减少的重要因素之一。至于中国北方极端气候事件对沙漠化进程的影响，目前尚无充分的定量研究成果。在全球范围内，对于沙漠化的发展速度和程度的研究几乎一片空白，同时，关于全球干旱和气候变化的认知存在诸多争议，我们对于全球沙漠在年代和年度尺度上的变化规律知之甚少。

人类通过制定并执行土地资源管理措施，对干旱地带的植被演变产生了显著的影响。以清代中期为例，当时人口向我国西北地区大规模迁移至顶峰，期间，西北地区的众多草原被开垦为耕地，导致沙漠化问题愈发严重。自20世纪80年代改革开放启动，我国实施了“三北防护林工程”、“天然林保护工程”以及“退耕还林还草工程”等多项举措，这些措施显著提升了植被覆盖率，有效减轻了沙漠化带来的威胁。在过去20年间，我国仅占全球6.6%的植被覆盖面积，却为全球25%的植被叶面积净增长做出了贡献，这得益于我们制定并执行了有效的土地利用管理政策。科学研究和政策管理需同步推进，这既是遏制沙漠化蔓延的关键，也是确保沙漠地区人与自然和谐共生、实现高质量可持续发展的根本。

全球沙漠治理与生态系统临界点

2024年12月，沙特阿拉伯举办了《联合国防治荒漠化公约》第十六次缔约方大会（COP16），大会主题聚焦于“我们的土地，我们的未来”。在此次会议上，各国代表就荒漠化（含沙漠化）、土地退化以及干旱等关键议题进行了深入探讨，并取得了显著成果。大会将土地与干旱问题纳入更广泛的讨论范畴，并将其视为全球共同应对气候变化、生物多样性保护及粮食安全等复杂挑战的基础。经过长达40余年的持续奋斗，我国在防沙治沙领域取得了显著成就，走出了一条独具特色的道路，实现了生态保护与民生改善的良性互动，成为全球防沙治沙的榜样。作为一个沙漠面积广阔的国家，我国深受荒漠化问题的严重困扰。在未来的治沙防沙实践中，我们需要探讨如何遵循科学原理，提升工作效率，确保科学防治措施在精确、高效和持久方面得到实施，以达成可持续发展的目标，这些问题在科学领域亟待解决。

近几十年来，全球气候变暖现象日益明显，干旱气候因此作出了一系列反应，这些反应进而对沙漠的变迁和沙漠化进程产生了影响。然而，全球变暖的影响并非仅仅是“干燥地区变得更加干燥，湿润地区变得更加湿润”的简单模式，而是呈现出区域气候差异的演变、大气环流模式的改变以及干旱地区有效降水的分布不均等现象（见图2）。目前，公众对于全球沙漠地区未来气候变化的精确预报尚存不足，对沙漠气候变迁及生物地球化学循环的认知亦存在较大缺陷。过往的治沙工作，既有科学规划的成果，也有依赖经验的成效，还有局部区域的胜利，以及高成本投入的案例。当前，迫切需要增强在荒漠化防治工作中科学技术的支持力度，特别是要深入理解气候变化、人类活动、植被生态系统与沙漠演变之间的相互联系，阐明不同尺度气候变化（如极端降水和风力事件等）以及人类活动对沙漠变迁的效应，并制定出有效的科学策略来遏制沙漠化的发展。

目前，在地球行星尺度边界的九个要素中，已有六个要素突破了临界值。至于全球沙漠生态系统是否已进入不可逆转的变革阶段，亦或是沙漠化对气候变迁及人类行为的反馈是否已达到临界状态，目前尚无确切结论。因此，深化沙漠科学的基础理论研究，攻克沙漠演变及沙漠化进程中的关键基础科学问题，仍是对沙漠科学提出的重大挑战。

小结

在全球气候变暖的大背景下，干旱气候将引发一系列连锁反应，这些反应将进一步作用于沙漠的演变和沙漠化进程；同时，随着人类活动的日益加剧，沙漠化问题已演变成全球性的挑战，严重威胁着社会经济的高质量发展和可持续进步。科学探究沙漠在长时间与短时间尺度上的变化关联、不同时空尺度下沙漠变化的规律及其成因、未来干旱气候变迁对沙漠的影响，以及如何促进沙漠地区人与自然的和谐与高质量的发展，这些都是沙漠科学和沙漠工程学领域面临的新课题。携手攻克这些难题，是推动人类向沙漠进军的基石，也是沙漠科学发展不可或缺的途径。