三北地区主要荒漠类型的地质分布、成因及其发展趋势

三北地区主要荒漠类型的地质分布、成因及其发展趋势

1中国电力、地质环境综合整治和区域资源开发利用研究取得重要进展中国三北地区是中国最重要的沙漠地区。据统计,20世纪90年代仅三北地区沙漠和沙质荒漠化土地及风沙化土地面积就达144.95万km2,占全国荒漠化土地面积(262km2)的55%以上。其中,人类历史中形成的沙质荒漠化面积17万km2。此外,三北地区特有的黄土高原上,水蚀荒漠化面积已达43万km2,占黄土高原总面积的70%以上。这些荒漠化造成了严重的生态环境地质问题,如每年冬春两季肆虐于北方大部分地区的沙尘暴和沙尘天气,不仅造成重大的人畜伤亡事故,而且影响着工农业生产和人们正常的生活,造成直接的和间接的经济损失巨大。据有关部门统计,我国荒漠化的土地面积仍以2460km2/a的速度扩展,其中沙质荒漠化的发展速度更是制约国民经济持续稳定发展的重要因素,这已引起了全国国民和政府的高度重视。国家环保总局局长解振华2002年4月21日在中日韩环境部长会议上宣布,作为世界上受沙尘暴影响最严重的国家之一,中国政府已经投入了600亿元人民币防治沙尘暴。中国是一个人口众多的国家,为了解决全国人民的温饱和社会经济持续可发展等问题,在建国后的前30年时间内,党和政府动员有关部门采取了许多措施对我国土地沙质荒漠化、水土流失进行了多学科研究和治理工作。1977年联合国荒漠化会议后,国家环保局与中科院等单位合作开始了我国沙质荒漠化的调查、监测与防治研究。中国政府于1994年发表的《中国21世纪议程——中国21世纪人口、环境与发展白皮书》中,将荒漠化调查、监测与防治纳入中国荒漠化防治行动方案。明确指出:近阶段中国首先要建立防、治、用有机结合的荒漠化防治体系,建立荒漠化监测及信息系统,减少人为破坏导致的荒漠化扩展。同年,《联合国防治荒漠化公约》签署后,国家林业局被确定为我国防治荒漠化归口协调管理部门,并于1994～1996年组织了全国沙漠、戈壁及沙化土地普查。随后,有关荒漠化防治的专项规划和研究报告相继出台。中国地质调查局自成立以来,非常重视我国的土地荒漠化问题。在《中国21世纪议程》“开展荒漠化土地分布、面积、类型及有关自然和社会条件的基础性调查”的行动方针指导下,于2000年委托西北项目办公室承担了“中国北方荒漠化地质环境综合评价”项目。该项目对北方主要省区荒漠化地质环境做了综合评价,并对北方荒漠化环境地质调查评价做出了总体工作部署。为了全面开展荒漠化区域地质分布与分类、发展趋势的调查、深入研究荒漠化产生的地质背景及治理与自然环境的变迁等方面的研究,并且引起全社会的广泛关注,地调局于2001年下达了“中国三北地区荒漠化区域分类与发展趋势综合研究”项目和“华北北部荒漠化环境地质调查评价”项目。其目的在于为今后我国国民经济的可持续发展提出正确的、更加符合自然法则的荒漠化防治理对策建议。项目采取典型地区荒漠化环境地质调查、遥感解译和路线地质调查等方法、手段对工作区进行了以沙质荒漠化和水蚀荒漠化为主的地质调查。2地理位置和地质背景2.1山北、阴河流域中国三北地区(项目工作区)系指昆仑-秦岭-大巴山以北、包括西北5省(区)、山西、内蒙古、北京以北的部分地区;东西长逾3500km,横跨我国西北、华北和东北三大地域,面积约450km2。2.2区域构造环境的变化青藏高原的隆起是地球地质历史发展进程中的重大事件。据李吉均院士研究,印度板块与亚洲大陆碰撞之后,青藏高原经过4个分阶段(40～30MaBP,20MaBP,12MaBP,和4～3MaBP)的隆升,累计上升了3000～5000m。青藏高原的隆起上升,彻底改变了中国大地构造地貌格局。根据地质构造、地形地貌等特征,以北西西走向的马鬃山-合黎山-龙首山-乌鞘岭-渭河谷地一线和北东向的大兴安岭-太行山一线为界,将中国三北地区划分为3个大的地质构造地貌系,即西部的盆山构造地貌系、中部高原-谷地构造地貌系和东部低山-沉降平原构造地貌系(图1)。2.2.1河西走廊—西部盆山构造地貌系由大-巨型构造山系和一系列大型构造盆地组成,总体构造线呈北西西-近东西向。著名的盆地有准噶尔、塔里木、柴达木、吐哈以及河西走廊等,其中塔里木盆地、准噶尔盆地和柴达木盆地的大部分地区均是自燕山运动以来持续下降的封闭盆地,河西走廊和吐鲁番-哈密盆地的大部则是喜山运动逐渐上升的封闭盆地。这些封闭的盆地基本上属内流区,盆地内分布着著名的沙漠,如塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠、库坶塔格沙漠等。其中塔克拉玛干沙漠是世界第二大流动沙漠,面积达36.5万km2;古尔班通古特沙漠是我国最大的固定、半固定沙漠,面积达5.1万km2。其他较小的沙漠有库坶塔格沙漠、柴达木盆地内的沙漠等。这些沙漠的主要物质来源为晚更新世—全新世(Q2pp2～Qh)砂、砾石、砂质垆姆、黄土等。盆地周围为构造山链,有阿尔泰山、天山、祁连山、昆仑等高山。高山区出露有前寒武纪和古生代和中生代地层,以及华力西期、印支期花岗岩。高山区的山前地带多为由厚度较大的冲洪积物组成的冲洪积扇,分布着戈壁、草原和绿洲等。2.2.2高原山地沉积型由各具特色的、半封闭的高原组成,主要有阿拉善高原、鄂尔多斯高原、蒙古高原和河北坝上高原、呼伦贝尔高原和黄土高原等。这些高原多为内流区,也有外流区。阿拉善高原位于内蒙古西部,是喜马拉雅运动以来构造上升的高原,其上分布着巴丹吉林、腾格里、乌兰布和及亚玛雷克等四大沙漠。其中,巴丹吉林沙漠区表层为下更新统冲积湖积层,腾格里沙漠区表层为巨厚的内陆湖相沉积,乌兰布和沙漠区表层为夹淤泥的中细砂湖相地层。这些松散堆积物就构成了沙漠形成的物质来源。与阿拉善高原一样,鄂尔多斯高原也是喜马拉雅运动以来逐渐上升的高原。地质历史时期沉积的大量砂岩构成第四系松散沉积物的主要来源。早更新世-晚更新世,高原上的毛乌素沙漠、库布齐沙漠经历了从孕育-发展-扩张-收缩等数个旋回。全新统早期的大暖期,毛乌素沙漠退缩,大部分地区变成草丰地沃的草原。之后,随着高原的继续抬升和全球气候的变化,大多数湖泊逐渐消失,地下水水位下降。随着人类不同历史时期生产生活方式的改变和强度的变化,沙质荒漠化程度亦随着改变。库布齐沙漠位于高原北部白垩-侏罗系砂砾岩基底上,沙丘多为7～15m的新月形沙丘和格状沙丘。蒙古高原-坝上高原西起阴山以北,东达大兴安岭,南自阴山-燕山以北,北至国界。其中包括著名的浑善达克沙地、呼和浩特和锡林浩特草原,是我国最重要的畜牧生产区。该区自古生代形成大陆之后,长期处于风化剥蚀环境,仅在第三纪接受了部分沉积。浑善达克沙地则是第四纪气候变化与该区地壳运动的产物。呼伦贝尔高原位于内蒙古北部大兴安岭西侧,该地区广泛发育的晚更新统和全新统河湖相冲积、湖积、洪积砂和砾质土,与大兴安岭不断供应的坡积和冲洪积物质共同构成该沙地的丰富物质来源。黄土高原是我国特有的地貌类型,分布在黄河中游的甘肃中东部、陕西北部和山西中部。黄土高原是第四纪风尘堆积产物,具有自北而南颗粒逐渐变细的特征。黄土土质疏松、垂直节理发育,水的侵蚀切割作用易使其形成陡直的沟壑。黄土区特有的塬、梁、峁、川等地貌形态,是不同水土流失程度的表现。因此,黄土高原不仅是我国水蚀荒漠化的主要发生区,同时,流失的土层更是黄河泥沙的重要来源。2.2.3山系年代学及动力学演化由东北平原和华北平原等两大平原以及分割平原与高原的山系组成,基本上是外流区。这些山系从东北向西南依次为大兴安岭、燕山和太行山,它们隆起于燕山运动,在喜马拉雅山运动期上升。沙质荒漠化主要发生在西辽河平原的科尔沁沙地及其相邻地区。燕山运动以来,西辽河平原长期处于沉降过程中。沙化物质主要由地表全新统冲积、冲湖积、风积沙质土壤组成。3沙漠类型、区域分布和发展趋势3.1蚀荒、盐渍化、冻融荒三北地区的荒漠化类型有沙质荒漠化、水蚀荒漠化、盐渍化和冻融荒漠化等。本文主要对前两种主要荒漠化类型的区域地质分布、成因及其发展趋势和控制因素进行探讨。3.1.1从地表变化的角度上看,土地的沙物质与土地土壤条件和土壤组成改变,土壤物理环境为其主要的风光区范围中国三北地区的沙质荒漠化,根据其成因可分为就地起沙型、风沙侵入型和土地粗粒化型等3种类型。它们的成因取决于发生沙质荒漠化地区的地表组成物质特征、水文地质条件、气候条件和人类经济活动强度等。就地起沙型是指由于各种地质、人为因素使地表植被遭到破坏,土地退化和侵蚀,造成原地存在的沙物质出露,在风力作用下被迁移所形成的沙质荒漠化。典型的就地起沙型沙质荒漠化的形成过程有以下几种:①被全新统大暖期形成的古土壤(S0)覆盖的地质历史时期形成的流沙,由于地表植被被破坏、水文地质条件和降雨使其不能在较短时间内恢复、流水的侵蚀使S0之下的流沙出露,风力作用又将这层流沙搬运到地表、山坡等,从而构成就地起沙;②流经沙地的古河道两侧堆积的冲洪积物,当河流下切形成阶地,冲洪积物质在阶地上出露并被风力吹扬至地表,构成沙质荒漠化(图版Ⅰ-1);③沙质土壤由于农垦和废弃,原始植被被破坏,土地退化,风蚀作用使细粒物质被吹扬从而造成土地荒漠化(图版Ⅰ-2)。风沙侵入型沙质荒漠化是指由于风力作用,近源或远源的砂粒物质被吹扬而在沙物质源区之外聚集所造成的沙质荒漠化。前人大量的实验研究和野外观察表明,当风速>5～6m/s时,地表的沙物质才能被吹扬而起沙。如果要将沙物质依靠风力长距离搬运,不仅需要更大的风力,而且还需要有利的地形地貌、植被、水文地质等条件(图版Ⅰ-3)。因此,风沙侵入型沙质荒漠化的发展,主要取决于不同地区大风的风向、风力和沙源区的条件。地表土壤粗化或戈壁化,是北方干旱和半干旱地区含砾沙质草原荒漠化的主要特征。其成因是,以残坡积或冲洪积物和基岩风化壳为母质的含砾(10%～30%)沙质草原土,由于垦荒或过牧等原因使植被破坏、土质松散,在风力作用下,土壤中的腐殖质和粘土质、细砂等物质被吹蚀,造成地表残余物为砾石和粗粒砂(图版Ⅰ-4),植被稀疏,种属减少。当这种过程到达极端时,即形成类似戈壁的荒漠景观。因此,将上述荒漠化过程称为土壤粗化或戈壁化。3.1.2土高原区内土壤侵蚀是指在人类不合理的土地利用条件下,由于水的侵蚀作用造成水土流失、土地退化,最终导致类似荒漠景观的过程。根据水蚀荒漠化发生的地质背景及成因过程,可将其分为两类:以黄土高原分布区土壤侵蚀为主要特征的水蚀荒漠化和以山地基岩上的水土流失造成的水蚀荒漠化,分别称为黄土区水蚀荒漠化(土漠化)和岩漠化。黄土区水蚀荒漠化的形成与黄土的特征(疏松、具垂直解理)密不可分,水土流失不仅造成黄土分布区特有的塬、墚、峁地貌及其组合,也造成植被覆盖率降低,植物多样性的单一化,而且加上人类不合理的土地利用使这些地区呈现出类似荒漠景观(图版Ⅰ-5)。岩漠化过程首先是因人类乱砍滥伐或垦荒等造成植被破坏,水土流失使基岩出露、植被更加难以恢复,形成岩漠化(图版Ⅰ-6)。3.2区域分布和发展3.2.1克沙地及克拉玛干沙漠地区就地起沙型和风沙侵入型沙质荒漠化主要分布在我国北方西部盆地的沙漠周缘冲洪积扇上,中东部高原、冲积平原上的沙漠边缘地带、沙地内部和流经这些沙漠和沙地的古河道,以及河湖相砂质沉积物和以砂质沉积物为母质的土壤分布区。如塔克拉玛干和古尔班通古特等沙漠周围绿洲、河西走廊、如巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠的南缘、毛乌素沙地(图版Ⅱ-1)及沙地南侧黄土分布区、浑善达克沙地及其南缘(图版Ⅱ-2)、科尔沁沙地(图版Ⅱ-3)等。发展趋势上,新疆的塔克拉玛拉干北缘塔里木河下游、内蒙古西部黑河下游至额济纳旗、石羊河下游等地区,由于河流上游地区水资源的不合理利用、绿洲迁移等,沙质荒漠化发展迅速,造成极其严重的生态环境地质问题。以河西走廊为例,由于盲目修建水利工程,导致绿洲地区泉流量由32亿m3减少至14亿m3,其中,石羊河流域由年8亿m3接近完全消失,以至原有的荒漠生态系统遭到破坏;下游民勤地区水资源补给减少,地下水下降,大量植被死亡,草场退化,水质恶化,沙质荒漠化面积不断扩大。又如,由新疆塔里木盆地东北部塔里木河、孔雀河下游断流,大面积的胡杨林死亡,沙质荒漠化发展很快,以致使塔克拉玛干沙漠和库坶塔格沙漠近年来有合拢之势,已引起有关部门的高度重视。土地粗粒化主要分布在蒙古高原和坝上高原,即西起阴山之北、东到大兴安岭,南达燕山、北至国界的广大地区(浑善达克沙地除外)。其次,在银川平原的西北部、河西走廊绿洲南侧山前地带、天山北麓山前地带等均有分布。其中,以内蒙古阿巴嘎旗以东到锡林浩特西乌珠穆沁旗、镶黄旗-正蓝旗一带、河北坝上草原的大部分地区最为典型(图版Ⅰ-4、Ⅱ-4)。3.2.2u3000上中上游、下游地区的水蚀荒黄土区的水蚀荒漠化以北方中部黄土高原地区最为典型,其次在内蒙古东部科尔沁沙地以南的黄土分布也存在。调查研究表明,黄土高原大部分地区水蚀荒漠化形势依然严重。尤其是甘肃的定西、天水北部,宁夏的南部,陕西的绥德等地区,水蚀荒漠化呈进一步发展的趋势(图2)。近年来,陕西省实施的“山川秀美工程”使陕西北部地区不少地区的水蚀荒漠化在不同程度的减轻,尤以延安以南地区、吴旗、大柳塔等地,生态环境恢复较快,在一些县城周边和公路两侧,环境有较大的改观。岩漠化在山西太行山的北部局部地区、内蒙古的大青山、辽宁北部的大凌河中上游等地分布(图版Ⅰ-6)。岩漠化的发展趋势,大青山、太行山地区还在发展;大凌河中上游地区的岩漠化得到初步缓解(图版Ⅱ-5)。4典型区域砂化土地分布与发展趋势4.1植生状况分析榆林典型区西起雷龙湾,东达神木以东,北自秃尾河上游,南至无定河之南。即东经109°10′～110°40′,北纬38°0′～39°0′,总面积约1.45万km2。地貌上,区内西、西北部为平原,主要是由中低沙丘组成沙地;东南部为黄土丘陵沟壑区,切割强烈,边坡陡峻,沟谷切深逾200m。该区流经沙地的主要河流有无定河、榆溪河、窟野河、秃尾河等,沙丘平原区地下水主要为沙地丘间洼地孔隙水、松散沉积物孔隙水,埋藏较浅,富水程度较高;黄土区主要为黄土高原孔隙裂隙水,由于沟壑遍布,汇水面积小,补给少,地下水相对贫乏。通过遥感解译结合路线地质调查的方法,查清了榆林典型调查区20世纪80年代末和90年代末沙质荒漠化现状及其发展趋势。其中,20世纪90年代末期,该区沙质荒漠面积818.69km2(表1,图3b),占5.6%;严重沙质荒漠化面积3629.24km2,占25.0%;中度沙质荒漠化面积2551.22km2,占17.6%;轻度沙质荒漠化面积2850.00km2,占19.7%。沙质荒漠化面积总数为9849.15km2,占该区总面积的67.9%。由此可见,榆林典型荒漠化地质调查区内沙质荒漠化状况很严重。此外,该区内潜在沙质荒漠化土地面积达4163.7km2,占28.7%。比较而言,调查区20世纪80年代末沙质荒漠化问题更加严重(表1,图3a):沙质荒漠化面积总数为11042.98km2,占该区总面积的76.2%;其中,严重沙质荒漠化和中度沙质荒漠化土地面积分别为3928.89km2和3227.08km2,占全区总面积的49.4%。在荒漠化发展趋势上(图4),20世纪90年代荒漠化土地面积比20世纪80年代荒漠化土地面积减少了1193.83km2,其中严重沙质荒漠化和中度沙质荒漠化减少了975.51km2,占总数的81.72%。这些数据表明,该地区沙质荒漠化总体上呈逆转趋势,但在荒漠化土地周边的耕地区,潜在荒漠化相当严重,呈明显发展趋势(表1,图4)。此外,在河流上游地区,因为防治效果较差,荒漠化形势也较严峻。晚更新世末期的新仙女木事件在本区形成的流沙,代表着本区地质史上沙漠化的扩张(图5)。全新世大暖期形成的土壤,即黑垆土,具有磁化率高、粒径小、粘土质含量高的特征。说明这个时期气候湿润,沙漠退化,草丰水美。暖期之后,随着土壤沙化现象的逐渐加重,磁化率值开始减小,粒径增加(图5)。应当指出,调查区以长城两侧为代表,既是风沙区与黄土的接壤区,也是人类历史上战争频发区和农牧交错地带。历史资料记载表明,战国时代的毛乌素沙地依然是水美草丰、并有森林分布的沃土,直到公元413年赫连勃勃修建大夏国都统万城时,他赞美其地曰“临广泽而带清流”。长期以来,战争、农垦和过度放牧等使水土流失,脆弱的生态环境遭到严重破坏,无定河、窟野河、秃尾河等构成黄河泥沙的重要来源,造成了严重荒漠化。从9世纪开始,统万城就已“飞沙为堆、高及城堞”了。到20世纪50年代,毛乌素沙地已成为“四望黄沙,不产五谷”的沙漠景观了。同时,毛乌素沙地南侧的黄土区也变成了沟壑林立、满目疮夷的荒凉地。典型调查区东南侧就是这种景象的生动写照。因此,在该典型调查区内,除了对沙质荒漠化进行治理外,还应对因水蚀作用造成的荒漠化给与足够的重视,采取措施如退耕还林、陡坡改造等加强治理。榆林典型区20世纪80年代至90年代沙质荒漠化的逆转演化趋势,不是偶然的,是与数十年来当地政府和科学界重视沙漠化防治,尤其是当地居民长期不懈的努力分不开的。为了治理沙地,榆林市设立了治沙研究所;在当地地质背景和水文及水文地质条件许可的情况下,采取了引水拉沙、飞播种草(图版Ⅱ-6)等措施,使该区近十年沙质荒漠化得到遏制,并在一定程度上逆转。不仅使生态环境有了改善,而且提高了当地居民收入和生活水平。4.2土地其它从基本土壤中的砂化坝上典型区西起正镶白旗以西,东至围场-丰宁一带;北起太仆寺-正蓝旗,南到张北-丰宁以南,即东经114°39′～117°09′;北纬41°08′～42°21′,总面积2.8万km2。行政区划涉及河北省沽源、张北、康保、尚义、丰宁、围场等县,内蒙古自治区正镶白旗、太仆寺旗、正蓝旗、多伦县等。地貌上,该区大部分地区属坝上高原,北部为蒙古高原,地势平坦,地形起伏小;东南部山区,最高山峰赤城县北部的东猴顶,海拔2292m。区内主要河流有闪电河及其支流,东南部和西北部有较小的河流。西部坝上地区主要为内流区,形成一些高原湖泊。地下水方面,东部山区以基岩裂隙水为主,西部丘陵区为风化残积基岩裂隙水,富水性差;低洼地带为碎屑岩孔隙裂隙水,富水性较好。通过遥感解译和路线地质调查,查明了20世纪90年代末期区内各种沙质荒漠化的面积及其分布。沙质荒漠呈北西-南东向的带状集中在分布于正蓝旗-多伦县的南部,见到流动沙丘和少量沙垄,面积约165.6km2,占总面积的0.6%(表2,图6b);严重沙质荒漠化土地面积1055.4km2;占3.8%;中度沙质荒漠化4125.7km2,占14.7%;轻度沙质荒漠化8935.6km2,占31.9%。由此可见,90年代末期坝上典型调查区内沙质荒漠化土地面积占该区总面积的50%以上,表明该区土地沙质荒漠化已经非常严重。尽管90年代末期与80年代末期(表2,图6a)相比,沙质荒漠和严重沙质荒漠化面积分别减少了58.8%和48.3%,沙质荒漠化治理工作初见成效。但该区的潜在沙质荒漠化面积(表2,图6a)却由4605.27km2增加到8773.9km2,增加了90%。因此,在沙质荒漠化趋势图(图7)中,该区沙质荒漠化总体上依然是呈发展趋势。坝上地区自太古界基底形成之后,地质历史上沉积时期短暂,长期处于风化剥蚀中。晚石炭世和早二叠世的砂岩、细砂岩、花岗岩,以及下-中更新统大量的河湖相沉积细砂层和砂砾石层等构成沙物质的主要来源。全新世以来,坝上地区气候在6900～5700aBP大暖期中是最稳定的暖湿时期,多数地区发育了厚度不同的深褐-灰黑色砂质古土壤(图8)。之后,气候逐渐干旱,土地退化。与榆林典型区相似的是,坝上典型区在13世纪之前依然林木茂盛。元代以后,随着政治、经济中心的迁移,北京周围大量森林被砍伐,大面积荒地被开垦。尤其是清初以来,气候逐渐变冷干(旱),人类砍伐森林和开垦荒地的活动却不断加强,不仅造成草原土壤开始退化,地表土壤中的有机质含量逐渐降低,而且造成严重的水土流失。近50年来,随着该区人口和农牧业的迅猛发展,草原植被覆盖率逐渐下降,脆弱的生态环境受到极大破坏,土地沙化愈来愈烈。在风力作用下,沙土中较细粒物质被吹扬,较粗粒物质(如粗粒砂、砾石等)残留原地,在地表形成薄厚不一的片沙-砾石堆积(图版Ⅰ-4、Ⅱ-4),导致土地戈壁化,应引起有关部门的关注和重视。5荒漠化3.中国三北地区沙质荒漠化和水蚀荒漠化的形成、类型及其区域分布,明显受地质构造、荒漠化土壤母质性质、水文地质条件和气候条件等地质因素的控制。其主要表现形式如下。(1)中国三北地区沙质荒漠化主要可分为就地起沙型、戈壁化和风沙侵入型等3种类型。就地起沙就是由于各种地质、人为因素使地表植被遭到破坏、土地退化和侵蚀,造成原地存在的沙物质出露、在风力作用下被迁移所形成的沙质荒漠化。在不同的地质背景下,就地起沙型沙质荒漠化有3种主要的形成过程,即上覆土壤层被侵蚀使下伏流沙出露、古河道河流相沙,因河流下切而出露和沙土地弃耕等。风沙侵入型沙质荒漠化是指主要由于风力作用造成的沙质荒漠化,其形成不仅取决于风力,而且还与地形地貌、植被、水文地质等条件有关。戈壁化则是以残坡积或冲洪积物和基岩风化壳为母质的含砾沙质草原,因植被破坏,风力作用使土壤中的腐殖质