白耀楠，劉宏偉，馬震，蔣萬軍，苗晉杰*，杜東

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津300170；2.華北地質(zhì)科技創(chuàng)新中心，天津300170）

土地沙化在干旱、半干旱地區(qū)破壞原本脆弱的生態(tài)平衡，是當(dāng)今人類面臨的環(huán)境退化和資源過度利用問題之一。截至2014年，我國沙化土地總面積17 211.75 萬公頃，占國土總面積的17.93%。其中，輕度沙化土地面積2 611.43 萬公頃，占沙化土地總面積的15.17%；中度2 536.19公頃，占14.74%；重度3 335.22萬公頃，占19.38%；極重度8 728.90萬公頃，占50.71%[1]。土地沙化影響因素具有多樣性且影響人地耦合系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，其影響因素與驅(qū)動力研究一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注熱點。中國北方干旱半干旱地區(qū)已開展了大量土地沙化的相關(guān)研究，科爾沁沙地、呼倫貝爾沙地沙漠化進(jìn)程主要受自然因素的影響；黑河流域、瑪曲高原沙漠化受人為因素主導(dǎo)；而黃河源地區(qū)、毛烏素沙地沙漠化受自然因素和人類活動共同影響[2-5]。土地沙化是自然和人為因素共同作用的結(jié)果，在我國北方農(nóng)牧交錯區(qū)尤為突出，沙化過程以耕地風(fēng)蝕作用和草場風(fēng)積作用為主，堆積的風(fēng)沙物質(zhì)多來源于本地區(qū)地表的物質(zhì)，即屬于“就地起沙”。

近年來，學(xué)者們在土地沙化嚴(yán)重地區(qū)重點關(guān)注了沙化的物質(zhì)來源，分析了連續(xù)而完整的風(fēng)成沉積序列，揭示了我國北方東部沙區(qū)在第四紀(jì)的多次荒漠化歷程。張殿發(fā)等分析不同荒漠化地區(qū)物質(zhì)成分的差異，揭示了鄂爾多斯高原、張北-壩上高原、科爾沁草原、呼倫貝爾草原4個地區(qū)沙源豐富、土壤瘠薄、地表結(jié)構(gòu)脆弱，地表砂質(zhì)碎屑的來源賦存于下伏淺部的第四系砂層[6]。趙福岳等利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)，結(jié)合實地地質(zhì)調(diào)查、光釋光測年及孢粉數(shù)據(jù)，從地層、新構(gòu)造和沉積環(huán)境等角度闡述了松遼平原晚更新世晚期湖積環(huán)境的形成與變化，提出了松遼平原晚更新世晚期湖積環(huán)境或湖積物質(zhì)是區(qū)內(nèi)荒漠化形成與發(fā)展的地質(zhì)基礎(chǔ)[7]。吳昕等以錫林河中游的吉爾嘎郎圖平地小草原為例，建立了第四系栗鈣土6種微相的粒度分布模型，查明了沙化沙源為河流侵蝕成因，沙源來自下伏白堊系頂部的古河流-三角洲砂體[8]。姜興鈺等通過對西遼河中游科爾沁區(qū)三義堂剖面及相鄰地區(qū)晚全新世沉積物組成、沉積相、地層層序、年代學(xué)及寬淺河谷、沙地地貌的初步研究，揭示了古西遼河沖洪積砂、古科爾沁沙地風(fēng)成砂、古湖泊泥質(zhì)沉積與古土壤層的基本地層關(guān)系[9]。綜合已有研究來看，土地沙化空間格局演變和影響因子十分復(fù)雜[10]，是自然因素和人類工程活動共同作用的結(jié)果，分析淺部第四系沉積相和沉積環(huán)境是揭示“就地起沙”型土地沙化沙源及其演化規(guī)律的重要方法[11]。本文以康?？h北部為例，分析土地沙化影響因素、淺部地層結(jié)構(gòu)及沉積環(huán)境，揭示研究區(qū)土地沙化地表碎屑來源，為研究當(dāng)?shù)赝恋厣郴莼?guī)律及土地沙化防治奠定了基礎(chǔ)。

1 區(qū)域地質(zhì)環(huán)境

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

康?？h位于河北省西北部，地處冀蒙結(jié)合部內(nèi)蒙古高原的東南緣，屬陰山穹折帶，俗稱“壩上高原”，平均海拔約1 450 m，地勢由東北向西南緩緩傾斜，地貌大致可分為低山丘陵區(qū)、緩坡丘陵區(qū)和波狀平原區(qū)三種類型（圖1）。從前寒武紀(jì)時期開始，本地區(qū)主要經(jīng)歷了以阜平運動、五臺運動和呂梁運動為主的構(gòu)造活動，自早三疊世起又經(jīng)歷了印支運動、燕山運動和喜馬拉雅三次運動，控制了區(qū)內(nèi)整個侏羅紀(jì)的斷裂、褶皺、巖漿活動與沉積作用，第四紀(jì)時期，地殼仍然繼續(xù)活動，壩上地區(qū)長期遭受南北向地應(yīng)力作用的隆起，第四系堆積物受到強(qiáng)烈的切割、剝蝕、沉積作用。區(qū)域基巖地層主要包括：下二疊統(tǒng)額里圖組（P1e）、下二疊統(tǒng)于家北溝組（P1y）、上侏羅統(tǒng)張家口組（J3z）。區(qū)域第四系地層分布廣泛，主體由更新世-全新世松散堆積物組成，自下而上地層巖性主要為灰色含泥礫石層或礫石層、棕紅色粉質(zhì)粘土、淺黃色中粗砂與砂礫石、灰黃色粉土與細(xì)砂以及全新世湖沼積、沖洪積堆積的粉質(zhì)粘土、粉土。研究區(qū)位于康?？h北部，行政區(qū)劃主要隸屬康?？h照陽河鎮(zhèn)、化德縣七號鎮(zhèn)，范圍：東經(jīng)114°30′00″—114°45′00″，北緯42°10′00″—42°00′00″，面積約400 km2。

1.2 主要環(huán)境地質(zhì)問題

壩上康保、張北、沽源、尚義4縣沙化程度最為嚴(yán)重，沙漠化土地80 萬hm2，占壩上土地總面積的60%。研究區(qū)土地面積不同程度出現(xiàn)沙化，并且有加速擴(kuò)展趨勢，大面積墾草種糧，草原植被遭到破壞，地表細(xì)土大量被風(fēng)吹走，風(fēng)口地段每年被風(fēng)蝕土層數(shù)厘米，土壤質(zhì)地愈來愈粗，大于0.01 mm的沙礫占土壤組成約80%，已接近沙漠邊線及外延的黃土堆積的機(jī)械組成。目前，該區(qū)不僅成為我國生態(tài)環(huán)境惡化最嚴(yán)重的地區(qū)，而且作為全國貧困地區(qū)和沙塵暴的發(fā)源地之一，已經(jīng)威脅到該區(qū)的社會穩(wěn)定以及京津地區(qū)的生態(tài)安全。

2 土地沙化特征

本文以《沙化土地監(jiān)測技術(shù)規(guī)程（GB/T24255-2009）》中沙化土地分級為基本劃分依據(jù)，利用2018年SPOT 6 高分衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，采用人機(jī)交互解譯和自動信息提取相結(jié)合的方法，在研究區(qū)開展了1/5萬精度的土地沙化遙感解譯，并進(jìn)行了野外驗證。2018年遙感解譯結(jié)果顯示（圖2），土地沙化總面積達(dá)371.18 km2。其中，重度沙化區(qū)面積6.12 km2；中度沙化區(qū)面積104.57 km2；輕度沙化區(qū)面積260.49 km2。對比2013年研究區(qū)土地沙化程度有輕微改善，有4.84 km2的中度-重度沙化區(qū)改善為輕度沙化區(qū)（表1）。

圖1 區(qū)域地層略圖Fig.1 Regional stratigraphic sketch

3 土地沙化影響因素

研究區(qū)土地沙化程度主要受氣候條件、地質(zhì)因素和人類活動的影響。氣候條件主要包括降水量、蒸發(fā)量和風(fēng)速；地質(zhì)因素主要為土壤類型與母巖來源、地形地貌、地下水位埋深等；人類活動包括濫墾、濫牧、地下水開采等。

3.1 氣候因素

圖2 2018年研究區(qū)土地沙化現(xiàn)狀圖Fig.2 Land desertification status map of the study area in 2018

表1 2013—2018年研究區(qū)土地沙化變化一覽表Tab.1 Land desertification change table of the study area from 2013 to 2018

氣候因子的波動是沙化發(fā)生與逆轉(zhuǎn)演變的主導(dǎo)原因，現(xiàn)代氣候變化也直接影響了沙化的進(jìn)退，氣候變化是造成沙漠化的關(guān)鍵因素?？当？h屬于北溫帶半干旱大陸性氣候，為壩上寒冷干旱區(qū)，屬農(nóng)牧交錯地帶，生態(tài)環(huán)境脆弱帶，區(qū)域上位于內(nèi)蒙古渾善達(dá)克沙地南緣[12]。全縣受蒙古氣流控制，年平均氣溫1.2℃，年均降水量不足400 mm，蒸發(fā)量較大，是降水量的4 倍以上。六級以上的大風(fēng)天氣每年約為60 天，沙塵暴天氣每年約為14天。降水量少、蒸發(fā)量大、四季多強(qiáng)風(fēng)是該區(qū)土地沙化的重要影響因素。

3.2 地質(zhì)因素

3.2.1 土壤類型與母巖來源

不同時期地層的砂質(zhì)是沙漠化的地質(zhì)基礎(chǔ)。研究區(qū)土壤類型主要為栗鈣土，養(yǎng)分含量較少，土壤較貧瘠，砂粒含量多。農(nóng)田耕作層厚度一般不超過30 cm，土地淺部鈣積層分布廣泛，在冬季受到大風(fēng)天氣的侵蝕，極易沙化。研究區(qū)域內(nèi)中生代侏羅系地層普遍發(fā)育，主要為一套陸相沉積建造、火山巖系、侵入巖建造，特別是區(qū)內(nèi)較大面積分布的花崗巖體，化學(xué)成分中SiO2、Al2O3含量高，MgO、FeO含量低。相應(yīng)礦物組合以石英、酸性斜長石、鉀長石和黑云母為主，在干旱少雨的氣候條件下，易于風(fēng)化形成砂粒，帶來了較多的砂質(zhì)成分來源，為土地沙化提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。地表砂層發(fā)育較普遍，大部分地區(qū)土地沙化是由已堆積的沙層以及基巖中的砂質(zhì)物質(zhì)在地表植被被破壞后，由風(fēng)蝕作用發(fā)展起來的[13]。

3.2.2 地形地貌因素

地形地貌制約著地表圈層與大氣圈層、水圈層的物質(zhì)循環(huán)和地面物質(zhì)的運移，影響著生物圈的活動和自然資源的分布，一定程度上制約了土地沙化的分布和演化的地理格局。區(qū)內(nèi)主體地貌為波狀高原、低山丘陵區(qū)，土地易受到風(fēng)蝕，細(xì)粒物質(zhì)被吹失，粗粒物質(zhì)相應(yīng)增多，導(dǎo)致地表粗糙化，也使得沙質(zhì)沉積物呈斑點狀或片狀暴露于地表。丘陵山前由于有一定坡度，易引起該區(qū)土壤侵蝕、水土流失。地表中的細(xì)粒物質(zhì)被剝蝕搬運，土壤肥力下降，植被生長最基本的肥力不足，在長期的這種剝蝕作用下，土壤中的沙粒物質(zhì)被自然分選出來，暴露于地表。

3.2.3 地下水位埋深

地下水是影響土地沙漠化的重要因素，地下水位的下降（圖3）造成土壤水條件失衡，影響了土壤的物理、化學(xué)及生物等水土保持條件，植物根系無法吸取所需水分[14-16]。在風(fēng)蝕作用下，致使大面積地表植被覆蓋度減少，最終導(dǎo)致土地沙化。

圖3 康33地下水位埋深曲線圖（據(jù)河北第三地質(zhì)大隊）Fig.3 Buried depth curve of groundwater level in Kang33 (according to Hebei No.3 Geological Group)

3.3 人類活動因素

研究區(qū)內(nèi)85%的耕地系由波狀沙質(zhì)草原及固定沙丘（沙地）開墾得來，這些地區(qū)地廣人稀，總體采用較粗放的廣種薄收方式，因此一般經(jīng)過數(shù)年，開墾地就因沙害或天然肥力衰退而被迫棄耕。撂荒地?zé)o植被保護(hù)，在風(fēng)蝕作用下“暗沙”很快翻為“臥沙”，導(dǎo)致流沙蔓延，土地沙漠化進(jìn)程加快。

過度放牧，在牲畜頭數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過草地載畜能力的情況下，由于牲畜毀滅性的啃食和踐踏造成草地退化、植物種群遞減，在風(fēng)蝕作用下，導(dǎo)致草地沙漠化[17]。過度放牧引起的沙漠化，往往以畜群點或水井點為中心，呈環(huán)狀向外擴(kuò)散。前幾十年，壩上地區(qū)的牲畜頭數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過草地載畜能力，引起草地的退化，近年來已經(jīng)不斷改善。

部分地區(qū)因農(nóng)灌等抽采地下水，引起地下水位的持續(xù)下降，雖然農(nóng)田得到了灌溉，土地沙化程度減弱，但農(nóng)田周邊的大面積天然林、草原植被因地下水位的下降出現(xiàn)明顯的干枯，造成防風(fēng)固沙能力減弱。

4 淺表沉積物質(zhì)空間分布與土地沙化物源關(guān)系

本次在研究區(qū)內(nèi)部署了260眼人工淺鉆，鉆探總進(jìn)尺505 m，平均孔深為2 m，控制孔深為3 m。人工淺鉆和剖面露頭揭露的淺部地層主要分為4層，詳述如下：

第一層：表層土，一般出露于季節(jié)性流水和河道以及與之相連的低洼地帶，為湖沼積+沖洪積（Qhf1+ap1）沉積，巖性由灰色粘質(zhì)砂土、粉土、細(xì)砂及砂礫石組成，部分地區(qū)缺失，最大厚度＞1.1 m。

第二層：含粉質(zhì)粘土細(xì)砂層，以紅棕色、濁紅棕色為主，細(xì)砂主要成分由長石、石英、云母、角閃石等組成，含粉質(zhì)粘土細(xì)砂層一般厚約0.15～1.5 m，頂部還有植物根系，底部可見有10～30 cm厚的含碎石砂礫層或砂礫石層，除個別孔位缺失外，分布范圍較廣。對應(yīng)區(qū)域地質(zhì)資料相當(dāng)于馬蘭組（Qp3m），地貌上多構(gòu)成坡洪積裙（臺地）或者Ⅱ級階地，巖性組合為坡洪積及少量風(fēng)積細(xì)砂層夾砂礫石透鏡體。研究區(qū)內(nèi)較純的風(fēng)積黃土較少，在沖溝兩側(cè)或盆地邊緣多為坡洪積粉土夾砂礫石條帶。

圖4 淺部地層三維剖面圖Fig.4 Shallow stratigraphic section of the study area

圖5 研究區(qū)淺部地層三維結(jié)構(gòu)立體圖Fig.5 Three-dimensional structure of shallow strata in the study area

第三層：主要為中砂、中粗砂層，以黃白色、淡黃色、黃橙色為主，砂層主要由長石、石英、云母等組成，發(fā)育水平層理或小角度斜層理，一般厚約0.1～2 m，平均厚度1.5 m，底部可見有10～20 cm厚的含礫砂層，少數(shù)鉆孔見含少量有機(jī)質(zhì)的灰色中細(xì)砂層。整體上該層呈中薄層狀，區(qū)域上對應(yīng)為遷安組（Qp3q），主要分布在沖溝的下部，或隱伏于馬蘭組（Qp3m）之下，地貌上多構(gòu)成河流Ⅱ級階地。

第四層：粉質(zhì)粘土層，以紅棕色、亮紅棕色為主，呈硬塑-可塑，切面較為光滑，濕時可搓成長條，干強(qiáng)度高，多含鐵錳斑塊及鈣質(zhì)結(jié)核，頂部含砂量較高，向下逐漸減少至尖滅。整層厚度沿地勢由北向南逐漸變薄，本層多為隱伏地層，分布范圍較廣，上覆地層為遷安組黃色砂層或砂礫層，區(qū)域上對應(yīng)為赤城組（Qp2c）。該層巖相較為簡單，為一套湖相沉積物，由于該層的大面積分布且地層較厚，直接影響了潛水的分布與潛水對下部承壓水的補(bǔ)給。

對比淺部地層三維結(jié)構(gòu)立體圖與土地沙化現(xiàn)狀圖（圖2、圖5），淺部地層沉積特征與土地沙化程度具有良好的對應(yīng)關(guān)系。淺部地層中的第一層和第二層（Qp3m）是對沙化或植物生長與分布影響最大的兩套地層，該地層較薄或缺失的地方植物生長較差或直接風(fēng)蝕沙化，更為重要的是這兩套地層整體厚度較小，下伏地層又多見中粗砂層，沙化體現(xiàn)的更為直接。第三層（Qp3q）基本層序由三個單元組成，下部單元由河床相砂礫石層構(gòu)成，具疊瓦構(gòu)造，底界面發(fā)育侵蝕構(gòu)造；中部單元由心灘相含礫粗砂構(gòu)成，具平行層理；上部由河漫灘相細(xì)砂組成，發(fā)育平行層理。該基本層序顯示自下而上由粗變細(xì)的特征，屬于河流沉積相。出露地表的中粗砂層（Qp3q）在研究區(qū)內(nèi)土地沙化體現(xiàn)的最為明顯。通過淺部地層結(jié)構(gòu)空間分布特征與土地沙化現(xiàn)狀對比分析，表層土（Qhf1+ap1）與含粉質(zhì)粘土細(xì)砂層（Qp3m）厚度與中粗砂層（Qp3q）在空間上的分布特征是土地沙化的直接影響因素，含粉質(zhì)粘土細(xì)砂層（Qp3m）厚度較小地區(qū)一般為土地輕度沙化區(qū)；多數(shù)中粗砂層（Qp3q）裸露區(qū)是土地中度和重度沙化區(qū)，而且能夠就地形成小面積的流動沙丘。

5 結(jié)論與建議

影響土地沙化的因素主要有氣候、地質(zhì)及人類活動等因素影響。研究區(qū)分布大面積不同粒度的干燥砂層、沖洪積砂層是沙化的物質(zhì)基礎(chǔ)。干旱少雨一方面加速巖土的物理風(fēng)化，另一方面使表層物質(zhì)更加干燥而缺少粘結(jié)力，是促使沙化惡化的作用力。常年盛行的西北風(fēng)是導(dǎo)致沙化主要的自然因素，植被稀疏、微起伏的地貌條件為大風(fēng)肆虐創(chuàng)造了有利的場所。另外，以往盲目的造田毀林，不合理的耕作方式，超載放牧等人為因素也加劇了沙化發(fā)生發(fā)展。淺部地層沉積結(jié)構(gòu)對土地沙化的影響最為直接，表層土（Qhf1+ap1）與含粉質(zhì)粘土細(xì)砂層（Qp3m）普遍較薄，而下伏地層（Qp3q）的中粗砂發(fā)育較普遍，多數(shù)裸露區(qū)能夠就地形成小面積的流動沙丘。研究區(qū)內(nèi)土地沙化是由已堆積的砂層（Qp3m ,Qp3q）或基巖中的砂質(zhì)物質(zhì)在地表植被被破壞后，在風(fēng)蝕作用下，“就地起沙”發(fā)展起來的。

康保縣生態(tài)防護(hù)區(qū)是河北省建立京津冀生態(tài)環(huán)境支撐區(qū)的重要組成部分，以防風(fēng)固沙和涵養(yǎng)水源為主要生態(tài)功能，肩負(fù)著構(gòu)建京津冀綠色生態(tài)屏障的任務(wù)，其生態(tài)環(huán)境狀況直接影響京津冀的大氣和水資源安全。做好壩上地區(qū)生態(tài)環(huán)境評價和保護(hù)工作，解決好區(qū)域生態(tài)環(huán)境問題對京津冀生態(tài)環(huán)境建設(shè)和資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。建議該地區(qū)提高植被覆蓋率，構(gòu)建“以草為主，以林為輔”的生態(tài)建設(shè)格局，增強(qiáng)防風(fēng)固沙生態(tài)功能；采用多種形式保護(hù)土壤，促進(jìn)形成良好土壤結(jié)構(gòu)；調(diào)整農(nóng)牧比例，合理利用水資源[18-21]。