河北壩上小灤河流域不同沉積單元粒度特征及其荒漠化的影響

王占亮，衛(wèi)曉鋒 ，魏浩，李霞

（1.承德應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，承德 067000；2.中色紫金地質(zhì)勘查（北京）有限責(zé)任公司，北京 100012；3.北京礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100012；4.河北地質(zhì)大學(xué)生態(tài)環(huán)境地質(zhì)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，石家莊 050031；5.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081）

0 引言

荒漠化是指由于氣候變化和人類活動(dòng)等因素所造成的干旱和半干旱、半濕潤(rùn)地區(qū)的土地退化?；哪纬蛇^程包括前期潛在荒漠化階段和后期荒漠化階段，潛在荒漠化階段主要是自然因素創(chuàng)造了沙漠化物質(zhì)來源、形成適宜的地質(zhì)環(huán)境和強(qiáng)大的動(dòng)力條件（劉平貴和李雪菊,2000）；后期荒漠化階段突出人為不合理的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)生活行為疊加。前人研究多注重氣候條件和人為因素變化，對(duì)荒漠化前期潛在的地質(zhì)作用研究較少（Lu et al.,2005;衛(wèi)曉鋒等,2020a），忽視地質(zhì)過程對(duì)沙漠化的控制約束作用。

承德壩上小灤河流域上游處于渾善達(dá)克沙地東南緣，海拔1000～1700 m,形成了低溫、少雨、多風(fēng)、高蒸發(fā)的氣候特征，是我國(guó)北方典型的農(nóng)牧交錯(cuò)帶，歷史上素有“塞北草原”之稱。隨著1952年、1960年、1975年3次較大規(guī)模的墾草耕種活動(dòng)，草原生態(tài)環(huán)境遭到破壞，土地沙化加劇，造成土壤風(fēng)沙化、鹽漬化和荒漠化（石玉芳和徐東瑞,1996）。本文通過對(duì)承德壩上小灤河流域上游不同沉積單元空間結(jié)構(gòu)、粒度特征分析，探討地質(zhì)作用對(duì)該地區(qū)土地荒漠化分布的影響，探索土地荒漠化的生態(tài)修復(fù)路徑。

1 地質(zhì)環(huán)境概況

研究區(qū)大地構(gòu)造位置位于內(nèi)蒙古高原的西南緣。在新生代燕山運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，喜馬拉雅構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致印度板塊向歐亞板塊之下俯沖和碰撞（郭令智等,1992;Sengor and Burtman,1994），發(fā)生近南北向擠壓及其派生的近東西向的伸展作用（陳發(fā)景和汪新文,1992;賈承造,2007;馬收先等,2011;唐亮等,2014）。沿林西-上黃旗-烏龍溝深斷裂將區(qū)域分割為兩大斷塊，北西側(cè)為河北壩上準(zhǔn)平原化的第四系堆積區(qū)地貌，南東側(cè)為壩下（冀北）中高山區(qū)侵蝕切割地貌（吳忱,2008）。小灤河流域上游屬于北側(cè)壩上準(zhǔn)平原化的第四系堆積區(qū)地貌單元。

該區(qū)域主要出露新近紀(jì)的漢諾壩玄武巖和全新紀(jì)松散堆積層，其中全新紀(jì)松散堆積層是荒漠化的主要物源。堆積物質(zhì)包括沖洪積（Qhalp）、沖湖（沼）積（Qhaln）、湖（沼）積加風(fēng)積Qhaln+eol、風(fēng)積物（Qheol）、風(fēng)積殘積物（Qheole）五種（承德幅、圍場(chǎng)幅區(qū)調(diào)報(bào)告，1990①），形成不同的生態(tài)地質(zhì)單元（圖1）：①全新世沖洪積物（Qhal）主要分布工作區(qū)的西南的現(xiàn)代河床內(nèi)，主要為土黃色、淺灰色松散的砂礫石、亞砂土、亞粘土堆積物，發(fā)育了河湖相濕地單元。②沖湖（沼）積（Qhaln）分布在現(xiàn)代湖泊或干湖中，由黑灰色淤泥、含粉砂淤泥、及粉細(xì)沙組成。③湖（沼）積加風(fēng)積Qhaln+eol呈現(xiàn)二元結(jié)構(gòu)，底部淺灰色亞沙土、粉砂、炭質(zhì)粘土，頂部多疊加風(fēng)積沙層，發(fā)育河湖殘積混合灌草單元。④全新世風(fēng)積物（Qheol）分布極為廣泛，呈現(xiàn)為沙地、沙丘及沙壟地貌，由松散的黃白色沙構(gòu)成，成分為石英、長(zhǎng)石、巖屑等碎屑物質(zhì)，局部發(fā)育古土壤層，形成風(fēng)成相沙地稀疏草地單元。⑤全新世風(fēng)積物（Qheol）主要是古風(fēng)成砂、黃白色粉砂構(gòu)成，頂部覆蓋殘積物、坡積物及沖洪積物，形成風(fēng)成殘積混合草地單元

圖1 河北壩上小灤河流域地質(zhì)圖

2 沉積單元結(jié)構(gòu)和粒度特征

2.1 沉積結(jié)構(gòu)空間特征

小灤河流域第四紀(jì)沉積物空間分布主要受河流的侵蝕和沉積作用，風(fēng)的搬運(yùn)和沉積作用兩種地質(zhì)營(yíng)力控制，分別形成沖洪積物、風(fēng)積物（縱向沙壟和風(fēng)成沙）和混合堆積物。

沖洪積物主要沿小灤河流域兩側(cè)河床及河漫灘分布，由濱河床淺灘沉積物、濱河床砂壩帶細(xì)-粉砂沉積物、河漫灘沿河帶亞粘土-亞砂土沉積物3種沉積結(jié)構(gòu)類型組成。小灤河流域黃土山一帶Ⅲ號(hào)河道相沉積物結(jié)構(gòu)特征：①0～0.7 m為灰褐色亞砂土層，結(jié)構(gòu)疏松，含植物根系；②0.7～1.3 m為灰褐色砂質(zhì)層；③1.3～1.6 m為黃色砂土層（圖2）。

圖2 河北壩上御道口牧場(chǎng)采樣位置

風(fēng)積物主要沿北西向主風(fēng)向延伸，呈窄長(zhǎng)平直的壟狀沙體，分布于小灤河流域的西側(cè)。小灤河流域后暖泉子Ⅱ號(hào)剖面的壟狀沙體結(jié)構(gòu)特征：①0.1～1.2 m黃色砂質(zhì)層，無植被；②1.2～1.6 m為黑褐色古土壤層，含有黑褐色粘土、亞粘土；③1.6～2.3 m 為黃色砂質(zhì)層（圖2）。

在小灤河流域河道兩側(cè)分布大量河道相沖洪積物與風(fēng)成相風(fēng)積沙混合“二元”堆積層。石門河?xùn)|南岸Ⅰ號(hào)河道相沉積與風(fēng)積沉積物呈互層狀，其結(jié)構(gòu)特征：①0～0.7 m灰褐色亞砂土層，結(jié)構(gòu)疏松，其中0～0.4 m含植物根系；②0.7～1.50 m為黃色砂土層；③1.50～1.55 m為紅褐色含鐵質(zhì)結(jié)核砂層；④1.55～1.65 m為褐黃色砂土層，局部見到礫石，粒徑1～3 cm，呈渾圓狀；⑤1.70 m～未見底，結(jié)構(gòu)疏松，達(dá)到地下潛水面。石門河Ⅱ號(hào)風(fēng)積沙上覆河道相沉積物，0～0.8 m內(nèi)粉砂質(zhì)和粘土成分增加，采樣位置如圖2所示。

2.2 沉積物粒度特征

根據(jù)不同沉積單元結(jié)構(gòu)特征，在每個(gè)層位采集粒度分析樣品，共計(jì)采集36件。粒度分析測(cè)試在南京聚尚分析測(cè)試中心進(jìn)行，采用激光散射法，實(shí)驗(yàn)設(shè)備型號(hào)為Mastersizer2000型激光粒度散射儀，測(cè)量范圍為0.02～2000 m可獲得100個(gè)粒級(jí)的百分含量數(shù)據(jù)，并給出每一粒級(jí)的百分含量，同時(shí)可提供粒度分布曲線和累積曲線（雷國(guó)良等,2006）。根據(jù)不同沉積單元粒度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（表1），分析粒度的空間分布規(guī)律：

表1 小灤河流域剖面（Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ）粒度分析及參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

河流相水成沉積物分布受河床的形態(tài)、地貌特點(diǎn)以及河床形成階段等因素影響，具有礫、砂、粉砂、粘土粒度組合多樣性和空間分布差異性。在河道相水成沉積物的Ⅲ號(hào)剖面中，砂質(zhì)含量為47.07%～89.06%，粉砂質(zhì)含量為8.89%～45.95%，粘土含量為1.60%～9.88%，局部含有礫石。粒度曲線呈雙峰不對(duì)稱，粒度累積概率曲線以一段式、二段式、三段式（圖3a、b）。

風(fēng)成相的風(fēng)積沙沉積物的粒度相對(duì)集中，風(fēng)積沙為主的Ⅳ號(hào)剖面中砂質(zhì)含量為92.83%～100.00%，粉砂質(zhì)、粘土含量均小于5%（圖3c、d）。在0.8～1.5 m的古土壤層中粉砂含量為12.22%～15.19%、粘土含量為2.18%～4.82%，反映了古氣候環(huán)境的階段性變化，說明氣候條件由干燥轉(zhuǎn)向溫暖濕潤(rùn)，出現(xiàn)了荒漠化短暫停滯，甚至逆轉(zhuǎn)。粒度曲線呈近對(duì)稱的略窄高峰形態(tài)，粒度累積概率曲線以一段式和二段式為主。

混合相的沉積物的粒度呈現(xiàn)砂-粉砂-粘土和砂兩種組合的空間差異性，Ⅰ號(hào)剖面中0～0.7 m的砂含量為67.22%～70.44%，粉砂含量為24.84%～28.26%，粘土含量為2.72%～7.94%；0.7～1.60 m砂含量為97.31%～99.99%；1.60～1.70 m 砂含量為61.59%～71.23%。Ⅱ號(hào)剖面中頂部0.20～0.80 m砂含量為68.12%～79.08%，粉砂含量為13.91%～28.42%，粘土含量為3.47%～6.98%；0.80～2.20 m砂含量為95.26%～99.98%。粒度曲線為近對(duì)稱的略窄高峰形態(tài)和寬緩低平且粗偏的形態(tài)，兩種粒度累積概率曲線以一段式、二段式和三段為主（圖3e、f）。

3 結(jié)果與討論

3.1 土地荒漠化的地質(zhì)成因類型

荒漠化的形成與地質(zhì)背景具有密切聯(lián)系，任何類型荒漠化的發(fā)生、發(fā)展都是受特定地質(zhì)背景控制。因此，前人以不同地質(zhì)營(yíng)力作用形成的物質(zhì)來源不同，將荒漠化分為就地起沙型（沙漠化物質(zhì)來源主要是原地沙土類物質(zhì)）和風(fēng)沙侵入型（沙漠化物質(zhì)主要來源于鄰近區(qū)域的沙土類物質(zhì)）（李智佩等,2006;肖景義等,2010;王京彬等,2020）。根據(jù)前述不同沉積單元結(jié)構(gòu)和粒度特征，研究區(qū)可劃分3種類型：河流谷地就地起沙型荒漠化、沙地內(nèi)部就地起沙型荒漠化、風(fēng)沙侵入型土地荒漠化（表1）。

（1）河流谷地就地起沙型荒漠化（Ⅰ型），主要是分布在小灤河流域河谷谷地、河漫灘和階地及其附近的土地荒漠化?？傮w上呈近NW-SN向展布，與小灤河、石門河等河道走向一致，該類土地荒漠化的面積2.4 km2,占研究區(qū)面積0.10%。現(xiàn)代和古風(fēng)沙的活化構(gòu)成的就地起沙型，二級(jí)階地及以上主要為風(fēng)沙活化所形成，河漫灘和一級(jí)階地主要是沖積物為主。沙漠化的級(jí)別以潛在和輕度沙漠化為主。粒徑大小相差懸殊，平均粒徑中值（Mz）為69.64～184.72 μm，＜63 μm的顆粒含量為10.93%～52.97%，均大于5%，＜15 μm的顆粒存在一個(gè)小的峰，分選系數(shù)（σ）為0.07～0.11，分選性好，偏度（SK）為0.05～0.63，以正偏和極正偏，峰態(tài)（KG）為0.99～1.25，呈中等尖窄形態(tài)，粒度分布曲線（圖3）和參數(shù)特征表明，河流谷地型土地沙漠化的物質(zhì)成分具有水力搬運(yùn)作用、風(fēng)力和其他地質(zhì)營(yíng)力共同作用的特征。

（2）沙地內(nèi)部就地起沙型荒漠化（Ⅱ型），主要分布在小灤河流域的東側(cè)，面積為3.1 km2,占研究區(qū)面積0.13%。沙漠化的物質(zhì)來源包括古風(fēng)成沙重新活化和古河湖相，在石門河一帶Ⅰ、Ⅱ號(hào)剖面中，下伏的河道相沉積物質(zhì)，受風(fēng)蝕作用下，形成荒漠化。沙粒粗大均勻，平均中值粒徑（Mz）為208.55～399.63 μm，＜63 μm的顆粒含量為0～4.71%，多數(shù)小于5%，僅個(gè)別含量達(dá)到5.61%，分選系數(shù)（σ）為0.11～0.17，分選性好，偏度（SK）為0.23～0.38，以正偏為主，峰態(tài)（KG）為0.99～1.14，呈中等形態(tài)，粒度分布曲線（圖3）和參數(shù)特征表明，該地區(qū)的沙物質(zhì)的沉積環(huán)境接近于河流沙，以水力為主的搬運(yùn)所形成的河流相和湖相沉積物質(zhì)，在風(fēng)力作用下，沙質(zhì)物質(zhì)進(jìn)一步搬運(yùn)形成荒漠化。

（3）風(fēng)沙侵入型土地沙漠化（Ⅲ型），主要分布在小灤河流域的西側(cè)，面積為8.9 km2，占研究區(qū)面積的0.37%。研究區(qū)處于渾善達(dá)克沙地的東南邊緣帶，在西北向風(fēng)力作用下，發(fā)生侵蝕、搬運(yùn)和堆積形成土地荒漠化，形成該地區(qū)大量的壟狀沙體。粒度以中細(xì)粒為主，平均中值粒徑（Mz）為150.93～311.19 μm，＜63 μm 的顆粒含量為0～3.96%，多數(shù)小于5%，僅個(gè)別含量達(dá)到7.16%，分選系數(shù)（σ）為0.07～0.15，分選性好，偏度（SK）為0.19～0.30，以正偏為主，峰態(tài)（KG）為0.97～1.33，呈中等－尖窄形態(tài)，粒度分布曲線（圖3）和參數(shù)特征表明，該地區(qū)的流沙具有分選性較好，正態(tài)分布、窄峰態(tài)的特征。因此，風(fēng)力分選作用是該地區(qū)土地沙漠化的重要地質(zhì)營(yíng)力之一。

圖3 河北壩上御道口牧場(chǎng)各沉積單位粒度組成分布曲線（a,c,e）和頻率分布曲線圖（b,d,f）

3.2 沉積單元結(jié)構(gòu)特征與生態(tài)關(guān)系

地表物質(zhì)是生態(tài)環(huán)境的物質(zhì)基礎(chǔ)，提供了土壤的母質(zhì)，控制了土壤的化學(xué)元素，同時(shí)影響水系及地下水的成分，最終影響了植被的類型（地質(zhì)礦產(chǎn)部地質(zhì)辭典辦公室,2005;朱永官等,2014）。小灤河流域一帶在全新世不同沉積作用形成河流相、風(fēng)成相的堆積物，經(jīng)歷不同的生態(tài)地質(zhì)作用過程，形成了不同的生態(tài)地質(zhì)單元，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與重建自然本底條件不同（劉艷東和錢金平,2011）。

河道相砂礫石草-濕地單元：河道水流沖蝕、搬運(yùn)和沉積作用形成礫-砂二層堆積結(jié)構(gòu)，在河漫灘和一級(jí)階地，發(fā)育沙質(zhì)土壤，土壤中有機(jī)質(zhì)含量較高，地下水位較淺，地下水潛水面多＜1 m，土壤水主要來自大氣降水和地下水，土壤水、毛管水發(fā)育。地表植被主要以看麥娘、黑麥草、早熟禾、委陵菜等優(yōu)質(zhì)牧草為主，少量的灌木。

風(fēng)成相壟狀裸露沙地單元：受北西向風(fēng)力搬運(yùn)作用形成沙壟狀厚大沙地，形成裸露的沙丘，土壤養(yǎng)分含量較低，土壤水主要來自大氣降水，滲透性強(qiáng)，地下水為較深，潛水面大于10 m，土壤中以懸著水為主。地表植被稀少，多為牛筋草、蒿等耐旱草本為主。

河湖-風(fēng)力混合草地單元：河湖相沉積的厚大粉砂、粘土沉積層，在風(fēng)力侵蝕作用下，形成荒漠化，隨著局部河道變遷，疊加河湖相沉積物，形成多元互層結(jié)構(gòu)特征。發(fā)育粉砂質(zhì)土壤，土壤養(yǎng)分含量不均勻，土壤入滲率較強(qiáng)，滲透性中等，地下水為較淺，潛水面2～5 m，土壤中懸著水和毛管水均有發(fā)育。地表植被覆蓋度中等，分布早熟禾、蒲公英、黑麥草、廖等草本植物，局部出現(xiàn)斑塊狀的狼毒花，顯示植被群落結(jié)構(gòu)出現(xiàn)負(fù)向演替。

3.3 沙漠化生態(tài)修復(fù)的實(shí)踐研究

荒漠化的形成、發(fā)展和演化是地質(zhì)歷史時(shí)期各類地質(zhì)營(yíng)力綜合作用的產(chǎn)物，荒漠化的物質(zhì)及能量在較大的時(shí)空尺度上累積，當(dāng)它的物質(zhì)及其能量積累達(dá)到某一閥值時(shí),在人為因素的強(qiáng)烈作用和誘發(fā)下,在一個(gè)較小的時(shí)空尺度上產(chǎn)生量的突變和質(zhì)的飛躍（劉永慧等,2014;衛(wèi)曉鋒等,2020b）。因此，沙漠化的生態(tài)修復(fù)需要以地質(zhì)環(huán)境為條件，采取適宜的人工措施。

河道相砂礫石草-濕地單元，土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，可以適當(dāng)發(fā)展馬鈴薯農(nóng)業(yè)和中藥材等生產(chǎn)性耕作。風(fēng)積相沙壟狀裸露沙地單元，水分涵養(yǎng)和供給能力較弱，土壤養(yǎng)分含量較低，屬于生態(tài)極端脆弱區(qū)，需要采用灌、草為主的生態(tài)修復(fù)和封育的管控政策。

河湖-風(fēng)力混合草地單元，是風(fēng)沙地就地起沙的重要物源，也是該區(qū)域的重要草場(chǎng)分布區(qū)，需要采取合理的放牧政策，防治沙漠化和草場(chǎng)的退化。

4 結(jié)論

（1）小灤河流域第四紀(jì)沉積物的空間分布主要受河流侵蝕和沉積作用，風(fēng)力搬運(yùn)和沉積作用地質(zhì)營(yíng)力控制，分別形成河流相沖洪積物、風(fēng)積物（縱向沙壟和風(fēng)成沙）和混合堆積物。河流相沉積物包括礫、砂、粉砂、粘土碎屑顆粒，風(fēng)成相以砂質(zhì)顆粒為主，局部二者混合形成互層結(jié)構(gòu)。

（2）沙漠化地質(zhì)成因可以劃分為河流谷地就地起沙型荒漠化、沙地內(nèi)部就地起沙型荒漠化、風(fēng)沙侵入型土地荒漠化3種。河流谷地粒徑大小相差懸殊，＜63 μm的顆粒含量為10.93%～52.97%，均大于5%，曲線呈中等尖窄形態(tài)；沙地內(nèi)部沙粒粗大均一，＜63 μm的顆粒含量為0～4.71%，均小于5%，僅一個(gè)樣品為5.61%，曲線呈中等形態(tài)；風(fēng)沙侵入型中＜63 μm的顆粒含量為0～3.96%，曲線呈中等-尖窄峰態(tài)。

（3）地表物質(zhì)是生態(tài)環(huán)境的物質(zhì)基礎(chǔ)，形成了不同的生態(tài)地質(zhì)單元，需采取差異化保護(hù)修復(fù)和利用方式。河道相砂礫石草-濕地單元，適當(dāng)發(fā)展馬鈴薯和中藥材等，風(fēng)成相壟狀裸露沙地單元需采取灌、草為主的生態(tài)修復(fù)和封育的管控，河湖-風(fēng)力混合草地單元，需采取合理的放牧政策，防治沙漠化和草場(chǎng)的退化。

注 釋

①河北省地質(zhì)礦產(chǎn)局物探大隊(duì).1990.承德幅（K-50-[28]）、圍場(chǎng)幅（K-50-[22]）1∶20萬區(qū)域化探成果報(bào)告[R].