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，衛曉鋒 ，魏浩，李霞

（1.承德應用技術職業學院，承德 067000；2.中色紫金地質勘查（北京）有限責任公司，北京 100012；3.北京礦產地質研究院有限責任公司，北京 100012；4.河北地質大學生態環境地質應用技術研發中心，石家莊 050031；5.中國地質環境監測院，北京 100081）

0 引言

荒漠化是指由于氣候變化和人類活動等因素所造成的干旱和半干旱、半濕潤地區的土地退化。荒漠化形成過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造了沙漠化物質來源、形成適宜的地質環境和強大的動力條件（劉平貴和李雪菊,2000）；后期荒漠化階段突出人為不合理的農牧業生產生活行為疊加。前人研究多注重氣候條件和人為因素變化，對荒漠化前期潛在的地質作用研究較少（Lu et al.,2005;衛曉鋒等,2020a），忽視地質過程對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克沙地東南緣，海拔1000～1700 m,形成了低溫、少雨、多風、高蒸發的氣候特征，是我國北方典型的農牧交錯帶，歷史上素有“塞北草原”之稱。隨著1952年、1960年、1975年3次較大規模的墾草耕種活動，草原生態環境遭到破壞，土地沙化加劇，造成土壤風沙化、鹽漬化和荒漠化（石玉芳和徐東瑞,1996）。本文通過對承德壩上小灤河流域上游不同沉積單元空間結構、粒度特征分析，探討地質作用對該地區土地荒漠化分布的影響，探索土地荒漠化的生態修復路徑。

1 地質環境概況

研究區大地構造位置位于內蒙古高原的西南緣。在新生代燕山運動結束后，喜馬拉雅構造運動導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），發生近南北向擠壓及其派生的近東西向的伸展作用（陳發景和汪新文,1992;賈承造,2007;馬收先等,2011;唐亮等,2014）。沿林西-上黃旗-烏龍溝深斷裂將區域分割為兩大斷塊，北西側為河北壩上準平原化的第四系堆積區地貌，南東側為壩下（冀北）中高山區侵蝕切割地貌（吳忱,2008）。小灤河流域上游屬于北側壩上準平原化的第四系堆積區地貌單元。

該區域主要出露新近紀的漢諾壩玄武巖和全新紀松散堆積層，其中全新紀松散堆積層是荒漠化的主要物源。堆積物質包括沖洪積（Qhalp）、沖湖（沼）積（Qhaln）、湖（沼）積加風積Qhaln+eol、風積物（Qheol）、風積殘積物（Qheole）五種（承德幅、圍場幅區調報告，1990①），形成不同的生態地質單元（圖1）：①全新世沖洪積物（Qhal）主要分布工作區的西南的現代河床內，主要為土黃色、淺灰色松散的砂礫石、亞砂土、亞粘土堆積物，發育了河湖相濕地單元。②沖湖（沼）積（Qhaln）分布在現代湖泊或干湖中，由黑灰色淤泥、含粉砂淤泥、及粉細沙組成。③湖（沼）積加風積Qhaln+eol呈現二元結構，底部淺灰色亞沙土、粉砂、炭質粘土，頂部多疊加風積沙層，發育河湖殘積混合灌草單元。④全新世風積物（Qheol）分布極為廣泛，呈現為沙地、沙丘及沙壟地貌，由松散的黃白色沙構成，成分為石英、長石、巖屑等碎屑物質，局部發育古土壤層，形成風成相沙地稀疏草地單元。⑤全新世風積物（Qheol）主要是古風成砂、黃白色粉砂構成，頂部覆蓋殘積物、坡積物及沖洪積物，形成風成殘積混合草地單元

圖1 河北壩上小灤河流域地質圖

2 沉積單元結構和粒度特征

2.1 沉積結構空間特征

小灤河流域第四紀沉積物空間分布主要受河流的侵蝕和沉積作用，風的搬運和沉積作用兩種地質營力控制，分別形成沖洪積物、風積物（縱向沙壟和風成沙）和混合堆積物。

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

圖2 河北壩上御道口牧場采樣位置

風積物主要沿北西向主風向延伸，呈窄長平直的壟狀沙體，分布于小灤河流域的西側。小灤河流域后暖泉子Ⅱ號剖面的壟狀沙體結構特征：①0.1～1.2 m黃色砂質層，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 為黃色砂質層（圖2）。

在小灤河流域河道兩側分布大量河道相沖洪積物與風成相風積沙混合“二元”堆積層。石門河東南岸Ⅰ號河道相沉積與風積沉積物呈互層狀，其結構特征：①0～0.7 m灰褐色亞砂土層，結構疏松，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為紅褐色含鐵質結核砂層；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，結構疏松，達到地下潛水面。石門河Ⅱ號風積沙上覆河道相沉積物，0～0.8 m內粉砂質和粘土成分增加，采樣位置如圖2所示。

2.2 沉積物粒度特征

根據不同沉積單元結構特征，在每個層位采集粒度分析樣品，共計采集36件。粒度分析測試在南京聚尚分析測試中心進行，采用激光散射法，實驗設備型號為Mastersizer2000型激光粒度散射儀，測量范圍為0.02～2000 m可獲得100個粒級的百分含量數據，并給出每一粒級的百分含量，同時可提供粒度分布曲線和累積曲線（雷國良等,2006）。根據不同沉積單元粒度數據統計（表1），分析粒度的空間分布規律：

表1 小灤河流域剖面（Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ）粒度分析及參數統計表

河流相水成沉積物分布受河床的形態、地貌特點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號剖面中，砂質含量為47.07%～89.06%，粉砂質含量為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稱，粒度累積概率曲線以一段式、二段式、三段式（圖3a、b）。

風成相的風積沙沉積物的粒度相對集中，風積沙為主的Ⅳ號剖面中砂質含量為92.83%～100.00%，粉砂質、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%，反映了古氣候環境的階段性變化，說明氣候條件由干燥轉向溫暖濕潤，出現了荒漠化短暫停滯，甚至逆轉。粒度曲線呈近對稱的略窄高峰形態，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砂-粉砂-粘土和砂兩種組合的空間差異性，Ⅰ號剖面中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%。粒度曲線為近對稱的略窄高峰形態和寬緩低平且粗偏的形態，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 結果與討論

3.1 土地荒漠化的地質成因類型

荒漠化的形成與地質背景具有密切聯系，任何類型荒漠化的發生、發展都是受特定地質背景控制。因此，前人以不同地質營力作用形成的物質來源不同，將荒漠化分為就地起沙型（沙漠化物質來源主要是原地沙土類物質）和風沙侵入型（沙漠化物質主要來源于鄰近區域的沙土類物質）（李智佩等,2006;肖景義等,2010;王京彬等,2020）。根據前述不同沉積單元結構和粒度特征，研究區可劃分3種類型：河流谷地就地起沙型荒漠化、沙地內部就地起沙型荒漠化、風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。總體上呈近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,占研究區面積0.10%。現代和古風沙的活化構成的就地起沙型，二級階地及以上主要為風沙活化所形成，河漫灘和一級階地主要是沖積物為主。沙漠化的級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的顆粒存在一個小的峰，分選系數（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（KG）為0.99～1.25，呈中等尖窄形態，粒度分布曲線（圖3）和參數特征表明，河流谷地型土地沙漠化的物質成分具有水力搬運作用、風力和其他地質營力共同作用的特征。

（2）沙地內部就地起沙型荒漠化（Ⅱ型），主要分布在小灤河流域的東側，面積為3.1 km2,占研究區面積0.13%。沙漠化的物質來源包括古風成沙重新活化和古河湖相，在石門河一帶Ⅰ、Ⅱ號剖面中，下伏的河道相沉積物質，受風蝕作用下，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%，多數小于5%，僅個別含量達到5.61%，分選系數（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（KG）為0.99～1.14，呈中等形態，粒度分布曲線（圖3）和參數特征表明，該地區的沙物質的沉積環境接近于河流沙，以水力為主的搬運所形成的河流相和湖相沉積物質，在風力作用下，沙質物質進一步搬運形成荒漠化。

（3）風沙侵入型土地沙漠化（Ⅲ型），主要分布在小灤河流域的西側，面積為8.9 km2，占研究區面積的0.37%。研究區處于渾善達克沙地的東南邊緣帶，在西北向風力作用下，發生侵蝕、搬運和堆積形成土地荒漠化，形成該地區大量的壟狀沙體。粒度以中細粒為主，平均中值粒徑（Mz）為150.93～311.19 μm，＜63 μm 的顆粒含量為0～3.96%，多數小于5%，僅個別含量達到7.16%，分選系數（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（KG）為0.97～1.33，呈中等－尖窄形態，粒度分布曲線（圖3）和參數特征表明，該地區的流沙具有分選性較好，正態分布、窄峰態的特征。因此，風力分選作用是該地區土地沙漠化的重要地質營力之一。

圖3 河北壩上御道口牧場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 沉積單元結構特征與生態關系

地表物質是生態環境的物質基礎，提供了土壤的母質，控制了土壤的化學元素，同時影響水系及地下水的成分，最終影響了植被的類型（地質礦產部地質辭典辦公室,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、風成相的堆積物，經歷不同的生態地質作用過程，形成了不同的生態地質單元，導致生態環境的恢復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、搬運和沉積作用形成礫-砂二層堆積結構，在河漫灘和一級階地，發育沙質土壤，土壤中有機質含量較高，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、毛管水發育。地表植被主要以看麥娘、黑麥草、早熟禾、委陵菜等優質牧草為主，少量的灌木。

風成相壟狀裸露沙地單元：受北西向風力搬運作用形成沙壟狀厚大沙地，形成裸露的沙丘，土壤養分含量較低，土壤水主要來自大氣降水，滲透性強，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-風力混合草地單元：河湖相沉積的厚大粉砂、粘土沉積層，在風力侵蝕作用下，形成荒漠化，隨著局部河道變遷，疊加河湖相沉積物，形成多元互層結構特征。發育粉砂質土壤，土壤養分含量不均勻，土壤入滲率較強，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，局部出現斑塊狀的狼毒花，顯示植被群落結構出現負向演替。

3.3 沙漠化生態修復的實踐研究

荒漠化的形成、發展和演化是地質歷史時期各類地質營力綜合作用的產物，荒漠化的物質及能量在較大的時空尺度上累積，當它的物質及其能量積累達到某一閥值時,在人為因素的強烈作用和誘發下,在一個較小的時空尺度上產生量的突變和質的飛躍（劉永慧等,2014;衛曉鋒等,2020b）。因此，沙漠化的生態修復需要以地質環境為條件，采取適宜的人工措施。

河道相砂礫石草-濕地單元，土壤有機質含量較高，可以適當發展馬鈴薯農業和中藥材等生產性耕作。風積相沙壟狀裸露沙地單元，水分涵養和供給能力較弱，土壤養分含量較低，屬于生態極端脆弱區，需要采用灌、草為主的生態修復和封育的管控政策。

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

4 結論

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

（2）沙漠化地質成因可以劃分為河流谷地就地起沙型荒漠化、沙地內部就地起沙型荒漠化、風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；沙地內部沙粒粗大均一，＜63 μm的顆粒含量為0～4.71%，均小于5%，僅一個樣品為5.61%，曲線呈中等形態；風沙侵入型中＜63 μm的顆粒含量為0～3.96%，曲線呈中等-尖窄峰態。

（3）地表物質是生態環境的物質基礎，形成了不同的生態地質單元，需采取差異化保護修復和利用方式。河道相砂礫石草-濕地單元，適當發展馬鈴薯和中藥材等，風成相壟狀裸露沙地單元需采取灌、草為主的生態修復和封育的管控，河湖-風力混合草地單元，需采取合理的放牧政策，防治沙漠化和草場的退化。

注 釋

①河北省地質礦產局物探大隊.1990.承德幅（K-50-[28]）、圍場幅（K-50-[22]）1∶20萬區域化探成果報告[R].