河北坝上小滦河流域不同沉积单元粒度特征及其荒漠化的影响

王占亮，卫晓锋 ，魏浩，李霞

（1.承德应用技术职业学院，承德 067000；2.中色紫金地质勘查（北京）有限责任公司，北京 100012；3.北京矿产地质研究院有限责任公司，北京 100012；4.河北地质大学生态环境地质应用技术研发中心，石家庄 050031；5.中国地质环境监测院，北京 100081）

0 引言

荒漠化是指由于气候变化和人类活动等因素所造成的干旱和半干旱、半湿润地区的土地退化。荒漠化形成过程包括前期潜在荒漠化阶段和后期荒漠化阶段，潜在荒漠化阶段主要是自然因素创造了沙漠化物质来源、形成适宜的地质环境和强大的动力条件（刘平贵和李雪菊,2000）；后期荒漠化阶段突出人为不合理的农牧业生产生活行为叠加。前人研究多注重气候条件和人为因素变化，对荒漠化前期潜在的地质作用研究较少（Lu et al.,2005;卫晓锋等,2020a），忽视地质过程对沙漠化的控制约束作用。

承德坝上小滦河流域上游处于浑善达克沙地东南缘，海拔1000～1700 m,形成了低温、少雨、多风、高蒸发的气候特征，是我国北方典型的农牧交错带，历史上素有“塞北草原”之称。随着1952年、1960年、1975年3次较大规模的垦草耕种活动，草原生态环境遭到破坏，土地沙化加剧，造成土壤风沙化、盐渍化和荒漠化（石玉芳和徐东瑞,1996）。本文通过对承德坝上小滦河流域上游不同沉积单元空间结构、粒度特征分析，探讨地质作用对该地区土地荒漠化分布的影响，探索土地荒漠化的生态修复路径。

1 地质环境概况

研究区大地构造位置位于内蒙古高原的西南缘。在新生代燕山运动结束后，喜马拉雅构造运动导致印度板块向欧亚板块之下俯冲和碰撞（郭令智等,1992;Sengor and Burtman,1994），发生近南北向挤压及其派生的近东西向的伸展作用（陈发景和汪新文,1992;贾承造,2007;马收先等,2011;唐亮等,2014）。沿林西-上黄旗-乌龙沟深断裂将区域分割为两大断块，北西侧为河北坝上准平原化的第四系堆积区地貌，南东侧为坝下（冀北）中高山区侵蚀切割地貌（吴忱,2008）。小滦河流域上游属于北侧坝上准平原化的第四系堆积区地貌单元。

该区域主要出露新近纪的汉诺坝玄武岩和全新纪松散堆积层，其中全新纪松散堆积层是荒漠化的主要物源。堆积物质包括冲洪积（Qhalp）、冲湖（沼）积（Qhaln）、湖（沼）积加风积Qhaln+eol、风积物（Qheol）、风积残积物（Qheole）五种（承德幅、围场幅区调报告，1990①），形成不同的生态地质单元（图1）：①全新世冲洪积物（Qhal）主要分布工作区的西南的现代河床内，主要为土黄色、浅灰色松散的砂砾石、亚砂土、亚粘土堆积物，发育了河湖相湿地单元。②冲湖（沼）积（Qhaln）分布在现代湖泊或干湖中，由黑灰色淤泥、含粉砂淤泥、及粉细沙组成。③湖（沼）积加风积Qhaln+eol呈现二元结构，底部浅灰色亚沙土、粉砂、炭质粘土，顶部多叠加风积沙层，发育河湖残积混合灌草单元。④全新世风积物（Qheol）分布极为广泛，呈现为沙地、沙丘及沙垄地貌，由松散的黄白色沙构成，成分为石英、长石、岩屑等碎屑物质，局部发育古土壤层，形成风成相沙地稀疏草地单元。⑤全新世风积物（Qheol）主要是古风成砂、黄白色粉砂构成，顶部覆盖残积物、坡积物及冲洪积物，形成风成残积混合草地单元

图1 河北坝上小滦河流域地质图

2 沉积单元结构和粒度特征

2.1 沉积结构空间特征

小滦河流域第四纪沉积物空间分布主要受河流的侵蚀和沉积作用，风的搬运和沉积作用两种地质营力控制，分别形成冲洪积物、风积物（纵向沙垄和风成沙）和混合堆积物。

冲洪积物主要沿小滦河流域两侧河床及河漫滩分布，由滨河床浅滩沉积物、滨河床砂坝带细-粉砂沉积物、河漫滩沿河带亚粘土-亚砂土沉积物3种沉积结构类型组成。小滦河流域黄土山一带Ⅲ号河道相沉积物结构特征：①0～0.7 m为灰褐色亚砂土层，结构疏松，含植物根系；②0.7～1.3 m为灰褐色砂质层；③1.3～1.6 m为黄色砂土层（图2）。

图2 河北坝上御道口牧场采样位置

风积物主要沿北西向主风向延伸，呈窄长平直的垄状沙体，分布于小滦河流域的西侧。小滦河流域后暖泉子Ⅱ号剖面的垄状沙体结构特征：①0.1～1.2 m黄色砂质层，无植被；②1.2～1.6 m为黑褐色古土壤层，含有黑褐色粘土、亚粘土；③1.6～2.3 m 为黄色砂质层（图2）。

在小滦河流域河道两侧分布大量河道相冲洪积物与风成相风积沙混合“二元”堆积层。石门河东南岸Ⅰ号河道相沉积与风积沉积物呈互层状，其结构特征：①0～0.7 m灰褐色亚砂土层，结构疏松，其中0～0.4 m含植物根系；②0.7～1.50 m为黄色砂土层；③1.50～1.55 m为红褐色含铁质结核砂层；④1.55～1.65 m为褐黄色砂土层，局部见到砾石，粒径1～3 cm，呈浑圆状；⑤1.70 m～未见底，结构疏松，达到地下潜水面。石门河Ⅱ号风积沙上覆河道相沉积物，0～0.8 m内粉砂质和粘土成分增加，采样位置如图2所示。

2.2 沉积物粒度特征

根据不同沉积单元结构特征，在每个层位采集粒度分析样品，共计采集36件。粒度分析测试在南京聚尚分析测试中心进行，采用激光散射法，实验设备型号为Mastersizer2000型激光粒度散射仪，测量范围为0.02～2000 m可获得100个粒级的百分含量数据，并给出每一粒级的百分含量，同时可提供粒度分布曲线和累积曲线（雷国良等,2006）。根据不同沉积单元粒度数据统计（表1），分析粒度的空间分布规律：

表1 小滦河流域剖面（Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ）粒度分析及参数统计表

河流相水成沉积物分布受河床的形态、地貌特点以及河床形成阶段等因素影响，具有砾、砂、粉砂、粘土粒度组合多样性和空间分布差异性。在河道相水成沉积物的Ⅲ号剖面中，砂质含量为47.07%～89.06%，粉砂质含量为8.89%～45.95%，粘土含量为1.60%～9.88%，局部含有砾石。粒度曲线呈双峰不对称，粒度累积概率曲线以一段式、二段式、三段式（图3a、b）。

风成相的风积沙沉积物的粒度相对集中，风积沙为主的Ⅳ号剖面中砂质含量为92.83%～100.00%，粉砂质、粘土含量均小于5%（图3c、d）。在0.8～1.5 m的古土壤层中粉砂含量为12.22%～15.19%、粘土含量为2.18%～4.82%，反映了古气候环境的阶段性变化，说明气候条件由干燥转向温暖湿润，出现了荒漠化短暂停滞，甚至逆转。粒度曲线呈近对称的略窄高峰形态，粒度累积概率曲线以一段式和二段式为主。

混合相的沉积物的粒度呈现砂-粉砂-粘土和砂两种组合的空间差异性，Ⅰ号剖面中0～0.7 m的砂含量为67.22%～70.44%，粉砂含量为24.84%～28.26%，粘土含量为2.72%～7.94%；0.7～1.60 m砂含量为97.31%～99.99%；1.60～1.70 m 砂含量为61.59%～71.23%。Ⅱ号剖面中顶部0.20～0.80 m砂含量为68.12%～79.08%，粉砂含量为13.91%～28.42%，粘土含量为3.47%～6.98%；0.80～2.20 m砂含量为95.26%～99.98%。粒度曲线为近对称的略窄高峰形态和宽缓低平且粗偏的形态，两种粒度累积概率曲线以一段式、二段式和三段为主（图3e、f）。

3 结果与讨论

3.1 土地荒漠化的地质成因类型

荒漠化的形成与地质背景具有密切联系，任何类型荒漠化的发生、发展都是受特定地质背景控制。因此，前人以不同地质营力作用形成的物质来源不同，将荒漠化分为就地起沙型（沙漠化物质来源主要是原地沙土类物质）和风沙侵入型（沙漠化物质主要来源于邻近区域的沙土类物质）（李智佩等,2006;肖景义等,2010;王京彬等,2020）。根据前述不同沉积单元结构和粒度特征，研究区可划分3种类型：河流谷地就地起沙型荒漠化、沙地内部就地起沙型荒漠化、风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），主要是分布在小滦河流域河谷谷地、河漫滩和阶地及其附近的土地荒漠化。总体上呈近NW-SN向展布，与小滦河、石门河等河道走向一致，该类土地荒漠化的面积2.4 km2,占研究区面积0.10%。现代和古风沙的活化构成的就地起沙型，二级阶地及以上主要为风沙活化所形成，河漫滩和一级阶地主要是冲积物为主。沙漠化的级别以潜在和轻度沙漠化为主。粒径大小相差悬殊，平均粒径中值（Mz）为69.64～184.72 μm，＜63 μm的颗粒含量为10.93%～52.97%，均大于5%，＜15 μm的颗粒存在一个小的峰，分选系数（σ）为0.07～0.11，分选性好，偏度（SK）为0.05～0.63，以正偏和极正偏，峰态（KG）为0.99～1.25，呈中等尖窄形态，粒度分布曲线（图3）和参数特征表明，河流谷地型土地沙漠化的物质成分具有水力搬运作用、风力和其他地质营力共同作用的特征。

（2）沙地内部就地起沙型荒漠化（Ⅱ型），主要分布在小滦河流域的东侧，面积为3.1 km2,占研究区面积0.13%。沙漠化的物质来源包括古风成沙重新活化和古河湖相，在石门河一带Ⅰ、Ⅱ号剖面中，下伏的河道相沉积物质，受风蚀作用下，形成荒漠化。沙粒粗大均匀，平均中值粒径（Mz）为208.55～399.63 μm，＜63 μm的颗粒含量为0～4.71%，多数小于5%，仅个别含量达到5.61%，分选系数（σ）为0.11～0.17，分选性好，偏度（SK）为0.23～0.38，以正偏为主，峰态（KG）为0.99～1.14，呈中等形态，粒度分布曲线（图3）和参数特征表明，该地区的沙物质的沉积环境接近于河流沙，以水力为主的搬运所形成的河流相和湖相沉积物质，在风力作用下，沙质物质进一步搬运形成荒漠化。

（3）风沙侵入型土地沙漠化（Ⅲ型），主要分布在小滦河流域的西侧，面积为8.9 km2，占研究区面积的0.37%。研究区处于浑善达克沙地的东南边缘带，在西北向风力作用下，发生侵蚀、搬运和堆积形成土地荒漠化，形成该地区大量的垄状沙体。粒度以中细粒为主，平均中值粒径（Mz）为150.93～311.19 μm，＜63 μm 的颗粒含量为0～3.96%，多数小于5%，仅个别含量达到7.16%，分选系数（σ）为0.07～0.15，分选性好，偏度（SK）为0.19～0.30，以正偏为主，峰态（KG）为0.97～1.33，呈中等－尖窄形态，粒度分布曲线（图3）和参数特征表明，该地区的流沙具有分选性较好，正态分布、窄峰态的特征。因此，风力分选作用是该地区土地沙漠化的重要地质营力之一。

图3 河北坝上御道口牧场各沉积单位粒度组成分布曲线（a,c,e）和频率分布曲线图（b,d,f）

3.2 沉积单元结构特征与生态关系

地表物质是生态环境的物质基础，提供了土壤的母质，控制了土壤的化学元素，同时影响水系及地下水的成分，最终影响了植被的类型（地质矿产部地质辞典办公室,2005;朱永官等,2014）。小滦河流域一带在全新世不同沉积作用形成河流相、风成相的堆积物，经历不同的生态地质作用过程，形成了不同的生态地质单元，导致生态环境的恢复与重建自然本底条件不同（刘艳东和钱金平,2011）。

河道相砂砾石草-湿地单元：河道水流冲蚀、搬运和沉积作用形成砾-砂二层堆积结构，在河漫滩和一级阶地，发育沙质土壤，土壤中有机质含量较高，地下水位较浅，地下水潜水面多＜1 m，土壤水主要来自大气降水和地下水，土壤水、毛管水发育。地表植被主要以看麦娘、黑麦草、早熟禾、委陵菜等优质牧草为主，少量的灌木。

风成相垄状裸露沙地单元：受北西向风力搬运作用形成沙垄状厚大沙地，形成裸露的沙丘，土壤养分含量较低，土壤水主要来自大气降水，渗透性强，地下水为较深，潜水面大于10 m，土壤中以悬着水为主。地表植被稀少，多为牛筋草、蒿等耐旱草本为主。

河湖-风力混合草地单元：河湖相沉积的厚大粉砂、粘土沉积层，在风力侵蚀作用下，形成荒漠化，随着局部河道变迁，叠加河湖相沉积物，形成多元互层结构特征。发育粉砂质土壤，土壤养分含量不均匀，土壤入渗率较强，渗透性中等，地下水为较浅，潜水面2～5 m，土壤中悬着水和毛管水均有发育。地表植被覆盖度中等，分布早熟禾、蒲公英、黑麦草、廖等草本植物，局部出现斑块状的狼毒花，显示植被群落结构出现负向演替。

3.3 沙漠化生态修复的实践研究

荒漠化的形成、发展和演化是地质历史时期各类地质营力综合作用的产物，荒漠化的物质及能量在较大的时空尺度上累积，当它的物质及其能量积累达到某一阀值时,在人为因素的强烈作用和诱发下,在一个较小的时空尺度上产生量的突变和质的飞跃（刘永慧等,2014;卫晓锋等,2020b）。因此，沙漠化的生态修复需要以地质环境为条件，采取适宜的人工措施。

河道相砂砾石草-湿地单元，土壤有机质含量较高，可以适当发展马铃薯农业和中药材等生产性耕作。风积相沙垄状裸露沙地单元，水分涵养和供给能力较弱，土壤养分含量较低，属于生态极端脆弱区，需要采用灌、草为主的生态修复和封育的管控政策。

河湖-风力混合草地单元，是风沙地就地起沙的重要物源，也是该区域的重要草场分布区，需要采取合理的放牧政策，防治沙漠化和草场的退化。

4 结论

（1）小滦河流域第四纪沉积物的空间分布主要受河流侵蚀和沉积作用，风力搬运和沉积作用地质营力控制，分别形成河流相冲洪积物、风积物（纵向沙垄和风成沙）和混合堆积物。河流相沉积物包括砾、砂、粉砂、粘土碎屑颗粒，风成相以砂质颗粒为主，局部二者混合形成互层结构。

（2）沙漠化地质成因可以划分为河流谷地就地起沙型荒漠化、沙地内部就地起沙型荒漠化、风沙侵入型土地荒漠化3种。河流谷地粒径大小相差悬殊，＜63 μm的颗粒含量为10.93%～52.97%，均大于5%，曲线呈中等尖窄形态；沙地内部沙粒粗大均一，＜63 μm的颗粒含量为0～4.71%，均小于5%，仅一个样品为5.61%，曲线呈中等形态；风沙侵入型中＜63 μm的颗粒含量为0～3.96%，曲线呈中等-尖窄峰态。

（3）地表物质是生态环境的物质基础，形成了不同的生态地质单元，需采取差异化保护修复和利用方式。河道相砂砾石草-湿地单元，适当发展马铃薯和中药材等，风成相垄状裸露沙地单元需采取灌、草为主的生态修复和封育的管控，河湖-风力混合草地单元，需采取合理的放牧政策，防治沙漠化和草场的退化。

注 释

①河北省地质矿产局物探大队.1990.承德幅（K-50-[28]）、围场幅（K-50-[22]）1∶20万区域化探成果报告[R].