沙海探寻——毛乌素沙地的前世今生
内容摘要:毛乌素沙地的形成和演化一直是备受学术界关注的热点问题。本文通过对野外实地考察调研和前人调查研究成果的汇总梳理,首先介绍了地质历史时期毛乌素沙地的形成和演化,然后通过分析人类历史时期的自然气候变化和人类活动,探讨了叠加在环境气候变化之上的不同的人类生产、生活方式对毛乌素地区沙漠化进程的影响。认为人类活动总体上是叠加在自然因素之上的,唐朝是毛乌素地区沙漠化的一个转折点,之前本区沙漠化主要受气候变化的控制,之后人类活动的影响越来越明显。明清以来在毛乌素沙地局地环境变化中人类活动成为主导因素。人类对环境的作用既可能是建设性的,也可能是破坏性的,认为现阶段毛乌素沙地的生态建设应当立足于对其成因有正确认识的基础之上,保护和改善生态环境才是毛乌素沙地生态恢复的关键。
关键词:毛乌素沙地,古风成砂,气候变化,人类活动,沙漠化
毛乌素沙地是中国四大沙地之一,毛乌素蒙古语意为"坏水",地名起源于陕北靖边县海则滩乡毛乌素村。自定边孟家沙窝至靖边高家沟乡的连续沙带称小毛乌素沙带,是最初理解的毛乌素范围。由于陕北长城沿线的风沙带与内蒙古鄂尔多斯南部的沙地是连续分布在一起的,因而现今的毛乌素沙地包括内蒙古自治区的鄂尔多斯市南部、陕西省榆林市的北部风沙区和宁夏回族自治区盐池县东北部(图1),地理上大致位于北纬37°27.5′-39°22.5′,东经107°20′-111°30′之间,面积达4.22万km2。
图1 毛乌素沙地地理位置及地貌景观略图
2.地质历史时期毛乌素沙地形成和演化
地质历史时期主要是指现代以前的即第四纪全新世以前的各个地质时期,通俗地讲就是1万年以前人类活动对地球表面影响甚微的时期。研究地质历史时期毛乌素沙地的形成和演化,是一个比较专业和热点的研究领域,因为知道它是怎么形成和演变成现在这样的,才知道怎么去改善和治理它。
(1)毛乌素沙地的形成
通过近50多年对毛乌素沙地环境变化的相关研究,毛乌素沙地的形成有地质成因说和历史成因说等几种说法,目前大部分学者认为,毛乌素沙地是在第四纪时期(250万年以来)由于地质地理环境变化自然形成的,沙地至少在第四纪初以来就一直断续存在,它是以流动、半流动、半固定、固定沙丘与大片黄土草地镶嵌分布为特色的草原型沙地[1-5]。
并非任何地区都能发生沙漠化,沙漠化的发生、发展要有特定的自然条件。毛乌素地区之所以能发展成为我国四大沙地之一,其前提条件就是当地丰富沙源的存在。科学家们通过研究认为,毛乌素沙区的沙源即为该地区深部埋藏的古风成砂。地底下埋藏的多层古风成砂记录表明毛乌素地区至少在50万年以前就已经存在大片沙漠[1],而且古风成砂与黄土、古土壤或湖相地层迭覆出现的特点,很好地指示了毛乌素沙地并非从一形成就持续至今,而是在几十万年以来气候震荡的调节下历经了沙漠—非沙漠的多次转变[2-6]。
同时学者们研究发现,毛乌素沙地形成和演化过程中主要沙源为末次盛冰期(距今大约26.5-19.0万年)形成的古风成砂,因为这层古风成砂在这一地区分布广、厚度大、埋藏浅。而比其更早的古风成砂则往往埋藏较深,保护较好,是沙地的次要沙源[7]。比如在毛乌素沙地的南缘,地层中埋藏的更老的古风成砂由于地表流水的切割作用及风的吹扬作用也可提供少量的沙物质。
在毛乌素地区,末次盛冰期形成的古风成砂层之上普遍发育一层“保护层”,这层“保护层”在不同的地貌位置有着不同的表现形式。在古地形的低洼部位即古萨拉乌苏河流域地区为典型的河湖相沉积(图2),流域内多处地段河湖相和风成相沉积交错互层[7],在地势相对较高黄土地区则为黑垆土沉积[8],下部为古风成砂。据研究,这层保护层大概形成于末次间冰期(大约13-7.5万年期间)。当这层“保护层”被破坏后,由于该地区“风旱同季”的气候特征,使得“古沙翻新”从而逐渐形成了后来的毛乌素沙地。
图2 古萨拉乌苏湖地层剖面
(2)地质历史时期毛乌素沙地的演化
毛乌素沙地的演变不是直线式地往单一方向发展,而是被动式地经历流沙出现、扩大与固定、缩小乃至生草成壤的一系列正、逆变化过程。沙地的成因不同时间段的诱发因素是有差异的,在地质历史时期,沙地的出现和逆转主要受自然气候的变化控制。
通过对中国黄土、古土壤中动、植物化石的研究发现,黄土是在较为干冷的气候背景下形成的[9],古土壤则是在相对较为温湿的气候条件下发育的,而古风成砂无疑是在气候条件比黄土层更为干冷、沙漠向黄土高原入侵时沉积的。因此在地质历史时期,毛乌素沙漠的形成和演变主要是受气候条件制约的。冰期鼎盛时,西伯利亚高压与阿留申低压的耦合作用加强,冬季风的强度加大、持续时间增长,地表的风沙活动加剧,毛乌素沙漠向黄土高原入侵,相应的在地层中出现古风成砂夹层;间冰期鼎盛时,冬季风的活动减弱,而夏季风的活动增强,丰沛的降水使地表的植被覆盖度提高,风沙活动得到抑制,先前的活动沙丘被生草固定,地表广泛发育古土壤,毛乌素沙漠向西北退缩。
科学家们发现在沙漠黄土过渡带和黄土高原北区的埋藏古风成沙层多发育在2.3~1.5万年期间,表明了在这段冰期极盛期沙丘活跃,流动沙丘向南和东扩张,延伸至黄土高原北区,沙漠面积扩大。毛乌素沙地的流动沙丘向南、东扩张,扩张的界线距离现在边界约30~50km,流动沙丘面积向南、东扩张至少约10000km2,相当于现代沙地面积的约25%。[10]。
2.人类历史时期毛乌素沙地的演化
(1)历史时期毛乌素地区的气候变化
科学家们通过分析毛乌素沙地全新世(距今10000年以来,简称10000aBP)地层孢粉组合,推断出本区10000年以来的气候变化过程:10000~7500aBP期间气候冷湿;7500~7000 aBP期间是全新世温度最高、降水也很丰富的最佳时期;6000～5000aBP期间是全新世偏凉而降水最多的时期; 5000aBP之后气温逐渐上升,降水呈减少趋势,气候温和略干;4100～3000aBP期间时值龙山文化和夏、商的温暖时期,温暖稍湿;3000 ~2700aBP期间干而寒冷,2700 ~2000 aBP期间温和偏湿。2000aBP以来,总的情形为温凉偏干,2000~1600aBP期间寒冷干燥,1600～1500 aBP期间相对潮湿,1500～1400 aBP期间是一个冷暖交替的干燥期;1400～900aBP期间气候相对潮湿,且前期温暖,后期寒冷;900 aBP以来,气候虽然还有一系列的次级波动,但总的情况是以干旱化为主要趋势[11-13]。
同时,有学者根据竺可桢先生的研究,做了1700年来中国温度与湿度变化的对比,显示在300 ~ 600AD,1000 ~1250 AD ,1550~1750 AD存在三个相对干燥期,而300 ~600AD, 1120~1350 AD, 1600~1700 AD为三个相对寒冷期,干冷气候[8]。综合以上资料,科学家们将历史时期(4000aBP)以来毛乌素地区的气候变化过程划分为九个阶段(表1 )[14]。
(2)毛乌素地区的人类活动
根据考古工作者对毛乌素地区所处的内蒙古中南部文化遗址的发掘和研究可知,从约7000aBP开始就有先民在这里生活,7000~5000aBP出现了原始农业仰韶文化,5000~ 4000aBP出现了以灰陶为特点的龙山文化(早期以农业为主、晚期由农转牧),4200~2200aBP出现了具有游牧文化特色的鄂尔多斯青铜文化[15]。历史时期人类活动在本区始终存在且更迭频繁(图3),但在不同时期,由于农牧业活动的此消彼长使得不同时期人类活动的规模和强度存在很大差异。
图3 毛乌素沙地历代古城空间分布略图
先秦时期,随着青铜器的使用,大大增强了人类战胜自然的能力,社会经济比新石器时代有了很大发展,游牧经济逐渐发展起来,这个时期正值中原地区的商周时代;进入春秋时代以后,匈奴逐渐成为我国北方少数民族中最强大的一员,并控制了整个鄂尔多斯高原,同时形成和发展了独特的经济和文化;战国时代,随着中原诸侯国的强大,赵国占据了阴山以南,后来秦国又迫使匈奴的活动范围缩小在陕、甘、宁北部和内蒙古准格尔旗西部的鄂尔多斯高原,这种局面大约延续到汉代初期。从遗址的分布和出土文物可以看出,先秦时期毛乌素地区人类活动的范围主要分布于黄河沿岸和有湖泊的地方,而且都是以畜牧渔猎为主业,其规模和强度都是很有限的[16]。
秦汉时期,毛乌素地区的移民屯垦改变了农牧业的分布格局,本区实现了第一次由牧改农、以农为主的转变。秦始皇统一六国后,于215aBP派大将蒙恬率兵30万,一举占领了鄂尔多斯地区,并在此设置了四郡三十多个县,将中原地区的三万农户迁入北河(今乌加河)、榆中(今内蒙古鄂尔多斯北部)一带进行农业开发,使鄂尔多斯成为当时重要的粮食产地[17];汉武帝元狩三年,即118aBP,70余万贫民被迁入鄂尔多斯与河套等地,其后又实施了军屯,采用了铁犁、耕牛、代田法等当时最先进的农具与耕作方法,有条件的地方还引水灌溉,鼎盛时期人口达20余万户,109万人;东汉末年,北方游牧民族纷纷入居,本区农业凋敝,昔日阡陌良田沦为荒地,成为汉族与匈奴、鲜卑等民族杂居地区,从而结束了农业繁荣的局面[18-20]。
魏晋南北朝时期,鄂尔多斯地区成为匈奴、鲜卑、乌桓、救勒等游牧民族演绎军事与政治历史的大舞台,随着游牧民族的重新迁来,鄂尔多斯高原的农田重新变为牧场,恢复了原来的草原景观。407AD赫连勃勃统一了鄂尔多斯高原,建立大夏国,并在毛乌素东南营造都城统万城;北魏太武帝灭大夏以后,置夏州,设统万镇。作为牧场,鄂尔多斯地区曾养马200余万匹,骆驼100余万头,牛羊无数,牧业获得极大发展[17,21]。
隋唐时期是汉民族推行大一统的主要时期。隋朝统一以后,原来占据鄂尔多斯高原的突厥等游牧民族有一部分退到了阴山以北,鄂尔多斯高原又向农业区转化,但隋朝历时短暂,大量的变更发生在唐朝;唐朝在本区设置了丰州、胜州、夏州、有州等州,随着州县设置的增加,还兴修水利,疏浚渠道,进行了大量的开垦。由于生产的发展,人口也逐渐得到了恢复,虽然远比不上西汉时期,但比东汉的人口增加了一倍多。农业的发展,人口的增加,充分说明了隋唐的农业是继秦汉以后出现的又一次高潮。另外,在鄂尔多斯高原的腹地,畜牧业也有一定的规模[16]。
宋元时期,随着中国经济重心的南移和政治中心东移,海上贸易取代了丝绸之路,鄂尔多斯高原的战略地位有所下降。宋代,党项人占据毛乌素地区,从事农耕的汉民族为数不多;元代没有在鄂尔多斯高原设置州县,但本区畜牧业有了进一步发展,使这里成为当时是全国十四大牧场之一[19]。
明清以来,毛乌素地区的农业逐渐兴盛。明朝初年,鄂尔多斯在朝廷的松散控制之下,随着蒙元残余势力在漠北的不断强大,鄂尔多斯成为双方争夺拉锯之地,1374AD明军驱逐了蒙古军而夺得河套,当即以河套东北角的东胜城为河套的军政中心,以黄河为北边防线,听任汉人在套内自由耕牧。至明成化十年(1474AD)前后,由于蒙古武装入侵河套,遂筑起东自清水营,西至花马池,长约850km的边墙,并严禁越过边墙耕种,边墙实际成了一条人为的农牧分界线,边墙以北的鄂尔多斯地区已经没有多少农业了,这一局面一直持续到明代后期;明末以来,内地人口骤增,人地比例失调,自然条件较差的山陕北部贫民开始大量流入鄂尔多斯地区,私向蒙人租地耕种[19]。清朝前期实行蒙汉隔离的封禁政策,将边墙内50里划为禁地,但后来则推行了截然相反的“借地养民”政策,开耕范围从禁留地开始,逐渐外推,形成一条东西长1300里,南北宽50里到200里不等的垦荒带。光绪二十八年(1902AD)以后,垦荒更是在鄂尔多斯全境推开[17,22]。
(3)气候变化和人类活动对沙漠化的影响
研究表明,无论是地质历史时期还是人类历史时期,气候变化始终是影响沙漠化的一个重要因子,特别是气候变化中的降水变化在大范围内控制着沙漠化的扩展与逆转过程[23]。1万年以来的全新世,特别是近2000年的历史时期,人类活动便成为影响毛乌素地区沙漠化进程的另一个重要因子,不同的人类活动方式和强度对沙漠化的影响作用不同。一般来说,过度的农业垦殖活动对沙漠化的贡献最大,其次才是畜牧业,但也有研究者认为,长期而过度的驻牧型畜牧经济活动对沙漠化的影响也不容忽视[24],另外,频繁的战争作为一种特殊的人类活动也会造成沙漠化的扩展。
对比研究发现,历史时期毛乌素地区的沙漠化扩展主要发生在周朝、唐朝中期、宋朝以及明清时期。周朝分为西周和东周两个时期,从气候状况来看,西周时气候寒冷干燥,到东周时开始向温凉偏湿转变,寒冷干燥的气候是有利于沙漠化扩展的,此时本区的人类活动主要分布于黄河沿岸和有湖泊的地方,而且都是以畜牧渔猎为主业。整个鄂尔多斯地区西周和春秋时期的古人类遗址到目前为止只发现了四个,随着气候由寒冷干燥向温凉偏湿的转变,到战国时期人类活动略有增加,发现了十四个古人类遗址[15],但总的来说,人类活动的规模和强度都是很有限的。因此,历史时期本区的首次沙漠化的扩展应该主要是气候变化的结果,与人类活动基本上没什么关系。
自东周开始至东汉才结束的温凉偏湿气候使得本区环境状况有了一定的好转,沙漠化发生了显著的逆转过程,这为本区农业的大发展奠定了基础。秦汉时期是毛乌素地区的第一次大开发时期[25],大量移民从中原地区进入本区,众多先进的生产工具也被广泛应用,毛乌素地区实现了第一次由牧改农、以农为主的转变,这种情况一直持续到东汉末年才因为北方游牧民族的侵入而暂告一段落。值得一提的是,如此大规模的人类活动似乎并未对本区的环境造成太大的影响,历史文献中也没有记载此时有沙漠化发生的迹象。不得不承认,温凉偏湿的气候条件在其中起了很大的作用。
自东汉末年至魏晋南北朝时期的400多年间,毛乌素地区由游牧民族所控制,本区牧业获得了极大的发展,基本没有农业生产。气候由初期的寒冷干燥经过中期的冷暖波动,到末期又变得干燥起来。这个时期没有发生明显的沙漠化,应该归功于两方面的原因,一是气候的冷暖波动,前期的寒冷干燥可能有利于沙漠化的扩展,但中期的冷暖波动所引起的湿度变化为沙漠化的逆转创造了条件;二是以牧业为主的人类活动没有对环境造成太大的压力。以上两方面的有利条件,保证了本区环境的稳定从而避免了沙漠化的发生。
唐朝中期,即公元八世纪是毛乌素地区急剧沙漠化发生的时期。不论是唐朝前期的暖湿还是后期的冷湿,应该说气候条件是有利于沙漠化逆转的,至少是不应该出现沙漠化的扩展,但实际情况却正好相反。因此我们不得不考虑这个时期人类活动在沙漠化中所扮演的角色。由前述可知,隋唐时期,尤其是唐朝,是汉民族实行大一统的时期,隋唐的农业是继秦汉以后出现的又一次高潮。从气候条件来说,秦汉时期温凉偏湿的气候要比隋唐时期始终湿润的气候更有利于沙漠化的扩展;从人类活动情况来说,秦汉时期的规模和强度要强于隋唐时期。但前者没有发生沙漠化,后者却发生了,这说明唐朝时期毛乌素地区的自然环境比以前更加脆弱了,也说明人类活动对本区沙漠化的贡献正在增加并超过了气候变化的贡献。
两宋时期,毛乌素地区的沙漠化日益严重,这与当时寒冷干燥的气候是对应的;虽然当时党项人占据毛乌素地区,从事农耕的汉民族为数不多,但在宋朝三百多年的历史中,约有两百多年与北方的辽、金及西夏交战,毛乌素地区成了残酷血腥的疆场,战争作为一种特殊的人类活动与恶劣的气候共同作用,加速了毛乌素地区的沙漠化。元朝时期,毛乌素地区是全国十四大牧场之一,而且气候冷湿,本区沙漠化相对稳定。
明清时期是毛乌素地区沙漠化继续扩张的时期,也是在这个时期,毛乌素地区基本上形成了与现代相似的景观。明清时期正好处于“小冰期”,气候特点总的来说是寒冷干燥,但也存在次一级的冷暖波动,在此期间有三次冷期和两次暖期,冷期发生在1450～1510AD, 1560~1690 AD和1790~1890 AD,暖期发生在1510~1560 AD和1690 ~1790 AD[26]。明清以来,由于大量的屯田开垦,毛乌素地区的农业再次兴盛,但主要农业活动集中在明朝前期和清朝后期这两个时间段内。大规模的农业活动对沙漠化的影响并没有因为两次暖期的存在而得到缓解,毛乌素地区的沙漠化继续扩张,毛乌素沙地基本形成。其后清末民国时期帝国主义势力利用传教方式侵入本区,在长城沿线的白泥井、柠条梁、红柳河、小桥畔与城川一带占地招人滥垦,加剧了草原植被的破坏。目前榆林、定边间的流沙就是该时期滥垦草原的产物。当时在长城沿线的开垦主要是顺若干条河流进行的,沙漠化也就是以这些河谷滩地垦区为中心向周围蔓延,导致长城沿线土地沙漠化的加剧,形成耕地与流沙、半固定沙丘、固定沙丘交错分布的景观[27]。
新中国成立近70年以来,特别是上世纪80年代以来,毛乌素地区所属的陕西、内蒙以及宁夏地区历届政府坚持“南治土北治沙”方针数十年不动摇,通过持之以恒的奋斗和努力,半个多世纪矢志不渝,筚路蓝缕艰苦奋斗,毛乌素地区生态环境改善成果举世瞩目。拿榆林地区为例,林草覆盖率:全市从新中国成立前的1.8% 达到目前的30.8%;林草郁被度: 郁被度0.7以上的林草面积已达1500万亩。造林保存面积从新中国成立前的63万亩增加到目前的2008万亩;在沙漠腹地营造起万亩以上成片林165处,建成了总长1500公里,面积175万亩的4条大型防护林带。固定沙地占沙化土地总面积81.2%,流动沙地只占沙化土地5.7%。境内860万亩流沙有600余万亩得到固定、半固定,实现了区域性的荒漠化逆转,150万亩农田实现了林网化,恢复和改良草场2295万亩,沙区初步治理度达到69.1%。沙尘暴出现天数由上世纪60～70年代的每年20多天,减少到10天左右。每年浮沉扬沙天气由66天减少至24天,林网地的风速降低28.8～49.4%。如今的榆林北部沙区郁郁葱葱的植被将昔日肆虐的黄沙牢牢锁住,再也遇不到“大风一起、黄沙滚滚”的场面。在我国土地沙化以每年2000多平方公里速度扩展的趋势下,榆林率先实现了荒漠化的逆转。
3.结语
毛乌素沙地历史时期的环境变化是受百年乃至千年尺度的气候冷暖、干湿变化控制的,之所以形成目前这样的沙漠化土地空间分布格局和环境特征,则与其独特的自然地理特征和人类活动有密切关系,其中气候条件是动力因素,地层中的古风成砂是物源因素,地表水环境恶化是区域环境变化的表现之一,同时又是植被退化和沙漠化的引致因素。人类活动总体上是叠加在自然因素之上的,唐朝是毛乌素地区沙漠化的一个转折点,之前本区沙漠化主要受气候变化的控制,之后人类活动的影响越来越明显。明清以来在毛乌素沙地局地环境变化中人类活动成为主导因素。
由于人类对环境的作用既可能是建设性的,也可能是破坏性的,而且无论是哪一方面的作用,后续的环境效应都非常复杂,前期的生态环境建设成果可能是后期土地盐渍化、沙漠化等的诱因。因此,现阶段毛乌素沙地的生态建设应当立足于对其成因有正确认识的基础之上,彻底改造是不可能的,用抽取大量地下水来灌溉地表植被,以达到改造沙地的做法也是不可取的,在遵循自然规律的前提下,保护和改善生态环境才是毛乌素沙地生态恢复的关键。
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作者简介:聂浩刚,男,45岁,中国地质调查局西安地质调查中心教授级高级工程师。主要从事环境地质、能源地质方面的调查研究工作。现主要参与中国地质调查局“陕北榆林地区荒漠化综合地质调查”二级项目工作。
