塞罕坝区域介绍

北京大学塞罕坝生态实习基地（定位站）位于北京北部450Km的河北省围场县塞罕坝机械林场，向周边辐射到内蒙古自治区克什克腾旗、多伦县和正蓝旗。这一区域位于蒙古高原的东南缘，为蒙古高原向冀北山地、华北平原、东北平原过渡的区域（图2-1）。

实习区内包括浑善达克沙地、大兴安岭、冀北山地等地理单元，是辽河上游西拉木伦河以及滦河上游支流闪电河的发源地（图2-2）。

图2-1 实习区的地理位置

图2-2 实习区及周边地区自然地理概况

第1节  区域自然地理特征

1.1 地貌特征

实习区位于内蒙古高原东南缘，主体部分海拔为1100~1400m。内蒙古高原内部地貌形态多样。西部为浑善达克沙地，由多条东西走向的沙带组成。东南和南部为冀北山地。沟谷海拔在500~700m之间，在坝缘部分，山地海拔迅速上升到1400~1700m，最高峰大光顶子海拔接近2000米。向北和西北方向进入内蒙古高原，海拔复又缓缓下降，这一部分即为通常所称的“坝上”。

1.2 气候条件

实习区地处半湿润气候向半干旱气候过渡的区域，年降水量400mm的界线从塞罕坝西边穿过。利用内蒙古高原东南部的气候资料，对整个区域的气候状况（表2-1）进行克里格插值处理，结果如图2-3所示。从图2-3可以看出，实习区及周边地区年降水量存在SE－NW向的梯度。而温度指标的梯度不明显，总体上坝下气温偏高，坝缘山地和大兴安岭南段山地由于海拔较高而温度偏低，内蒙古高原部分温度差异较小。

表2-1 实习区及其周围地区主要台站的气候状况

表中标有*者为1961−1970年平均值，标**为1959−1994年平均值，其余为1951−1970年平均值

图2-3 主要气候指标的空间分布（横轴和纵轴分别为经度和纬度；图中红色方块为塞罕坝机械林场位置）

1.3 土壤特征

由于气温递变速率快，地貌类型多样，本区土壤类型多样。按照传统的土壤发生学分类系统，从冀北山地向锡林郭勒熔岩台地，土壤类型依次为棕壤、灰色森林土、黑钙土、淡黑钙土、暗栗钙土。在浑善达克沙地主要为风沙土。一些高海拔的山顶分布有亚高山草甸土。按照土壤诊断学分类系统，研究区的土壤以雏形土为主，局部地方有淋溶土和均腐土，在沙地和覆沙丘陵上常发育新成土。

1.4 植物区系

研究区在植物区系组成上有着非常明显的过渡性，从冀北山地向内蒙古高原过渡，表现为东亚成分逐渐减少而达乌里-蒙古成分增多。冀北山地是东亚成分向内蒙古高原腹地渗透的门户；大兴安岭南部山地又是东亚成分北上及东西伯利亚成分南下的桥梁。

1.5 土地利用

坝下第三乡以南以农为主，农林结合，自然林较少，一些地区有斑块状人工林。从第三乡到坝上吐力根河以林为主，为塞罕坝机械林场的范围，除天然的落叶阔叶林外，还栽种了大面积落叶松林和一定数量的樟子松林，森林覆盖率高。吐力根河以北东半部分为冀北山地和大兴安岭山前丘陵，台地，境内土地利用方式为林牧结合，森林以天然林为主；西半部分土地利用以牧为主，有红山军马场、元宝山牧场等牧业基地。

第二节  区域环境演变

2.1 浑善达克沙地的演变

对于浑善达克沙地形成的年代，目前还不能完全确定。在沙地形成之前，这一地区为一大型湖泊（图2-4）。

图2-4 古湖期的浑善达克沙地（引自Yang et al., 2015）。

对沙地形成的原因，目前有不同的说法。最新的认识是古湖东面的西拉木伦河发生溯源侵蚀，与古湖连通，导致古湖变干，风力作用将湖中厚层沉积物中的细颗粒物质吹走，留下粗颗粒物质，形成沙丘。在古湖的中心位置形成新月形沙丘，边缘则形成沙垄。强劲的风力还把湖中的粗颗粒物种吹扬到古湖东边和南边的丘陵山地，形成覆沙丘陵，成为实习区土壤发育的主要母质。

末次冰盛期（距今21000-18000年前）以来，浑善达克沙地的位置和范围没有发生明显的变化（图2-5,2-6,2-7）。但是沙地经历了多次固定和活化的过程，在气候暖湿的阶段，植被覆盖度高，以森林植被占优势，土壤中腐殖质含量高；在气候冷干的阶段，植被覆盖度低，以草原和荒漠植被占优势，土壤中腐殖质含量低。多次固定和活化导致了沙丘剖面中分布着多层腐殖质含量高的古土壤（图2-8）。

图2-5末次冰盛期中国沙漠与沙地（引自Yang et al., 2013）

图2-6 中全新世温暖器中国沙地与沙漠（引自Yang et al., 2013）

图2-7 现代中国沙地与沙漠

图2-8 浑善达克沙地南缘的沙丘-古土壤剖面（刘鸿雁摄于四道河口）

2.2 区域植被演变

实习区末次冰盛期的植被以荒漠占据优势，近在沙地的局部地点可能出现油松林的避难所（Hao et al., 2017）。随着冰后期气候的转暖，森林逐渐进入本区域。首先进入的树种包括云杉（Picea spp.）和榆树（Ulmus pumila），在全新世中期（距今6000年前后），气候转为温暖湿润，气温比现在高，实习区的植被以栎（Quercus spp.）林占优势，出现了桦（Betula spp.）、椴（Tilia spp.）、核桃楸（Juglans spp.）等落叶阔叶乔木。此后，随着气候的变干变冷，落叶阔叶林逐渐被油松林（Pinus tabulaeformis）所取代，在距今2000年前后，实习区的油松林逐渐被草原植被所取代。

随着气候的变化，末次冰盛期以来的森林分布界限也一直在推移中。在距今8300年前后，森林分布的界限与现在的森林分布接近。此后，森林分布的界限向西北方向推进，在距今6200年前后达到极值。随着气候变冷变干，森林分布的界限向东南方向回撤，在距今4800年前后，森林分布的界限与现代的森林分布已经非常接近了（图2-9）。

图2-9 实习区森林界限的推移过程

2.3 区域人类活动的历史

实习区东南部主要位于清代木兰围场的范围内。在清康熙以前，区域内只有零星的居民点。康熙平定噶尔丹叛乱以后，蒙古王爷将现在的围场和隆化一带献给朝廷作为围猎练兵之所，称为“木兰围场”。木兰围场的设立客观上对保护自然生态起到了一定的作用。

清咸丰以来，随着国库空虚，木兰围场被逐步放垦。首先被放垦的东部和南部的边缘地区，随后不断往核心区蚕食（图2-10）。1906年，木兰围场全面放垦，大量移民进入，河谷平地被开垦，自然植被破坏殆尽。目前仅围场县的人口就达到60余万人，对自然生态的压力大。

1962年，塞罕坝机械林场正式成立，在围场县的西北部地区开展了大规模的植树造林活动，形成了面积近千平方公里的连续林带，对区域生态环境的改善起到了一定的作用。塞罕坝的人工造林主要在海拔1400米以上的地区，栽植的树种主要为华北落叶松（Larix principis-ruprechtii）。在海拔1300-1400米的沙地主要栽植樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）。尽管降水量低，但由于海拔高，蒸发小，有助于保障森林生长。

在实习区的西部，清康熙以前也只有零星的居民点。康熙平定噶尔丹叛乱以后，在现多伦县城建设了汇宗寺，成为蒙区民众的宗教中心。大量蒙区民众沿浑善达克沙地西缘进入多伦，形成一条人类活动密集带，从近期的遥感影像仍然可以看到人类活动对植被的影响。

图2-10 木兰围场的放垦历史

第三节 区域植被格局及其成因

实习区内年降水量在500-200mm之间，随着年降水量的减少，区域植被格局发生显著变化。在年降水量500mm左右的区域，无论是阴坡还是阳坡都分布有森林，以栎林和桦林为主，形成连续分布的森林带。在年降水量400mm左右的区域，森林仅能分布在陡阴坡，在平地和阳坡以草原植被占据优势。随着年降水量的下降，森林分布的坡度越来越大，树种逐渐变为以山杨占据优势，在覆沙丘陵的坡脚出现榆树疏林。在年降水量200mm左右的区域，森林不再出现，在不同地形条件下均以草原植被占据绝对优势（图2-11；Liu et al., 2012）。

从区域植被格局随年降水量的变化可以看出水分条件对植被格局的决定作用。其次，地形条件通过调控蒸发，改变土壤水分含量而决定森林的分布。由于实习区处于北半球中纬度地区，阳坡的太阳高度角大，在坡度45°左右的阳坡，太阳接近直射，地表接受的太阳辐射量最大，蒸发也最强；相反，阴坡的太阳高度角小，坡度>45度左右的阴坡，几乎没有太阳的直接辐射，因此，阴坡的蒸发量低。根据不同坡向和坡度条件下的蒸发量计算结果（图2-12），在坡度5°时，阴坡蒸发量是阳坡蒸发量的80.4%；而在坡度40°时，阴坡蒸发量只有阳坡蒸发量的23.1%。如果不考虑土壤条件的影响，在降水量400mm的地区，只有在阴坡坡度>35°的情况下，降水量才能比蒸发量大，从而有盈余的水分下渗到土壤深处，保证森林的生长。最后，土壤质地也影响到蒸发和下渗，进而影响不同深度的土壤水分含量，从而影响到森林的分布。土壤质地疏松的、毛管作用小的沙地上由于蒸发小，水分容易下渗进入深处土壤，出现榆树疏林植被。

图2-11 林草交错带植被格局及其与气候和地形条件的关系（引自何思源，2006）

图2-12 北纬42°不同坡度和坡向的年蒸发量

在林草过渡带，森林呈斑块状分布在陡阴坡。随着年降水量的减少，森林斑块面积变得越来越小。在水平空间上，受地形条件的影响，林草交错带的宽度在不同的地点不尽相同。

第四节 区域生态问题

4.1 森林死亡

中国北方升比南方升温速率更高，且年降水量呈现夏秋季减少的趋势（Piao et al., 2010），即本来较为干旱的地区生长季变的更加干旱。本世纪以来，处于干旱林线附近的半干旱区森林出现普遍的树木生长下降、枯稍和死亡现象（Liu et al.,2013；Kharuk et al.,2013），引起了全球普遍关注。

森林死亡是指生物以外因素引起的超过背景死亡率的森林大面积死亡现象。在实习区的多伦、正蓝旗等地普遍出现森林死亡现象，涉及到白桦、山杨、华北落叶松等不同的树种。森林死亡现象主要发生在森林分布的干旱极限，亦即树线。在树线，森林主要以小斑块和孤立木的形式，极易出现生长衰退、枯稍以至死亡。

图2-9 正蓝旗乌和尔沁敖包林场的森林死亡

4.2 草原退化

草原退化在区域尺度上是气候变化的产物，在局地尺度上则是过度放牧的结果。草原退化主要反映在植物种类、覆盖度、生物量等的变化。随着草地的退化，冷蒿、糙隐子草、星毛委陵菜、寸草苔的占据优势（附表1. 退化草地指示种名录）。

在沙地或者覆沙丘陵，随着草地的退化，能够固碳的豆科植物逐渐占据优势，有助于草原的恢复（Hu et al., 2014）。在一些地区，豆科灌木（如小叶锦鸡儿）进入草原并逐渐占据优势，成为退化草原的标志。

4.3 土壤沙化

草原带植被覆盖度低，在强劲的风力作用下，容易引起土壤沙化，表现为粗颗粒物质含量高，尤其是在退化草原。然而，土壤中的粗颗粒物质含量高并不一定代表土壤沙化。在浑善达克沙地及其边缘的覆沙丘陵，土壤中的砂含量达到60%以上。另一方面，土壤中的粗颗粒物质含量也与气候条件有关，在气候暖湿的地区，土壤风化程度高，粗颗粒物质含量低（Liu et al., 2008）。

第四节 实习路线

本实习地点为北京大学地球环境与生态系统定位研究塞罕坝站，以河北塞罕坝机械林场为驻地，选择6条路线，向周围到达浑善达克沙地腹地的内蒙古正蓝旗桑根达来（图2-1）。