西北地區的由來及演變
壹、古氣候演變
（壹）第三紀（距今7000萬～300萬年）開始的青藏高原隆升改變了東亞的地理與氣候格局
遠古時期的喜馬拉雅地質運動對我國地質構造面貌產生了重大影響，造成古地中海消失、青藏高原升起，塑造了我國的現代地勢格局。
1．西北地理格局的形成
喜馬拉雅山地質運動在我國西部表現為受印度板塊向北移動的影響，以擠壓、褶皺和隆起為主，形成山系與盆地相間排列，奠定了“三山兩盆”的地貌形態。早第三紀（距今7000萬～2500萬年），塔裏木盆地西南部發生海侵，形成與古特提斯海相連的喀什海灣，而其他地區均已成陸，其中包括準噶爾、柴達木、藏北盆地和內蒙古壹帶的戈壁盆地等陸相盆地區，以及古天山、古祁連山和晉陜高地等山區。
到早第三紀晚期的漸新世（距今4000萬～2500萬年），印度板塊與歐亞板塊在帕米爾地區碰撞拼合，西部海灣消失，塔裏木盆地與古地中海分離，形成統壹的內陸盆地。
晚第三紀（距今2500萬～300萬年），在印度板塊向北的強烈擠壓下，青藏高原急劇隆升。西北地區因此受到強烈的南北向擠壓，盆地急劇下沈，天山、昆侖山快速隆升，並向盆地擠壓逆沖，形成了大量的逆沖推覆構造。在東部甘陜壹帶，青藏高原向北東方向擠壓剛性的鄂爾多斯地塊，在地塊邊緣受力區形成了六盤山脈，而在鄂爾多斯地塊西北和東南兩側分別形成了類似“壓力影”的拉張盆地，即銀川、河套與汾渭盆地。
進入第四紀（距今250萬年）後，青藏高原以及各盆地周圍的山脈強烈隆升，在塔裏木盆地山前堆積了3000多m的西域礫巖，塔克拉瑪幹沙漠形成。柴達木盆地早期為壹巨大的淡水湖泊，晚期湖面減小變鹹。在準噶爾盆地，早期的艾比湖和瑪納斯湖為淡水湖泊，南部山前為西域礫石，盆地中部開始出現沙漠，晚期湖泊變鹹，沙漠擴大。而在東部，氣候幹旱化加劇，內蒙古的戈壁和沙漠大面積形成，並在其南側地區因風力作用堆積形成了黃土高原。
2．中新世（距今2500萬～1200萬年）奠定了西北現代氣候基本格局——從行星風系到季風風系
早第三紀，我國的幹旱帶呈東西向展布，具有明顯行星風系的特征。古新世（距今7000萬～6000萬年）時期，我國南方屬於炎熱的幹燥環境，東南與太平洋相接，西南與古地中海相連，東北地區為冷濕環境，整個幹旱區在我國呈東西向展布的緯向幹旱帶，具有明顯行星風系的特征。始新世（距今6000萬～4000萬年）時期南方地區高溫幹旱帶向北移動了約10個緯度左右，由南方幹旱帶變成以華中—華北南部到青海—塔裏木為中心的東西向中部幹旱帶，寬約15～17個緯度，仍具有明顯行星風系的特征。漸新世時期幹旱帶北界沒有大變化，而南界向北移動了約5～8個緯度，由中部幹旱帶變成了北方幹旱帶，範圍大幅度減小，寬僅約7個緯度。這時，華南沿海地區降水較多，可能反映東南季風開始出現，但影響範圍有限。
中新世時期，幹旱帶格局發生了重大變化，壹改過去的緯向展布，出現了東西分異。幹旱區分布在昆侖山以北、太行山以西地區，幹旱區內部存在東濕西幹的過渡變化特征，並壹直保持至今。距今2200萬年時，西北地區已經開始出現大範圍的幹旱化，為粉塵堆積提供了基本的物質來源，堆集形成了大量陸相風塵沈積——晚第三紀紅土，顯示季風系統已經出現。
中新世晚期至上新世早期幹旱帶縮小，向西後退，大致被限制在祁連山以西；我國大部地區氣候濕潤，森林、草原廣布，青藏高原開始加速擡升，印度季風和東南季風都有加強之勢。上新世時期幹旱區向東擴大，出現了強大的冬季風。幹旱化向東擴張，我國東部地區森林廣袤，氣候適宜。青藏高原快速擡升，加速了青藏高原內部與周邊地區的環境分異，形成了西南季風、東南季風和北方的冬季風。冬夏季風由此成為影響我國東部地區環境格局的主要因素。
（二）第四紀?距今250萬年）氣候演化以周期性變化和幹旱化加強為特征
自距今2200萬年的中新世，西北地區開始出現大範圍的幹旱化，西北幹旱化壹直延伸到第四紀。第四紀以來氣候變化最顯著的特點是周期性、不穩定性和幹旱化加劇。各種地質記錄表明第四紀以來存在著數十次較大的氣候冷暖、幹濕變化，構成了冰期與間冰期旋回。
西北地區第四紀氣候演化與全球氣候變化相似，除明顯的周期性演化外，同時還存在周期的轉型特點。第四紀以來有三個不同的氣候期，不同的氣候期裏氣候變化的主導周期有所不同，整個第四紀時期以距今40萬年、10萬年和2萬年的周期最為明顯。黃土地層記錄了兩次氣候轉型事件，壹次在160萬年前後，氣候由多種周期疊加轉變成4.1萬年為主導周期，第二次轉型發生在80萬～60萬年前後，氣候主導周期由4.1萬年變為10萬年。兩次轉型都伴隨著冬季風的加強，60萬年以後氣候變化與北方沙漠的擴張同步。
自第四紀以來，西北地區的幹旱化逐步加強，在距今260萬年、110萬年和60萬年分別有三次幹旱化加劇事件。因此西北地區總的氣候特點就是在幹冷—暖濕波動中幹旱化增強。
（三）全新世?距今1萬年以來 氣候演化特征
①西北地區氣候波動與全球氣候變化具有壹致性，但也存在區域性特征。
②適宜期：距今8000年左右直到距今4000年左右結束的全新世適宜期，是全新世氣候最為溫濕的時期，植被帶北移和西移，氣候以暖濕為主，但仍有波動。
③氣候演化的周期性：以溫度波動的周期性更明顯，大致1500年的準周期與世界其他地區的相似。
④不穩定性：整個全新世時期存在著氣候不穩定性，出現了多次氣候波動，如距今5000和4000年多次出現氣候惡化事件，並造成了我國西北地區人類文明的相應變化。
⑤幹旱化加強的趨勢性? 在千年尺度上，距今4000年以後氣溫、降水都在持續減少，環境逐步惡化。2000年後氣候還有壹定波動，雖然已無法與全新世適宜期相比，但比末次盛冰期好。在百年—十年尺度上，目前正處於氣溫上升時期，並且已基本到達了過去類似升溫期能夠達到的強度，但是人類活動的影響已使氣溫上升的幅度超過了過去自然演化中氣溫上升的幅度，這為預測未來的氣候發展趨勢增加了更大的難度和不可預測性。
⑥溫濕度不同步：在宏觀尺度上，我國西北地區的氣候升溫多與降雨增加壹致，如古土壤通常是溫濕環境產物，而黃土則多是在幹冷環境下形成。但是越來越多的證據顯示溫度和降雨的變化並不完全壹致，氣溫和降水的變化可以不同步，多種地質記錄顯示氣溫的變化常常會超前於降水量的變化（吳乃琴，2000；姚檀棟，1995。這種溫濕度變化不同步的現象意味著在我們關心的時間裏希望全球增溫後給西部帶來較多的降水可能是不切實際的，因為在降水增加以前增溫將使西北地區的幹旱化大大加劇，使生態環境更為惡化。
（四）末次盛冰期和全新世適宜期環境空間格局
距今2萬～1.4萬年的末次盛冰期和從距今8500～4000年的全新世適宜期，代表了距今最近的最劣和最佳兩種極端氣候和生態環境，現代氣候介於這兩種極端氣候類型之間，更接近於全新世適宜期，這兩種端元氣候是現代氣候環境變化的兩種可能的極端類型，可以為西北地區氣候與生態環境的可能變化範圍提供基本參照和生態環境建設的歷史依據。末次盛冰期時，溫度比現在低5℃～8℃，降水量總體比現在少，海岸線東移，森林帶大規模南移，華北大部和東北中部地區退化為草原，沙漠多且面積大。全新世適宜期時，溫度比現在高2℃，多數地區降雨量比現在大，森林帶北移，大部分沙漠後退，在賀蘭山以東半幹旱區的壹些沙漠表面上，形成了薄層土壤和草原景觀，僅塔裏木和巴丹吉林地區留有壹定面積的沙漠。
這兩個時期的環境格局構成了近期我國北方植被端元類型的演替，反映了植被生態環境在最好與最惡劣條件下的可能變動範圍，因此可為我們開展西部生態環境建設提供基本參考依據，幫助我們在開展生態環境建設時選擇合理的生態環境建設方式。
二、黃土高原地區古植被
（壹）古植被分布的局地性
黃土高原的植被分布狀況受著各種局地特征的影響和控制，並沒有嚴格按照植被地帶性分布規律分布。歸納起來主要存在以下差異：
①溝谷和塬面的差異。溝谷和塬面的植被類型有明顯的差別，全新世以來有厚層黃土分布的塬面上從來沒有穩定的大面積的森林生長，自然植被類型以草原為主，但在溝谷中可以有森林（疏林）。
②基巖山地和黃土塬的差異。黃土高原的森林主要集中在沒有厚層黃土沈積的基巖山地，厚層黃土的巖土性質不同於基巖山地和東部沖積平原區，在黃土塬區不存在大面積的自然森林。
③地帶性?顯域性 和局地性（隱域性）植被的差異。綠洲以及在沙地梁灘相間區的草甸植被、沙生植被等隱域性植被，在地質歷史時期始終是存在的，但不反映地帶性植被的特點。
④實際植被、潛在植被和原生植被的差異。根據氣候條件劃分的潛在自然植被與實際植被分布有壹定的差異，而由於氣候變化和人類活動影響，原生植被和潛在植被、實際植被之間存在差異，氣候適宜期的原生植被狀況應該是目前生態恢復所能達到的最理想狀況。
⑤人工成林和自然森林演替之間的差異。人工樹林樹種單壹，不能自然下種和自然演替，缺少生物多樣性，易遭病蟲害，生長5～10年後，當土壤幹層出現，樹林就會退化，與自然生長的森林可演替性有很大的區別。
⑥陰坡和陽坡的差異。北方地區陽坡和陰坡的濕度有明顯差異，因此往往陰坡有良好的森林分布，而陽坡則沒有。
⑦地下水埋深的差異：壹些地區的植被群落更多的受到地形及地下水的控制，地下水位的波動會造成植被類型的變化。
因此了解不同空間、時間尺度上的自然植被特點與水熱條件的關系，分析不同氣候、地形母質條件下實際植被、潛在植被和原生植被的差別，弄清黃土區不同地貌單元自然植被演化和人類活動的關系，是黃土高原生態環境建設最關鍵的科學和實踐問題。
（二）古植被與氣候對應關系
研究表明全新世時期黃土塬面上植被的空間變化明顯，從東南部黃土高原南部水熱條件最好的渭南地區的草原——疏林草原?短期落葉闊葉林 ，向西北到寶雞為典型草原，蘭州則為荒漠草原，總體植被類型以草原為主，並從東向西呈現與降水減少壹致的趨勢，顯示出在厚層的黃土高原塬面上，要發育穩定的森林植被，年降水量需要比目前我們理解的水熱平衡模型所對應的森林植被所需要的降水量要高得多。
三、人類文化與自然環境
幾千年來，自然環境的變化壹直左右著人類社會的發展，而人類的活動也隨著人類生產力的發展對自然環境產生著越來越強的影響，尤其是工業化革命以後，這種反饋的強度和規模空前加大。
（壹）極端氣候事件對我國北方地區人類文化的影響
全新世以來氣候出現過多次的冷暖、幹濕波動，其中以距今4000年的降溫最明顯，這次氣候事件在我國和世界各地都有表現，是壹次全球性的氣候降溫事件，在我國以溫度降低、降水減少、氣候帶南移、北方地區氣候惡化為特點，對古代文明產生了重要影響：
①人群遷移，文化格局變動，原農業文化區出現小範圍“空白”。在這次極端氣候事件中，北方文化采取了更為積極主動的應變策略，並取得良好效果。
②人群遷移又造成戰爭頻繁，規模擴大。這些大規模戰爭也為我國社會進入成熟的國家和文明階段奠定了基礎。
③環境惡化最終導致經濟形態發生變化。距今4000年以後，由於環境惡化、草原帶南移，內蒙古中南部、陜北、晉中北、甘青等地區畜牧業成分明顯加大，利用較大草場牧牛放羊已經成為北方地區的普遍現象。此後北方長城沿線的半農半牧—畜牧業文化帶，正是在此基礎上逐漸形成的。在這次氣候事件中，敏感地帶的北方農業文化顯然采取了新的卓有成效的應對策略：不是任其衰竭或大範圍遷移，而是轉變經濟形態來適應這種變化；不是與北方狩獵或遊牧文化水火不容，而是逐漸加強融合。這樣既保持了文化的連續性，又客觀上起到了保護環境的作用。
（二）人類活動導致我國西北陸地生態系統碳儲量下降
研究表明總體上西北各省從自然狀態下到現在，植被碳庫均存在大幅度的下降，降低幅度大致為71％～79％，即現有植被碳儲量僅為自然狀態下的1/3～1/4。合計植被碳儲量下降總量達5.2PgC（1015克的碳量），現有植被的退化度高達0.76。土壤碳庫下降幅度與植被碳庫相比，明顯要低得多，其幅度大致為5％～25％，合計土壤碳儲量損失也高達3.3PgC。即由於人類活動的影響，西北6省、自治區植被和土壤有機碳庫已損失了約8.5PgC。西北東部的農牧交錯帶人口稠密，植被碳密度的下降幅度最大，土壤碳密度損失區主要位於這壹帶的旱作農業區域。
我國西北6省、自治區陸地生態系統碳儲量的巨大損失，也指示著它具有增加碳庫規模的很大潛力，如果我們能部分恢復這些地區的生態系統，它不僅能在很大程度上改善我國西北現有不斷惡化的生態環境，同時還可以達到大量吸收大氣CO2的目的，以減緩溫室氣體的快速增長，這對於我國參與全球控制CO2排放的談判爭取主動，以及制定溫室氣體的排放量標準都具有重要的意義。
（三）歷史時期東部沙區沙漠化快速發生的原因
①氣候演化的幹旱化趨勢。經歷了距今4000年前的氣候惡化事件後，全新世適宜期結束，西北地區幹旱化逐步加強，雖然現在的氣候條件仍比末次盛冰期時要好，但氣溫和降水都比適宜期減少很多，因此東部沙區沙漠化的自然背景就是氣候條件本身的逐步惡化。
②沙源是發生沙漠化的物質基礎。末次盛冰期時在西北東部地區形成了範圍廣大的沙漠分布，向東壹直擴展到了大興安嶺壹帶，在全新世適宜期這些沙漠上發育了草原植被，基本被土壤覆蓋，這些古風成砂為歷史時期的沙漠化提供了豐富的沙源，壹旦上覆土壤層被破壞，沙漠化就會發生。因此，古沙源是發生沙漠化的重要前提。
③“風旱同季”的氣候條件。西北地區“風旱同季”，春季降水少、風力大、植被覆蓋度低，古風成砂暴露於地表後，很容易被風力搬運，而在極短的時間內迅速擴大分布，造成沙漠化，且難以逆轉。
④人類活動是沙漠化的主導因素。現今我國東部沙區為農牧交錯帶，從秦漢歷唐宋至明清，北方遊牧文化與中原農耕文化之間壹直紛爭不斷，每次戰爭都會造成人口遷移及農、牧生產方式的變化。遊牧民族對生態環境的破壞程度相對較低，而農耕民族的破壞程度則較高。研究表明，現在的沙漠分布接近於末次盛冰期，而實際上現在的氣候條件更接近於全新世適宜期，這表明人類活動已大於自然影響，成為誘發沙漠化快速發生的最主要原因。
四、氣候演化趨勢
在不同的時間尺度上，氣候環境的演化趨勢壹般具有不同的特點。在長尺度時間範圍上的氣候變化提供了壹種宏觀、長周期的氣候環境演化背景，而在短尺度高分辨率的時間尺度上，是疊加在長尺度氣候變化大趨勢上的高頻變化信息，相對於人類活動的關系也更為緊密。
在宏觀趨勢上，我國西北地區第四紀以來壹直存在著幹旱化持續加強的趨勢，而氣候變化的周期性使得我國北方氣候不斷重復冰期—間冰期的交替變化，全新世就是最新壹次間冰期。
在較小的千年尺度上，全新世適宜期以後氣候也在逐步向幹冷方向發展，可能會出現與距今4000年和距今8000年兩次降溫事件類似的氣候環境。但是幹旱化幅度與現在接近，重現末次盛冰期氣候的可能性不大。3000至4000年後氣候可能向潮濕氣候轉化。
在百年尺度上我國北方氣候正處在又壹次升溫期，但升溫幅度已遠遠超過了歷史上幾次類似升溫期，反映了人類活動的巨大影響。
20世紀80年代以來，西北地區溫度升高顯著，降水量變化存在著區域性差異，具有西增、東減、中部不變的特點，但增加的總量很小。
各種模擬預測顯示，自然狀況下西北會繼續維持幹旱化，人類影響下未來50年西北地區可能向暖濕方向發展，到2050年氣溫增加1.0℃～4.2℃，而降水量的預測差異較大，不確定性也大，可能會波動性略增，但不會根本改變西北地區幹旱的氣候格局。