西北地区的由来及演变
从自然历史角度看西北地区水资源问题从某种意义上说也就是干旱化的问题，干旱化历史也反映了水资源的演化历史，研究西北地区古气候的演化规律，有助于揭示干旱化的强度、分布、转化和演变特征。
一、古气候演变
（一）第三纪（距今7000万～300万年）开始的青藏高原隆升改变了东亚的地理与气候格局
远古时期的喜马拉雅地质运动对我国地质构造面貌产生了重大影响，造成古地中海消失、青藏高原升起，塑造了我国的现代地势格局。
1．西北地理格局的形成
喜马拉雅山地质运动在我国西部表现为受印度板块向北移动的影响，以挤压、褶皱和隆起为主，形成山系与盆地相间排列，奠定了“三山两盆”的地貌形态。早第三纪（距今7000万～2500万年），塔里木盆地西南部发生海侵，形成与古特提斯海相连的喀什海湾，而其他地区均已成陆，其中包括准噶尔、柴达木、藏北盆地和内蒙古一带的戈壁盆地等陆相盆地区，以及古天山、古祁连山和晋陕高地等山区。
到早第三纪晚期的渐新世（距今4000万～2500万年），印度板块与欧亚板块在帕米尔地区碰撞拼合，西部海湾消失，塔里木盆地与古地中海分离，形成统一的内陆盆地。
晚第三纪（距今2500万～300万年），在印度板块向北的强烈挤压下，青藏高原急剧隆升。西北地区因此受到强烈的南北向挤压，盆地急剧下沉，天山、昆仑山快速隆升，并向盆地挤压逆冲，形成了大量的逆冲推覆构造。在东部甘陕一带，青藏高原向北东方向挤压刚性的鄂尔多斯地块，在地块边缘受力区形成了六盘山脉，而在鄂尔多斯地块西北和东南两侧分别形成了类似“压力影”的拉张盆地，即银川、河套与汾渭盆地。
进入第四纪（距今250万年）后，青藏高原以及各盆地周围的山脉强烈隆升，在塔里木盆地山前堆积了3000多m的西域砾岩，塔克拉玛干沙漠形成。柴达木盆地早期为一巨大的淡水湖泊，晚期湖面减小变咸。在准噶尔盆地，早期的艾比湖和玛纳斯湖为淡水湖泊，南部山前为西域砾石，盆地中部开始出现沙漠，晚期湖泊变咸，沙漠扩大。而在东部，气候干旱化加剧，内蒙古的戈壁和沙漠大面积形成，并在其南侧地区因风力作用堆积形成了黄土高原。
2．中新世（距今2500万～1200万年）奠定了西北现代气候基本格局——从行星风系到季风风系
早第三纪，我国的干旱带呈东西向展布，具有明显行星风系的特征。古新世（距今7000万～6000万年）时期，我国南方属于炎热的干燥环境，东南与太平洋相接，西南与古地中海相连，东北地区为冷湿环境，整个干旱区在我国呈东西向展布的纬向干旱带，具有明显行星风系的特征。始新世（距今6000万～4000万年）时期南方地区高温干旱带向北移动了约10个纬度左右，由南方干旱带变成以华中—华北南部到青海—塔里木为中心的东西向中部干旱带，宽约15～17个纬度，仍具有明显行星风系的特征。渐新世时期干旱带北界没有大变化，而南界向北移动了约5～8个纬度，由中部干旱带变成了北方干旱带，范围大幅度减小，宽仅约7个纬度。这时，华南沿海地区降水较多，可能反映东南季风开始出现，但影响范围有限。
中新世时期，干旱带格局发生了重大变化，一改过去的纬向展布，出现了东西分异。干旱区分布在昆仑山以北、太行山以西地区，干旱区内部存在东湿西干的过渡变化特征，并一直保持至今。距今2200万年时，西北地区已经开始出现大范围的干旱化，为粉尘堆积提供了基本的物质来源，堆集形成了大量陆相风尘沉积——晚第三纪红土，显示季风系统已经出现。
中新世晚期至上新世早期干旱带缩小，向西后退，大致被限制在祁连山以西；我国大部地区气候湿润，森林、草原广布，青藏高原开始加速抬升，印度季风和东南季风都有加强之势。上新世时期干旱区向东扩大，出现了强大的冬季风。干旱化向东扩张，我国东部地区森林广袤，气候适宜。青藏高原快速抬升，加速了青藏高原内部与周边地区的环境分异，形成了西南季风、东南季风和北方的冬季风。冬夏季风由此成为影响我国东部地区环境格局的主要因素。
（二）第四纪?距今250万年）气候演化以周期性变化和干旱化加强为特征
自距今2200万年的中新世，西北地区开始出现大范围的干旱化，西北干旱化一直延伸到第四纪。第四纪以来气候变化最显著的特点是周期性、不稳定性和干旱化加剧。各种地质记录表明第四纪以来存在着数十次较大的气候冷暖、干湿变化，构成了冰期与间冰期旋回。
西北地区第四纪气候演化与全球气候变化相似，除明显的周期性演化外，同时还存在周期的转型特点。第四纪以来有三个不同的气候期，不同的气候期里气候变化的主导周期有所不同，整个第四纪时期以距今40万年、10万年和2万年的周期最为明显。黄土地层记录了两次气候转型事件，一次在160万年前后，气候由多种周期叠加转变成4.1万年为主导周期，第二次转型发生在80万～60万年前后，气候主导周期由4.1万年变为10万年。两次转型都伴随着冬季风的加强，60万年以后气候变化与北方沙漠的扩张同步。
自第四纪以来，西北地区的干旱化逐步加强，在距今260万年、110万年和60万年分别有三次干旱化加剧事件。因此西北地区总的气候特点就是在干冷—暖湿波动中干旱化增强。
（三）全新世?距今1万年以来 气候演化特征
①西北地区气候波动与全球气候变化具有一致性，但也存在区域性特征。
②适宜期：距今8000年左右直到距今4000年左右结束的全新世适宜期，是全新世气候最为温湿的时期，植被带北移和西移，气候以暖湿为主，但仍有波动。
③气候演化的周期性：以温度波动的周期性更明显，大致1500年的准周期与世界其他地区的相似。
④不稳定性：整个全新世时期存在着气候不稳定性，出现了多次气候波动，如距今5000和4000年多次出现气候恶化事件，并造成了我国西北地区人类文明的相应变化。
⑤干旱化加强的趋势性? 在千年尺度上，距今4000年以后气温、降水都在持续减少，环境逐步恶化。2000年后气候还有一定波动，虽然已无法与全新世适宜期相比，但比末次盛冰期好。在百年—十年尺度上，目前正处于气温上升时期，并且已基本到达了过去类似升温期能够达到的强度，但是人类活动的影响已使气温上升的幅度超过了过去自然演化中气温上升的幅度，这为预测未来的气候发展趋势增加了更大的难度和不可预测性。
⑥温湿度不同步：在宏观尺度上，我国西北地区的气候升温多与降雨增加一致，如古土壤通常是温湿环境产物，而黄土则多是在干冷环境下形成。但是越来越多的证据显示温度和降雨的变化并不完全一致，气温和降水的变化可以不同步，多种地质记录显示气温的变化常常会超前于降水量的变化（吴乃琴，2000；姚檀栋，1995。这种温湿度变化不同步的现象意味着在我们关心的时间里希望全球增温后给西部带来较多的降水可能是不切实际的，因为在降水增加以前增温将使西北地区的干旱化大大加剧，使生态环境更为恶化。
（四）末次盛冰期和全新世适宜期环境空间格局
距今2万～1.4万年的末次盛冰期和从距今8500～4000年的全新世适宜期，代表了距今最近的最劣和最佳两种极端气候和生态环境，现代气候介于这两种极端气候类型之间，更接近于全新世适宜期，这两种端元气候是现代气候环境变化的两种可能的极端类型，可以为西北地区气候与生态环境的可能变化范围提供基本参照和生态环境建设的历史依据。末次盛冰期时，温度比现在低5℃～8℃，降水量总体比现在少，海岸线东移，森林带大规模南移，华北大部和东北中部地区退化为草原，沙漠多且面积大。全新世适宜期时，温度比现在高2℃，多数地区降雨量比现在大，森林带北移，大部分沙漠后退，在贺兰山以东半干旱区的一些沙漠表面上，形成了薄层土壤和草原景观，仅塔里木和巴丹吉林地区留有一定面积的沙漠。
这两个时期的环境格局构成了近期我国北方植被端元类型的演替，反映了植被生态环境在最好与最恶劣条件下的可能变动范围，因此可为我们开展西部生态环境建设提供基本参考依据，帮助我们在开展生态环境建设时选择合理的生态环境建设方式。
二、黄土高原地区古植被
（一）古植被分布的局地性
黄土高原的植被分布状况受着各种局地特征的影响和控制，并没有严格按照植被地带性分布规律分布。归纳起来主要存在以下差异：
①沟谷和塬面的差异。沟谷和塬面的植被类型有明显的差别，全新世以来有厚层黄土分布的塬面上从来没有稳定的大面积的森林生长，自然植被类型以草原为主，但在沟谷中可以有森林（疏林）。
②基岩山地和黄土塬的差异。黄土高原的森林主要集中在没有厚层黄土沉积的基岩山地，厚层黄土的岩土性质不同于基岩山地和东部冲积平原区，在黄土塬区不存在大面积的自然森林。
③地带性?显域性 和局地性（隐域性）植被的差异。绿洲以及在沙地梁滩相间区的草甸植被、沙生植被等隐域性植被，在地质历史时期始终是存在的，但不反映地带性植被的特点。
④实际植被、潜在植被和原生植被的差异。根据气候条件划分的潜在自然植被与实际植被分布有一定的差异，而由于气候变化和人类活动影响，原生植被和潜在植被、实际植被之间存在差异，气候适宜期的原生植被状况应该是目前生态恢复所能达到的最理想状况。
⑤人工成林和自然森林演替之间的差异。人工树林树种单一，不能自然下种和自然演替，缺少生物多样性，易遭病虫害，生长5～10年后，当土壤干层出现，树林就会退化，与自然生长的森林可演替性有很大的区别。
⑥阴坡和阳坡的差异。北方地区阳坡和阴坡的湿度有明显差异，因此往往阴坡有良好的森林分布，而阳坡则没有。
⑦地下水埋深的差异：一些地区的植被群落更多的受到地形及地下水的控制，地下水位的波动会造成植被类型的变化。
因此了解不同空间、时间尺度上的自然植被特点与水热条件的关系，分析不同气候、地形母质条件下实际植被、潜在植被和原生植被的差别，弄清黄土区不同地貌单元自然植被演化和人类活动的关系，是黄土高原生态环境建设最关键的科学和实践问题。
（二）古植被与气候对应关系
研究表明全新世时期黄土塬面上植被的空间变化明显，从东南部黄土高原南部水热条件最好的渭南地区的草原——疏林草原?短期落叶阔叶林 ，向西北到宝鸡为典型草原，兰州则为荒漠草原，总体植被类型以草原为主，并从东向西呈现与降水减少一致的趋势，显示出在厚层的黄土高原塬面上，要发育稳定的森林植被，年降水量需要比目前我们理解的水热平衡模型所对应的森林植被所需要的降水量要高得多。
三、人类文化与自然环境
几千年来，自然环境的变化一直左右着人类社会的发展，而人类的活动也随着人类生产力的发展对自然环境产生着越来越强的影响，尤其是工业化革命以后，这种反馈的强度和规模空前加大。
（一）极端气候事件对我国北方地区人类文化的影响
全新世以来气候出现过多次的冷暖、干湿波动，其中以距今4000年的降温最明显，这次气候事件在我国和世界各地都有表现，是一次全球性的气候降温事件，在我国以温度降低、降水减少、气候带南移、北方地区气候恶化为特点，对古代文明产生了重要影响：
①人群迁移，文化格局变动，原农业文化区出现小范围“空白”。在这次极端气候事件中，北方文化采取了更为积极主动的应变策略，并取得良好效果。
②人群迁移又造成战争频繁，规模扩大。这些大规模战争也为我国社会进入成熟的国家和文明阶段奠定了基础。
③环境恶化最终导致经济形态发生变化。距今4000年以后，由于环境恶化、草原带南移，内蒙古中南部、陕北、晋中北、甘青等地区畜牧业成分明显加大，利用较大草场牧牛放羊已经成为北方地区的普遍现象。此后北方长城沿线的半农半牧—畜牧业文化带，正是在此基础上逐渐形成的。在这次气候事件中，敏感地带的北方农业文化显然采取了新的卓有成效的应对策略：不是任其衰竭或大范围迁移，而是转变经济形态来适应这种变化；不是与北方狩猎或游牧文化水火不容，而是逐渐加强融合。这样既保持了文化的连续性，又客观上起到了保护环境的作用。
（二）人类活动导致我国西北陆地生态系统碳储量下降
研究表明总体上西北各省从自然状态下到现在，植被碳库均存在大幅度的下降，降低幅度大致为71％～79％，即现有植被碳储量仅为自然状态下的1/3～1/4。合计植被碳储量下降总量达5.2PgC（1015克的碳量），现有植被的退化度高达0.76。土壤碳库下降幅度与植被碳库相比，明显要低得多，其幅度大致为5％～25％，合计土壤碳储量损失也高达3.3PgC。即由于人类活动的影响，西北6省、自治区植被和土壤有机碳库已损失了约8.5PgC。西北东部的农牧交错带人口稠密，植被碳密度的下降幅度最大，土壤碳密度损失区主要位于这一带的旱作农业区域。
我国西北6省、自治区陆地生态系统碳储量的巨大损失，也指示着它具有增加碳库规模的很大潜力，如果我们能部分恢复这些地区的生态系统，它不仅能在很大程度上改善我国西北现有不断恶化的生态环境，同时还可以达到大量吸收大气CO2的目的，以减缓温室气体的快速增长，这对于我国参与全球控制CO2排放的谈判争取主动，以及制定温室气体的排放量标准都具有重要的意义。
（三）历史时期东部沙区沙漠化快速发生的原因
①气候演化的干旱化趋势。经历了距今4000年前的气候恶化事件后，全新世适宜期结束，西北地区干旱化逐步加强，虽然现在的气候条件仍比末次盛冰期时要好，但气温和降水都比适宜期减少很多，因此东部沙区沙漠化的自然背景就是气候条件本身的逐步恶化。
②沙源是发生沙漠化的物质基础。末次盛冰期时在西北东部地区形成了范围广大的沙漠分布，向东一直扩展到了大兴安岭一带，在全新世适宜期这些沙漠上发育了草原植被，基本被土壤覆盖，这些古风成砂为历史时期的沙漠化提供了丰富的沙源，一旦上覆土壤层被破坏，沙漠化就会发生。因此，古沙源是发生沙漠化的重要前提。
③“风旱同季”的气候条件。西北地区“风旱同季”，春季降水少、风力大、植被覆盖度低，古风成砂暴露于地表后，很容易被风力搬运，而在极短的时间内迅速扩大分布，造成沙漠化，且难以逆转。
④人类活动是沙漠化的主导因素。现今我国东部沙区为农牧交错带，从秦汉历唐宋至明清，北方游牧文化与中原农耕文化之间一直纷争不断，每次战争都会造成人口迁移及农、牧生产方式的变化。游牧民族对生态环境的破坏程度相对较低，而农耕民族的破坏程度则较高。研究表明，现在的沙漠分布接近于末次盛冰期，而实际上现在的气候条件更接近于全新世适宜期，这表明人类活动已大于自然影响，成为诱发沙漠化快速发生的最主要原因。
四、气候演化趋势
在不同的时间尺度上，气候环境的演化趋势一般具有不同的特点。在长尺度时间范围上的气候变化提供了一种宏观、长周期的气候环境演化背景，而在短尺度高分辨率的时间尺度上，是叠加在长尺度气候变化大趋势上的高频变化信息，相对于人类活动的关系也更为紧密。
在宏观趋势上，我国西北地区第四纪以来一直存在着干旱化持续加强的趋势，而气候变化的周期性使得我国北方气候不断重复冰期—间冰期的交替变化，全新世就是最新一次间冰期。
在较小的千年尺度上，全新世适宜期以后气候也在逐步向干冷方向发展，可能会出现与距今4000年和距今8000年两次降温事件类似的气候环境。但是干旱化幅度与现在接近，重现末次盛冰期气候的可能性不大。3000至4000年后气候可能向潮湿气候转化。
在百年尺度上我国北方气候正处在又一次升温期，但升温幅度已远远超过了历史上几次类似升温期，反映了人类活动的巨大影响。
20世纪80年代以来，西北地区温度升高显著，降水量变化存在着区域性差异，具有西增、东减、中部不变的特点，但增加的总量很小。
各种模拟预测显示，自然状况下西北会继续维持干旱化，人类影响下未来50年西北地区可能向暖湿方向发展，到2050年气温增加1.0℃～4.2℃，而降水量的预测差异较大，不确定性也大，可能会波动性略增，但不会根本改变西北地区干旱的气候格局。