森林是陆地生态系统的主体。森林植被群落是随着地球表面大陆的出现，植物由海洋向陆地发展，从初期的裸蕨类演化形成的。陆生植物由低级到高级，由简单到复杂的演化过程分为三个阶段，既蕨类植物阶段、裸子植物阶段和被子植物阶段。与之大致相对应的是古生代森林、中生代森林和新生代森林。地史上的这三个时代总称显生宙，显生宙是森林发生和发展的时代，时于距今6亿年前。
据地质学界多年考证，距今10亿～14亿年，贺兰山中、北段叠层石化石丰富，距今6亿年前的震旦纪，贺兰山地区遭受迄今已知最古老冰川的侵袭，在震旦系正木关组下段冰碛砾岩胶结物中，留下古片藻、多球藻化石等，在上段的小光球藻、膜壁粗面球藻等。这些菌藻类化石，是宁夏植物界繁衍演化的最初始祖。
一、古生代
古生代开始于距今5.7亿年，延续时间长达3.4亿年。古生代早期地球上各大陆是连接一体的，而地球表面陆地大部分为海洋淹没。到奥陶纪末期发生加里东运动，我国华北地区整体上升为陆地；到泥盆纪初期，地球又发生海西运动（俗称造陆运动），使地球分为南北两大块。地球在这一地质时期既发生离合，又发生极为强烈的上升和沉降造陆运动。地球上的原始植物是从志留纪晚期（4亿多年以前）出现的裸蕨，到泥盆纪晚期才出现发达的维管束植物，并在中国南方和西北、内蒙古等地滨海地带出现小面积森林。到了距今3.2亿～2.5亿年的中炭世至早二叠世期间，在贺兰山地区，森林空前崛起，进化显著，石松纲、楔叶目、真蕨纲和科达纲植物遮天盖地。沼泽中的鳞木、芦木、石松植物，同水滨地带的科达树、种子蕨、真蕨类森林，以及陆地上的裸子植物、种子蕨等连成一片，仅据中宁、中卫地区资料统计，在石炭纪地层中，共发现植物化石42属126种，几乎全为高大乔木，构成石炭纪大森林的一派壮丽景观。
受华力西构造运动的影响，距今约2.86亿年的二叠纪时地壳持续上升，自此宁夏完全脱离海洋环境，上升为陆地，早二叠世时，气候温暖潮湿沼泽发育，丛林密布造煤作用盛行，其中植物群以三角织羊齿（Emplectopteris triangularis）、带羊齿（Taeniopteris）植物群为特征，二叠世晚期，一系列造山运动使地形更趋复杂，气候逐渐干旱凉爽，对植物界发生很大的影响。古生代占优势的木贼类、石松目、真蕨、种子蕨等都大大衰退，代之以大羽羊齿（Gigantopteris）、瓣轮叶（Lobatannularia）为代表的裸子植物群。
二、中生代
二叠纪末，华力西地壳运动结束，陆地和干旱地带进一步扩大，使得蕨类和原始裸子植物衰减，中生代裸子植物松柏类、苏铁类和银杏类趋向繁盛，逐渐居于主导地位。此时，在贺兰山中北段，分布着众多小型的湖盆，真蕨植物十分发育，有枝脉蕨（C1adophlebis brongmiart）、拉契波斯基枝脉蕨（C． raciborsktl）、蔡耶贝尔瑙蕨（Bernoullia zeilleri）、威廉姆逊似托茅蕨（Todites williamsoni）等；石松类：蟹形新芦木（Neocalamites carcinoides）、卡勒莱新芦木（N．carrerei）、多实拟丹尼蕨（Danaeopsis fecunda）等；松柏类：苏铁杉（Podozamites）、诺登斯基阿德松叶（Pityophyllum nordenskioldi）；苏铁类：侧羽叶（pterophyllum）等组成的宁夏晚三叠世似丹尼蕨——贝尔瑙蕨植物群，为中生代早期森林雏形。
到了距今1.8亿～1.4亿年的侏罗纪，宁夏大地陆生植物又进入鼎盛时期。在温暖湿润条件下，形成的山麓河流相至沼泽相的延安组含煤地层，发现有50个属种（包括未定种）植物化石，表明这一时期的景观很丰盛。其中木贼类6种，占12%；真蕨类16种，占32%；苏铁类2种，占4%；银杏类17种，占34%；松柏类9种，占18%。与晚三叠世相比，银杏类松柏类高度繁衍，成为锥蕨（Coniopteris）—拟刺葵（Phonicopsis）组合中的主体。主要常见的有银杏类：茨康诺司基叶（Czekanowskia）、拟刺葵、拜拉（Baiera）、胡顿银杏（Ginkgo huttoni）、西伯利亚拟银杏（G． sibiricus），松柏类的披针苏铁杉（Podozamites lanceolatus）、坚叶杉（Pagiophyllum）；木贼类的侧生拟木贼（Equisetites lateralis）、费尔干拟木贼（E． ferganensis）、新芦木（Neocalamites），真蕨类的膜蕨型锥叶蕨（Coniopteris hylnenophylloides）、土曼蕨（Hausmannia）、枝脉蕨（Cladophlebis）等，属亚热带—温带植物区，为宁夏侏罗纪成煤期的原始资料。
距今1.4亿～1亿年的白垩纪早期，陆生植物与侏罗纪相近，以松柏类，银杏类和苏铁类为主，在已发现的29属中，松柏类14种，银杏类5种，苏铁类8种，蕨类2种。主要有松柏类：坚叶杉（Pagiophullum）、楔鳞杉（Sphenolepidium）、拟南洋杉（Araucarites）、稀枝拟节柏（Frenelopsis parceramosa）、淮柏（Cyparissidium）；银杏类：长叶楔拜拉（Sphenobaiera longifolia）、茨康诺司基叶、华丽拟刺葵（Phoenicopis speciosa）；苏铁类：耳羽叶（Otozamites）、舌羽叶（Glossozamites）及蕨类植物拟木贼（Equisetites）等。
延续1.8亿年的中生代，宁夏是裸子植物的衍生时代，部分地区形成以松柏类、银杏类为主体的森林植被，表现为温湿到干旱的气候特征。
三、新生代
新生代是地质历史中最重要的一个时代，这一时代地质地貌的变化，奠定了现代地球地理面貌的基本态势。新生代的地理历史上最新和延续时间最短的一个时代，从距今6 500万年起翰新生代，植物的发展进入一个新的阶段。被子植物占据了植物界的统治地位。此时动物界中的鸟类繁多，哺乳类昌盛，森林环境日趋复杂且多样化。森林树种的组成发生了重大变化依其种类组成不同，分别覆盖于不同区域的大地上，以致形成了今日丰富多彩的森林景观，控制和影响着陆地庞大而复杂的生态系统。
中国新生代植物群大致可分为三个发展阶段，即木本植物大发展阶段、草本植物大发展阶段和杂种、多倍体植物大发展阶段，与此相应的时代是老第三纪、新第三纪和第四纪。
（一）第三纪
宁夏第三纪陆相地层十分发育，至今在多数地域尚未获得植物化石。而1984年，据张国典在固原县寺口小渐新世地层采得的孢粉样品中，已鉴定出的主要种属有希指蕨孢子属（Schigacoisporites）、松柏类（Coniferae）、拟南美杉粉属、雪松粉属、麻黄粉属、拟榛莫米粉（Momiptes coryloides）、厚壁忍冬粉（Lonicerapollis pachydermus）、凹边无患子粉（Sapindacidites conecarus）等。1982年，渐新世清水营组敬万林、谢永春在同心县贺家口子，采集到孢粉样品，主要含有石松孢；罗汉松粉属、南美杉粉属、云杉粉属、雪松粉属、单束松粉属（Abietineaepollenites）、铁杉粉属（Tsugaepotllenites）、麻黄粉属柳粉属（Salixopollenites）、桤木粉属（Alnipollenites）、杨梅粉属（Myricaceoipollenites）、胡桃粉属（Juganspollenites）、枫杨粉属（Pterocaryapollenites）、榛粉属（Coryluspollenites）、栎粉属（Quercoidites）、榆粉属（Ulmipollenites）、藜粉属（Chenopodipollis）、莲属（Nelumbo）、楝粉属（Meliaceoidites）、无患子粉属（Sapindaceoidia）、椴粉属（Tiliaepollenites）、忍冬粉属（Lonicerapollis）、菊粉属（Compositae）等。渐新世早、中期同心一带为常绿针叶—落叶阔叶混交林植被。以麻黄粉属—楝粉属—榆粉属—柳粉属孢粉组合为代表，其中蕨类孢子占0～1.17%，裸子植物占25.9%～49.4%，被子植物占50.5%～73.8%。渐新世晚期以后，西北地区趋向大陆性气候，气候干旱，植被贫乏，森林植物以楝树粉—麻黄粉属—松科（Pinaceae）—铁杉粉属的组合为特征。其特点是以楝树粉占优势，麻黄粉减少，松科各属花粉增多，以及出现铁杉粉属、椴粉属和胡桃粉属等区别于渐新世早期的组合。其中被子植物（71.5%～95.4%）占优势，裸子植物（4.4%～28.5%）次之，蕨类孢子（0～1.42%）极少，偶有石松孢、水龙骨单缝孢、小三角孢等。
（二）第四纪
起始于距今200万年的第四纪以来，古地理环境承续了第三纪，变化不很显著，但由于气候向干旱转变，宁夏植被也由第三纪的森林型向草原型变化。银川平原“银82—1号钻孔”第四纪沉积孢粉资料表明：灌木、草本植物花粉占明显优势，蒿属（Artemisza）、藜科（Chenopodiaceae）、麻黄属始终大量出现，乔木植物花粉较少，主要是松属、桦属等。
在干旱气候趋势下，随着暖、冷波动，第四纪植波也呈现草原、森林草原和森林类型的交替。一般来说，气候暖热，灌木、草本植物花粉占绝对优势，乔木植物花粉数量少，但乔木中阔叶树花粉明显增加，植被以草本为主；气候寒冷，乔木植物花粉增多，有时超过灌木和草本，而且以针叶树为主，云杉、冷杉数量较多，植被为森林草原，甚至楚针叶林植被。由于气候波动引起的植被交替，在第四纪以来大致出现10次之多。
贺兰山天然林区，据对古森林火灾遗迹——古炭核的研究，林区建群树种源远流长，古代除了在优势树种间有所消长变化外，基本无大演替。但从第3号炭迹的资料看，古林区要比现在扩大很多。第3号炭迹是前山新沟柴渠门北坡中下坡、海拔1 680 m处的古炭迹，炭核C14： 4000年±77年，是个宽56 cm、高85 cm的窑式堆积，炭核树种鉴定全为针叶材炭，其中油松材炭占95．4%。很可能是游牧民族先民们烧臭油（用以治疗牲畜皮肤病）的遗址。虽然现场考察，“窑底”并无截油导油的石片排砌痕迹，但考虑到4 000年前，或许当时只知夯实底土，并不掌握用石片砌底更具效益。4 000年前3号炭迹所在海拔部位，虽然未必全是针叶纯林，油松也未必占到95．4%的绝对比重，但这个高度油松必然很密布，应是毋庸置疑的，因为肯定不会在山高坡陡的贺兰山，进行上下串坡背运聚松材于此烧制臭油。依据3号炭来探明远古更多情况是困难和根据不足的，但对贺兰山显著的植物垂直分布带来讲，犹如“一叶知秋”具有典型说明问题的意义。因此，进入全新世后至少在距今4 000年前，贺兰山油松—山杨林层下限不是现代的海拔2 000 m，至少是海拔1 700 m上下，也就是说4 000年来，贺兰山乔木林层下限至少上升了海拔300 m左右。同在荒漠草原气候植物带的罗山、香山、米钵山等山地森林，也应当与贺兰山的变迁规律相同，从而丰盛现代森林植物的景观。
全新世以来同现代一样，贺兰山森林都是非地带性的山地植被类型，但它们的自然兴衰，同所在地带性植被类型存在着“荣辱与共”的正相关性。上述地质学界研究认为的全新世气候类型趋向暖、旱，地带性植被是草原，这是比较普遍公认的看法。但联系到六盘山地区出土古木和贺兰山古炭核的研究，这种暖、旱的气候趋势看来是对更新世而言的。如果同现代相比，全新世上段还是应该比现代冷、湿得多。所以在全新世各地区乃至第四纪各个时期，在草原植被植物花粉名录中，总是程度不同的存在非草原树种的花粉如松、桦、云杉、冷杉、铁杉等。
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