張 余, 張克存, 安志山, 蔡迪文
(1.中國科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 沙漠與沙漠化重點實驗室 敦煌戈壁荒漠生態(tài)與環(huán)境研究站 甘肅省風(fēng)沙災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心, 甘肅 蘭州 730000; 2.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)
敦煌沙漠綠洲過渡帶地表沉積物粒度特征及沉積環(huán)境
張 余1,2, 張克存1, 安志山1, 蔡迪文1,2
(1.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院沙漠與沙漠化重點實驗室敦煌戈壁荒漠生態(tài)與環(huán)境研究站甘肅省風(fēng)沙災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心,甘肅蘭州730000; 2.中國科學(xué)院大學(xué),北京100049)
[目的] 探究敦煌沙漠綠洲過渡帶地表沉積物粒度特征及沉積環(huán)境,為敦煌沙漠綠洲過渡帶的生態(tài)恢復(fù)以及有效控制風(fēng)沙災(zāi)害提供必要的理論依據(jù)。 [方法] 運用對角線法對敦煌沙漠綠洲過渡帶地表沉積物進行采樣,采用矩值法計算粒度參數(shù),分析其粒度空間分布特征以及沉積環(huán)境。 [結(jié)果] (1) 研究區(qū)地表沉積物粒級極粗砂和極細砂含量較少,沙漠和綠洲分別以粗砂和細砂為主,過渡帶以中砂為主,沉積物粒徑自沙漠到綠洲呈現(xiàn)明顯減小的趨勢; (2) 3條樣帶的分選性都較好,相比而言,沙漠的分選性最好,過渡帶次之,綠洲最差; (3) 偏態(tài)除綠洲屬于正偏外,沙漠和過渡帶都屬于近對稱分布,頻率曲線峰型都是平頂峰,說明不同沉積物粒級對風(fēng)力作用響應(yīng)的差異性。 [結(jié)論] 敦煌綠洲的沙以風(fēng)成環(huán)境為主,鳴沙山主要為河湖沙或河流沖積沙,過渡帶混合有風(fēng)成沙和河湖或河流沖積沙。
敦煌; 沙漠綠洲過渡帶; 粒度特征; 沉積環(huán)境
文獻參數(shù): 張余, 張克存, 安志山, 等.敦煌沙漠綠洲過渡帶地表沉積物粒度特征及沉積環(huán)境[J].水土保持通報,2017,37(4):69-73.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.012; Zhang Yu, Zhang Kecun, An Zhishan, et al. Topsoil grain size distribution and its sedimentary environment in the desert-oasis transitional zone of Dunhuang City[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4):69-73.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.012
綠洲演化是在人類活動和氣候變化影響背景下的水文過程、生物過程、土地變化和大氣過程相互作用的結(jié)果[1]。沙漠綠洲過渡帶是介于沙漠和綠洲之間的特殊生態(tài)脆弱帶,是綠洲與沙漠兩個極端生態(tài)系統(tǒng)之間物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞的主要場所[2]。根據(jù)沙漠綠洲過渡帶的植被特征、地貌特征和結(jié)構(gòu)模式可將沙漠綠洲過渡帶定義為自綠洲邊緣(人工防護體系或天然稀疏灌木林邊界)到植被蓋度20%~25%的固定—半固定外緣邊界(綠洲與流動沙漠之間)的荒漠地帶[3]。有學(xué)者[4]也認為過渡帶是一個水分、溫度、能量、有機體等要素形成較大的水平遞變梯度的帶狀區(qū)域。這些觀點都有助于我們劃分本研究區(qū)的過渡帶范圍。沉積物粒度空間分布主要受控于外動力環(huán)境,在不斷地搬運和沉積過程中,其粒度的分布狀況也會出現(xiàn)較大的差異。研究[5-6]指出,離綠洲越近,沉積物平均粒徑有變小和變細的趨勢,流沙地的分選性要大于半固定沙地和固定沙地。有學(xué)者[7]通過分析計算綠洲沙物質(zhì)粒度參數(shù),表明了該地區(qū)沙丘沙和河流沙的親緣關(guān)系。除此之外,更多研究集中在不同類型沙丘粒度參數(shù)的特征方面,對沙丘物質(zhì)來源及其形成演變機理有重要意義[8-11]。鑒于此,本文選取常年受風(fēng)沙危害嚴重的敦煌沙漠綠洲過渡帶為研究對象,通過野外采樣分析,探討該地區(qū)地表沉積物粒度分布特征與沉積環(huán)境,從而為敦煌沙漠綠洲過渡帶的生態(tài)恢復(fù)以及有效控制風(fēng)沙災(zāi)害提供必要的理論依據(jù)。
敦煌市位于甘肅省西北部,是甘肅、青海、新疆3省的交匯點,東接瓜州縣,南鄰鳴沙山,西邊靠近庫姆塔格沙漠與南湖綠洲,北邊是戈壁,接天山余脈??偯娣e3.12×104km2,其中綠洲面積僅有1 400 km2,平均海拔高度低于1 200 m,屬于典型的暖溫帶干旱性氣候,年降雨量少,僅有39.9 mm,蒸發(fā)量卻達到2 486 mm,晝夜溫差大,極端最高氣溫可達43.6 ℃,最低氣溫-28.5 ℃,年平均氣溫9.4 ℃。敦煌常年受風(fēng)沙災(zāi)害,主導(dǎo)風(fēng)向是西南風(fēng)和西北風(fēng),地表以風(fēng)沙土為主,并有少量礫石。研究取樣點位于敦煌市南面,鳴沙山西側(cè)10 km處的黑山嘴,地理位置94°35′9″—94°35′27″E,40°03′44″—40°04′28″N,鳴沙山是庫姆塔格沙漠的延伸段,寬約15 km,從西南到東北方向長約40 km,沙丘類型以金字塔型沙丘和線性沙丘為主,植被以梭梭(Haloxylonammodendron)為建群種,白刺(Nitraria)為伴生種,同時分布有沙米(Agriophyllumsquarrosum)等草本植物[12],沙源主要來自疏勒河及黨河水系的沖擊洪積沙、三危山前沖積洪積物、龍頭山等低山低山丘陵戈壁上的殘積物以及南湖古河湖相沉積沙吹蝕[13]。自流沙地至綠洲內(nèi)部布設(shè)有3臺氣象儀和八方位集沙儀。1號氣象儀位于高大沙丘丘頂,地表無植被分布,代表沙漠;2號氣象儀下有稀疏的人工梭梭林及草本植物,地勢較1號氣象儀平坦,儀器西側(cè)有不均勻的礫石分布,代表過渡帶,在儀器西南方向約350 m處有數(shù)條線性沙丘延伸至過渡帶,高約10 m;3號氣象儀設(shè)置在綠洲內(nèi)農(nóng)戶房頂,周圍為高大喬木。研究區(qū)WSW方位約2 km處為黨河河道,位于該地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向的上風(fēng)向,基于沙源的供應(yīng)條件和研究區(qū)的地貌單元來看,可以推測該地區(qū)風(fēng)沙活動與黨河、庫姆塔格沙漠及南湖存在相關(guān)聯(lián)系。
沉積物粒度分布特征是沙漠綠洲過渡帶極其重要的指標之一,其與當?shù)仫L(fēng)力搬運環(huán)境、沉積環(huán)境有著密切的聯(lián)系。2014年3月對研究區(qū)的地表沉積物進行取樣調(diào)查,流沙前沿至綠洲取樣點分別記為1—12號,沿氣象儀和集沙儀的布設(shè)斷面取樣,每個取樣點選取100 cm×100 cm大小的沙面,按照對角線法在4個樣方拐角及中間均勻采取表面0~1 cm的沉積物,混合并裝入密封袋后帶回實驗室分析。取樣點地理位置用精度小于5 m的GPS定位。粒度分析是在敦煌戈壁荒漠生態(tài)與環(huán)境研究站完成,先將樣品中的雜質(zhì)去除,經(jīng)自然風(fēng)干后,用1/3Ф間隔的套篩對粒徑大于0.1 mm的沙樣進行篩分,小于0.1 mm的采用吸管法分析,最后結(jié)果以質(zhì)量百分數(shù)表示。
計算粒度參數(shù)有Folk-Word(1957)的圖解法和McManus(1988)的矩值法,圖解法是根據(jù)分析得到的數(shù)據(jù)做出累計分布曲線,從曲線上得出某一累計百分數(shù)所對應(yīng)的粒徑值,代入公式計算。矩值法是根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計的思想計算粒度分布的一次矩、二次矩、三次矩、四次矩,并計算得到平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)和峰態(tài)。由于矩值法在計算時全面考慮了樣品的粒度分布,結(jié)果更為精確,因此本文采用矩值法計算各粒度參數(shù)。計算公式為:
平均粒徑:XФ=(fimi)/fi
分選系數(shù):δФ=〔fi(mi-XФ)2/fi〕1/2
式中:fi——每個粒級的權(quán)重;mi——各粒級的平均粒徑。
3.1 地表沉積物粒級分布
根據(jù)我國土壤機械組成的分級標準,由圖1中可以看出,該地區(qū)主要以沙土為主,礫石和黏土含量極少。研究區(qū)內(nèi)極粗砂和極細砂分布較少,優(yōu)勢粒級是粗砂、中砂和細砂,粗砂含量是極粗砂的9.9倍,細砂是極細砂的4倍。粗砂集中分布在沙漠,平均含量在75%以上,另外含有4.9%的極粗砂和0.21%的極細砂;過渡帶地表最多的是中砂,含量為51.48%,其次是26.18%的粗砂和21.14%的細砂;綠洲地表物質(zhì)以細砂為主,含量達62.78%,并且含有18.44%的中砂和18.02%的極細砂。從沙漠到綠洲,沉積物粒級差異明顯,越接近綠洲,隨著地表植被覆蓋度增加,風(fēng)力攜沙能力降低,沉積物級配就越接近細砂。說明沉積物粒級除了與源區(qū)物質(zhì)有關(guān)外,也與沙物質(zhì)在風(fēng)沙流中搬運和沉積的過程密切相關(guān)。在過渡帶,特別是在5號點附近,優(yōu)勢粒級則表現(xiàn)的不太明顯,粗砂和中砂含量接近相等,分別為45.93%和42.48%,在9
號點附近,則是細砂和中砂的含量最為接近,分別為43.17%和54.96%,這說明沙漠到綠洲粒級的變化是逐漸過度的,每個樣點的構(gòu)成包含多個粒級成分,其中過渡帶沉積物粒級級配最為復(fù)雜。
圖1 沙漠綠洲過渡帶各樣點粒級分布
3.2 粒度參數(shù)
研究區(qū)3個站點的地表沉積物粒度參數(shù)有明顯的差異(圖2),平均粒徑介于0.39~2.81Ф,其中地表沉積物最粗的是沙漠,平均粒徑為0.6Ф,其次是過渡帶1.51Ф和綠洲2.59Ф。為了能清晰的說明平均粒徑的空間變化規(guī)律,對平均粒徑進行曲線擬合,擬合結(jié)果如圖2所示,擬合得出最佳關(guān)系式為冪函數(shù),相關(guān)系數(shù)r2=0.942,呈強相關(guān),即越接近綠洲,平均粒徑(Ф)呈現(xiàn)冪函數(shù)的增長模式。
圖2 沙漠綠洲過渡帶粒度參數(shù)
如圖2所示,沙漠、過渡帶和綠洲的分選系數(shù)差異較小,分選系數(shù)均值分別為0.591,0.615,0.742,都介于0.5~0.75之間,分選程度較好,且沙漠的分選性要好于過渡帶和綠洲,對毛烏素沙地的調(diào)查也有同樣結(jié)論:沙丘的分選性要好于綠洲內(nèi)林地和草地的分選性[14]。一般來說,對于同一源區(qū)的物質(zhì),沉積物的分選系數(shù)會隨著搬運距離的增加而減小,研究區(qū)地表沉積物平均粒徑(1.57Ф)要粗于塔克拉瑪干沙漠(3.25Ф)[15]、巴丹吉林沙漠(2.22Ф)[16]、庫姆塔格沙漠(2.23Ф)[17],分選系數(shù)(0.65Ф)大于塔克拉瑪干沙漠(0.34Ф)和巴丹吉林沙漠(0.55Ф),小于庫姆塔格沙漠(0.76Ф),說明本研究區(qū)沙物質(zhì)的分選性好于最鄰近的庫姆塔格沙漠,結(jié)合該地區(qū)的地理位置,從側(cè)面反映出庫姆塔格沙漠是敦煌沙漠綠洲過渡帶的沙塵源區(qū)之一。就偏態(tài)來說,除綠洲屬于正偏外,沙漠和過渡帶都屬于近對稱分布,偏態(tài)均大于0,未出現(xiàn)負偏和極負偏,極正偏出現(xiàn)的頻率為8.33%。沙漠、過渡帶和綠洲的峰態(tài)分別介于0.04~0.168,0.003~0.184,0.239~1.279,頻率曲線都表現(xiàn)為平頂峰,綠洲峰態(tài)曲線寬,過渡帶和沙漠峰態(tài)曲線很寬,表明綠洲地表沉積物分布范圍比過渡帶和沙漠更集中。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果看,12個樣點中10號樣點的偏態(tài)值最大,峰態(tài)值也大于1,呈現(xiàn)尖頂峰,分析原因是10號取樣點接近公路和耕地,過往車輛和人類活動對附近沉積物組成成分影響較大。
3.3 粒度參數(shù)間的關(guān)系與沉積環(huán)境
利用粒度參數(shù)散點圖可以簡單區(qū)分不同的沉積環(huán)境及挑選出異常點。從平均粒徑—分選系數(shù)散點圖(圖3)可以看出,沙漠和綠洲的沉積環(huán)境差別較大,但過渡帶與兩者的區(qū)分不是很明顯,且研究區(qū)分選系數(shù)隨著平均粒徑(Ф)的增大而增大,呈現(xiàn)較弱的正相關(guān)關(guān)系。9號點出現(xiàn)異常,其分選系數(shù)、偏態(tài)和峰態(tài)都達到最小值,原因是由于9號點位于綠洲和過渡帶的交錯區(qū),種植有防護林帶,牛羊踩踏的痕跡明顯,人為活動的干擾頻繁。根據(jù)分選系數(shù)—峰態(tài)散點圖可以得出同樣的結(jié)論,峰態(tài)隨分選系數(shù)的增加而增加,呈現(xiàn)較強的正相關(guān)關(guān)系。其中7和9號點為異常點,7號點峰態(tài)過寬,粒徑偏粗,分選性較差。通過實地觀測分析,7號點位于線性沙丘迎風(fēng)坡坡底,有研究表明[16,18],線性沙丘迎風(fēng)側(cè)沉積物粒徑偏粗,分選性較差。結(jié)合兩張散點圖不難看出,綠洲和過渡帶的植被覆蓋度高,真實粒徑值小,分選性反而差,表現(xiàn)出相對的滯后性,而且過渡帶與沙漠和綠洲的沉積環(huán)境差異不明顯,這就需要對研究區(qū)地表沉積物做進一步定量化分析。
本研究采用Suhu建立的風(fēng)成沙、海灘沙、淺海沙、河流沙、濁流沙4個經(jīng)驗判別公式:
Y(風(fēng)成與海灘)= -3.568Mz+3.701 6σ2-
2.076 6 SK1+3.113 5 KG
(1)
Y<-2.741 1,為風(fēng)成沙;Y>-2.741 1,為海灘沙。
Y(海灘和淺海)= 15.653 4Mz+65.709 1σ2+
18.107 1 SK1+18.504 3 KG
(2)
Y<65.365 0,為海灘沙;Y>65.365 0,為淺海沙。
Y(淺海與河流)= 0.282 5Mz-8.760 4σ2+
4.893 2 SK1-0.048 2 KG
(3)
Y<-7.419 0,為河流沙;Y>-7.419 0,為淺海沙。
Y(河流與濁流)= 0.721 5Mz-0.403 0σ2+
6.732 2 SK1+5.292 7 KG
(4)
Y<9.843 3,為濁流沙;Y>9.843 3,為河流沙。
將12個樣點的粒度特征值代入公式(1)計算得:數(shù)值分別為0.33,0.65,0.26,-0.49,-1.18,-3.29,0.48,-2.98,-5.66,-2.98,-4.39,-7.19。可以看出6,8,9,10,11,12號樣點為風(fēng)成環(huán)境,其余的為海灘沉積環(huán)境。將上述海灘沉積環(huán)境的數(shù)據(jù)代入公式(2),經(jīng)計算得:1,2,3,4,5,7號樣點的Y值分別為42.91,42.90,53.66,64.09,69.43,91.61。1—4號樣點為海灘沉積環(huán)境,5,7號樣點為淺海沉積環(huán)境。將淺海沉積環(huán)境的樣點數(shù)據(jù)代入公式(3),經(jīng)計算得:數(shù)值分別為-5.64和-6.13,都為淺海沉積環(huán)境。由于這4個經(jīng)驗公式缺少河湖沙的判別公式[19-20],而本研究只是從粒度的角度來判別沉積環(huán)境,并未涉及到礦物成分和碳酸鹽含量,因此,在區(qū)分海灘、淺海沉積環(huán)境和河湖沉積環(huán)境方面較困難。結(jié)合研究區(qū)地理位置和庫姆塔格沙漠的沉積環(huán)境[20],我們推測海灘沙和淺海沙實際上應(yīng)是河湖沙或河流沖積沙。綜合上述結(jié)果,可知敦煌綠洲的沙以風(fēng)成環(huán)境為主,鳴沙山主要為河湖沙或河流沖積沙,過渡帶沙粒沉積環(huán)境較復(fù)雜,混合有風(fēng)成沙和河湖或河流沖積沙,其中風(fēng)成沙占60%,河湖或河流沖積沙占40%。
圖3 研究區(qū)粒度參數(shù)散點圖
根據(jù)粒度參數(shù)的計算結(jié)果,自沙漠到綠洲方向,地表沉積物的分選性逐漸變差,但對于同一源區(qū)的沙物質(zhì)來說,隨著風(fēng)力搬運分選性應(yīng)該變好,可見本研究區(qū)地表沉積物不屬于同一源區(qū),結(jié)合對沉積環(huán)境的分析結(jié)果可知,綠洲和過渡帶的風(fēng)成沙主要是庫姆塔格沙漠沙或南湖古河湖相沉積沙在風(fēng)力長途搬運作用下沉積的,鳴沙山主要由黨河或山前洪積沖積形成。 同時,對比我國塔克拉瑪干沙漠沙漠、巴丹吉林沙漠、庫姆塔格沙漠內(nèi)部的粒級組成,都是以細砂或者中砂為優(yōu)勢粒級[15-17],而本研究代表沙漠的區(qū)域75%都為粗砂,分析其原因很大程度上與鳴沙山特殊的地理位置有關(guān),東與三危山、火焰山等山地相連,西側(cè)為南湖綠洲,南邊毗鄰黨河河谷,鳴沙山距離這幾處沙源都較近,沙物質(zhì)搬運距離短。而其他沙漠中的沙物質(zhì)是在風(fēng)力作用下將源區(qū)物質(zhì)經(jīng)過長時間的搬運與沉積,在分選作用下,較粗的沙粒會沉積下來留在原地,較細的沙粒會被吹蝕到沙漠內(nèi)部。因此,沙漠中的沙物質(zhì)粒級多以細砂和中砂為主,本研究區(qū)的沙漠地帶因沙粒搬運距離短,則多以粗砂為主。通過對比幾者的平均分選系數(shù),本研究區(qū)沙漠沙的分選性(0.59Ф)要差于塔克拉瑪干沙漠(0.34Ф)和巴丹吉林沙漠(0.55Ф)內(nèi)的沙粒,而且有學(xué)者研究塔克拉瑪干沙漠南緣河流附近沙丘沙和沖積沙粒度特征表明:該地段的沙物質(zhì)分選性(0.96Ф)要遠遠差于沙漠內(nèi)部(0.34Ф)[7],從而證實了這一推測。
本研究主要是從粒度特征方面出發(fā),探討了研究區(qū)地表沙物質(zhì)的沉積環(huán)境,明顯具有一定的局限性,要具體判別這幾種沙源,就需對沙洋的理化性質(zhì)做進一步分析??梢钥闯觯鼗蜕衬G洲過渡帶在保護綠洲生態(tài)安全方面有重要意義,一方面要緩沖來自南側(cè)鳴沙山的沙物質(zhì),另一方面要阻止西側(cè)風(fēng)沙活動對綠洲的危害,本研究通過對敦煌沙漠綠洲過渡帶沙粒沉積環(huán)境的分析,結(jié)果為該地區(qū)的防沙治沙提供了理論基礎(chǔ)。
(1) 研究區(qū)沉積物粒徑集中分布在0.125~1.0 mm,極粗砂和極細砂含量只有1.7%和5%。沙漠以粗砂(75%)為主,綠洲以細砂(63%)為主,過渡帶由多個粒級沉積物組成,中砂、粗砂、細砂含量分別為52%,26%,21%。由此可知,自沙漠到綠洲地表沉積物粒級逐漸減小。
(2) 沙漠到綠洲沉積物分選性逐漸變差,偏態(tài)除綠洲屬于正偏外,沙漠和過渡帶都為近對稱分布,頻率曲線峰型都表現(xiàn)為平頂峰,綠洲峰型最寬,沙漠相比而言較窄,過渡帶處于兩者之間。
(3) 通過粒度特征值對沉積環(huán)境進行分析,反映出敦煌沙漠綠洲過渡帶沙的沉積環(huán)境復(fù)雜,綠洲的沉積物主要是風(fēng)力搬運沉積,過渡帶主要是風(fēng)力沉積和河湖或河流沖積沉積,沙漠為河湖或河流沖積沉積。
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Topsoil Grain Size Distribution and Its Sedimentary Environment in Desert-oasis Transitional Zone of Dunhuang City
ZHANG Yu1,2, ZHANG Kecun1, AN Zhishan1, CAI Diwen1,2
(1.Northwest Institute of Ecological-Environmental and Resources, Chinese Academy of Sciences, Key Laboratory of Desert and Desertification, Dunhuang Gobi and Desert Ecology and Environment Research Station, Lanzhou, Gansu 730000, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
[Objective] Exploring the topsoil grain size distribution and its sedimentary environment, to provide theoretical bases for ecological restoration and effective sand disasters control in the Dunhuang desert-oasis transitional zone. [Methods] Surface sediments were sampled by diagonal method in Dunhuang desert-oasis transitional zone, Grain size parameters were calculated by moment method. The spatial distribution and sedimentary environment of grain size were analyzed. [Results] (1) The contents of extremely coarse sand and extremely fine sand were both low in the research area. Desert and oasis were mainly composed of coarse sand and fine sand, and the transition zone was dominated by mid-sand. The grain size decreased from desert to oasis. (2) The sorting of the 3 sampling belt transects performed all better, among which, the desert was the best, followed by the transition zone, the oasis was the worst. (3) As for skewness, desert and transition zone were nearly symmetrical distribution, while oasis belonged to positive skewness. Kurtosis type was plat, which showed that responses of different sediment grain sizes to wind power were different. [Conclusion] The sand of oasis is dominated by aeolian environment, Mingsha mountain is mainly lacustrine or river environment, two different sedimentary sands appeared in the transitional zone.
DunhuangCity;desert-oasistransitionalzone;characteristicsofgrainsize;sedimentaryenvironment
A
: 1000-288X(2017)04-0069-05
: X144
2016-12-30
:2017-02-06
國家自然科學(xué)基金項目“沙漠綠洲過渡帶近地表風(fēng)沙動力過程研究”(41371027); 中科院青年創(chuàng)新促進會項目(2014382); 國家重點研究計劃項目(2017YFC0504801)
張余(1993—),男(漢族),陜西省寶雞市人,碩士研究生,研究方向為風(fēng)沙地貌。E-mail:sxbjqyzy@163.com。
張克存(1978—),男(漢族),甘肅省民勤縣人,博士,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事風(fēng)沙地貌、風(fēng)沙災(zāi)害與防沙工程研究。E-mail:kecunzh@lzb.ac.cn。