俞祥祥，李生宇，馬學(xué)喜，賈文茹

（1.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊830011；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

沙丘是當上風(fēng)方向的輸入沙速率超過下風(fēng)方向的遣出速率時出現(xiàn)的沙的堆積過程并發(fā)育而成的[1]。大量研究[2-4]表明，其形成發(fā)育過程受沙源、風(fēng)況、地形等因素的影響。地形、氣流和沙粒三者之間的相互作用導(dǎo)致了沙丘的粒度組成具有明顯的地域差異，而沙丘形態(tài)對氣流的改造作用則導(dǎo)致了沙丘表面不同部位的粒度組成出現(xiàn)不同程度的差異。粒度組成不僅反映了風(fēng)對沙源物質(zhì)的搬運、堆積和分選情況，而且還體現(xiàn)了地形對風(fēng)沙流移動過程的影響，同時還是沙丘形成過程中風(fēng)力強度的重要體現(xiàn)。因此，對沙丘表面粒度進行分析是研究風(fēng)沙地貌過程的重要手段之一。通過對粒度的分析可以判定沙物質(zhì)來源和運移方式，有助于分析沙丘形成演變過程中的環(huán)境條件[5]。

新月形沙丘作為最簡單也最典型的風(fēng)積地貌，廣泛分布于世界各大沙漠，其出現(xiàn)率為21%~84%，平均為41.6%，是最常見的沙丘類型之一[6-9]，其一般形成于供沙量不足和幾乎為單向輸沙風(fēng)的無植被區(qū)域[10-14]。國內(nèi)外大量學(xué)者對新月形沙丘的形態(tài)與移動特征、形成條件與發(fā)育環(huán)境、流場與蝕積特征、粒度與構(gòu)造特征以及分布與相互作用等方面進行了大量研究[12-16]。這些研究結(jié)果對于全面了解新月形沙丘具有重要意義，但這些研究往往是針對單個或不同地區(qū)同一發(fā)育階段的新月形沙丘而言的，研究其不同發(fā)育階段之間粒度組成變化規(guī)律的文章卻很少。

本文通過對塔克拉瑪干沙漠腹地壟間平地不同發(fā)育階段新月形沙丘表面粒度的研究，旨在驗證前人研究成果的基礎(chǔ)上，揭示新月形沙丘發(fā)育過程中表面粒度的變化特征并初步探討其機理。研究結(jié)果對新月形沙丘形成及發(fā)育研究具有重要理論意義。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

塔克拉瑪干沙漠位于塔里木盆地中心，整個沙漠東西長約1000 km，南北寬約400 km，沙漠的北、南分別被天山、昆侖山包圍，西部為帕米爾高原，東部與羅布泊洼地相鄰，是我國最大的沙漠，也是世界第二大流動沙漠，面積33.76×104km2，占中國沙漠總面積的47%，其中流動沙丘占85%[17]。該地區(qū)屬于典型的內(nèi)陸暖溫帶荒漠氣候，夏季炎熱，干旱少雨，光熱充足，日照時間長，晝夜溫差大，水資源時空分布不均[18]。

根據(jù)塔中氣象站觀測資料，該區(qū)年平均氣溫12.1 ℃，氣溫年較差平均在33.0~39.0 ℃，極端最高氣溫可達40.0~46.0 ℃，極端最低氣溫達-20.0~-25.0 ℃；年平均降水量在25.9 mm 左右，且90%以上集中在春夏兩季；區(qū)內(nèi)蒸發(fā)量強烈，年平均可達3 812.3 mm；年平均風(fēng)速為1.5~3.0m/s，平均為2.5 m/s，風(fēng)向以E、ENE、NE 為主；大風(fēng)日數(shù)年平均為10.5 d；該區(qū)還是塔里木盆地沙塵暴的高發(fā)中心，年沙塵暴日數(shù)可達68~88 d[19-22]。

塔克拉瑪干沙漠這些獨特的條件使其流沙面積廣大，沙丘類型復(fù)雜多樣，成為研究沙漠學(xué)科許多問題的理想場所[23]。試驗地位于塔克拉瑪干沙漠腹地塔中“K9 公里”試驗場（距塔中作業(yè)區(qū)約3 km）內(nèi)，其地理位置為83°40′E，39°00′N，海拔高度約為1099 m。壟間區(qū)域地勢平坦，寬1~3 km，沙物質(zhì)機械組成以細砂和極細砂為主[24]。高大縱向復(fù)合沙壟和寬廣的壟間地相間分布構(gòu)成了主要的風(fēng)沙地貌格局，在壟間地廣泛發(fā)育了各種類型的新月形沙丘，它們的形態(tài)發(fā)育過程也極為特殊，存在成形、保持、發(fā)育、退化和消失等全部發(fā)育階段，而且變化很快，是研究新月形沙丘不同發(fā)育階段的良好實驗場地[14，18]。

1.2 樣品采集與分析方法

Bagnold[1]1941 年提出的新月形沙丘發(fā)育模式至今仍被大多數(shù)風(fēng)沙地貌學(xué)家視為經(jīng)典并不斷被后來的研究者所驗證和完善，其研究結(jié)果表明新月形沙丘是風(fēng)沙流經(jīng)過障礙物（如草叢、灌叢、礫石等）堆積后，在單一風(fēng)向作用下，經(jīng)歷了從沙斑、餅狀沙堆、盾形沙堆、雛形新月形沙丘、新月形沙丘的發(fā)育過程而形成的。因此，本文在試驗地順當?shù)刂黠L(fēng)向ENE（圖1 中箭頭所示方向），隨機選擇餅狀沙丘（Pie Dune，簡稱PD，如圖1a，等高距為0.01 m）、盾狀沙丘（Shield Dune，簡稱SD，如圖1b，等高距為0.02 m）、雛形新月形沙丘（Prototype Crescent Dune，簡稱PCD，如圖1c，等高距為0.05 m）、典型新月形沙丘（Typical Crescent Dune，簡稱TCD，如圖1d，等高距為0.05 m）4 個不同發(fā)育階段的新月形沙丘作為研究對象。由于新月形沙丘4 個發(fā)育階段沙丘高度差異較大，同時，為保證每個沙丘樣品數(shù)足夠，本文采用均勻矩陣式（1 m×1 m）插釬（關(guān)鍵地形點如脊線、砂丘最高點等也確保有插釬），每個插釬位置即為采樣點，并用RTK 基站儀測量每個沙丘和插扦點的地形。采樣深度控制在沙面0~1 cm 范圍內(nèi)，采樣面積約為20 cm×20 cm，每個樣品重量100~200 g，采樣時間為2013 年8 月下旬。共采集了271 個樣品，其中PD27 個、SD55 個、PCD101 個、TCD87 個。粒度分析在中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠環(huán)境與生態(tài)修復(fù)實驗室完成，采用BT-2001 型激光粒度分布儀（濕法）測量樣品粒度。粒度分析結(jié)果以體積百分含量表示，根據(jù)溫德華粒級標準劃分方法統(tǒng)計了不同沙丘類型、不同地貌部位的沙粒級配[25]。根據(jù)Folk-Ward 圖解法[26]計算粒度參數(shù)（平均粒徑MZ、分選系數(shù)σI、峰度KG、偏度SkI）。

圖1 新月形沙丘4 個發(fā)育階段沙丘形態(tài)及采樣位置分布

表1 新月形沙丘4 個發(fā)育階段不同地貌部位的沙粒級配

2 結(jié)果與分析

2.1 沙粒級配特征

2.1.1 粒級體積百分含量

就總體而言，塔克拉瑪干沙漠腹地壟間平地新月形沙丘4 個發(fā)育階段的沙丘沙主要由細砂和極細砂組成，總含量平均可達91.47%，其次為中砂（6.15%），粉砂（2.00%），粗砂含量較少（0.38%），基本不含極粗砂或更粗組分，不含粘土。就單個沙丘而言，雖然各沙丘沙均以細砂和極細砂為主但從PD到SD 其平均含量由85.93%增加至92.91%；從SD到TCD 則逐漸減少至91.62%。與之相對應(yīng)的中砂和粗砂含量由11.88%減至5.21%再增加至6.49%。細砂及極細砂總含量最大值為97.64%，出現(xiàn)在TCD背風(fēng)坡腳處；最小值為47.10%，出現(xiàn)在PD 臨近沙丘最高點背風(fēng)處。沙粒各級級配中離散程度最大的是細砂及極細砂，標準偏差為7.66，其次為中砂5.99，粗砂2.18，粉砂0.55 最小。在各沙丘中也基本符合這種離散程度排序。

各沙丘內(nèi)部不同地貌部位（選自沙丘最高點所在縱斷面上5 個代表部位樣本點）的粒級體積百分含量存在明顯變化規(guī)律。由表1 可知，PD 在迎風(fēng)坡腳處細砂及極細砂含量為94.69%，丘頂處這一含量減少至88.46%而背風(fēng)坡腳處又增加至92.96%，由此可知PD 自迎風(fēng)坡腳至背風(fēng)坡腳的沙粒組成中細砂及極細砂所占含量之和呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，且在丘頂處最小，反之，粗砂和中砂含量先增大后減小。此外，其余沙丘的沙粒組成也遵循此規(guī)律。不同的是各沙丘內(nèi)部在不同地貌部位細砂及極細砂含量的變化率不同，最大者為TCD（27.52%），其次為SD（14.55%）和PCD（12.85%），PD（7.04%）最小。而比較不同沙丘在相同地貌部位的機械組成發(fā)現(xiàn)，PD 在丘頂處小于0.25 mm（＞2Φ）的沙粒占90.41%，SD、PCD 中這一含量相對減少（86.84%、86.70%），到TCD 時減少至78.29%。因此，隨著沙丘的發(fā)育丘頂部位的沙粒組成中大于2Φ 的沙粒所占含量之和依次減少。但背風(fēng)坡中部和背風(fēng)坡腳的規(guī)律卻與此相反呈依次增加之勢，而迎風(fēng)坡中部和迎風(fēng)坡腳的增減性卻不明顯。

4 個沙丘都受相同沙源和風(fēng)況的影響，但沙丘形態(tài)的變化對近地表氣流的改造使得沙丘表面粒級級配產(chǎn)生明顯差異，且對含量最多的細砂及極細砂作用最明顯。這種差異不僅在沙丘內(nèi)而且在不同發(fā)育階段之間均具有一定的規(guī)律性。

2.1.2 頻率曲線特征

從頻率曲線（圖2）來看，4 個階段沙丘峰值粒徑介于3.077~3.146Φ，其中PCD 最大（3.146Φ），其次為TCD （3.102Φ），SD （3.077Φ） 最 小 但 與PD（3.080Φ）較為接近，均屬于極細砂。峰值粒徑所在頻率（15.37%~25.90%）則存在明顯差異，最大者為PCD（25.90%）、其次為SD（25.67%）、TCD（20.27%）、PD（15.37%）最小。4 個沙丘表面所有樣本的沙粒都表現(xiàn)為單峰，只有TCD 中極少數(shù)處于沙丘迎風(fēng)坡底部位置的沙樣出現(xiàn)了雙峰。

圖2 新月形沙丘4 個發(fā)育階段的粒度頻率曲線特征

2.2 粒度參數(shù)特征

2.2.1 不同發(fā)育階段沙丘的粒度參數(shù)

不同發(fā)育階段沙丘的粒度參數(shù)如圖3 所示。參與統(tǒng)計的271 個沙丘沙的平均粒徑之平均值為3.032Φ（0.122 mm），屬于極細砂。與吉啟慧[27]的研究結(jié)果（0.121 mm）相近。所有樣本的平均粒徑介于2.162~3.352Φ（0.098~0.224 mm），涵蓋了細砂至極細砂的范圍，與沙粒級配特征一致，其中25.83%屬于細砂，74.17%屬于極細砂。由于4 個沙丘的平均粒徑分布基本不符合正態(tài)分布且方差不齊所以用Kruskal-Wallis H 非參數(shù)檢驗得Sig=0.051（接近于0.05），由此可知各沙丘平均粒徑之間的差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，趨向于顯著。依Φ 值排序為PCD（3.067Φ）>SD （3.055Φ）>TCD （3.043Φ）>PD（2.962Φ）。各沙丘平均粒徑的極差也存在明顯差異，最大為TCD（1.110Φ），其次為PD（1.035Φ）和PCD（0.825Φ），SD（0.487Φ）最小。

所有樣本的分選系數(shù)介于0.457Φ~1.120Φ，涵蓋了分選好至較差的4 個等級。但各沙丘的分選系數(shù)平均值介于0.526Φ~0.618Φ，說明各沙丘分選性總體上較好。其中PD 分選較好的占85.19%，其次為中等11.11%和較差3.70%，不含分選好的。SD 中只有分選較好和好兩個等級，分別為80%和20%。PCD 中較好的占85.15%，其次為好（10.89%），中等（3.96%），不含分選較差。TCD 中4 個等級都有分布，分別為較好（65.91%），好（30.68%），較差（2.27%），中等（1.14%）。

從所有樣本的峰度（0.788Φ~1.144Φ）和偏度（-0.143Φ~0.058Φ）范圍來看，峰度涵蓋了寬—窄3個等級，偏度涵蓋了負偏和近對稱兩個等級。但從單個沙丘的峰度和偏度平均值來看，4 個沙丘都屬于近對稱中等峰態(tài)。經(jīng)過對所有樣本的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，只有極個別的樣本不屬于近對稱中等峰態(tài)，僅占總樣本的2.58%。所以，新月形沙丘不同發(fā)育階段對沙丘的峰度和偏度影響不大，都屬于近對稱中等峰態(tài)。

圖3 新月形沙丘4 個發(fā)育階段表面沙粒的粒度參數(shù)

2.2.2 典型剖面的粒度參數(shù)

不同發(fā)育階段沙丘不同地貌部位（取自沙丘最高點所在中軸線上的所有測點）的粒度參數(shù)如圖4所示，從圖中可以看出自迎風(fēng)坡底至沙丘頂部，沙粒平均粒徑變粗，PD 在臨近沙丘最高點的背風(fēng)坡處沙粒最粗（2.162Φ），SD、PCD 在臨近沙丘最高點的迎風(fēng)坡處沙粒最粗，分別為2.914Φ 和2.404Φ，TCD 在沙丘最高點的沙粒最粗（2.749Φ）；自沙丘頂部至背風(fēng)坡底，沙粒逐漸變細。這與McArthur[28]和趙景峰[29]的研究結(jié)果一致，但Lancaster 等[30]卻發(fā)現(xiàn)迎風(fēng)坡的沙子比丘頂?shù)牧６纫郑斐蛇@種差異的原因可能是沙源供給、沙源沉積物的粒度組成、風(fēng)沙流的相對挾沙力等環(huán)境背景不同造成的。分選系數(shù)的變化規(guī)律與沙粒平均粒徑一致，沙丘最高點或者臨近最高點的分選系數(shù)最差，除SD 在臨近沙丘最高點背風(fēng)處分選最差與沙粒最粗點不符外，其他沙丘分選系數(shù)最差點出現(xiàn)位置與沙粒最粗點一致，向兩側(cè)逐漸變好。峰度與偏度的變化則不明顯，即使有上下的波動，但也基本屬于近對稱中等峰態(tài)。各沙丘不同地貌部位的平均粒徑差異很大，變差系數(shù)依次為PD（0.119）、PCD（0.074）、TCD（0.050）、SD（0.035）。分選系數(shù)的變差系數(shù)排序為PCD（0.284）、PD（0.250）、TCD（0.111）、SD（0.060）。

圖4 典型剖面的粒度參數(shù)

為便于比較各發(fā)育階段之間粒度參數(shù)的變化，將沙丘地貌部位分為迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡，各地貌部位的粒度參數(shù)取其各點的平均值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PD 在迎風(fēng)坡的平均粒徑和分選系數(shù)分別為3.049Φ 和0.576Φ，SD 為3.067Φ 和0.509Φ，PCD 為3.039Φ 和0.566Φ，TCD 為3.045Φ 和0.528Φ。因此，在迎風(fēng)坡各沙丘之間平均粒徑和分選系數(shù)較為相近。而在背風(fēng)坡則有明顯的差異和變化規(guī)律：隨著新月形沙丘的發(fā)育其平均粒徑逐漸變細（PD2.993Φ →SD3.046Φ→PCD3.098Φ→TCD3.155Φ），分選性逐漸變 好（PD0.598Φ →SD0.541Φ →PCD0.519Φ →TCD 0.481Φ）。

3 討論

3.1 沙丘粒度組成的區(qū)域性差異

塔克拉瑪干沙漠腹地壟間平地（塔中地區(qū)）沙丘表面粒度組成與塔克拉瑪干沙漠其他區(qū)域沙丘粒度組成存在一定差異，塔克拉瑪干沙漠腹地沙丘沙以細砂及極細砂為主，含量占47.10%~97.64%，其中細砂含量占26.90%~55.20%，極細砂含量占17.75%~63.45%；塔克拉瑪干沙漠北緣沙塵暴源區(qū)（肖塘地區(qū)）沙丘沙以細砂及極細砂為主，含量分別占46.92%~59.58%和17.51%~41.36%；塔克拉瑪干沙漠南緣綠洲邊緣沙丘沙以極細砂為主，含量約占70%。在平均粒徑方面，塔克拉瑪干沙漠腹地沙丘沙平均粒徑為2.162~3.352Φ，介于塔克拉瑪干砂漠北緣沙塵暴源區(qū)（肖塘地區(qū)）沙丘沙（2.43~2.98Φ）和塔克拉瑪干沙漠南緣綠洲邊緣沙丘沙（3.06~4.12Φ）之間。

大量研究[2-4]表明，沙丘粒度組成的區(qū)域性差異主要與沙源狀況、風(fēng)況、地形等因素有關(guān)，同時還受沙丘歷時、植被、濕度等眾多因素的影響。內(nèi)陸沙丘的表層沉積物一般來自沖積扇、冰水沉積物、河流沉積物、湖相沉積物和干鹽湖沉積物[31]。本研究中新月形沙丘四個發(fā)育階段表層沉積物粒級級配（均主要由細砂及極細砂組成）和粒度參數(shù)的相似性（平均粒徑sig=0.051、分選性均整體較好，均屬于近對稱中等峰態(tài)且為單峰型）可初步確定其都受相同沙源和風(fēng)況的影響，即都為風(fēng)成環(huán)境下多來源的河流沉積物經(jīng)過風(fēng)力的再分選形成的[32]。

3.2 沙丘表面粒度的變化特征

新月形沙丘不同發(fā)育階段表面不同部位的粒度分布差異是由于沙丘形態(tài)對近地表氣流的改造作用而形成的。沙丘通過改變其形態(tài)特征以適應(yīng)當時氣流環(huán)境，最終形成適應(yīng)自身的地表氣流環(huán)境并對沙粒進行再分選，由此決定了沙丘表面沉積物的粒度分布。因此，沙丘表面粒度的變化主要受沙丘形態(tài)、近地表氣流狀況等因素的影響。

單個沙丘內(nèi)，由于迎風(fēng)坡的隆起改變了地表微地形加劇了地形的起伏，引起氣流輻合加速，較細砂粒更易被吹起，使新月形沙丘各發(fā)育階段沿迎風(fēng)坡至沙丘頂部細砂及極細砂含量逐漸減少、沙粒逐漸變粗，分選性逐漸變差。由于風(fēng)沙流中最粗沙在丘頂剪切風(fēng)速驟減帶發(fā)生沉積，造成各沙丘丘頂或近丘頂部位細砂及極細砂含量最低、沙粒最粗、分選性最差。沙丘頂部至背風(fēng)坡底部，由于受到分離氣流和渦流的影響，風(fēng)速下降，較細沙粒越過沙脊線以飄落的形式堆積下來，使細砂及極細砂含量逐漸增加、沙粒逐漸變細、分選性逐漸變好。

各發(fā)育階段之間，迎風(fēng)坡的粒度分布并不隨著沙丘的發(fā)育有較大的差異，平均粒徑在3.039Φ~3.067Φ，分選系數(shù)在0.509Φ~0.576Φ，這可能是由于迎風(fēng)坡皆為氣流輻合加速區(qū)，而氣流加速效果與迎風(fēng)坡的隆起高度以及長度有關(guān)，即與迎風(fēng)坡的坡度有關(guān)。因此，由于各發(fā)育階段沙丘迎風(fēng)坡坡度差別不大，分別為PD2.0°、SD3.9°、PCD1.8°、TCD6.2°，使氣流加速對沙粒的再分選作用造成的粒度分布變化差異不大。隨著沙丘的發(fā)育背風(fēng)坡逐漸形成明顯的氣流分離和渦流，分離氣流和渦流作用逐漸加強造成風(fēng)速逐漸降低，使得背風(fēng)坡隨著新月形沙丘的發(fā)育2Φ 以上沙粒含量逐漸增加，平均粒徑逐漸變小，分選性逐漸變好。另外，峰度和偏度并不隨著新月形沙丘的發(fā)育而改變，271 個測點基本都屬于近對稱中等峰態(tài)且基本為單峰。

3.3 粒度參數(shù)間的關(guān)系

圖5 是不同沙丘類型不同地貌部位的粒度參數(shù)關(guān)系散點圖。4 種沙丘平均粒徑與分選系數(shù)都呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)依次為PD（0.94）、TCD（0.77）、PCD（0.73）、SD（0.35），分選性隨平均粒徑（Φ 值）的增大而變好。分選程度變化速率依次為PCD（-0.57）、TCD（-0.55）、PD（-0.48）、SD（-0.18）。PD 的峰度與平均粒徑呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.60，TCD 峰度與平均粒徑呈弱正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.24，但峰度變化速率都很小，不到0.1。而SD 與PCD 的峰度與平均粒徑之間不存在明顯的相關(guān)關(guān)系。PCD 與TCD 的偏度與平均粒徑都呈弱正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分布為0.43 和0.33，但偏度變化率相差很大，分別為0.14 和0.08，而PD 和SD 的偏度與平均粒徑的相關(guān)性并不明顯。

4 結(jié)論

塔克拉瑪干沙漠腹地壟間平地新月形沙丘4 個發(fā)育階段沙丘沙的優(yōu)勢粒徑是細砂及極細砂，含量可達47.10%~97.64%。單個沙丘不同地貌部位的粒度組成差異明顯。細砂及極細砂含量由迎風(fēng)坡腳至背風(fēng)坡腳呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，且在丘頂處最小，反之，粗砂和中砂含量先增大后減小。

實驗樣品的平均粒徑為3.032Φ，范圍為2.162~3.352Φ，均屬于細砂及極細砂。分選系數(shù)較好及以上占96.31%。單個沙丘的平均粒徑在沙丘最高點或者臨近最高點最粗，向兩側(cè)逐漸變細。分選系數(shù)則由差向兩側(cè)逐漸變好。

97.42 %的樣本為近對稱中等峰態(tài)說明新月形沙丘不同發(fā)育階段對沙丘的峰度和偏度影響不大。

隨著沙丘的發(fā)育，背風(fēng)坡2Φ 以上沙粒含量逐漸增加，平均粒徑逐漸變小，分選性逐漸變好。但迎風(fēng)坡的粒度分布并不隨著沙丘的發(fā)育有較大的差異。這可能是由于不同發(fā)育階段迎風(fēng)坡雖有地形起伏變化差異，但總體上呈現(xiàn)隆起趨勢，不同于背風(fēng)坡在雛形新月形沙丘時期出現(xiàn)明顯的氣流分離和渦流現(xiàn)象使得背風(fēng)坡粒度分布變化更有規(guī)律有關(guān)，這方面還需進行進一步的研究論證。

圖5 粒度參數(shù)之間散點關(guān)系圖

綜上，沙源及大氣環(huán)流決定了較大區(qū)域的沙粒分選情況，而地形起伏、沙丘形態(tài)等因素因影響局地氣流從而影響沙丘表面沙粒分布。在各沙丘內(nèi)部粒級級配和粒度參數(shù)都有明顯的變化規(guī)律。但在各發(fā)育階段之間則需區(qū)分不同地貌部位。