馬正虎, 璩向寧, 趙希妮, 劉雅清, 何志潤

(1.寧夏大學 西北土地退化與生態(tài)系統(tǒng)恢復省部共建國家重點實驗室培育基地, 銀川 750021; 2.寧夏大學 西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建教育部重點實驗室, 銀川 750021)

我國西北地區(qū)地處內(nèi)陸，氣候干旱，是世界上最為典型的干旱半干旱荒漠區(qū)，區(qū)域內(nèi)廣泛分布的沙丘是風力蝕積的產(chǎn)物，由于其具有揭示區(qū)域環(huán)境變化、進行區(qū)域生態(tài)環(huán)境治理參考等價值和作用，成為國內(nèi)外學者進行區(qū)域資源與環(huán)境研究的重點。其中對該區(qū)沙漠沙丘粒度特征、組成及風沙運移等進行了大量研究。尤其對沙粒度特征的分析研究，既能反映沙物質來源，風力對沙物質搬運和分選作用，又能指示沙丘形成過程中的風力強度，同時還能體現(xiàn)地形對風沙流運移的改變等，對研究區(qū)域環(huán)境變化具有重要意義[1-2]。但這些研究主要基于塔克拉瑪干沙漠[3-7]、古爾班通古特沙漠[8]、巴丹吉林沙漠[9-10]、毛烏素沙地[11-12]、騰格里沙漠[13-14]、庫姆塔格沙漠[15]等著名沙漠區(qū)域。對比沙漠邊緣的獨立沙丘及廣泛分布的綠洲沙地，典型沙漠區(qū)域面積廣闊，邊緣沙丘廣袤，而綠洲沙地相對封閉，其地表沉積環(huán)境及風力風向等存在一定差異，不同部位、不同風沙運移時期，沉積環(huán)境及風力風向等均存在變異性，因此這些研究對各個獨立沙丘及綠洲沙地并不具備代表性。

目前國內(nèi)對于邊緣沙丘以及綠洲沙地粒度特征的相關研究主要集中在著名綠洲沙地、敦煌月牙湖、寧夏沙坡頭等典型區(qū)域。20世紀90年代起，相關學者就開始對上述區(qū)域進行粒度相關研究，研究主要基于以下幾個方面：一是區(qū)域風沙來源、風沙運移路徑以及沙丘運移動力[16-17]；二是區(qū)域沙粒度分布特征、變化特征等[18]；三是土地沙化、主要風沙危害研究以及為營建綠洲防護林帶等提供科學依據(jù)等[19-20]。但這些研究主要基于自然狀態(tài)下對淺層0—5 cm范圍內(nèi)沙粒度特征進行，并未對較深層粒度特征進行分析，層間粒度特征對比研究較少；再者，即使是人類活動頻繁的敦煌月牙湖、寧夏沙坡頭等旅游景區(qū)，前人研究仍未把游客踩踏等人為因素對沙丘沙粒度的影響考慮在內(nèi)，對這方面的研究鮮有報道。

沙湖地處銀川平原北部，賀蘭山阻礙騰格里沙漠進一步南移，屬于西北典型的綠洲沙地。一般認為，沙湖沙丘沙源于本底，近些年，隨著風力侵蝕、搬運，沙湖南岸線性沙丘不停南移萎縮，大有和湖區(qū)分離之象；再者，全區(qū)旅游業(yè)的推廣，游客數(shù)量猛增，對南岸沙丘粒度影響愈加明顯。各營力綜合作用，使得景區(qū)水映沙山這種奇觀面臨消失的風險。本文通過對沙湖景區(qū)沙丘沙粒度特征研究，旨在說明南岸線型沙丘鏈不同部位以及同一部位在不同風沙運移時期粒級粒度特征，從風沙運移、沉積學及人為影響等方面加以分析，從而對該區(qū)沙源、運移特征及沙丘運移與演變提供理論基礎。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

沙湖(38°39′27.97″N，104°04′58.66″E)位于賀蘭山東麓，銀川市西北56 km平羅縣境內(nèi)的西大灘。沙湖由北部湖區(qū)和南部沙區(qū)組成，其南部沙區(qū)面積達22.5 km2，由一系列近東西走向的線型沙丘鏈和丘間洼地組成，沙丘高度自北向南依次降低，北部研究區(qū)第一列線型沙丘鏈由4個沙丘相連而成，相對高度自東向西分別達到20 m，25 m，17 m和17 m，至沙區(qū)南端，沙丘相對高度則不足5 m，迎風坡坡度自西向東分別為28°，21°，16°和22°，背風坡坡度自西向東分別為46°，36°，24°和41°。地處黃土高原內(nèi)部，第四紀馬蘭黃土沉積區(qū)，氣候屬于典型的大陸性半濕潤半干旱氣候，海拔在1000 m以上，夏季基本沒有酷暑；1月平均氣溫在零下8℃以下，極端低溫在零下22℃以下。降水主要集中在夏秋季節(jié)，尤以7月、8月份居多，降水形式多以暴雨為主，蒸發(fā)量大于降水量。地處西北中高緯度地帶，靠近西伯利亞冷氣流中心，常年盛行風向主要為西北風。沙湖生態(tài)旅游資源豐富，因其豐富的動植物群落及特殊的濕地—荒漠景觀，吸引了無數(shù)的海內(nèi)外游客前來參觀，每年5—10月，是其最佳旅游時期，年接待游客超過百萬人次。

1.2 研究方法

2017年10月24日在沙湖南岸第一列線型沙丘鏈上進行樣品采集，10月23日為雨天，雨后沙物質分層取樣較為容易。該區(qū)西風、西北風頻發(fā)，因此考慮到表層沙粒新近沉積，顆粒間碰撞擠壓小，游客踩踏影響尚未發(fā)生；再者，西部地區(qū)土地沙化、風力侵蝕、搬運、堆積是一個漫長的過程，同時上述過程以及景區(qū)人為因素影響又是一種隨機而頻發(fā)的現(xiàn)象，因此很難嚴格界定其沉積時期，為盡可能表現(xiàn)是不同沉積時期沙粒度特征，故選擇加大層間梯度，去除5—20 cm，25—45 cm沙。采樣前將表層0—1 cm沙輕輕刮去，用鐵鍬取0—5 cm深度為第一層樣品，用土鉆取20—25 cm為第二層樣，取45—50 cm為第三層樣品，樣品質量為200～300 g，為便于描述，將采樣深度統(tǒng)一為5 cm，25 cm，50 cm三層進行描述。沿著近東西向沙丘鏈沙脊線(S)為樣線，間隔50 m取樣，16個取樣點共采集樣品48個。在比較典型的區(qū)域，向迎風坡和背風坡延伸各取了兩個條帶，其中迎風坡樣帶取樣點8個，向北(SN)3個，向東(SW)5個，間隔30 m，采集樣品24個，背風坡樣帶向南(SS)取樣點4個，間隔30 m，采集樣品12個。選取一個不受游客干擾的內(nèi)部沙丘作為對照(CK)，設3個取樣點，采集樣品9個?？偣?1個取樣點(樣點用GPS進行定位)，均勻分布于沙丘坡底、坡中、坡頂，共采集樣品93個。

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2 結果與分析

2.1 沙丘沙粒級分布特征

粒度是根據(jù)采集的樣品直接測得的沙丘沙最基本參數(shù)，揭示了該沙丘不同粒級沙粒的相對含量，其變化主要受沙源地、風動力及人類活動等因素影響。

2.1.1 沙丘迎風坡粒級分布特征 迎風坡采樣分SW，SN兩個條帶(表1)，其5 cm深度粒度組分以細沙、極細沙為主，分別占到49.59%和47.75%，最大值分別為55.07%和53.76%。粉沙含量均值1.92%，中沙、黏土亦有少量分布，粗沙、極粗沙含量為0.25 cm深度，細沙和極細沙均值為49.93%和47.64%，和5 cm深度相差無幾，但細沙最高值含量達到62.63%，粉沙均值1.5%，最大值達4.21%，中沙0.32%，黏土0.34%。50 cm深度，細沙和極細沙所占比例分別為49.28%和48.10%，細沙最大值高達64.39%，粉沙比例占1.71%，中沙、黏土分別占0.49%，0.33%。迎風坡以細沙、極細沙為主，兩者所占比例高達96%，并且隨深度增加，細沙、極細沙含量有增加趨勢。中沙、粉沙含量較少，黏土含量很少，分布在SW條帶，SN條帶不含黏土，無粗沙、極粗沙成分。與對照相比，迎風坡中沙和細沙所占比重更高，極細沙及粉沙比重較低，含有少量黏土。

2.1.2 沙丘沙脊線粒級分布特征 S脊線粒度組分在3個層面均以細沙和極細沙為主，兩者合占比例高達95%以上，最高達98.34%，隨著深度增加，細沙、極細沙含量逐漸增加，其中5 cm，25 cm深度，細沙含量均高于極細沙，50 cm深度，極細沙(50.36%)>細沙(47.61%)，中沙、粉沙含量很少，中沙含量與迎風坡相比略低，整體也有隨著深度加深含量增加趨勢。不含粗沙、極粗沙以及黏土成分。S脊線粒度特征與迎風坡相似，與對照區(qū)存在較大差異，都沒有黏土成分。

2.1.3 沙丘背風坡粒級分布特征 背風坡(SS)粒度組分以極細沙和細沙為主，極細沙成分在3個層面均高于細沙，并且各個層面均超過了50%，都有隨深度增加而比重升高的趨勢。中沙、粉沙含量極少，相較于迎風坡與脊線，兩者亦有不同程度下降。背風坡沙粒度特征與對照區(qū)具有相似性，極細沙所占比重在各個層面均超過了細沙，中沙含量極低，粉沙含量相對較高，在各個層面均達到了1.5%左右，高于迎風坡與脊線，不含黏土、粗沙、極粗沙成分。

2.2 沙丘沙粒度參數(shù)特征

基于粒度參數(shù)研究沉積物環(huán)境與過程是一種較為高效的研究方法，沙丘沙粒度參數(shù)是重要的粒度分析參數(shù)，主要包括平均粒徑、分選系數(shù)、偏度、峰度等，其與沙丘的形成環(huán)境、搬運和沉積過程等密切相關。目前多采用的粒度參數(shù)計算方法主要包括McManus矩值法和Folk-Ward圖解法。本文選取McManus矩值法公式，原因是矩值法公式考慮粒度分布總體特征，更有統(tǒng)計學意義[23]。

2.2.1 平均粒徑 通過分析(圖1)，寧夏沙湖南岸沙丘不同部位、不同深度平均粒徑有所差異。5 cm層面迎風坡平均粒徑2.94～3.08，沙脊線平均粒徑2.88～3.09，背風坡平均粒徑2.97～3.12。與對照區(qū)平均粒徑2.98～3.27相比，研究區(qū)粒徑變化范圍較小，迎風坡、沙脊線、背風坡之間差異不顯著(p>0.05)，與對照區(qū)差異顯著(p<0.05)。25 cm層面迎風坡平均粒徑2.86～3.13，沙脊線平均粒徑2.92～3.16，背風坡平均粒徑2.97～3.07，平均粒徑變動范圍在各個部位均大于對照區(qū)(3.06～3.11)。從相關性分析來看，迎風坡、沙脊線、背風坡之間無差異性，對照區(qū)差異性顯著(p<0.05)。50 cm層面迎風坡平均粒徑2.82～3.09，沙脊線平均粒徑2.89～3.01，背風坡平均粒徑2.97～3.12，與對照區(qū)相比，研究區(qū)平均粒徑變化范圍較小且平均粒徑值較大。對照區(qū)與迎風坡、沙脊線、背風坡之間差異性顯著(p<0.05)。沙丘各部位與對照區(qū)相比都具有顯著性，說明人為因素影響顯著。平均粒徑代表粒度分布集中趨勢，能夠揭示沉積物運移過程中所承受的動力能量值和沉積環(huán)境變化等[24]。該區(qū)動力能量值主要來自風動力條件，沙丘不同部位，沉積環(huán)境亦存在差異，加上此地旅游活動開展，對粒徑產(chǎn)生影響。因此，同一沉積物運移時期，在上述因素綜合影響下，沙粒所承受動力條件為沙脊線>迎風坡>背風坡>對照區(qū)；不同沉積物運移時期，沉積環(huán)境在相同部位保持一致，平均粒徑差異主要受風動力條件及人為因素影響，從圖中可以看出沙丘各部所受動力在不同沉積時期有所差異，但整體而言，依然符合以上規(guī)律，說明這段時間，風動力條件比較穩(wěn)定。

表1 寧夏沙湖沙丘沙粒級分配 %

2.2.2 分選系數(shù) 分選系數(shù)常作為環(huán)境指標，表示沉積物分選性好壞，分選系數(shù)越大，分選性越差；反之，則分選性越好，風成沙丘分選性一般較好[25]。根據(jù)弗里德曼提出的分選系數(shù)分級表，由圖1和圖2分析得，沙湖沙丘沙分選系數(shù)均處于0.50～0.80范圍內(nèi)，屬分選較好。具體分析如下：5 cm層面迎風坡分選系數(shù)0.53～0.58，沙脊線分選系數(shù)0.51～0.56，背風坡分選系數(shù)0.52～0.55，對照區(qū)分選系數(shù)0.51～0.55；25 cm層面迎風坡分選系數(shù)0.50～0.69，沙脊線分選系數(shù)0.51～0.54，背風坡0.52～0.54，對照區(qū)分選系數(shù)0.53～0.57。50 cm層面迎風坡分選系數(shù)0.51～0.69，沙脊線分選系數(shù)0.52～0.57，背風坡分選系數(shù)0.52～0.54，對照區(qū)分選系數(shù)0.52～0.55。沙丘不同部位、不同時期分選性存在差異，整體而言，迎風坡分選性各個時期均最差，迎風坡動力充足，符合風動力沉積規(guī)律，但迎風坡SW條帶分選性更差，說明風動力并不是造成這一現(xiàn)象的原因，而是受到其他營力疊加影響。

2.2.3 偏度 偏度用來判別沙丘沙粒度分布對稱性，表明平均值與中位數(shù)的相對位置。偏度值為負，稱負偏，表明沉積物粒度整體較粗，均值向中位數(shù)較粗方向移動；反之，表明沉積物粒度整體偏細，均值向中位數(shù)較細方向移動[25]。由圖1和圖3分析得，同一沉積時期，脊線處數(shù)值均為負，偏度除5 cm，25 cm深度個別值對稱分布(-0.10.1(0.13

注：同一深度不同小寫字母表示不同部位樣品之間差異性顯著(p<0.05)。
圖1 沙丘沙不同部位粒度參數(shù)

2.2.4 峰度 沙湖沙丘沙峰度偏窄且大部分屬于極窄峰態(tài)(Kgφ>1.5)，僅少數(shù)屬中等或窄峰態(tài)(圖1，圖4)，沙丘各部位之間峰度差異并不明顯。具體分析：5 cm深度，沙丘各部位峰度值均位于1.21～2.16，均屬窄峰態(tài)或極窄峰態(tài)；25 cm深度迎風坡峰度值0.96～1.97，屬中等峰態(tài)、窄峰態(tài)及極窄峰態(tài)，沙脊線峰度值1.64～2.04，屬極窄峰態(tài)；背風坡峰度值1.45～1.87，屬窄峰態(tài)和極窄峰態(tài)；對照區(qū)峰度值1.55～2.01，屬極窄峰態(tài)。50 cm深度沙丘各部位峰度值介于1.09～2.44，中等峰態(tài)、窄峰態(tài)、極窄峰態(tài)都有分布,窄峰態(tài)和極窄峰態(tài)居多。通過分析，沙丘各部位及不同沉積時期，粒度曲線峰態(tài)都偏窄，且5 cm深度較其他兩層更明顯,曲線中部較尾部分選性好，說明沙丘長時間受風營力作用，發(fā)育較成熟[26]。

圖2 沙丘沙不同部位粒度分選系數(shù)

圖3 粒度偏度參數(shù)散點

圖4 粒度峰度參數(shù)散點

3 討論與結論

沙湖屬于綠洲沙地，位于第四紀馬蘭黃土沉積區(qū)。早期受黃河水及洪水等水流侵蝕、搬運、堆積及風營力等綜合作用影響。通過分析，沙丘50 cm深度范圍內(nèi)，粒度組分不含粗沙礫石，表明隨著河道穩(wěn)定，河洪水作用幾近消失，因此主要基于沙源地、風營力、沉積環(huán)境及人為因素考慮其粒度特征及其成因。然而目前尚未有學者對沙湖南岸沙丘做過相關研究，因此結合此地盛行風向及周圍環(huán)境，認為其潛在沙源地可能為其周邊大型沙漠。李超[13]、楊慶江[14]、龐紅麗[27]等對騰格里沙漠，舒培燦等[11]對毛烏素沙地，李恩菊等[28]對巴丹吉林沙漠，桂洪杰等[24]對烏蘭布和沙漠及庫布齊沙漠等周邊大型沙漠研究均表明，這些沙漠粒度組分均以細沙和中沙為主，粗沙、極細沙含量極少，因此周邊大型沙漠地并不是其主要沙源地。沙湖南岸沙丘屬于典型的綠洲沙地，其黃土母質本底條件，由于土壤結構破壞，易沙化，銀川平原是西北重要糧產(chǎn)地，農(nóng)業(yè)發(fā)展的同時，土地退化問題依然突出，為本底起沙提供可能。再者，雖賀蘭山的存在阻滯騰格里沙漠風沙進一步南移，但高空氣流的影響仍然存在，氣流越過山區(qū)對綠洲沙地進行侵蝕、搬運、堆積同時以懸移形式攜帶少量細沙粒進入。沙礫在運移過程中，需足夠動力起沙風，風動力條件在不同時期存在差異，運移形式主要有懸移、躍移及蠕動等形式[25]。粒度越大，距離越長，所需動力越強，再者風作為一種分選介質，對沙粒有再分配功能，沙粒運移過程中，相互碰撞及地表摩擦力等使其產(chǎn)生損耗，從而使粒度細化。湖區(qū)位于沙丘西北部上風向，躍移、蠕動及懸移物在動力不足情況下，較粗沙礫很難越過湖區(qū)進入沙丘，導致沙丘沙粒度偏細，以細沙和極細沙為主，平均粒徑2.95±0.1～3.18±0.09Φ(表2)，兩者所占比重達90%以上，中沙和粉沙含量極少，黏土僅存在迎風坡SW條帶，粗沙和極粗沙含量為0，分選性較好。再者，隨著旅游業(yè)開展，游客活動對粒度特征亦有影響，如僅SW迎風坡面存在黏粒，是因為此地開展沙灘排球活動，游客活動強度大所致。另一方面，分析角度以及試驗方案不同也會對分析結果產(chǎn)生影響。前人在騰格里沙漠相關研究中都只對表層進行取樣分析，大多為0—1 cm，0—3 cm以及0—5 cm單層取樣,并未分層進行分析。本文在試驗設計中設計了3層取樣，5 cm，25 cm，50 cm對比分析。

根據(jù)前人研究結論，沙丘粒度分布主要有兩種模式，從坡面兩側至坡頂粒度逐漸變粗、分選變好以及從坡面至坡頂粒度漸細，分選漸好[29]。迎風坡，風動力充足，沙粒分選性較強，但作為中心活動區(qū)，受人類活動影響，粒度偏細。脊線處，所受風動力較強，有足夠的動力進行粒度分選及運移，再者受背風坡氣流頂托作用，分選性好，粒度偏粗。風越過脊線時，動力減弱，背風坡氣流對風動力具有頂托作用，在脊線附近形成渦流，沙粒因動力不足，難以前行，在脊線處下沉，重力作用下，沿著沙坡滾落[25]，因此在背風坡處分選性差，粒度偏細。然而由于營力、沉積環(huán)境及人為活動變化導致其粒度分布與模式存在差異。如沙粒在運移過程中，隨著距離的增加，動力下降，隨即懸移乃至躍移沙粒變?yōu)楸韺尤鋭忧耙?，在迎風坡處開始順著坡面躍移或滾動，向丘頂移動[25]。研究區(qū)迎風坡SW條帶自然地形正好處于S沙脊線地形凹面，坡底布局了沙灘排球場地，此條帶分布的5個采樣點，僅位于沙灘排球場的SW-45存在黏土，5 cm，25 cm，50 cm各層黏土含量分別達到1.94%，3.36%和3.32%。說明人為踩踏亦會對沙粒度產(chǎn)生影響，沙粒流動性強，表層僅受人力踩踏影響，而越往深層不僅有人為踩踏的影響，更是存在沙粒間各個方向的的碰撞擠壓力，雙重力的作用下，導致深層黏土比重大。沙粒推進至丘頂，動力進一步下降，再加上背風坡氣流的頂托作用，形成渦流，氣流進一步減弱，沙粒在迎風坡附近下落堆積，形成一條較粗沙粒脊線，當下一次強勁氣流抵達時，會對沙脊線進行侵蝕、搬運，使其向背風坡推移一定距離，如此往復循環(huán)，使得沙丘不斷前移。

表2 寧夏沙湖沙丘沙粒度參數(shù)

注：同一深度不同小寫字母表示不同部位樣品間差異顯著(p<0.05)。

綜上所述，沙湖南岸沙丘沙粒度組分主要以細沙(29.12%～64.39%)、極細沙(33.72～64.52%)為主，中沙、粉沙含量很少，不含粗沙、極粗沙，黏土僅存在于迎風坡SW條帶，50 cm深度粒度相較25 cm和50 cm偏細，主要是本地沙源、風力分選作用的結果。沙脊線附近平均粒徑均大于沙丘其他部位，分選性都較好，沙脊線附近分選性最好，而迎風坡SW條帶分選性在各個時期均較差。偏度沙脊線全部以及對照區(qū)部分粗偏，其他部位均為細偏。峰度則偏窄且大部分屬于極窄峰態(tài)(Kgφ>1.5)，說明沙丘長期受風營力作用，發(fā)育較成熟。沙湖南岸沙丘沙粒度特征與其本底沙源、風營力、沉積環(huán)境及人類活動有關，是各營力長期綜合作用的結果。