胡慧芳，劉 琦，馬永桃，王嵩松，裴碧炫，楊惠琳，張曉微

(太原師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院，山西 晉中 030619)

1 引言

土地沙漠化是土地退化的主要類(lèi)型之一，目前已成為世界面臨的主要生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[1,2]。而粒度作為沉積物的重要結(jié)構(gòu)特征，是風(fēng)沙地貌研究的重要內(nèi)容，其形成受到沙源物質(zhì)、搬運(yùn)條件、自然環(huán)境等多方面因素的影響[3,4]。粒度特征在反映風(fēng)力對(duì)物質(zhì)的搬運(yùn)、分選、記錄風(fēng)力強(qiáng)度方面具有優(yōu)勢(shì)，對(duì)體現(xiàn)風(fēng)沙地貌、地形的形成及其他障礙物對(duì)風(fēng)沙流運(yùn)移過(guò)程的改變具有重要意義[3,4]。

我國(guó)是世界上沙漠化最嚴(yán)重的國(guó)家之一，甚至已經(jīng)達(dá)到了制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的程度，對(duì)提高我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平和社會(huì)生活質(zhì)量形成了極大阻礙，已成為中華民族的心腹之患[5]。近幾十年來(lái)，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長(zhǎng)、畜牧業(yè)發(fā)展以及新農(nóng)田開(kāi)墾的壓力下，強(qiáng)化了對(duì)草場(chǎng)的利用，特別是長(zhǎng)期盲目開(kāi)墾，大規(guī)模毀草造田令渾善達(dá)克沙地生態(tài)平衡遭到破壞、生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重退化，出現(xiàn)了大面積的草場(chǎng)退化和土地沙化現(xiàn)象[6]。

在干旱半干旱地區(qū)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，土地沙漠化問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，已經(jīng)成為影響全球環(huán)境的重大問(wèn)題之一，因此吸引了很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的密切關(guān)注。比如外國(guó)學(xué)者Tyson，Bakhit，Sanders，Jaskolla和Okin以及國(guó)內(nèi)學(xué)者胡日娜、王濤、任孝宗等前后對(duì)國(guó)內(nèi)外沙漠化地區(qū)進(jìn)行了各方面的探究[7～14]。

渾善達(dá)克沙地作為我國(guó)四大沙地之一，多年來(lái)受自然和人為因素的影響，土地沙漠化速率不斷加快，因此有不少?lài)?guó)內(nèi)學(xué)者從各個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行了研究，比如王小平等[15]為了研究渾善達(dá)克沙地粒度組成和環(huán)境之間的關(guān)系，采用濕測(cè)法對(duì)研究區(qū)的周邊以及腹地質(zhì)量磁化率進(jìn)行研究來(lái)得到結(jié)論；張洪等[16]通過(guò)激光粒度分析儀和粒度參數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行了分析，得出粒度旋回及其氣候變化特征的結(jié)論；劉樹(shù)林等[17]經(jīng)過(guò)一定數(shù)量的遙感解譯和實(shí)地調(diào)查，采用2003～2006年的數(shù)據(jù)對(duì)渾善達(dá)克沙地的土壤粒度組成和土壤有機(jī)碳(SOC)和全氮(TN)含量進(jìn)行了分析；董玉祥等[18]通過(guò)綜合分析歷史氣候以及地面剖層，最后得出氣候因素主導(dǎo)的結(jié)論；劉德松等[19]通過(guò)對(duì)降水、濕度、云量、風(fēng)速等因素進(jìn)行研究對(duì)比計(jì)算，表明渾善達(dá)克地區(qū)的各氣象因子變化與人類(lèi)行為有很大關(guān)系，也初步探尋到了沙漠化的規(guī)律；任孝宗等[20,21]通過(guò)實(shí)地采樣和對(duì)比分析，分析了渾善達(dá)克沙地東部地區(qū)天然水體的水化學(xué)組成及其控制因素和地下水的補(bǔ)給機(jī)制。從研究的方向來(lái)看，已有的研究主要集中在環(huán)境、氣候、沙漠化演進(jìn)和水資源等方面，對(duì)風(fēng)成沙粒度組成的空間分布研究還較少。因此，本文通過(guò)已有數(shù)據(jù)和資料，分析了研究區(qū)不同粒度空間分布特征和極大風(fēng)速風(fēng)向特征，希望為渾善達(dá)克沙地的風(fēng)沙治理提供建議。

2 研究區(qū)概況

渾善達(dá)克沙地處于我國(guó)內(nèi)蒙古地區(qū)的中部，是我國(guó)四大沙地之一，主體地理位置在42°～45°N、112°～118°E之間，東西跨度約450 km，南北跨度約50～300 km，整體地勢(shì)南高北低，地面起伏小，平均海拔1300 m，隸屬于錫林郭勒盟和赤峰市，包括二連浩特市、錫林浩特市、阿巴嘎旗、克什克騰旗、太仆寺旗、多倫縣、鑲黃旗、正鑲白旗、蘇尼特右旗、蘇尼特左旗和正藍(lán)旗。氣候?qū)儆谥袦貛У貐^(qū)的干旱半干旱大陸性季風(fēng)區(qū)，年降水量為200～400 mm，由東南向西北方向遞減。沙地內(nèi)由草甸、疏林、灌叢、草原、固定沙丘、半固定沙丘、流動(dòng)沙丘和半流動(dòng)沙丘組成，沙丘形態(tài)包括新月形、鏈狀等，由于受冬季風(fēng)影響強(qiáng)烈，多為西北―東南走向。沙地邊緣區(qū)由剝蝕產(chǎn)生的低地和丘陵交錯(cuò)分布。研究區(qū)相對(duì)于內(nèi)蒙古其它地區(qū)而言，與首都北京的距離最近，可以說(shuō)渾善達(dá)克沙地的環(huán)境狀況直接影響著北京(圖1)。

圖1 渾善達(dá)克沙地采樣點(diǎn)分布

3 研究方法

風(fēng)況數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)的中國(guó)地面國(guó)際交換站氣候資料年值數(shù)據(jù)集，包括研究區(qū)周邊阿巴嘎旗氣象站、二連浩特氣象站、多倫氣象站、錫林浩特氣象站和化德氣象站5個(gè)氣象站1980～2019年30年風(fēng)況數(shù)據(jù)(累年年極大風(fēng)速和累年年極大風(fēng)速的風(fēng)向)。風(fēng)成沙沉積物數(shù)據(jù)分為兩部分，一部分為實(shí)地采集，一部分為公開(kāi)發(fā)表的風(fēng)成沙粒度數(shù)據(jù)[17]。

風(fēng)成沙沉積物使用振篩儀進(jìn)行分級(jí)處理，為了保證取樣的均勻，多次攪拌后進(jìn)行分次隨機(jī)取樣，每個(gè)樣品稱(chēng)取40 g左右，在振篩儀上進(jìn)行15 min的篩分，依次對(duì)留在篩子上樣品進(jìn)行稱(chēng)重(重量值精確到0.001)。期間進(jìn)行平行樣的檢測(cè)，保證儀器的精度。粒徑按照2.0～0.5 mm、0.5～0.25 mm、0.25～0.10 mm、0.10～0.05 mm和<0.05 mm五個(gè)粒級(jí)劃分，分別代表不同的風(fēng)力狀況。使用ArcGIS進(jìn)行插值分析，繪制樣品不同粒級(jí)空間分布圖，使用Excel繪制極大風(fēng)速風(fēng)玫瑰圖。

4 結(jié)果與分析

4.1 渾善達(dá)克沙地粒度組成總體特征

沙粒級(jí)配反映的是沉積物各粒度組成的粒徑大小和含量百分比變化[22]。渾善達(dá)克沙地風(fēng)成沙樣品不同粒度組成(表1)表明，渾善達(dá)克沙地沉積物粒度組成范圍比較廣，包含粗沙、中沙、細(xì)沙、極細(xì)沙和粉沙多個(gè)粒級(jí)。從表1、圖2來(lái)看渾善達(dá)克沙地的主要沉積物為細(xì)沙和中沙，兩者含量之和達(dá)到75%以上。其中細(xì)沙含量的范圍為1.32%～79.43%，平均值45.67%；中沙含量的范圍為10.65%～43.84%,平均值29.43%。其他粒級(jí)含量按粗沙、極細(xì)沙和粉沙的順序依次減少，平均值分別為19.20%、5.53%和0.17%，變化范圍為0.07%～85.97%、1.36%～13.04%和0.00%～0.64%。不同樣品同一粒級(jí)的變異系數(shù)大表明研究區(qū)內(nèi)的沉積物粒度組成在空間上存在很大差異(表1)，這一點(diǎn)從渾善達(dá)克沙地不同粒度組成空間分布圖也能看到(圖3)。

圖2 研究區(qū)樣品各粒級(jí)組成匯總

表1 研究區(qū)各樣品不同粒度組成

渾善達(dá)克沙地風(fēng)成沙沉積物粒度組成包含多個(gè)粒級(jí)，這與多方面因素有關(guān)：①渾善達(dá)克沙地表層的固定、半固定的沙丘以及人口增加帶來(lái)土地退化，為研究區(qū)提供充足了沙源物質(zhì)；②據(jù)研究表明渾善達(dá)克沙地春秋多大風(fēng)，8級(jí)以上風(fēng)一年可達(dá)60～80次，年平均風(fēng)速為4～5 m/s,這為吹動(dòng)風(fēng)蝕和沙塵暴提供了動(dòng)力因子[23,24]。

4.2 渾善達(dá)克沙地粒度組成空間分布特征

渾善達(dá)克沙地各粒級(jí)粒度組成空間分布圖(圖3)表明，研究區(qū)內(nèi)風(fēng)沙沉積物各粒級(jí)占比情況在空間分布上存在很大差異。其中粗沙含量高的部分出現(xiàn)在渾善達(dá)克沙地中、西部地區(qū)，整體上表現(xiàn)為自西向東含量減少的趨勢(shì)，這可能與渾善達(dá)克沙地西部地區(qū)多沙丘可以提供沙源物質(zhì)有關(guān)(圖3a)。中沙和細(xì)沙是風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)中主要的躍移物質(zhì)，也是渾善達(dá)克沙地的主要沉積物[25]。中沙含量高的部分主要集中在渾善達(dá)克沙地西部地區(qū)，整體上表現(xiàn)為東少西多(圖3b)。細(xì)沙含量在空間分布上呈現(xiàn)出與粗沙相反的情況，即在渾善達(dá)克沙地中東部地區(qū)含量較高，西部較少，整體上由東向西遞減(圖3c)?？赡苁侵行母沟鼐嚯x較遠(yuǎn)且多沙丘，粒徑較小的細(xì)沙組分通過(guò)分選到達(dá)土壤質(zhì)地較為均一的中心地區(qū)。極細(xì)沙的分布呈現(xiàn)出波動(dòng)變化的趨勢(shì)，在西部地區(qū)含量較高(圖3d)。粉沙是塵暴中可遠(yuǎn)離搬運(yùn)的組分，在渾善達(dá)克沙地各個(gè)地區(qū)含量都比較低，整體表現(xiàn)為西部地區(qū)含量高，東部地區(qū)含量低，自東向西逐步減少(圖3e)[26]。從沙源物質(zhì)來(lái)看，極細(xì)沙和粉沙為碎屑物質(zhì)，而渾善達(dá)克沙地內(nèi)部多沙丘，可能是大顆粒的殘留物質(zhì)，即使在風(fēng)力作用下也會(huì)有部分小粒徑的沙停留在原地或者以緩慢的形式進(jìn)行移動(dòng)。

圖3a-e為研究區(qū)各粒級(jí)組成插值分析圖、圖3f為研究區(qū)樣點(diǎn)各粒級(jí)含量分布圖圖3 研究區(qū)各粒級(jí)組分空間分布

圖3f為研究區(qū)內(nèi)風(fēng)沙沉積物采樣點(diǎn)各粒級(jí)含量分布圖，與圖3a-e的樣條插值結(jié)果相一致，說(shuō)明使用樣條插值對(duì)現(xiàn)有風(fēng)成沙沉積物數(shù)據(jù)來(lái)分析渾善達(dá)克沙地周邊沉積物各粒級(jí)的分布情況存在合理性。

4.3 渾善達(dá)克沙地粒度的空間分布與風(fēng)況關(guān)系分析

風(fēng)向是影響物質(zhì)搬運(yùn)、堆積的重要因素之一，對(duì)塑造沙地形態(tài)有著重大作用。通過(guò)分析研究區(qū)的5個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)以及各站點(diǎn)的極大風(fēng)速風(fēng)玫瑰圖(圖4)，表明研究區(qū)內(nèi)各站點(diǎn)的極大風(fēng)速風(fēng)向是較為統(tǒng)一的，可看出渾善達(dá)克沙地的主要風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)，但具體從各個(gè)站點(diǎn)來(lái)看由稍有區(qū)別。如多倫縣、阿巴嘎旗、二連浩特就是西風(fēng)所占比例大，錫林浩特以西南風(fēng)為主，而化德站則是西北風(fēng)為主。從渾善達(dá)克沙地所處地理位置來(lái)看，表明研究區(qū)是受冬季西伯利亞冷高壓(西北風(fēng)強(qiáng)烈)的影響。

圖4 研究區(qū)各站點(diǎn)極大風(fēng)速風(fēng)向玫瑰圖 (單位：%)

將圖4研究區(qū)各站點(diǎn)極大風(fēng)速風(fēng)玫瑰圖與研究區(qū)各粒級(jí)組分空間分布圖(圖3)相結(jié)合，可以看到渾善達(dá)克沙地的風(fēng)成沉積物整體上呈現(xiàn)出自西向東粒徑變細(xì)的趨勢(shì)，即粗沙、中沙西部含量高，細(xì)沙東部含量高。有研究表明渾善達(dá)克沙地沉積物的中值粒徑以及分選性沿著盛行風(fēng)的方向變細(xì)變好，這一說(shuō)法與本文的研究結(jié)果一致[25]。

冬季風(fēng)來(lái)臨時(shí)，渾善達(dá)克沙地受盛行西風(fēng)影響，區(qū)域內(nèi)沙丘被吹蝕，為就地起沙提供沙源物質(zhì)[27]。不同粒度的風(fēng)沙物質(zhì)移動(dòng)受到極大風(fēng)速風(fēng)向的影響，加速了渾善達(dá)克沙地的土地沙漠化速率，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境甚至首都北京的發(fā)展，不利于研究區(qū)和首都的綠色可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)論

本文中的風(fēng)成沉積物粒度數(shù)據(jù)和30年風(fēng)況數(shù)據(jù)，通過(guò)Excel進(jìn)行整理、歸納，同時(shí)使用ArcGIS、Excel等制圖軟件繪制渾善達(dá)克沙地不同粒度組成的空間分布圖以及多年極大風(fēng)速風(fēng)向圖表，以下結(jié)論。

(1)渾善達(dá)克沙地沉積物包括多個(gè)粒級(jí)，表明由多種沉積環(huán)境影響而形成，主要粒級(jí)為中沙和細(xì)沙，其次為粗沙和極細(xì)沙，粉沙含量最低。

(2)從粒度組成空間分布特征方面來(lái)看，研究區(qū)各采樣點(diǎn)粗沙、中沙和粉沙部分在中西部地區(qū)含量大，細(xì)沙部分在中東部地區(qū)含量大，極細(xì)沙含量在整個(gè)研究區(qū)呈波動(dòng)變化。整體表現(xiàn)為沉積物粒徑自西向東變細(xì)。

(3)渾善達(dá)克沙地極大風(fēng)速風(fēng)向整體以西風(fēng)為主，不同站點(diǎn)風(fēng)向存在具體差別，其中多倫站、阿巴嘎站和二連浩特站以西風(fēng)為主，錫林浩特站以西南風(fēng)為主，化德站以西北風(fēng)為主。主要原因是研究區(qū)距離冬季風(fēng)源地近，受西伯利亞高壓影響較大。極大風(fēng)速風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)與研究區(qū)風(fēng)沙沉積物整體自西向東沉積物粒徑變小的結(jié)論，暗示了該區(qū)風(fēng)成沙粒度組成空間分布與風(fēng)速風(fēng)向有一定的聯(lián)系。