王佩，馬倩,2,朱元璞，曾燚

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054；2.新疆干旱區(qū)湖泊資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830054)

沉積物粒度特征在區(qū)分風(fēng)沙地貌、沉積環(huán)境；判定搬運(yùn)方式與動力條件；控制沙丘地貌、研究古氣候變化等方面具有重要意義[1]。灌叢沙堆是分布在干旱、半干旱地區(qū)，在自然和人為因素影響下發(fā)育而成的一種比較常見和典型的風(fēng)沙地貌類型，是土壤風(fēng)蝕物在遇到植被阻攔后逐漸堆積而成。許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，灌叢沙堆的存在是土壤風(fēng)蝕和土地荒漠化的標(biāo)志，同時也可以作為土地退化評價指標(biāo)之一[2]，其發(fā)育過程主要受到植被狀況、物源供給、風(fēng)沙活動、氣候環(huán)境、人類活動的影響。隨著土地沙化理論和機(jī)制研究的成熟，灌叢沙堆已成為風(fēng)沙地貌學(xué)、古環(huán)境演化等眾多研究者的關(guān)注熱點(diǎn)。我國干旱、半干旱地區(qū)面積廣大，灌叢沙堆主要分布于農(nóng)牧交錯帶、荒漠草原、沙漠邊緣、荒漠綠洲過渡帶及河床河谷地帶等[3]，主要植被類型有錦雞兒、檉柳、白刺、蒿類等。對灌叢沙堆的研究主要集中在沙堆的形態(tài)特征[4-8]、沉積物分布規(guī)律[9-11]、沙堆形成演變[12-13]以及灌叢沙堆所帶來的環(huán)境指示意義[14]等方面。在地域上，目前國內(nèi)對灌叢沙堆的研究主要集中在新疆、甘肅、內(nèi)蒙古等地。另一方面灌叢沙堆也有削弱風(fēng)力、截留風(fēng)沙、維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全的作用[15-16]。新疆伊犁塔克爾莫乎爾沙漠是受西風(fēng)帶控制下形成的固定半固定河谷型沙漠，由于人類活動過程導(dǎo)致地表植被退化，土地沙化嚴(yán)重，使得該沙漠面積不斷擴(kuò)大。本課題組在對灌叢沙堆沉積物進(jìn)行野外采樣的基礎(chǔ)上，對塔克爾莫乎爾沙漠北緣灌叢沙堆粒度特征進(jìn)行研究，分析塔克爾莫乎爾沙漠北緣灌叢沙堆整體和不同地貌部位的沉積物粒度特征差異、粒度參數(shù)特征及粒度參數(shù)之間的相關(guān)性，為豐富區(qū)域風(fēng)沙地貌研究及沙漠化定量研究提供依據(jù)，以促進(jìn)沙漠化土地治理及修復(fù)生態(tài)環(huán)境。

1 研究區(qū)概況

塔克爾莫乎爾沙漠(又名霍城沙漠)，地理坐標(biāo)N 43°50′34″～44°09′00″，E 80°27′00″～80°51′28″，總面積約4.85×104hm2，降水稀少、氣候干旱炎熱、晝夜溫差較大，風(fēng)沙天氣較多，研究區(qū)全年起沙風(fēng)(≥5 m/s)主要發(fā)生在春、夏、秋三季，風(fēng)向主要以西南西風(fēng)(WSW)為主，占全年起沙風(fēng)頻率的66%，其次風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)(W)、西南風(fēng)(SW)，其他風(fēng)向占比比較小，屬溫帶大陸性荒漠氣候，是典型西風(fēng)帶半干旱氣候影響下的固定半固定河谷型沙漠，為伊犁河流域面積最大的沙漠，被發(fā)源于北山溝水系切割成霍爾果斯沙漠、塔克爾莫乎爾沙漠、巴基泰沙漠、圖開沙漠和惠遠(yuǎn)南沙窩等幾個小沙漠，在河流廊道的分片切割作用下，極大地削弱了整個沙漠的流動性，沙漠沙層濕度較高，加之人為因素影響下人工植被的介入，區(qū)內(nèi)植被比較豐富，廣泛生長梭梭(Haloxylonammodendron(C.A.Mey.) Bunge)、錦雞兒(Caraganasinica(Buc'hoz) Rehd.)、駱駝刺(Alhagi sparsifolia Shap.)、芨芨草(Achnatherumsplendens(Trin.) Nevski)、鈴鐺刺(Halimodendronhalodendron(Pall.) Voss)等喬、灌、草以及短生、類短生植物，總植被蓋度為17%～35%，區(qū)內(nèi)土壤主要以半固定風(fēng)沙土為主，還發(fā)育著灰鈣土、沼澤土、草甸土、鹽土、潮土等，在沙漠西南部廣闊的風(fēng)蝕地面發(fā)育著體積較小，相對高度約為1～2 m的拋物線沙丘或雛形的拋物線沙丘，圖開沙漠南部零星分布著舌狀沙丘和雛形的新月形沙丘，沙漠中部地帶分布較為密集的不對稱拋物線形沙丘，開口朝向西南方向，沙漠北部地區(qū)主要發(fā)育密集而高大的復(fù)合型灌叢沙堆、梁窩狀沙丘及沙壟等。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點(diǎn)圖Figure 1 Locations of the sampling points and the study area

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采樣點(diǎn)主要選取在沙堆發(fā)育完整的沙漠北部，并對發(fā)育典型的灌叢沙堆進(jìn)行沙樣采集(圖2)。典型灌叢沙堆一般按照迎風(fēng)坡底、坡中、頂、背風(fēng)坡中、坡底的5個部位順序采樣，此次采樣選擇不同類型的沙丘8個，共采取沙樣120個，采樣方法與Lancaster[17]在納米布沙漠的采樣標(biāo)準(zhǔn)類似，選取0.2 m×0.2 m面積的沙面，均勻采集表面深度為0～5 cm的表層沉積物樣品，樣品質(zhì)量約500 g，采樣后進(jìn)行詳細(xì)的觀測，其位置經(jīng)GPS精準(zhǔn)定位，記錄沙丘類型、沙丘部位、高度及坡度等信息，同時描述沙丘的地貌特征、形態(tài)特征、植被特征，記錄后用樣品袋封存沙樣。

圖2 灌叢沙堆表層沉積物沙樣采樣點(diǎn)Figure 2 Collection points of surface sediment sand samples of shrub sand pile

2.2 研究方法

通過英國Malvern制造的Mastersizer-2000激光粒度分析儀(0.02～2 000 μm)測試本試驗(yàn)中所采集的粒度樣品，測量結(jié)果用Folk-Ward粒度公式，用GRADISTAT粒度分析軟件得到各粒度參數(shù)，粒度分級采用Wentworth分類[18]：黏土，0～2 μm；粉砂，2～63 μm(細(xì)分為極細(xì)粉砂，2～4 μm；細(xì)粉砂，4～8 μm；中粉砂，8～16 μm；粗粉砂，16～31 μm；極粗粉砂，31～63 μm)；砂，63～2 000 μm(細(xì)分為極細(xì)砂，63～125 μm；細(xì)砂，125～250 μm；中砂，250～500 μm；粗砂，500～1 000 μm；極粗砂1 000～2 000 μm)。

粒度參數(shù)計算采用Folk-Ward等[19]的計算公式計算出所需指標(biāo)平均粒徑(MZ)、分選系數(shù)(σ1)、偏度(SK1)和峰態(tài)(KG)，其中平均粒徑可以表征沉積物粒度分布情況，分選系數(shù)可以表示顆粒大小均勻程度，偏度反映沉積物顆粒的粗細(xì)分布狀況，而峰態(tài)反映顆粒粒徑在平均粒徑兩側(cè)集中程度[20]。參數(shù)計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Φ5、Φ16、Φ25、Φ50、Φ75、Φ84、Φ90，分別代表5%、16%、25%、50%、75%、84%、90%概率曲線上所對應(yīng)的粒徑值。

2.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均采用Excel、IBM Statistics SPSS、Origin 9.0軟件分析及繪制相關(guān)圖表。

3 結(jié)果與分析

3.1 灌叢沙堆表層沉積物粒徑特征

塔克爾莫乎爾沙漠北緣灌叢沙堆表面砂物質(zhì)(圖3-A)主要由極細(xì)砂、細(xì)砂、中砂、粗砂組成，其中細(xì)砂和中砂所占的比例最大，其次是極細(xì)砂和粗砂，其他粒級所占的百分比均較少。灌叢沙堆各粒級平均含量依次為細(xì)砂(46.48%)>中砂(41.29%)>極細(xì)砂(6.10%)>粗砂(4.26%)>粗粉砂(1.80%)>極粗粉砂(0.32%)>中粉砂(0.20%)>細(xì)粉砂(0.11%)>極細(xì)粉砂(0.05%)>極粗砂(0.002%)。

在塔克爾莫乎爾沙漠北緣灌叢沙堆(圖3-B)，在不同地貌部位的粒級分布規(guī)律有所不同，占比最大的細(xì)砂，其含量在沙堆頂部最大，平均含量為48.82%，在不同地貌部位的分布規(guī)律中，從迎風(fēng)坡底到頂部再到背風(fēng)坡底，呈現(xiàn)先增多后減少的趨勢；而粗砂各部位分布規(guī)律與細(xì)砂相反，從迎風(fēng)坡底到頂部再到背風(fēng)坡底，呈現(xiàn)先減少再增加的分布規(guī)律；中砂在迎風(fēng)坡底含量最高，平均含量為44.28%，其次依次為頂部、迎風(fēng)坡中、背風(fēng)坡中，含量依次為42.94%、42.28%、41.17%，在背風(fēng)坡底部中砂的含量最少；極細(xì)粉砂、細(xì)粉砂、中粉砂、極粗粉砂、極細(xì)砂在不同地貌部位中的變化規(guī)律相近，從迎風(fēng)坡底到迎風(fēng)坡中再到頂部最后到背風(fēng)坡底，基本呈現(xiàn)先增加再減少再增加的趨勢，且各粒級都在頂部百分含量最少，在背風(fēng)坡中百分含量最多。

從不同坡向來看，灌叢沙堆中迎風(fēng)坡中砂、細(xì)砂含量高于背風(fēng)坡，而其他粒級百分含量則相反，背風(fēng)坡含量高于迎風(fēng)坡，說明迎風(fēng)坡偏粗，背風(fēng)坡偏細(xì)，這是由于灌叢沙堆表層沉積物在風(fēng)力作用下，較細(xì)的砂物質(zhì)被風(fēng)攜帶到其他的地方，同時在周圍植被的阻擋下，粗砂粒在迎風(fēng)坡發(fā)生沉降，較細(xì)砂粒受背風(fēng)坡回旋氣流的影響，堆積于背風(fēng)坡，由迎風(fēng)坡向背風(fēng)坡沙粒趨向于細(xì)化，從坡底與坡頂來看，灌叢沙堆中迎風(fēng)坡頂部細(xì)砂含量高于迎風(fēng)坡底，而極細(xì)砂、中砂、粗砂含量與細(xì)砂含量規(guī)律相反，坡頂含量低于迎風(fēng)坡底；相對于背風(fēng)坡來說細(xì)砂、中砂含量在坡頂高于背風(fēng)坡底，而粗砂、極細(xì)砂及粗粉砂在背風(fēng)坡底含量高于坡頂，說明在迎風(fēng)坡從坡底沙粒趨于細(xì)化，在背風(fēng)坡從坡頂?shù)狡碌咨沉Ｚ呌诩?xì)化。

3.2 灌叢沙堆表層沉積物粒度參數(shù)

沉積物的來源、沉積環(huán)境等可以用粒度參數(shù)來表征。分析塔克爾莫乎爾沙漠北緣灌叢沙堆粒度參數(shù)發(fā)現(xiàn)(表1)，在灌叢沙堆表層沉積物平均粒徑范圍介于1.62～2.49 Φ，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.20，平均值為2.06 Φ，屬于細(xì)砂范圍，在背風(fēng)坡平均粒徑最大，其他依次為頂部、背風(fēng)坡中、迎風(fēng)坡中，迎風(fēng)坡底平均粒徑的值最小為1.97 Φ；灌叢沙堆表層沉積物分選系數(shù)介于0.50～0.83 Φ，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.08，平均值為0.62 Φ，屬于中等偏好分選性，分選系數(shù)值表現(xiàn)為背風(fēng)坡底>迎風(fēng)坡中>迎風(fēng)坡底>背風(fēng)坡中>頂部，分選性由迎風(fēng)坡底到迎風(fēng)坡中到頂部再到背風(fēng)坡底，呈現(xiàn)先變好到差再到好的趨勢，且在灌叢沙堆的頂部分選性最差；偏度值介于-0.02～0.12 Φ，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.03，平均值為0.04 Φ，屬于近對稱分布，偏度值在頂部最小為0.031 Φ，在背風(fēng)坡底偏度值最大，為0.57 Φ，不同地貌部位從迎風(fēng)坡底到頂部再到背風(fēng)坡底部，呈現(xiàn)先減小再增大的變化趨勢，峰態(tài)值介于0.92～1.05 Φ，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.03，平均值為0.97 Φ，屬于中等峰態(tài)，在不同地貌部位中，背風(fēng)坡底部峰態(tài)值最大為0.993 Φ，其次依次為迎風(fēng)坡中、背風(fēng)坡中、迎風(fēng)坡底，平均最小值出現(xiàn)在頂部，為0.965 Φ。

表1 灌叢沙堆不同地貌部位表層沉積物粒度參數(shù)

3.3 灌叢沙堆表層沉積物粒度參數(shù)相關(guān)性

對塔克爾莫乎爾沙漠北緣灌叢沙堆表層沉積物平均粒徑、分選系數(shù)、偏度、峰態(tài)4個參數(shù)結(jié)合SPSS對粒度參數(shù)做相關(guān)性分析(表2)，發(fā)現(xiàn)平均粒徑與偏度、平均粒徑與峰態(tài)，偏度與峰態(tài)之間具有一定的相關(guān)性，平均粒徑與偏度在0.01水平上顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)是0.414，說明平均粒徑Φ增大，即粒徑變細(xì)，偏度越偏向正偏；平均粒徑與峰態(tài)在0.01水平上顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)是0.471，說明灌叢沙堆表層沉積物粒徑變細(xì)，峰態(tài)也越窄；峰態(tài)與偏度在0.01水平上也呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.665，即灌叢沙堆表層沉積物粒度偏度值隨峰態(tài)值增大而相應(yīng)變大，峰態(tài)頻率曲線越窄，偏度越偏向正偏，而平均粒徑與分選性、分選性與偏度、峰態(tài)之間的相關(guān)性較差。

表2 灌叢沙堆表層沉積物粒度參數(shù)相關(guān)性

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

塔克爾莫乎爾沙漠地處中緯度半干旱內(nèi)陸地區(qū)，具有較好的水分條件、植物條件和豐富的砂物質(zhì)來源[21]，研究區(qū)域地表沉積物受地形、植被以及風(fēng)砂來源的影響，同時與風(fēng)化、碰撞及流體沖刷等因素有關(guān)，一方面研究區(qū)周邊有廣布沙漠存在，這為灌叢沙堆表層砂物質(zhì)提供了豐富的來源，不同來源的砂物質(zhì)在風(fēng)力作用下搬運(yùn)過程存在差異，這對該沙漠灌叢沙堆表層沉積物產(chǎn)生影響。從灌叢沙堆整體表層沉積物粒徑特征來看，迎風(fēng)坡與背風(fēng)坡相比粒徑偏粗，此粒徑分布特征與肖晨曦等[22]在和田河流域研究的灌叢沙堆的粒徑分布規(guī)律一致。本研究中塔克爾莫乎爾沙漠北緣灌叢沙堆表面沉積物平均粒徑與分選系數(shù)、分選系數(shù)與偏度、峰態(tài)之間的相關(guān)性不顯著，說明研究區(qū)灌叢沙堆表面沉積物與其他區(qū)域受到的風(fēng)動力條件有所不同，其表面的沉積物粒度特征也有所差異，灌叢沙堆表面砂物質(zhì)呈現(xiàn)近對稱分布、中等峰態(tài)，表明表層沉積物粒度分布的對稱性變化更為分散、復(fù)雜，同時研究區(qū)內(nèi)的砂物質(zhì)整體分布比較集中。另一方面灌叢沙堆在形成過程中都會受到植被的影響，本研究區(qū)內(nèi)的灌叢沙堆上都有檉柳、錦雞兒、駱駝刺、梭梭等植被生長，風(fēng)在搬運(yùn)砂物質(zhì)時受到植被的作用，對沙堆表層沉積物分布產(chǎn)生影響，毛東雷等[23]研究發(fā)現(xiàn)，有透風(fēng)型植被障礙物前形成的回渦沙丘表面風(fēng)力分選過程比無植被障礙物前形成的回渦沙丘表面更為復(fù)雜，說明植被的形態(tài)特征對灌叢沙堆表層砂物質(zhì)的分選也產(chǎn)生作用，同時展秀麗等[24]在寧夏白芨灘防沙治沙區(qū)發(fā)現(xiàn)在草方格與植物措施的治理下，沙區(qū)內(nèi)風(fēng)沙土的顆粒的分選性較好，分配程度均勻性良好，隨著治理程度以及植被蓋度的增加，表層土壤顆粒都向著細(xì)粒化方向發(fā)展。本研究區(qū)灌叢沙堆中的植被與沙堆形成之間的作用關(guān)系可在今后進(jìn)一步研究。

4.2 結(jié)論

1) 塔克爾莫乎爾沙漠北緣灌叢沙堆表面砂物質(zhì)主要由極細(xì)砂、細(xì)砂、中砂、粗砂組成，其中細(xì)砂和中砂所占的比例最大，其次是極細(xì)砂和粗砂，其他粒級所占的百分比均較少。

2) 在灌叢沙堆表面沉積物各粒級所占百分含量中，中砂百分含量從迎風(fēng)坡到頂部再到背風(fēng)坡，呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，而粗砂百分含量從迎風(fēng)坡到頂部再到背風(fēng)坡，呈現(xiàn)先減少再增加的趨勢，極細(xì)粉砂、細(xì)粉砂、中粉砂、極粗粉砂、極細(xì)砂在不同地貌部位中的變化規(guī)律相近，從迎風(fēng)坡底到迎風(fēng)坡中再到頂部最后到背風(fēng)坡底，基本呈現(xiàn)先增加再減少再增加的趨勢，且各粒級都在頂部百分含量最少，在背風(fēng)坡中百分含量最多。從不同坡向來看，迎風(fēng)坡相比背風(fēng)坡偏粗。

3) 灌叢沙堆表層沉積物從迎風(fēng)坡底到頂部，平均粒徑逐漸變細(xì)，分選性逐漸變差，從頂部到背風(fēng)坡底部，平均粒徑逐漸變細(xì)，分選性逐漸變好。偏度值與峰態(tài)值變化趨勢基本一致，屬于近對稱分布和中等峰態(tài)。

4) 灌叢沙堆表層沉積物粒度參數(shù)間，平均粒徑與偏度、峰態(tài)呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性(P<0.01)，峰態(tài)與偏度之間也呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)(P<0.01)，平均粒徑與分選系數(shù)、分選系數(shù)與偏度、分選系數(shù)與峰態(tài)之間的相關(guān)性不顯著。