*1民勤荒漠-綠洲過渡帶不同沙障的阻沙粒度分析

梁愛民,馬　杰,張　瑾，馬義娟,蘇志珠

(1.太原師范學院 地理科學學院,山西 晉中 030619; 2.山西大學 歷史文化學院,山西 太原 030006)

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*1民勤荒漠-綠洲過渡帶不同沙障的阻沙粒度分析

梁愛民1,馬杰1,張瑾1，馬義娟1,蘇志珠2

(1.太原師范學院 地理科學學院,山西 晉中 030619; 2.山西大學 歷史文化學院,山西 太原 030006)

〔摘要〕對民勤沙井子地區(qū)荒漠-綠洲過渡帶的尼龍網(wǎng)格沙障、白刺沙障和沙拐棗沙障阻截的沙物質(zhì)進行采樣,運用沉積物的粒度分析方法,以流動沙丘和丘間地沉積物為參照,對比分析了研究區(qū)內(nèi)不同沙障所攔截的沙物質(zhì)的粒度組分及參數(shù)特征．結(jié)果表明:兩種植物沙障攔截的沙物質(zhì)粒度特征較為相似,攔截的沙物質(zhì)均以細砂和極細砂為主,對容易形成風沙危害的粒徑區(qū)間(1.32～4Φ)的攔截量均可達90%以上,而尼龍網(wǎng)格沙障攔截的沙物質(zhì)相對較粗,對1.32～4Φ區(qū)間的攔截量為70%．從阻沙粒度特征上看,植物沙障的阻沙效果明顯要好于尼龍網(wǎng)格沙障．此外,在>2Φ的粒徑范圍內(nèi),兩種植物沙障攔截的沙物質(zhì)主要來源于丘間地,尼龍網(wǎng)格沙障攔截的沙物質(zhì)主要來源于流動沙丘．

〔關鍵詞〕荒漠-綠洲過渡帶;阻沙沙障;粒度分析;民勤

荒漠化是當今人類共同面臨的嚴重的生態(tài)環(huán)境問題之一．西北干旱地區(qū)的綠洲地帶,土壤鹽漬化和沙質(zhì)荒漠化(即沙漠化)是荒漠化的兩種主要類型,土壤鹽漬化主要發(fā)生于綠洲內(nèi)部區(qū)域,而沙質(zhì)荒漠化則主要發(fā)生于綠洲邊緣地帶[1-2],即荒漠與綠洲的過渡帶．由于綠洲邊緣地帶與原生荒漠直接接觸,使得荒漠綠洲過渡帶成為受風沙危害的前沿陣地．為防止綠洲受沙漠化危害,在防沙工程領域已形成了物理、化學和生物三種防沙技術[3]．目前,設置沙障是一種有效且經(jīng)濟的防沙措施,使用的沙障材料類型也在不斷豐富,如塑料網(wǎng)沙障、尼龍網(wǎng)格(柵欄)沙障、土工格柵沙障、土壤凝結(jié)劑沙障、復膜沙袋阻沙體與蘆葦高立式沙障和植物沙障等．沙障設置后能使地表粗糙度增加 15～24倍[4],改變了風沙流場結(jié)構(gòu),阻滯了流沙移動的速度,使得風沙在沙障體系內(nèi)沉積．對于不同沙障的防沙效益的研究成果較多[5-10],但對不同沙障阻沙后沙物質(zhì)粒度的研究鮮有報道．為此,在對河西走廊民勤荒漠綠洲過渡帶考察的基礎上,選取民勤沙井子地區(qū)常見的沙障(尼龍網(wǎng)格沙障、白刺沙障、沙拐棗沙障),對其阻沙粒度進行分析研究,為防風固沙的沙障優(yōu)選設置提供科學依據(jù)．

1研究區(qū)概況

民勤沙井子地區(qū)(38°34′N， 102°58′E)位于甘肅省石羊河下游民勤綠洲西南部(圖1),總面積約230.6 km2,海拔1 375 m,地處民勤綠州向巴丹吉林沙漠的過渡地帶,境內(nèi)唯一的地表河流為發(fā)源于祁連山脈東段冷龍嶺北側(cè)的石羊河．研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造上屬阿拉善北山臺地邊緣凹陷,在地質(zhì)歷史時期經(jīng)受剝蝕、夷平和沖洪積作用下,形成厚度近百米的松散沉積物是本區(qū)風沙地貌沙物質(zhì)來源[11]．區(qū)內(nèi)地勢總體上由西南向東北傾斜,石羊河的支流大西河、小西河在此形成沖洪積平原,由西侵襲而來的沙流遇到灌草障礙減速沉降,堆積形成各種類型的沙丘．區(qū)內(nèi)氣候?qū)贉貛Т箨懶曰哪畾夂騕12],年平均氣溫7.6 ℃,降水量113.2 mm,潛在蒸發(fā)量2 064.3 mm,主導風向為NW和WNW,平均風速為2.5 m/s,年平均沙塵暴日數(shù)25.6 d．受人類活動的影響,自20世紀60年代初期以來,民勤沙井子地區(qū)的地下水位開始明顯下降[13],年平均下降速率為0.33 m/a,致使植物群落的演替從濕生系列過渡到旱生系列[14-16]．植被類型主要有唐古特白刺(Nitrariatangutorum)、沙蒿(Artemisiaarenaria)、沙拐棗(Calligonumjunceum)、紅柳(Tamarixramosissima)、梭梭(Haloxylonammodendron)和沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)等旱生、超旱生植物．土壤類型以風沙土為主,在耕作區(qū)有經(jīng)過長期灌溉淋溶、耕作施肥等人為作用下形成的特殊土類——綠洲灌漠土．

新中國成立以來,民勤地區(qū)就開始了積極的防沙治沙工作,1959年在縣城西南的西沙窩成立了民勤治沙綜合試驗站,20世紀70年代以來一直是全國防沙治沙的典型樣板示范基地[17],主要通過在流動沙丘上設置粘土沙障、植物沙障,以及禁牧封育和營造綠洲農(nóng)田防護林帶等有效措施,阻止了流沙入侵,起到了明顯的防風固沙效應和農(nóng)田增產(chǎn)效益,并改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境．

圖1　民勤沙井子地區(qū)位置示意圖

2研究方法

2.1采樣方法

實驗樣品采樣地選在距民勤治沙綜合試驗站西北8 km左右的沙井子附近的試驗場地．在試驗場內(nèi)選取位置相近、但類型不同的沙障,其中植物沙障包括白刺和沙拐棗,機械沙障為治沙站鋪設的尼龍網(wǎng)格沙障．植物沙障攔截的沙物質(zhì)采集于正地形長軸的背風坡表層,白刺沙包的長軸550 cm,短軸260 cm,高120 cm,蓋度約20%;沙拐棗沙堆的長軸110 cm,短軸45 cm,高20 cm．尼龍網(wǎng)格沙障攔截的表層沙物質(zhì),采集于方格內(nèi)部距沙障邊緣50 cm處的迎風坡,該沙障設置在流動沙丘上．另外,為對比沙障內(nèi)外沙物質(zhì)的粒度變化,分別采集了上風向的丘間地和流動沙丘砂樣各1組．以上樣品采集深度保持在0～2 cm,采樣面積控制在20×20 cm2范圍內(nèi),單個樣品均采集500 g左右,裝入自封袋并編號、記錄GPS坐標．

2.2實驗方法

在室內(nèi)將樣品自然風干,剔除樣品中的植物殘體后,用精度為0.001 g的電子天平稱取100 g樣品以備篩析．根據(jù)Udden-Wentworth粒級及Φ值分類標準[18],將顆粒粒級劃分為礫石(64～2 mm;-6～-1Φ)、極粗砂(2～1 mm;-1～0Φ)、粗砂(1-0.5 mm;0～1Φ)、中砂(0.5-0.25 mm;1～2Φ)、細砂(0.25-0.125 mm;2～3Φ)、極細砂(0.125-0.063 mm;3～4Φ)和粉砂黏土(<0.063 mm;>4Φ),并據(jù)粒級劃分節(jié)點挑選相應的粒度篩,挑選符合1/2Φ間隔的粒度篩．用電動振篩機進行篩析,每組樣品篩析時間設定為10 min,最后稱取各級別粒度篩上的沙物質(zhì)重量并記錄．

2.3計算方法

粒度參數(shù)計算方法種類較多,許多學者對此進行過對比研究[19-20]．本文采用Folk-Ward[18]提出的圖解法計算相關粒度參數(shù),其計算公式為:

平均粒徑(Mean size)

分選系數(shù)(Sorling)

偏度(Skewness)

峰度(Kurtosis)

式中,Φ5，Φ16，Φ25，Φ50，Φ75，Φ84，Φ95分別表示累計頻率為5%，16%，25%，50%，75%，84%，95%時的Φ值粒徑．

3結(jié)果與討論

3.1粒度組成特征

兩種植物沙障(白刺、沙拐棗)、尼龍網(wǎng)格沙障截獲的沙物質(zhì)以及流動沙丘、丘間地的沙物質(zhì)顆粒機械組成見圖2．可以看出,三種沙障攔截的沙物質(zhì)均集中在中砂、細砂和極細砂三個粒級組分,三個組分的合計含量均在90%以上．其中:流動沙丘的粒度組成以中砂、細砂和極細砂為主,三者含量高達98.70%;丘間地的粒度組成以礫石和極細砂兩個組分為主,含量分別為19.04%和41.71%;而粉砂黏土組分在各樣品中所占比例較小,含量均在5%以下．從粒度組分及變化上看,相對于流動沙丘而言,植物沙障攔截的沙物質(zhì),其粒度組分的極細砂和粉砂黏土含量明顯增加,有利于沙生植物的生長和流動沙丘向半固定或固定沙丘演變;尼龍網(wǎng)格沙障攔截的沙物質(zhì),其粒度組分是細砂、極細砂和粉砂黏土含量反而減少,中砂及其以上的組分含量有所增加．比較三種沙障攔截沙物質(zhì)的粒度組成可以發(fā)現(xiàn),三種沙障所攔截的沙物質(zhì)均不含或極少含礫石、極粗砂和粗砂組分(<1Φ),顆粒組分主要集聚在中砂、細砂和極細砂的范圍內(nèi)(1～4Φ),該粒級范圍的含量均在90%以上,粉砂黏土(>4Φ)組分含量均較少,說明在當?shù)氐钠鹕筹L力條件下,<1Φ的地表沙物質(zhì)不易被搬運,1～4Φ的沙物質(zhì)在搬運過程中最容易被沙障阻擋,>4Φ的細顆粒則容易被遠距離搬運帶走．

圖2　不同采樣點地表沙物質(zhì)粒級組成

已有的研究表明,形成風沙流的沙丘沙主體粒徑區(qū)間為2～3Φ(0.25～0.125 mm)[21],容易形成風沙危害的粒徑區(qū)間為1.32～4Φ(0.4～0.063 mm)[22]．本文所采集的流動沙丘沙樣的粒級主要為1～4Φ(0.5～0.063 mm),占總量的98.70%,包含了以上兩個粒級區(qū)間．為進一步揭示三種沙障攔截的沙物質(zhì)的粒度差異性,對沙障外的流沙和沙障內(nèi)的沉積物的粒度組成特征進行了分析,運用Origin8.0軟件繪制出粒度的頻率累計曲線,并標識出容易形成風沙危害的粒級區(qū)域1.32～4Φ(圖3)．由圖3可知,在1.32～4Φ區(qū)間內(nèi),4條粒度累積曲線存在差異,白刺沙障攔截沙物質(zhì)的累積曲線位于最右側(cè),在該粒級區(qū)間內(nèi)的斜率最大,不僅反映其粒度組分最細,也說明白刺沙障攔截的沙物質(zhì)在該粒徑區(qū)間內(nèi)分布的最多,含量高達98%;沙拐棗攔截沙物質(zhì)的累積曲線較白刺沙障稍靠左,表明其攔截易產(chǎn)生風沙危害的粒徑區(qū)間的能力稍弱于白刺沙障,但含量為93%;尼龍網(wǎng)格沙障攔截沙物質(zhì)的累積曲線位于最左側(cè),在該粒徑區(qū)間內(nèi)其斜率最小,說明粒度組分最粗,攔截1.32～4Φ區(qū)間的沙物質(zhì)相對較少,含量為70%;流動沙丘的沙物質(zhì)累積曲線位于尼龍網(wǎng)格沙障右側(cè),說明尼龍網(wǎng)格沙障所攔截的沙物質(zhì)較流動沙丘砂物質(zhì)粗．這與前人[23-25]的相關研究成果不一致,其原因可能是采樣位置距沙障內(nèi)部邊緣較近,處于風沙流通過沙障系統(tǒng)的前沿部位,粗顆粒沙物質(zhì)最先在此堆積形成沙丘并不斷加積增高,使得沙障外圍的粗顆粒沙物質(zhì)以推移或跳躍方式進入沙障內(nèi)部;而尼龍網(wǎng)格沙障的邊緣靠近丘間地,所以丘間地中的粗顆粒物質(zhì)也可能通過推移、躍移等方式進入沙障內(nèi)沉積,其結(jié)果為尼龍網(wǎng)格沙障內(nèi)部的沙物質(zhì)要粗于流動沙丘的沙物質(zhì)．

圖3　不同沙障沙物質(zhì)和流動沙丘砂的頻率累積曲線

3.2粒度參數(shù)特征

沉積物的粒度參數(shù)是描述沉積物粒度分布特征的基本統(tǒng)計量[26],通常粒度參數(shù)主要包括平均粒徑(Mz)、分選系數(shù)(σI)、偏度(SK1)和峰度(KG)．平均粒徑反映了沉積物粒度分布的集中趨勢,分選系數(shù)反映沉積物顆粒組成的均一程度,偏度可判別粒度曲線分布的對稱性,而峰度能衡量粒度分布的中部和尾部的展形之比．根據(jù)Folk-Ward的圖解公式計算出各粒度參數(shù)(表1),并據(jù)其粒度參數(shù)分級標準進行級別劃分(圖4)．

表1　各樣點地表沉積物粒度參數(shù)

圖4　各樣點沉積物的粒度參數(shù)級別

從表1和圖4中可以看出,白刺沙障所攔截的沙物質(zhì)其平均粒徑為3.20Φ,屬于極細砂組分,分選性較好,偏度為-0.67,屬于極負偏,表現(xiàn)為窄峰態(tài);沙拐棗沙障所攔截的沙物質(zhì)其平均粒徑為2.98Φ,屬于細沙組分,分選性較好,偏度為-0.78,屬于極負偏,峰態(tài)表現(xiàn)為非常窄．兩種植物沙障所攔截的沙物質(zhì)其粒度特征具有相似性,但由于沙拐棗沙堆的高度僅20 cm左右,丘間地粗顆粒物質(zhì)仍可通過推移或者躍移的搬運方式在沙堆上沉積,所以沙拐棗所攔截的沙物質(zhì)粒度要稍粗于白刺沙障,在粒度頻率曲線上也表現(xiàn)這一特點．另外,兩種植物沙障所截攔的沙物質(zhì)顆粒在粒徑上存在的差異,還與植株的形態(tài)、蓋度和疏透度等因素有關．對尼龍網(wǎng)格沙障而言,其所攔截的沙物質(zhì)的平均粒徑為2.29Φ,屬于中砂組分,分選系數(shù)為0.96,屬于分選中等水平,偏度和峰度分別為0.02和2.01,說明粒度分布相對集中,呈近對稱分布狀態(tài)．

為進一步揭示沙障所截獲的沙物質(zhì)的粒度特征,對沙障外圍的對照樣地——流動沙丘和丘間地的沙物質(zhì)進行了分析,其粒度參數(shù)差別較大;流動沙丘的平均粒徑為2.63Φ,分選性較好,偏度與其他風成沙丘沙偏度一致,屬于正偏,峰態(tài)很窄;丘間地沙物質(zhì)平均粒徑為1.87Φ,分選性較差,具很窄的極負偏峰態(tài)的特點．從粒度組成和粒度參數(shù)特征可以看出,尼龍網(wǎng)格沙障所攔截的沙物質(zhì)顆粒要比兩種植物沙障所截獲的沙物質(zhì)顆粒粗一些,說明植物沙障阻沙效果較好．

地表沉積物的粒度分析對于揭示其物質(zhì)來源具有重要意義．對研究區(qū)不同沙障所截獲的沙物質(zhì)以及流動沙丘和丘間地沙物質(zhì)粒度頻率曲線(圖5)分析,可反映丘間地和流動沙丘對不同沙障截獲沙物質(zhì)的影響．從圖5中可以看出,白刺和沙拐棗沙障攔截的沙物質(zhì)粒度分布與丘間地沉積物在粒級>2Φ的范圍內(nèi)表現(xiàn)出明顯的一致性,尼龍網(wǎng)格沙障攔截的沙物質(zhì)粒度分布與流動沙丘沉積物在粒級>2Φ的范圍內(nèi)分布也較為一致．據(jù)此,說明在大于2Φ粒級范圍內(nèi)的沙物質(zhì),白刺和沙拐棗沙障攔截的沙物質(zhì)主要來源于具有輸沙通道性質(zhì)的丘間地,這與對灌叢沙丘的研究結(jié)果[27]相一致;尼龍網(wǎng)格沙障由于鋪設在流動沙丘之上,其攔截的沙物質(zhì)主要來源于流動沙丘．

植物沙障(白刺沙障、沙拐棗沙障)所截獲沙物質(zhì)與丘間地沙物質(zhì)相比,沙障攔截的沙物質(zhì)中不含礫石、極粗砂和粗砂組分,且平均粒徑較細,分選性好,趨于細偏程度,峰態(tài)更窄;尼龍網(wǎng)格沙障攔截的沙物質(zhì)相對于流動沙丘沙物質(zhì)而言,所攔截的沙物質(zhì)顆粒其平均粒徑較粗,分選性較差,偏態(tài)更接近對稱,峰態(tài)相對較窄．這進一步說明,在大于2Φ粒級范圍內(nèi),植物沙障所截攔的沙物質(zhì)源自丘間地,而尼龍網(wǎng)格沙障所截攔的沙物質(zhì)源自流動沙丘．

圖5　不同樣點的粒度頻率曲線

4結(jié)語

三種沙障所攔截的沙物質(zhì)其粒度組分和參數(shù)特征具有明顯的差異性．白刺和沙拐棗兩種植物沙障所攔截的沙物質(zhì)粒度特征較為相似,粒度組分主要集中在2～4Φ,特別是3～4Φ粒徑范圍內(nèi),且分選性都較好,偏度均屬于極負偏,且都具有非常窄的峰態(tài);尼龍網(wǎng)格沙障所攔截的沙物質(zhì)粒度特征有別于植物沙障,其攔截的沙物質(zhì)粒度組分雖然也集中在2～4Φ,但主要是在2～3Φ粒徑范圍內(nèi),其分選性較植物沙障差,表現(xiàn)出近對稱的較窄峰態(tài)．

三種沙障對容易形成風沙危害的1.32～4Φ粒徑范圍內(nèi)的沙物質(zhì)具有較好的攔截效果,白刺沙障可攔截98%、沙拐棗沙障可攔截93%,尼龍網(wǎng)格沙障可攔截70%．但綜合粒度組分和參數(shù)特征來看,尼龍網(wǎng)格沙障所攔截的沙物質(zhì)顆粒要比兩種植物沙障所截獲的沙物質(zhì)顆粒粗一些,說明植物沙障阻沙效果較好．

對三種沙障所攔截的大于2Φ粒徑范圍的沙物質(zhì)分析,表明植物沙障和尼龍網(wǎng)格沙障攔截的沙物質(zhì)具有不同的物質(zhì)來源,白刺沙障和沙拐棗沙障攔截的沙物質(zhì)主要來源于具有輸沙通道的丘間地,而尼龍網(wǎng)格沙障攔截的沙物質(zhì)主要來源于流動沙丘．

無論是植物沙障還是機械沙障,其阻沙措施最主要是增加地表粗糙度、降低風速,很顯然粗糙度是影響阻沙效果的重要因素．白刺和沙拐棗枝條密集,增大了風沙流運行路徑的粗糙度,氣流的疏透性較差,并使氣流運行的速度發(fā)生變化,風的搬運能力降低,風沙流中的沙物質(zhì)被植被截留并沉積;而尼龍網(wǎng)格沙障表面相對光滑,孔隙度小且容易變形,導致其疏透性較差,地表粗糙度相對較小,對風沙的消減作用不及植物沙障．因此,對不同類型沙障阻沙效應的研究在選擇防風固沙措施上具有參考意義．

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Comparative Analysis of Grain Size of Different Sand Barriers in Desert-Oasis Ecotone in Shajingzi Area of Minqin County

LIANG Aimin1, MA Jie1, ZHANG Jin1, MA Yijuan1, SU Zhizhu2

(1.College of Geography Science,Taiyuan Normal University,Jinzhong 030619;2.Historical Culture School,Shanxi University,Taiyuan 030006, China)

〔Abstract〕Samples were collected from the sand intercepted by different sand barriers including nylon net sand barriers,nitratia tangutorum sand barriers and Calligonum junceum sand barriers in the area of Shajingzi in Minqin. Analyzing the grain size of sediments and compared with the mobile dunes and interdune sediments,this paper discussed the features of grain size of sediments intercepted by different sand barriers. Results showed that the features of grain size of sand intercepted by two plant sand barriers were similar. They mainly intercepted fine sand and very fine sand and could intercept 90% of the sand (1.32 ～4Φ) that could lead to sandstorm. The sand intercepted by nylon net sand barriers intercepting 70% of the sand (1.32～4Φ) tended to be coarser. In terms of the features of grain size of the intercepted sand,plant barriers were more effective than nylon net sand barriers. In addition,the sand intercepted by plant sand barriers mainly came from interdune lands,while the sand intercepted by nylon net sand barriers was mainly from mobile dunes.

〔Key words〕desert-oasis ecotone; sand-protecting barrier;grain-size analysis; Minqin county

*收稿日期：2015-09-17

基金項目：國家科技基礎性工作專項(編號:2012 FY111700)資助.

作者簡介：梁愛民(1991-),男,湖北宜昌人,太原師范學院地理科學學院在讀碩士研究生,主要從事干旱區(qū)地貌與環(huán)境變化研究.

〔文章編號〕1672-2027(2016)01-0087-06〔中圖分類號〕K903

〔文獻標識碼〕A