新疆策勒不同類(lèi)型流動(dòng)和半流動(dòng)沙丘運(yùn)移規(guī)律

毛東雷, 雷加強(qiáng), 周 杰, 薛 杰, 王 翠, 再努拉·熱和木吐拉

(1.新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院， 新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830054; 2.中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所, 烏魯木齊 830011;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京100049; 4.新疆策勒荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀(guān)測(cè)研究站, 新疆 策勒 848300)

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新疆策勒不同類(lèi)型流動(dòng)和半流動(dòng)沙丘運(yùn)移規(guī)律

毛東雷1,2,4, 雷加強(qiáng)2,4, 周 杰2,3,4, 薛 杰2,3,4, 王 翠2,3,4, 再努拉·熱和木吐拉2,3,4

(1.新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院， 新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830054; 2.中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所, 烏魯木齊 830011;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京100049; 4.新疆策勒荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀(guān)測(cè)研究站, 新疆 策勒 848300)

通過(guò)對(duì)新疆策勒流動(dòng)沙丘地、半流動(dòng)沙丘地、礫質(zhì)戈壁不同類(lèi)型流動(dòng)沙丘進(jìn)行觀(guān)測(cè)，研究了不同下墊面不同類(lèi)型流動(dòng)沙丘年運(yùn)移速度、方向及其規(guī)律，為沙丘運(yùn)移規(guī)律及保護(hù)綠洲生態(tài)安全提供理論依據(jù)。結(jié)果表明：沙漠—綠洲過(guò)渡帶流動(dòng)和半流動(dòng)沙丘年平均前移距離為4.76～12.92 m，半流動(dòng)沙丘比流動(dòng)沙丘前移速度明顯減小，沙丘移動(dòng)方向?yàn)闁|南東(99.82°—115.48°)。礫質(zhì)戈壁2 m高新月形流動(dòng)沙丘年移動(dòng)距離為9.37 m，年移動(dòng)方向?yàn)闁|南東(105.1°)。0.9 m高盾狀沙丘年運(yùn)移距離19.15 m，移動(dòng)方向?yàn)闁|南東(93.77°)，流動(dòng)沙丘移動(dòng)方向與年合成輸沙勢(shì)方向東南東(108°)基本一致，沙丘高度與運(yùn)移速度呈二次函數(shù)反比關(guān)系。如果不采取有效的防沙措施，流動(dòng)沙丘將會(huì)對(duì)策勒綠洲產(chǎn)生潛在的入侵威脅。

流動(dòng)沙丘; 半流動(dòng)沙丘; 運(yùn)移規(guī)律; 策勒

研究風(fēng)沙運(yùn)移規(guī)律是防沙治沙的理論基礎(chǔ)，掌握流動(dòng)沙丘的運(yùn)移規(guī)律可為綠洲農(nóng)田和交通道路防沙治沙提供理論依據(jù)。周興佳等[1]研究指出策勒縣西部1～3 m高流動(dòng)新月形沙丘年前移距離5～18 m，沙丘移動(dòng)距離與沙丘高度存在負(fù)相關(guān)性，策勒縣的沙丘主要向東(東南東)方向移動(dòng)。張鶴年[2-3]、劉銘庭[4]等研究指出策勒適宜采取綜合防沙措施，通過(guò)封育、造林、引洪灌溉在綠洲外圍建立植物固沙帶。譚芳等[5]研究了古爾班通古特沙漠風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律及防沙措施。凌裕泉等[6]指出新月形沙丘形成過(guò)程始于風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的“波粒二重性”，并經(jīng)歷沙物質(zhì)積累和形體塑造兩個(gè)發(fā)育階段。李蘭曉[7]、姚洪林[8]等研究了流動(dòng)沙丘的風(fēng)蝕積沙規(guī)律，選擇抗逆性強(qiáng)的樹(shù)種和先進(jìn)造林方法可治理風(fēng)蝕沙地。李生宇等[9]研究了草方格固沙帶對(duì)壟間新月形沙丘形態(tài)和移動(dòng)的影響。朱震達(dá)等[10]指出沙丘移動(dòng)速度大小的因素很復(fù)雜，包括風(fēng)向、風(fēng)速、氣流中的含沙量、沙粒機(jī)械組成、植被覆蓋程度、沙子濕潤(rùn)狀況和沙丘本身形態(tài)規(guī)模等。本文以策勒沙漠—綠洲過(guò)渡帶和策勒河下游干河床礫質(zhì)戈壁流動(dòng)和半流動(dòng)沙丘為研究對(duì)象，研究不同類(lèi)型流動(dòng)沙丘年運(yùn)移規(guī)律，為策勒流沙的防治和為防止綠洲農(nóng)田遭受風(fēng)沙危害提供理論依據(jù)和科學(xué)支撐，具有一定的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

1　研究區(qū)概況

策勒縣位于新疆塔克拉瑪干沙漠南緣與昆侖山北麓之間，地理位置為80°03′24″—82°10′34″E，35°l7′55″—39°30′00″N，屬典型內(nèi)陸暖溫帶荒漠氣候，夏季炎熱，干旱少雨，晝夜溫差大，極端最高氣溫41.9℃，極端最低氣溫-23.9℃。多年平均降水量為35.1 mm，年潛在蒸發(fā)量2 600 mm。由于地處塔里木盆地兩大主導(dǎo)風(fēng)向(NW，NE)的下風(fēng)區(qū)域，風(fēng)沙災(zāi)害頻繁，多年平均沙塵日數(shù)25.2 d，最多年高達(dá)59 d，每年8級(jí)以上大風(fēng)3～9次[11]。在歷史上策勒縣城曾3次因風(fēng)沙埋沒(méi)而被迫遷移，風(fēng)沙災(zāi)害天氣嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。研究區(qū)風(fēng)向以WNW，W風(fēng)為主，頻率占62.43%～76.25%，NW風(fēng)次之，頻率占17.75%[12]；策勒綠洲區(qū)流動(dòng)沙丘沙粒度平均值以極細(xì)沙為主，其中極細(xì)沙含量多在70%左右，粉沙含量20%，細(xì)沙含量較低[13]。在策勒西北方向分布大面積沙漠—綠洲過(guò)渡帶，流沙前沿分布密集的流動(dòng)沙丘，半流動(dòng)沙丘地分布稀疏的半流動(dòng)沙丘。策勒河下游礫質(zhì)戈壁灘分布大面積的高大沙山沙壟和分散的新月形、雛形新月形、盾狀和餅狀流動(dòng)沙丘。

2　野外試驗(yàn)設(shè)計(jì)及研究方法

2011年11月初在策勒沙漠—綠洲過(guò)渡帶流沙前沿選取3個(gè)形態(tài)和高度、大小不同的流動(dòng)沙丘，用全站儀測(cè)定地形并用木樁對(duì)測(cè)站點(diǎn)等進(jìn)行標(biāo)記，在半流動(dòng)沙丘地選取2個(gè)半流動(dòng)沙丘用全站儀測(cè)定地形，2012年11月再次測(cè)定上述3個(gè)流動(dòng)和2個(gè)半流動(dòng)沙丘地形。2012年12月在策勒河下游礫質(zhì)戈壁灘上選取2個(gè)獨(dú)立的不同形態(tài)的流動(dòng)沙丘進(jìn)行地形測(cè)量，在2013年12月再次進(jìn)行定位測(cè)量，分析不同類(lèi)型流動(dòng)和半流動(dòng)沙丘在1年內(nèi)運(yùn)移規(guī)律。沙丘運(yùn)動(dòng)的距離和方向是根據(jù)在同一坐標(biāo)內(nèi)沙丘最高點(diǎn)或沙舌前沿東西橫坐標(biāo)和南北縱坐標(biāo)上距離變化，用三角勾股定理和反正切函數(shù)計(jì)算得到。所有沙丘數(shù)據(jù)采用Surfer 8.0，Origin 8.0軟件分析并制圖。

3　結(jié)果與分析

3.1沙漠-綠洲過(guò)渡帶流動(dòng)沙丘和半流動(dòng)沙丘運(yùn)移規(guī)律

1號(hào)新月形流動(dòng)沙丘在1年內(nèi)前移了11.63 m，沙丘頂部高度為2.5～2.7 m，落沙坡坡面變陡窄，沙丘頂部最高處高度變化不明顯，約為2.6 m，1年內(nèi)僅減少了0.086 m(圖1)，沙丘的東南翼變得更加明顯和發(fā)育，長(zhǎng)度明顯增加。沙丘年移動(dòng)方向?yàn)?15.48°，自西北向東南方向運(yùn)動(dòng)，與計(jì)算的本地年合成輸沙勢(shì)方向108°基本一致[14]，由于受地形及周邊流動(dòng)沙丘的影響整體略向南偏移一點(diǎn)。

2號(hào)流動(dòng)沙丘(縱向沙壟)1年內(nèi)的形態(tài)變化是由寬變窄，沙丘前緣落沙坡變陡，沙丘兩側(cè)落沙坡坡度也變陡(圖2)，沙丘前緣頂部的積沙面積有所減小，沙丘的頂端最高處高度增加了1.7 cm，沙丘總體高度變化不大，沙丘頂部最高點(diǎn)高度保持在1.75 m左右。沙丘1年內(nèi)前移距離為12.92 m，由于受旁邊其他流動(dòng)沙丘的影響，年移動(dòng)方向?yàn)镋SE，自西北向東南方向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)移方向?yàn)?9.82°。

3號(hào)流動(dòng)沙丘1年內(nèi)的形態(tài)變化是沙丘前緣變高變窄(圖3)，沙丘后部變矮變窄，沙丘西南側(cè)落沙坡仍較陡，沙丘前緣頂部高度增加3 cm，沙丘1年內(nèi)前移了4.76 m。沙丘移動(dòng)方向自WS方向向NE方向。由于此沙丘位于一個(gè)較長(zhǎng)的縱向沙壟前緣，不是一個(gè)獨(dú)立的流動(dòng)沙丘，雖然沙丘高度不大但整體前移速度明顯小于臨近高度較大的獨(dú)立的流動(dòng)沙丘2。

沙漠—綠洲過(guò)渡帶半流動(dòng)沙丘1在1年內(nèi)形態(tài)變化表現(xiàn)為沙丘前緣似餅狀沙丘變陡(圖4)，餅狀沙丘后緣的高大流動(dòng)沙丘形態(tài)變化不大，沙丘1年內(nèi)前移6.32 m，沙丘丘頂高度增加了0.732 m，運(yùn)動(dòng)方向自WN方向向SE方向，與年合成輸沙勢(shì)方向基本一致，沙丘年運(yùn)移方向?yàn)?02.79°。

沙漠—綠洲過(guò)渡帶半流動(dòng)沙丘2是靠近綠洲最近的半流動(dòng)沙丘，沙丘分為2支，都呈東西向分布，兩支呈縱向沙壟，自東北向西南方向都有一條沙脊線(xiàn)，落沙坡傾角約為50°。2號(hào)半流動(dòng)沙丘在1年內(nèi)前移了7.85 m，沙丘前緣頂端沙丘高度增加了1 cm，沙丘高度維持在35 cm左右，變化很小(圖5)，沙丘形態(tài)總體變化不大，沙丘東北緣落沙坡仍較陡。沙丘1年內(nèi)移動(dòng)方向自WN向SE，年前移方向?yàn)?12.73°，與當(dāng)?shù)氐哪旰铣奢斏硠?shì)方向基本一致。由于此流動(dòng)沙丘形態(tài)的不規(guī)則性和受周邊檉柳灌叢沙堆及地表植被蓋度較大的影響，半流動(dòng)沙丘的前移速度明顯減慢。

圖11號(hào)流動(dòng)沙丘地形及1年內(nèi)變化

獨(dú)立的流動(dòng)沙丘高度越矮，其1年內(nèi)前移的速度也就越快，高度越高，其前移的速度就會(huì)變慢，縱向沙壟長(zhǎng)度較長(zhǎng)，一般高度小，其年前移速度明顯減慢，這是由于縱向沙隴后部的沙丘對(duì)流場(chǎng)的影響，隨著地表植被蓋度的增加，半流動(dòng)沙丘的前移速度也明顯減慢，低矮半流動(dòng)沙丘年前移距離只有6.32 m。

3.2策勒河下游礫質(zhì)戈壁流動(dòng)沙丘運(yùn)移規(guī)律

對(duì)2 m高的新月形流動(dòng)沙丘進(jìn)行觀(guān)測(cè)，可以看出(圖6)，在1年內(nèi)新月形沙丘自西北向東南方向前移了9.37 m，沙丘的高度和形態(tài)未發(fā)生明顯變化，沙丘頂部變得稍平緩，沙丘的東南翼相對(duì)比較發(fā)達(dá)，東北翼變化不明顯，這主要受到西北主風(fēng)向的影響。沙丘年移動(dòng)方向?yàn)?05.1°，與流動(dòng)沙丘地年合成輸沙勢(shì)方向基本一致。

圖22號(hào)流動(dòng)沙丘地形及1年內(nèi)變化

圖3流動(dòng)沙丘3地形及1年內(nèi)變化

高0.9 m左右的盾狀流動(dòng)沙丘在1年內(nèi)移動(dòng)了19.15 m，移動(dòng)方向?yàn)閺奈鞅毕驏|南，沙丘頂部高度增加0.05 m，沙丘的長(zhǎng)度有所變長(zhǎng)，沙丘整體形態(tài)變化不大(圖7)。沙丘年移動(dòng)方向?yàn)?3.77°，沙丘運(yùn)動(dòng)方向向正東方向偏移，因?yàn)樵诙軤钌城鸬奈鞅狈较蜻€有一條開(kāi)始相連接的片狀沙丘。

圖4半流動(dòng)沙丘1地形及1年內(nèi)變化

圖5半流動(dòng)沙丘2地形及1年內(nèi)變化

圖6策勒河下游新月形沙丘1年內(nèi)運(yùn)移變化

圖7策勒河下游盾狀沙丘1年內(nèi)運(yùn)移變化

選擇不同高度的幾個(gè)獨(dú)立流動(dòng)沙丘，擬合沙丘高度與年運(yùn)移距離的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)流動(dòng)沙丘的高度與年運(yùn)移距離符合多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系(圖8)，R2為0.79，擬合程度較好，表明流動(dòng)沙丘高度越矮，其運(yùn)移速度越快。如果不采取有效的防沙措施，流動(dòng)沙丘的快速運(yùn)移將會(huì)對(duì)策勒綠洲形成潛在的入侵威脅。

圖8獨(dú)立流動(dòng)沙丘高度與運(yùn)移距離擬合關(guān)系

4　討論與結(jié)論

4.1討 論

朱震達(dá)等[15]指出策勒綠洲西南沙丘年前移值為5～10 m，屬于快速類(lèi)型。本研究觀(guān)測(cè)的有部分流動(dòng)沙丘年前移速度超過(guò)10 m，這是由于流動(dòng)沙丘的高度、年平均風(fēng)速大小、起沙風(fēng)向的變異性、流動(dòng)沙丘空間分布密度、流動(dòng)沙丘類(lèi)型等都會(huì)影響到沙丘年運(yùn)移的速度。流動(dòng)沙丘分布密度越大且沙丘間相隔的越近，流動(dòng)沙丘運(yùn)移會(huì)受到鄰近流動(dòng)沙丘的干擾，運(yùn)移速度會(huì)明顯減小，同時(shí)也會(huì)影響到獨(dú)立流動(dòng)沙丘年運(yùn)移的方向(如過(guò)渡帶2號(hào)流動(dòng)沙丘)。策勒當(dāng)?shù)卦岢鲞^(guò)循環(huán)理論，即在靠近綠洲河床的南側(cè)和東側(cè)分別修建攔沙渠，通過(guò)夏季洪水的排放使靠近綠洲的流動(dòng)沙丘進(jìn)入河水中分解，沙物質(zhì)被河水帶入下游，風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)又會(huì)把河床下游的沙物質(zhì)搬運(yùn)到河床的南側(cè)，然后又被防沙渠分解帶到下游，而流動(dòng)沙丘始終進(jìn)入不了綠洲。攔沙河是綜合體系的重要組成部分，發(fā)揮的作用是其他措施不能替代的，是一項(xiàng)既經(jīng)濟(jì)又簡(jiǎn)便的措施[2]。隨著策勒河上游修建水庫(kù)，排放到下游的水量日益減少。同時(shí)，策勒河下游礫質(zhì)戈壁邊緣也開(kāi)始了“圍床造田”活動(dòng)，洪水下放是季節(jié)性的，攔沙河的作用將會(huì)大大降低，只有多引用洪水漫灌到策勒河下游地區(qū)，使地表自然植被得到有效恢復(fù)，同時(shí)合理開(kāi)發(fā)沙漠—綠洲過(guò)渡帶的沙土資源，采取避免盲目墾荒、撂荒甚至大量開(kāi)采地下水等措施才能有效地阻止流動(dòng)沙丘快速前移，否則半流動(dòng)和固定沙丘將會(huì)活化前移，將會(huì)對(duì)綠洲存在潛在的2個(gè)方向的流沙威脅。

4.2結(jié) 論

(1) 沙漠—綠洲過(guò)渡帶流動(dòng)和半流動(dòng)沙丘年平均移動(dòng)距離為4.76～12.92 m，半流動(dòng)沙丘比流動(dòng)沙丘前移速度明顯減小，沙丘移動(dòng)方向?yàn)镋SE(99.82°—115.48°)。

(2) 礫質(zhì)戈壁2 m高新月形流動(dòng)沙丘年移動(dòng)距離為9.37 m，年移動(dòng)方向?yàn)镋SE(105.1°)。0.9 m高盾狀沙丘年移動(dòng)距離19.15 m，移動(dòng)方向?yàn)镋SE(93.77°)。

(3) 流動(dòng)沙丘移動(dòng)方向與年合成輸沙勢(shì)方向108°基本一致。獨(dú)立流動(dòng)沙丘高度與年運(yùn)移距離呈多項(xiàng)式反比函數(shù)關(guān)系，沙丘高度越大其運(yùn)動(dòng)速度越慢，沙丘越矮小其運(yùn)動(dòng)速度也會(huì)越快。

(4) 如果繼續(xù)開(kāi)墾沙漠—綠洲過(guò)渡帶和不采取有效的防沙措施，沙丘快速前移將威脅到綠洲農(nóng)田及交通道路等生態(tài)安全。

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[3]張鶴年.新疆策勒縣流沙治理試驗(yàn)研究[J].干旱區(qū)研究,1988(3):1-8.

[4]劉銘庭.新疆策勒縣綠洲外圍固沙植物帶的建設(shè)[J].中國(guó)沙漠,1994,14(2):75-77.

[5]譚芳,張巖,郭擎宇.古爾班通古特沙漠風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律及防沙治沙研究[J].科學(xué)中國(guó)人,2003(4):55-57.

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Movement Rules of Different Shifting Sand Dunes and Semi-Shifting Dunes in Cele, Xinjiang Uygur Autonomous Region

MAO Donglei1,2,4, LEI Jiaqiang2,4, ZHOU Jie2,3,4, XUE Jie2,3,4,WANG Cui2,3,4, Zainula·Rehemutula2,3,4

(1.XinjiangLaboratoryofLakeEnvironmentandResourcesinAridZone，CollegeofGeographicalScienceandTourism,XinjiangNormalUniversity,Urumqi830054,China; 2.XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China; 3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China; 4.CeleNationalStationofObservationandResearchforDesert-GrasslandEcosysteminXinjiang,Cele,Xinjiang848300,China)

Through field observation of shifting sand dunes on surfaces of shifting sandy land, semi-shifting sandy land and gravel Gobi desert, we investigated the migration velocity, direction and regularity of shifting sand dunes and semi-shifting sand dunes in different landscape types within a year in order to provide the theory basis for dune migration law and protection of oasis ecosystem. The results showed that annual migration distances of shifting and semi-shifting sand dunes on Cele oasis-desert ecotone were between 4.76 m and 12.92 m, the migration speeds of semi-shifting dunes decreased significantly compared with the shifting sand dunes. Moving direction of sand dunes was ESE (99.82°—115.48°). Annual migration distance of crescent dune on Gravel Gobi desert with 2 m high was 9.37 m, the moving direction was ESE (105.1°). The annual migration distance of shield dune with 0.9 m high was 19.15 m, the moving direction was ESE (93.77°), and the movement direction of shifting sand dunes was primarily in accord with resultant sand transporting potential direction for ESE (108°) within a year. Dune height and migration velocity followed the polynomial function inversely proportional relationship. If the effective prevention measures are not taken, shifting sand dunes will pose potential invasion threat to Cele oasis.

shifting sand dunes; semi-shifting sand dunes; migration rule; Cele

2015-04-21

2015-05-27

新疆師范大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目“新疆策勒綠洲—沙漠過(guò)渡帶3個(gè)典型下墊面風(fēng)場(chǎng)及輸沙通量特征”(XJNUBS1527)；新疆維吾爾自治區(qū)重大科技專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目子課題“綠洲外圍節(jié)水型生物防護(hù)體系構(gòu)建及可持續(xù)經(jīng)營(yíng)技術(shù)開(kāi)發(fā)與示范”(201130106-1);新疆師范大學(xué)地理學(xué)博士點(diǎn)支撐學(xué)科和新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室課題“新疆策勒河流域下游塔克拉瑪干沙漠南緣風(fēng)沙環(huán)境演變研究”(XJDX0909-2013-08)

毛東雷(1975—),男,新疆石河子人,博士,講師,主要從事風(fēng)沙地貌及荒漠化防治研究。E-mail:donglei6325@sina.com

雷加強(qiáng)(1961—),男,陜西高陵人,博士,研究員,主要從事荒漠化防治及風(fēng)沙物理研究。E-mail:desert@ms.xjb.ac.cn

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