新疆策勒綠洲—沙漠過渡帶風沙運動沙塵物質(zhì)粒徑分形特征*

毛東雷 蔡富艷 方登先 雷加強 來風兵 薛 杰 王雪梅

（1 新疆師范大學地理科學與旅游學院/新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點實驗室，烏魯木齊 830054）

（2 中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊 830011）

（3 新疆策勒荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，新疆策勒 848300）

（4 烏魯木齊職業(yè)大學應(yīng)用工程學院，烏魯木齊 830002）

1977年法國學者Mandelbrot［1］首次提出了分形理論，至今已廣泛應(yīng)用于諸多研究領(lǐng)域。土壤在結(jié)構(gòu)性狀上表現(xiàn)的自相似性，被認為是一種具有分形特征的分散多孔介質(zhì)［2-4］，土壤粒徑的分形維數(shù)能反映土壤粒徑大小及質(zhì)地均勻程度等特性［5］。在沙漠化研究領(lǐng)域，趙永平和王一謀［6］研究了分形理論在沙漠化定量研究中的前景。徐建華等［7-8］以黑河流域為例分析了西北干旱區(qū)風沙地貌的分形幾何實體以及沙丘分形特征，其分維值體現(xiàn)了風沙地貌的自相似規(guī)律。屈建軍等［9］分析了巴丹吉林沙漠高大沙山典型區(qū)風沙地貌的分形特性。蘇永中和趙哈林［10］分析了科爾沁沙地農(nóng)田沙漠化演變中土壤顆粒分形特征。研究［11-14］表明，黏粒含量越高，質(zhì)地越細，分形維數(shù)越高，分形特征因風蝕強度和植被覆蓋度不同而發(fā)生規(guī)律性改變。由于不同區(qū)域環(huán)境沙源沉積物不同，各地沙物質(zhì)粒度組成及特征也存在很大差別。

新疆策勒—綠洲沙漠過渡帶一直是研究的熱點地區(qū)，有關(guān)其地表沙物質(zhì)粒徑及其分布方面也展開了一定的研究［15-19］，沿主風向從流沙地至固定沙地，地表沙物質(zhì)平均粒徑有逐漸細化的趨勢，但關(guān)于粒徑分形特征的報道甚少。因此，本文著重研究該地區(qū)風沙運動沙塵物質(zhì)粒度和分形特征的差異，旨在為進一步防治該地區(qū)荒漠化和完善綠洲—沙漠過渡帶風沙活動規(guī)律等提供理論依據(jù)和科學支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

策勒縣位于80°03′24″E～82°10′34″E和35°17′55″N～39°30′00″N，南部為昆侖山區(qū)，北部為沙丘接塔克拉瑪干流動沙漠，地勢上南高北低。本區(qū)氣候干旱，降水少，年均降水量僅35.1 mm，干燥度為20.8，屬典型的極端干旱型溫帶大陸性氣候。日照時間長，晝夜溫差大，最高溫度達41.9 ℃，最低氣溫至-23.9 ℃，每年平均沙塵天氣25.2 d，最多年高達59 d，8級以上大風40 d［20］。風沙災(zāi)害頻發(fā)，以西風為主［21］。自然植被主要為疏葉駱駝刺（Alhagi sparsifolia）、花花柴（Karelinia caspica）和多枝檉柳（Tamarix ramosissima），土壤以棕漠土（正常干旱土）和風沙土（砂質(zhì)新成土）為主，物質(zhì)組成主要為極細砂和粉砂，質(zhì)地輕，粒徑細，易形成風沙流。

1.2 野外調(diào)查采樣設(shè)計

沿主風向，在策勒綠洲—沙漠過渡帶流沙前緣至綠洲邊緣依次布置3個觀測點，分別代表流沙地（No.1）、半固定沙地（No.2）和固定沙地（No.3），植被覆蓋度分別為3%、27%和67%。流沙地植被主要有稀疏檉柳及鹽生草，半固定沙地植被主要有檉柳、花花柴、駱駝刺混生群落，固定沙地植被主要為駱駝刺群落。沿策勒沙漠—綠洲過渡帶天然植被蓋度發(fā)生明顯變化的地方（約每隔200 m）依次選取15個檉柳灌叢沙堆頂部（G3）和9個駱駝刺、花花柴灌叢沙堆頂部（G3）及迎風坡坡底（G1）、坡中（G2）、背風坡坡中（G4）、坡底（G5）采集表面1 cm深度沙樣，共采集沙樣60個。在3個觀測點分別安裝1個BSNE（Big spring number eight）集沙儀和1個20 cm高度的單方位梯度集沙儀，每個BSNE集沙儀安裝離地表10、20、30、50、100和200 cm高度的集沙盒，單方位階梯式集沙儀每1 cm高度采集一個近地表輸沙沙樣，輸沙口寬分別為2 cm和1 cm，共獲取輸沙物質(zhì)97個（圖1左）。自流沙前緣沿主風向至半固定沙地（約每隔200 m）依次選取14個流動和半流動沙丘（主要為新月形沙丘和沙壟）采取沙丘頂部（H3）表面沙樣，同時，另外隨機選取3個灌叢沙堆上風向回渦沙丘，采集表面迎風坡底部（H1）、中部（H2）、頂部（H3）、側(cè)翼（H4、H5）沙樣（圖1右），共采集29個沙樣，沿沙漠—綠洲過渡帶植被蓋度明顯發(fā)生變化的裸平沙地采集表面1 cm沙樣31個。在No.1、No.2和No.3觀測點及綠洲內(nèi)部分別安裝0.5 m、1 m和3 m三層高度的降塵桶，用干降法同步采集風沙天氣過后的大氣降塵物，共采集大氣降塵樣21個。除輸沙沙樣和大氣降塵樣外，其余采樣樣品重量均為200 g，所有沙樣進行篩選、去除雜質(zhì)后用精度0.001 g的天平稱重，然后用激光粒度儀（Mastersize2000，馬爾文儀器公司，英國）進行測試分析，計算各沙塵樣粒級組成的體積百分含量。

圖1 策勒綠洲-沙漠過渡帶區(qū)位圖及灌叢沙堆及回渦沙丘取樣點Fig. 1 Geographic location map of the Cele oasis-desert ecotone and distribution of sampling sites of nebkhas and echo dunes

1.3 沙粒的粒徑分級與統(tǒng)計分析參數(shù)

采集沙塵樣用0.001 g標準天平稱重，在實驗室進行粒度分析，根據(jù)?？?沃德公式和定義［22］用GRADISTAT粒度分析軟件得到各粒度參數(shù)，粒度分級采用Udden-Wentworth分類［23-24］：黏土，0～2 μm；粉砂，2～63 μm（細分為極細粉砂，2～4 μm；細粉砂，4～8 μm；中粉砂，8～16 μm；粗粉砂，16～31μm；極粗粉砂，31～63 μm）；砂，63～1 000 μm（細分為極細砂，63～125 μm；細砂，125～250 μm；中砂，250～500 μm；粗砂，500～1 000 μm）。

分形維數(shù)應(yīng)用楊金玲等［25］、王國梁等［26］、Tyler和Wheatcraft［27］提出的關(guān)系式：

式中，R為兩篩分粒級Rx與Rx+1間粒徑的平均值，Rmax為最大粒級土粒的粒徑，V（r＜Rx）為粒徑小于Rx的顆粒累積體積，VT為土壤各粒級體積的總和。由式（1）分別以lgV（r＜R/VT）和lg（R/Rmax）為縱坐標和橫坐標，得出線性擬合方程的斜率值為3-D，D為沙物質(zhì)的分形維數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與制圖

所有數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2013、IBM Statistics SPSS 17.0、Origin 9.0軟件分析并繪制相關(guān)圖表。

2 結(jié) 果

2.1 不同運動形式沙塵物質(zhì)粒級組成

圖2 風沙運動沙塵物質(zhì)粒級百分含量Fig. 2 Particle size fractions and their percentages of the materials in aeolian sand and dust movement

在灌叢沙堆、流動沙丘、裸平沙地表面和地表輸沙物質(zhì)、大氣降塵沙塵物質(zhì)中，極細砂和極粗粉砂粒級所占的比例最大（圖2），分別介于8.08%～58.47%和17.85%～34.29%之間，其次是細砂，介于0.006%～21.62%之間；其他粒級所占的百分比均較少，合計介于2.06%～5.09%，但大氣降塵物中其余粒級含量明顯偏高，合計為53.93%。灌叢沙堆表面沙物質(zhì)黏土含量最高，占到0.36%，其余四種沙塵物質(zhì)黏土含量較低，不足0.26%。灌叢沙堆表面粉砂含量約占36.66%，其中極粗粉砂偏多，砂含量最大為62.96%，主要為極細砂。流動沙丘沙粒黏土含量最低，粉砂含量較灌叢沙堆少，僅為18.35%，大多為砂且極細砂和細砂比例分別為58.46%和21.61%。裸平沙地地表粉砂含量高于流動沙丘表面，約占26.46%，砂含量占73.31%，最多的為極細砂。地表輸沙物質(zhì)粉砂和砂含量分別為36.62%和62.72%，極粗粉砂和極細粉砂偏多。大氣降塵細粉砂比例相對其他四類沙物質(zhì)明顯偏高，其粗粉砂和極粗粉砂分別占35.89%和34.29%，細砂含量所占比例最小，為0.006%。

2.2 五種沙塵物質(zhì)分形維數(shù)特征及標準偏差

策勒綠洲—沙漠過渡帶風沙運動的沙塵物質(zhì)的粒徑分形維數(shù)介于0.25～2.25，五種類型沙塵物質(zhì)平均分維值介于1.03～1.67，標準偏差介于0.25～0.73（圖3），分形維數(shù)平均值由大到小依次為灌叢沙堆（1.67）＞大氣降塵（1.64）＞裸平沙地（1.39）＞地表輸沙物質(zhì)（1.35）＞流動沙丘（1.03），而標準偏差值大小與之相反，依次為灌叢沙堆（0.256）＜大氣降塵（0.358）＜裸平沙地（0.364）＜地表輸沙物質(zhì)（0.505）＜流動沙丘（0.73）。

圖3 風沙運動五種沙塵物質(zhì)分形維數(shù)Fig. 3 Fractal dimensions of the five types of sand and dust materials in aeolian sand and dust movements

土壤分形維數(shù)反映土壤的自我相似性，與沙粒的粒級含量相關(guān)。標準偏差反映沙粒粗細的離散程度，值越大離散程度越大。標準偏差值最大的為流動沙丘表面沙物質(zhì)，最小為灌叢沙堆表面沙物質(zhì)。有研究表明［11］，植被覆蓋度不同會導致土壤的粒度特征變化。植被覆蓋度越小，土壤組成中細顆粒越少，質(zhì)地均一程度越差。用分形維數(shù)D值的大小代表該景觀要素鑲嵌結(jié)構(gòu)的復雜性與穩(wěn)定性［28］。D值越大，則表示該要素的鑲嵌結(jié)構(gòu)越復雜。在復雜性排序中，流動沙丘表面鑲嵌結(jié)構(gòu)最為簡單，即植被稀少，離散程度高，且流動沙丘表面因風力大，其顆粒整體偏粗，故其分形維數(shù)最小。由于風沙流遇到灌叢阻擋作用，使灌叢沙堆沙物質(zhì)在灌叢及其周圍堆積，其黏土含量相對偏多，占比最大的為極細粉砂、極細砂，其變異性小，相似性越大，故其分形維數(shù)最大。風沙地貌形成的物質(zhì)基礎(chǔ)沙粒的粒徑分布具有分形特征，其分維值的大小差異體現(xiàn)了沙物質(zhì)分布的區(qū)域差異性。從沙漠至綠洲方向，地表極細砂和細砂的含量越多［17］，說明隨著地表植被蓋度的增加，風力逐漸消減，由風力搬運、沉積的極粗粉砂和極細砂占比就會增加，分形維數(shù)也逐漸增大。

2.3 不同風沙運動形式沙粒分形維數(shù)與粒度特征的相關(guān)性

灌叢沙堆表面沙物質(zhì)的分形維數(shù)與峰態(tài)值之間的線性擬合程度最好，與平均粒徑的擬合度較弱（圖4）。擬合方程的決定系數(shù)介于0.683～0.348，說明灌叢沙堆表面沙粒分形維數(shù)與粒度特征之間存在相關(guān)性。從流動沙丘沙粒至灌叢沙堆表面沙粒，由于風力搬運、沉積，輸沙量隨之減少，灌叢沙堆表面的沙粒主要為粉砂和砂，其中，極粗粉砂和極細砂含量偏高。隨著植被覆蓋度的增大，植被對風的阻礙作用加強，沙粒的分選性變好，灌叢沙堆表面沙粒自我相似性最高，與沙粒的4個特征指標之間相關(guān)性最顯著。灌叢沙堆表面沙物質(zhì)分形維數(shù)與平均粒徑的擬合程度一般，與分選系數(shù)擬合程度中等，R2=0.595，說明其分形維數(shù)越大，分選性越好，與偏度擬合程度中等偏上，R2=0.655，與峰態(tài)值之間線性擬合程度中等偏上，R2=0.683。由于灌叢沙堆表面沙物質(zhì)從迎風坡底部至頂部由粗變細，又從頂部至背風坡底部由細變粗，不同地貌部位沙粒粒級組成有一定差異，因此，分形維數(shù)與偏度、峰態(tài)值線性擬合程度不顯著。

圖4 灌叢沙堆表面沙物質(zhì)分形維數(shù)與粒度參數(shù)之間擬合直線Fig. 4 Fitting line between fractal dimension and grain size parameters on the surfaces of nebkhas

流動沙丘表面沙物質(zhì)分形維數(shù)與各粒度特征指標之間線性擬合程度均偏低（圖5），相比分形維數(shù)與分選系數(shù)和偏度值之間的擬合程度更差。分選系數(shù)越大，分選性越差，表現(xiàn)出較低的相關(guān)性。由于流沙地和半固定沙地風力大、流沙表面的沙物質(zhì)表現(xiàn)為相對偏粗，分選性為中等至中等偏上。流動沙丘表面沙物質(zhì)平均粒徑以極細砂和細砂為主，從不同部位來看，平均粒徑表現(xiàn)為底部粗于頂部，分選性多數(shù)為頂部分選性好于底部，偏度來看均呈近對稱分布，峰態(tài)呈中等峰態(tài)。

裸平沙地表面沙粒的分形維數(shù)與粒度特征間表現(xiàn)為分形維數(shù)與峰態(tài)值之間線性擬合程度中等，R2為0.571，與平均粒徑、分選系數(shù)、偏度的線性擬合程度較差（圖6）。裸平沙地地表沙粒平均粒徑較輸沙沙粒平均粒徑粗，經(jīng)風力搬運后僅有極細砂容易被風蝕，而中砂不容易遭受風蝕，因此分選性好于近地表輸沙物質(zhì)。峰態(tài)屬中等至窄峰態(tài)，輸沙沙粒多表現(xiàn)為偏粗，粉砂含量中最多的極粗粉砂占24.09%，極細砂含量占57.65%，輸沙沙粒分選性中等，稍差于裸平沙地沙樣的分選性。

地表輸沙物質(zhì)分形維數(shù)與各粒度參數(shù)之間呈一定線性相關(guān)性，但擬合程度均較差（圖7）。大氣降塵物質(zhì)懸移在上層氣流中，偏度表現(xiàn)為細偏，大氣降塵物分維值與偏度值之間呈較好的線性負相關(guān)性（圖8）。圖4至圖8中，不同運動形式沙塵物質(zhì)表現(xiàn)為躍移、蠕移和懸移，其沙粒特征參數(shù)存在明顯差異。灌叢沙堆沙物質(zhì)表面有植被覆蓋，沙物質(zhì)的粒度特征與分形維數(shù)之間線性擬合程度較好，大氣降塵物質(zhì)、裸平沙地、地表輸沙物質(zhì)、流動沙丘土壤分形維數(shù)與粒度特征參數(shù)擬合度依次減弱，部分表現(xiàn)為低弱的線性相關(guān)性。

沙塵物質(zhì)分形維數(shù)與粒級含量的相關(guān)性分析中，灌叢沙堆、流動沙丘、地表輸沙物質(zhì)的黏粒百分含量與分形維數(shù)均呈極顯著正相關(guān)性（p＜0.01）（表1），灌叢沙堆表面砂粒含量與分形維數(shù)呈顯著負相關(guān)性（p＜0.05），裸平沙地表面沙物質(zhì)的粉砂含量與分形維數(shù)呈顯著正相關(guān)性（p＜0.05），地表輸沙物質(zhì)的粉砂、砂含量與分形維數(shù)分別呈極顯著正相關(guān)和負相關(guān)性（p＜0.01）。大氣降塵物的粉砂含量與分形維數(shù)呈顯著負相關(guān)性（p＜0.05）。灌叢沙堆、裸平沙地、地表輸沙物質(zhì)的黏粒、粉砂和砂含量之間均呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性。

圖5 流動沙丘表面沙物質(zhì)分形維數(shù)與粒度參數(shù)之間擬合直線Fig. 5 Fitting line between fractal dimension and grain size parameters on the surfaces of shifting sand dunes

圖7 地表輸沙物質(zhì)分形維數(shù)與粒度參數(shù)之間擬合直線Fig. 7 Fitting line between fractal dimension and grain size parameters of transported sands near ground surface

圖8 大氣降塵物分形維數(shù)特征與粒度參數(shù)之間擬合直線Fig. 8 Fitting line between fractal dimension and parameters of particle size of the materials in dustfall

表1 風沙運動沙塵物質(zhì)分形維數(shù)與粒級組成的相關(guān)性Table 1 Correlation analysis of fractal dimension with grain size composition of aeolian sand and dust materials

3 討 論

已有研究［17］表明，策勒沙漠—綠洲過渡帶的地表沙物質(zhì)機械組成以極細砂和細砂為主。本文研究得出了相似結(jié)果，灌叢沙堆、裸平沙地、流動沙丘表面沙物質(zhì)及地表輸沙物質(zhì)以極粗粉砂和極細砂為主，而大氣降塵沙塵物質(zhì)以粗粉砂和極粗粉砂為主。

已有研究［8］表明，風沙地貌是一個典型的分形幾何體，分維值的大小能體現(xiàn)風沙地貌的自相似規(guī)律。沙粒大小分形維數(shù)和黏粉粒含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與極細砂含量相關(guān)性較強，與砂粒含量呈顯著的負相關(guān)關(guān)系［29-31］。本文研究表明，灌叢沙堆、流動沙丘、地表輸沙物質(zhì)的黏粒百分含量與分形維數(shù)呈顯著正相關(guān)性，而灌叢沙堆與流動沙丘表面沙物質(zhì)的粉砂含量與分形維數(shù)之間無顯著相關(guān)性，大氣降塵物質(zhì)的黏粒和砂含量與分形維數(shù)之間無顯著相關(guān)性。策勒綠洲農(nóng)田開墾利用年限的差異性對土壤粒徑分布產(chǎn)生重要影響，而空間位置不同對農(nóng)田土壤粒徑空間分布影響較?。?2-33］，說明經(jīng)過植被攔截和風力分選過程的綠洲—沙漠過渡帶天然沙塵物質(zhì)粒徑空間分布特征不同于綠洲農(nóng)田土壤，其粒級組成等與分形維數(shù)之間關(guān)系密切，人為活動可以改善風沙土壤粒徑分布屬性的穩(wěn)定性。策勒干旱區(qū)較強的風力作用使得土壤風蝕和堆積過程較為復雜，從流沙前緣至綠洲邊緣地表沙物質(zhì)逐漸細化［17］。灌叢沙堆表面沙物質(zhì)黏粒含量為5種風沙運動沙塵物質(zhì)中最多的，因此其粒徑分維值也最大。一般而言，氣流所含的沙粒距離地表愈高越細，越靠近地表越粗［34］。大氣降塵物的分維值相對大于裸平沙地、流動沙丘和地表輸沙沙物質(zhì)，是由于其運動遠離地表，外加風力作用的搬運，因此，較細的粗粉砂和極粗粉砂含量遠大于其余4種風沙運動形式沙物質(zhì)。對比大氣降塵、裸平沙地、灌叢沙堆等5種不同運動形式的沙塵物質(zhì)分形特征參數(shù)，發(fā)現(xiàn)沙物質(zhì)的粒級含量、流動、半固定和固定沙地的地表形態(tài)、地表風速以及下墊面粗糙度和植被覆蓋度的高低等，均是不同風沙運動沙塵物質(zhì)分形維數(shù)產(chǎn)生差異的原因。綠洲—沙漠過渡帶天然植被能防風固沙、改善風沙土壤粒徑屬性的穩(wěn)定性，因此，采取合理的天然或人工措施有效恢復綠洲—沙漠過渡帶植被覆蓋度，對維護綠洲農(nóng)業(yè)生態(tài)安全至關(guān)重要。

策勒綠洲—沙漠過渡帶風沙運動沙塵物質(zhì)分形維數(shù)空間分布特征可以指示不同沙漠化程度及風沙活動強度空間差異，可以為塔里木盆地南緣綠洲—沙漠過渡帶風沙危害的防治提供理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

新疆策勒綠洲—沙漠過渡帶沙粒粒徑含量表現(xiàn)為極細砂和極粗粉砂所占比例最大，從流沙前緣至綠洲邊緣土壤顆粒逐漸細化，空氣流中距離地表較高的大氣降塵物細粉砂含量相對偏高，粉砂含量占88.02%。風沙運動5種沙塵物質(zhì)粒徑的分形維數(shù)值介于0.25～2.25，平均值大小關(guān)系表現(xiàn)為灌叢沙堆＞大氣降塵＞裸平沙地＞地表輸沙物質(zhì)＞流動沙丘，標準偏差值大小則相反。灌叢沙堆表面沙物質(zhì)的分形維數(shù)與分選系數(shù)、峰態(tài)表現(xiàn)為線性正相關(guān)，與偏度為負相關(guān)；流動沙丘表面沙物質(zhì)分形維數(shù)與粒度指標之間相關(guān)性不顯著。灌叢沙堆表面沙物質(zhì)中黏土含量最高，灌叢沙堆、流動沙丘、地表輸沙物質(zhì)的黏粒含量與分形維數(shù)均呈極顯著正相關(guān)性，大氣降塵物的粉砂含量與分形維數(shù)呈顯著負相關(guān)。流動沙丘表面沙物質(zhì)主要為粉砂和砂，與分維值無顯著相關(guān)性。

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