塔克拉瑪干沙漠和田河西側(cè)胡楊沙堆粒度特征

馬倩雯，來(lái)風(fēng)兵

（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）

粒度是沉積物的主要特征之一，其組成、分布受沉積物來(lái)源、搬運(yùn)條件、沉積環(huán)境、后風(fēng)化作用的影響[1]。1959 年，粒度分析被引入到中國(guó)沙漠的研究中[2]，其在辨識(shí)物源背景、指代沉積環(huán)境、推斷氣候變化等方面具有重要意義，因此常應(yīng)用于各種沉積環(huán)境的比較和鑒別[3-6]。近60 a 來(lái)，專家學(xué)者利用粒度分析方法對(duì)庫(kù)姆塔格[7-8]、毛烏素[9]、塔克拉瑪干[10-14]等沙地的沉積物進(jìn)行了大量研究。

陳渭南、李志忠、賀佳嘉、武勝利、Anderson J L、Wang X M[15-20]等通過(guò)對(duì)粒度特征的4 個(gè)參數(shù)計(jì)算，表征了不同地區(qū)沙丘粒度特征以及表面風(fēng)況。李萬(wàn)娟[21]、來(lái)風(fēng)兵[22-24]、Friedman G M[25]等通過(guò)分析沙堆的形態(tài)特征等，探討了沙堆粒度特征及沙源物質(zhì)組成。高晨晶[26]、Qiao Y S 等[27]對(duì)沙漠化防治、沉積物環(huán)境變化與粒度的關(guān)系研究，指出粒度特征對(duì)環(huán)境的指示作用。由于沉積物在結(jié)構(gòu)性狀上的自相似性，使沉積物粒度具有明顯的分形特征[28-29]，因此，分形維數(shù)逐漸成為描述沉積物粒度分布特征的另一個(gè)重要參數(shù)[30-34]。盡管對(duì)沉積物的粒度已有大量的研究分析，但對(duì)胡楊沙堆表層粒徑分形特征的研究較少。

本文基于以上研究，以塔克拉瑪干和田河西側(cè)別里庫(kù)姆沙漠為研究區(qū)域，以胡楊沙堆為研究對(duì)象，利用體積分形維數(shù)計(jì)算模型對(duì)別里庫(kù)姆沙漠30 個(gè)胡楊沙堆表層150 個(gè)樣品進(jìn)行粒度分析，測(cè)定其沉積物粒徑并分析該區(qū)域胡楊沙堆表層粒度分布狀況，探討粒度分形維數(shù)與粒度參數(shù)的關(guān)系，揭示分形維數(shù)所能表征的沉積物特征，并做進(jìn)一步討論，從而為胡楊沙堆發(fā)育演化機(jī)制研究以及揭示沙漠環(huán)境的變化過(guò)程提供基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

塔克拉瑪干沙漠面積為33.76×104km2，其中流動(dòng)沙丘占85%以上，是世界上第二大流動(dòng)性沙漠，也是我國(guó)面積最大的沙漠。本研究區(qū)位于塔克拉瑪干沙漠和田河西側(cè)，麻扎塔格山南側(cè)區(qū)域，處于交通相對(duì)便利的沙漠石油公路周邊，東鄰和田河（圖1）。地理坐標(biāo)為79°21′58″～80°20′12″E，37°22′23″～38°17′5″N。該區(qū)屬暖溫帶極端干旱荒漠氣候，降水稀少，年降水量?jī)H為39.61 mm，蒸發(fā)強(qiáng)烈，年均蒸發(fā)量達(dá)2 648.7 mm，西北風(fēng)為主，土壤為流動(dòng)性風(fēng)沙土，風(fēng)沙活動(dòng)頻繁，除其邊緣出現(xiàn)一些鯨魚(yú)脊?fàn)畹纳硥磐?，大片地區(qū)分布新月形沙鏈，沙丘高度在西北部達(dá)50 m，密度小，其余均在20 m 以下。植被覆蓋度極低，＜5%，以斑塊狀零星發(fā)育[35]。

圖1 研究區(qū)位及采樣點(diǎn)

1.2 研究方法

2018 年10 月，由烏魯木齊出發(fā)至和田市，經(jīng)過(guò)墨玉縣到喀瓦克鄉(xiāng)，再進(jìn)入南北向沙漠公路，沿公路兩側(cè)由南至北選取1～5 號(hào)樣方，再沿東西向沙漠公路，沿兩側(cè)由西向東選取6～10 號(hào)樣方，共計(jì)10 個(gè)樣方區(qū)域（圖1）。在各個(gè)樣方內(nèi)選取3 個(gè)典型胡楊沙堆從迎風(fēng)坡坡腳至背風(fēng)坡坡腳分別采取表層土樣，每個(gè)沙堆采5 個(gè)樣品，依次是迎風(fēng)坡坡腳、迎風(fēng)坡坡中、沙堆頂部、背風(fēng)坡坡中和背風(fēng)坡坡腳。在調(diào)查及采樣過(guò)程中，為了保證具有一定空間代表性，共采樣150 個(gè)，每個(gè)沙樣的重量均在250 g 以上，對(duì)采集的沙樣用樣品袋密封帶回實(shí)驗(yàn)室，采樣點(diǎn)用GPS定位。

1.2.1 粒度研究方法

測(cè)試儀器為MALVERN 儀器公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000 型激光粒度分析儀，該儀器的粒度測(cè)量范圍為0.02～2000 μm。按照試驗(yàn)規(guī)范，對(duì)沙樣進(jìn)行預(yù)處理后，每個(gè)樣品稱取5～10 g 的風(fēng)干沙樣置于500 mL 的燒杯中，加入約10 mL（10%）的H2O2，放置大約24 h 后，置于電熱板上加熱，去除樣品內(nèi)的有機(jī)質(zhì)和多余的H2O2。待其冷卻后，加入約10 mL（10%）的HCL，去除次生的碳酸鹽類物質(zhì)。樣品靜置24 h，抽取上層清液，再往燒杯中注滿蒸餾水，直到加蒸餾水洗至沒(méi)有H+為止，加入分散劑六偏磷酸鈉（NaPO3）6，使顆粒充分分散。

測(cè)試數(shù)據(jù)采用福克—沃德（Fold & Ward）的計(jì)算公式求出平均粒徑（MZ）、分選系數(shù)（σ1）、偏度（SKI）和峰度（KG）等粒度參數(shù)。所有沙堆樣品的粒度測(cè)試均送往蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

1.2.2 分形研究方法

粒度分析結(jié)果以粒徑—體積百分?jǐn)?shù)含量呈現(xiàn)，因此本文基于楊金玲等[36]、王國(guó)梁等[37]、Tyler 和Wheatcraft[38]提出的關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)粒度分析所得的粒度體積數(shù)據(jù)，推算出沉積物的分形維數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 胡楊沙堆粒度組成

研究區(qū)胡楊沙堆沉積物主要是以極細(xì)砂（43.51%）為主，其次為細(xì)砂（26.72%），再次為極粗粉砂（11.82%），極細(xì)粉砂（細(xì)礫除外）含量最少（0.31%）。其余各粒級(jí)含量由大到小依次為：中砂、粗砂、中粉砂、粗粉砂、細(xì)粉砂、極粗砂、黏土（表1）。此結(jié)果與錢亦兵[11]等研究的塔克拉瑪干沙漠綠洲區(qū)灌叢沙堆的沙較細(xì)，且主要由極細(xì)砂和粉砂組成的結(jié)果相類似。

沙堆表層不同部位沉積物粒度分析結(jié)果顯示（圖2），迎風(fēng)坡坡腳粒級(jí)組分含量由大到小依次為極細(xì)砂（37.61 %）、細(xì)砂（26.11%）、粗砂（12.72%）、中砂（12.69%）、極粗粉砂（8.95%）、極粗砂（1.01%）、中粉砂（0.48%）、粗粉砂（0.11%）、細(xì)粉砂（0.04%）、極細(xì)粉砂（0%）、黏土（0%）。迎風(fēng)坡坡中粒級(jí)組分含量由大到小依次為極細(xì)砂（41.19%）、細(xì)砂（26.34%）、中砂（11.59%）、極粗粉砂（11.39%）、粗砂（5.99%）、中粉砂（1.13%）、粗粉砂（0.70%）、細(xì)粉砂（0.50%）、極粗砂（0.29%）、黏土（0.26%）、極細(xì)粉砂（0.21%）。而坡頂粒級(jí)組分含量由大到小依次為極細(xì)砂（46.4%）、細(xì)砂（28.10%）、極粗粉砂（12.29%）、中砂（5.88%）、粗砂（2.30%）、中粉砂（1.71%）、粗粉砂（0.98%）、細(xì)粉砂（0.87%）、黏土（0.58%）、極細(xì)粉砂（0.51%）、極粗砂（0.44%）。背風(fēng)坡坡中粒級(jí)組分含量由大到小依次為極細(xì)砂（47.38%）、細(xì)砂（22.70%）、極粗粉砂（15.35%）、中砂（6.72%）、粗砂（2.69%）、中粉砂（2.14%）、粗粉砂（1.15%）、細(xì)粉砂（0.95%）、黏土（0.55%）、極細(xì)粉砂（0.49%）、極粗砂（0.02%）。背風(fēng)坡坡腳粒級(jí)組分含量由大到小依次為極細(xì)砂（44.95%）、細(xì)砂（30.33%）、極粗粉砂（11.11%）、中砂（7.51%）、粗砂（2.70%）、中粉砂（1.24%）、粗粉砂（0.71%）、細(xì)粉砂（0.57%）、黏土（0.40%）、極細(xì)粉砂（0.35%）、極粗砂（0.10%）。

表1 胡楊沙堆表層沉積物粒度組成 %

圖2 胡楊沙堆不同部位粒度變化

由迎風(fēng)坡坡腳到坡頂，細(xì)砂、極細(xì)砂、極粗粉砂、粗粉砂、中粉砂、細(xì)粉砂、極細(xì)粉砂、黏土含量逐漸增加，極粗砂、粗砂、中砂含量逐漸減少；由坡頂?shù)奖筹L(fēng)坡坡腳，極粗砂、粗砂、中砂、細(xì)砂、極粗粉砂含量逐漸增加，極細(xì)砂、粗粉砂、中粉砂、細(xì)粉砂、極細(xì)粉砂含量逐漸減少。

2.2 胡楊沙堆粒度特征

平均粒徑（MZ）、分選系數(shù)（σ1）、偏度（SKI）、峰度（KG）以及分形維數(shù)是鑒別沙堆表面沉積物沉積環(huán)境的重要參考值，根據(jù)計(jì)算所得粒度數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 胡楊沙堆不同部位粒度參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

2.2.1 平均粒徑（MZ）

胡楊沙堆表層土壤粒度參數(shù)呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化（表2）。平均粒徑以胡楊沙堆迎風(fēng)坡坡腳最粗，為1.660φ；背風(fēng)坡坡中平均粒徑最細(xì)，為2.368φ；平均粒徑從迎風(fēng)坡坡腳至沙堆頂部，粒徑逐漸變細(xì)（1.660φ—1.999φ—2.302φ）。從背風(fēng)坡坡中至背風(fēng)坡坡腳，粒徑相對(duì)迎風(fēng)坡變粗（2.368φ—2.176φ）?？傮w來(lái)看，胡楊沙堆迎風(fēng)坡的土壤粒徑大于背風(fēng)坡的土壤粒徑，且迎風(fēng)坡粒徑變化幅度較背風(fēng)坡略大。

2.2.2 分選系數(shù)（σ1）

分選系數(shù)越小，沉積物的分選性越好。胡楊沙堆表層平均分選系數(shù)在0.991～1.111。根據(jù)Fold 和Ward（1957）給出的分選程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)胡楊沙堆平均分選系數(shù)為1.053，分選系數(shù)從迎風(fēng)坡坡腳至沙堆頂部，分選性逐漸變差（0.991—1.104—1.031）；從背風(fēng)坡坡中至背風(fēng)坡坡腳，分選性逐漸變好（1.111—1.026）。其中在迎風(fēng)坡坡腳表現(xiàn)出分選最好，其次是背風(fēng)坡坡腳、沙堆頂部、迎風(fēng)坡坡中和背風(fēng)坡坡中。整體表現(xiàn)出背風(fēng)坡比迎風(fēng)坡的分選略差。

2.2.3 偏度（SKI）

胡楊沙堆沉積物的偏度在-0.046～-0.106，平均值為-0.072。偏度系數(shù)整體為負(fù)，說(shuō)明塔克拉瑪干和田河西側(cè)胡楊沙堆以極細(xì)砂、細(xì)砂為主，與之前研究結(jié)果相符。偏度在沙堆頂部>迎風(fēng)坡坡腳>迎風(fēng)坡坡中（-0.065>-0.088>-0.106）；背風(fēng)坡坡腳>背風(fēng)坡坡中（-0.046>-0.056）。整體上顯示出胡楊沙堆土壤粒徑偏度系數(shù)背風(fēng)坡比迎風(fēng)坡更趨向于負(fù)偏。

2.2.4 峰度（KG）

胡楊沙堆的峰度在1.004～1.243，平均值為1.077。從迎風(fēng)坡坡腳至沙堆頂部，峰度值略微增加（1.004—1.066—1.042），從背風(fēng)坡坡中至背風(fēng)坡坡腳，峰度值降低（1.243—1.030）。迎風(fēng)坡坡腳與背風(fēng)坡坡腳的峰度值比迎風(fēng)坡坡中和背風(fēng)坡坡中的峰度值略小，即迎風(fēng)坡坡腳、背風(fēng)坡坡腳、沙堆頂部對(duì)應(yīng)地貌部位比迎風(fēng)坡坡中、背風(fēng)坡坡中對(duì)應(yīng)地貌的粒級(jí)頻率曲線略寬（圖3）。

2.2.5 分形維數(shù)

土壤分形維數(shù)反映土壤的自我相似性，根據(jù)粒度分析結(jié)果，利用粒徑體積—百分?jǐn)?shù)對(duì)胡楊沙堆表層分形維數(shù)進(jìn)行計(jì)算。由表2 可知，塔克拉瑪干沙漠和田河西側(cè)胡楊沙堆的粒徑分形維數(shù)介于0.68～2.47，平均值為1.66，標(biāo)準(zhǔn)偏差介于0.26～0.62。分形維數(shù)從迎風(fēng)坡坡腳至沙堆頂部，分形維數(shù)逐漸變?。?.81—1.77—1.50），從背風(fēng)坡坡中至背風(fēng)坡坡腳，分形維數(shù)逐漸變大（1.44—1.78）。

圖3 胡楊沙堆各部位表層土壤粒度頻率曲線

2.3 胡楊沙堆分形維數(shù)與其他粒度特征的相關(guān)性

分形維數(shù)作為一種新的粒度分布參數(shù)，與傳統(tǒng)粒度參數(shù)（平均粒徑、分選系數(shù)、偏度、峰度）進(jìn)行比較，可以更好地揭示出沉積物的粒度特征。將研究區(qū)30 個(gè)胡楊沙堆的分形維數(shù)與粒度參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行分析，得到圖4 和表3。

不同沉積環(huán)境下分形維數(shù)與平均粒徑的關(guān)系各不相同。胡楊沙堆表層沉積物分形維數(shù)與平均粒徑之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，擬合程度一般，R2=0.403，這與毛東雷[39]等對(duì)新疆策勒綠洲—沙漠過(guò)渡帶沉積物粒度分析結(jié)果一致，但其相關(guān)系數(shù)較本文要小（R2=0.347）。

分形維數(shù)與分選系數(shù)之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，擬合程度中等偏上，R2=0.623，說(shuō)明分形維數(shù)越大，分選程度越好，沉積物分布就越分散?，F(xiàn)有研究也證明了這一點(diǎn)[11，39]，本文也與此保持一致。分形維數(shù)與偏度之間存在正相關(guān)關(guān)系，擬合程度一般，R2=0.353，相關(guān)系數(shù)與其他粒度參數(shù)相比偏小。分形維數(shù)與峰度之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，擬合程度中等偏上，R2=0.737，相關(guān)系數(shù)與其他粒度參數(shù)相比偏大，與以往研究結(jié)果相比[11，39]，相關(guān)系數(shù)也偏大。

表3 分形維數(shù)與粒度參數(shù)相關(guān)關(guān)系及回歸分析

圖4 分形維數(shù)與平均粒徑（a）、分選系數(shù)（b）、偏度（c）及峰度（d）之間的關(guān)系

胡楊沙堆的分形維數(shù)與平均粒徑、分選系數(shù)、偏度、峰度之間均存在顯著相關(guān)關(guān)系，尤其是與峰度的相關(guān)性最強(qiáng)，與偏度值的擬合程度最弱。胡楊沙堆表面的沙粒主要為砂和粉砂，其中極細(xì)砂和細(xì)砂的含量偏高。隨著植被覆蓋度的增加，植被對(duì)風(fēng)的阻礙程度增強(qiáng)，砂粒的自我相似性也越高，與4 個(gè)參數(shù)之間的相關(guān)性也比較顯著。

3 討論

在胡楊沙堆不同地貌部位表層沉積物的粒度特征表現(xiàn)出有規(guī)律的變化，是風(fēng)沙流、沙堆形態(tài)、植被和沙源綜合作用的結(jié)果[39]。塔克拉瑪干和田河西側(cè)別里庫(kù)姆沙漠屬于半固定沙，由于受到麻扎塔格山和和田河兩個(gè)天然屏障的影響，研究區(qū)范圍內(nèi)多為低矮的沙堆、沙丘，植被覆蓋度低，通過(guò)對(duì)胡楊沙堆各部位表層土壤粒度頻率曲線分析，可以看出胡楊沙堆表層土壤主要由細(xì)砂、極細(xì)砂和極粗粉砂組成，其中以迎風(fēng)坡坡腳、迎風(fēng)坡坡中分選差，為負(fù)偏；在迎風(fēng)坡坡腳存在雙峰，其余部位為單峰。由此可以確定別里庫(kù)姆沙漠胡楊沙堆表層土壤的來(lái)源表現(xiàn)較為單一，以風(fēng)成沉積物來(lái)源為主。

本研究胡楊沙堆表層平均粒徑從迎風(fēng)坡坡腳至背風(fēng)坡坡中逐漸變細(xì)，從背風(fēng)坡坡中至背風(fēng)坡坡腳逐漸變粗；此結(jié)果與唐進(jìn)年[7]、何清等[8]對(duì)庫(kù)姆塔格沙漠的研究結(jié)果一致（平均粒徑為2.42φ，迎風(fēng)坡到背風(fēng)坡土壤粒徑逐漸變細(xì)）。此結(jié)果與楊興華[13]、趙聰敏[14]、陳渭南[15]、李志忠[16]、武勝利[18，21]等對(duì)塔克拉瑪干沙漠的研究結(jié)果也相符，說(shuō)明了風(fēng)力對(duì)沉積物產(chǎn)生了較大的影響。

沙堆各部位分選性表現(xiàn)不一，沙堆表層土壤整體分選性較好，其中在迎風(fēng)坡的分選性最好。但此結(jié)果與庫(kù)姆塔格沙漠[7-8]（平均分選系數(shù)為0.65）、艾比湖區(qū)域[21]（平均分選系數(shù)為0.50）相比，分選性較差。

偏度整體屬于負(fù)偏。這說(shuō)明沙堆表面迎風(fēng)坡的風(fēng)力作用從坡腳到坡頂逐漸加強(qiáng)，背風(fēng)坡沉積作用從坡中到坡腳逐漸變?nèi)?；粒徑頻率曲線顯示在迎風(fēng)坡坡腳存在雙峰，其余部位為單峰。胡楊沙堆表層土壤頻率曲線呈現(xiàn)出從中等到較窄的變化，反映了典型的風(fēng)力作用的特征。

沉積物體積分形維數(shù)介于0.68～2.47，平均值為1.66，在迎風(fēng)坡坡腳和背風(fēng)坡坡腳分形維數(shù)較大，在沙堆坡頂分形維數(shù)較小。在已有研究[40-44]表明，沉積物的粒級(jí)含量、地表形態(tài)（流動(dòng)、半固定、固定）、地表風(fēng)速以及植被覆蓋度的高低、風(fēng)蝕強(qiáng)度等，均是分形維數(shù)產(chǎn)生差異的原因。

4 結(jié)論

本文采用?？恕值碌挠?jì)算公式求出研究區(qū)150 個(gè)樣品的平均粒徑（MZ）、分選系數(shù)（σ1）、偏度（SKI）和峰度（KG）等粒度參數(shù)，根據(jù)粒度分析所得的粒度體積數(shù)據(jù)，推算出沉積物的分形維數(shù)，得到如下結(jié)論：

（1）胡楊沙堆表層土壤沉積物砂含量高達(dá)98.7%，有超過(guò)82%的土壤顆粒粒級(jí)在32 ～250 μm的細(xì)沙范圍內(nèi)，平均粒徑為258.0 μm。胡楊沙堆表層平均粒徑以極細(xì)砂和細(xì)砂為主，沉積物整體分選性較好，偏態(tài)整體屬于負(fù)偏，峰度呈現(xiàn)出從中等到較窄的變化。

（2）沙堆表層土壤的分形維數(shù)與各粒度特征參數(shù)均呈顯著線性相關(guān)。分形維數(shù)與平均粒徑呈顯著負(fù)相關(guān)，擬合程度中等，R2=0.403；與分選系數(shù)呈顯著正相關(guān)，擬合中等偏上，R2=0.623；與偏度值呈正相關(guān)，擬合程度一般，R2=0.353；與峰度值呈顯著正相關(guān)，擬合中等偏上，R2=0.737。

（3）胡楊沙堆粒徑分形特征為研究胡楊沙堆發(fā)育演化機(jī)制、解釋風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)及風(fēng)沙地貌的形成、探討沉積環(huán)境的變化過(guò)程提供了基礎(chǔ)資料，為塔克拉瑪干區(qū)域風(fēng)沙危害的防治提供理論依據(jù)。