新疆塔克爾莫乎爾沙漠北緣灌叢沙堆表層沉積物粒度特征

王佩，馬倩,2,朱元璞，曾燚

(1.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊 830054；2.新疆干旱區(qū)湖泊資源與環(huán)境重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830054)

沉積物粒度特征在區(qū)分風沙地貌、沉積環(huán)境；判定搬運方式與動力條件；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沙地貌類型，是土壤風蝕物在遇到植被阻攔后逐漸堆積而成。許多學者研究發(fā)現(xiàn)，灌叢沙堆的存在是土壤風蝕和土地荒漠化的標志，同時也可以作為土地退化評價指標之一[2]，其發(fā)育過程主要受到植被狀況、物源供給、風沙活動、氣候環(huán)境、人類活動的影響。隨著土地沙化理論和機制研究的成熟，灌叢沙堆已成為風沙地貌學、古環(huán)境演化等眾多研究者的關注熱點。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力、截留風沙、維護區(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致地表植被退化，土地沙化嚴重，使得該沙漠面積不斷擴大。本課題組在對灌叢沙堆沉積物進行野外采樣的基礎上，對塔克爾莫乎爾沙漠北緣灌叢沙堆粒度特征進行研究，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)之間的相關性，為豐富區(qū)域風沙地貌研究及沙漠化定量研究提供依據(jù)，以促進沙漠化土地治理及修復生態(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，風沙天氣較多，研究區(qū)全年起沙風(≥5 m/s)主要發(fā)生在春、夏、秋三季，風向主要以西南西風(WSW)為主，占全年起沙風頻率的66%，其次風向為西風(W)、西南風(SW)，其他風向占比比較小，屬溫帶大陸性荒漠氣候，是典型西風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行沙樣采集(圖2)。典型灌叢沙堆一般按照迎風坡底、坡中、頂、背風坡中、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準類似，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，樣品質量約500 g，采樣后進行詳細的觀測，其位置經(jīng)GPS精準定位，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)測試本試驗中所采集的粒度樣品，測量結果用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，16～31 μm；極粗粉砂，31～63 μm)；砂，63～2 000 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；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分布狀況，而峰態(tài)反映顆粒粒徑在平均粒徑兩側集中程度[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圖表。

3 結果與分析

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(圖3-A)主要由極細砂、細砂、中砂、粗砂組成，其中細砂和中砂所占的比例最大，其次是極細砂和粗砂，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砂(46.48%)>中砂(41.29%)>極細砂(6.10%)>粗砂(4.26%)>粗粉砂(1.80%)>極粗粉砂(0.32%)>中粉砂(0.20%)>細粉砂(0.11%)>極細粉砂(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，從迎風坡底到頂部再到背風坡底，呈現(xiàn)先增多后減少的趨勢；而粗砂各部位分布規(guī)律與細砂相反，從迎風坡底到頂部再到背風坡底，呈現(xiàn)先減少再增加的分布規(guī)律；中砂在迎風坡底含量最高，平均含量為44.28%，其次依次為頂部、迎風坡中、背風坡中，含量依次為42.94%、42.28%、41.17%，在背風坡底部中砂的含量最少；極細粉砂、細粉砂、中粉砂、極粗粉砂、極細砂在不同地貌部位中的變化規(guī)律相近，從迎風坡底到迎風坡中再到頂部最后到背風坡底，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，在背風坡中百分含量最多。

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

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，標準偏差為0.20，平均值為2.06 Φ，屬于細砂范圍，在背風坡平均粒徑最大，其他依次為頂部、背風坡中、迎風坡中，迎風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，標準偏差為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)為背風坡底>迎風坡中>迎風坡底>背風坡中>頂部，分選性由迎風坡底到迎風坡中到頂部再到背風坡底，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，標準偏差為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，在背風坡底偏度值最大，為0.57 Φ，不同地貌部位從迎風坡底到頂部再到背風坡底部，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，標準偏差為0.03，平均值為0.97 Φ，屬于中等峰態(tài)，在不同地貌部位中，背風坡底部峰態(tài)值最大為0.993 Φ，其次依次為迎風坡中、背風坡中、迎風坡底，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)結合SPSS對粒度參數(shù)做相關性分析(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性，平均粒徑與偏度在0.01水平上顯著正相關，相關系數(shù)是0.414，說明平均粒徑Φ增大，即粒徑變細，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，相關系數(shù)是0.471，說明灌叢沙堆表層沉積物粒徑變細，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，相關系數(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)之間的相關性較差。

表2 灌叢沙堆表層沉積物粒度參數(shù)相關性

4 討論與結論

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來源[21]，研究區(qū)域地表沉積物受地形、植被以及風砂來源的影響，同時與風化、碰撞及流體沖刷等因素有關，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提供了豐富的來源，不同來源的砂物質在風力作用下搬運過程存在差異，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，迎風坡與背風坡相比粒徑偏粗，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、復雜，同時研究區(qū)內(nèi)的砂物質整體分布比較集中。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，風在搬運砂物質時受到植被的作用，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)，有透風型植被障礙物前形成的回渦沙丘表面風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雜，說明植被的形態(tài)特征對灌叢沙堆表層砂物質的分選也產(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系可在今后進一步研究。

4.2 結論

1) 塔克爾莫乎爾沙漠北緣灌叢沙堆表面砂物質主要由極細砂、細砂、中砂、粗砂組成，其中細砂和中砂所占的比例最大，其次是極細砂和粗砂，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坡到頂部再到背風坡，呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，而粗砂百分含量從迎風坡到頂部再到背風坡，呈現(xiàn)先減少再增加的趨勢，極細粉砂、細粉砂、中粉砂、極粗粉砂、極細砂在不同地貌部位中的變化規(guī)律相近，從迎風坡底到迎風坡中再到頂部最后到背風坡底，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，在背風坡中百分含量最多。從不同坡向來看，迎風坡相比背風坡偏粗。

3) 灌叢沙堆表層沉積物從迎風坡底到頂部，平均粒徑逐漸變細，分選性逐漸變差，從頂部到背風坡底部，平均粒徑逐漸變細，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)顯著的相關性(P<0.01)，峰態(tài)與偏度之間也呈現(xiàn)顯著的正相關(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)之間的相關性不顯著。