民勤綠洲外圍新月形沙丘寬高比與移動(dòng)速率變化特證

何晨晨， 吳盈盈， 田永勝， 馬 瑞， 王振亭

（1.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

河西走廊毗鄰騰格里、巴丹吉林和庫姆塔格三大沙漠，飽受風(fēng)沙危害，對(duì)中國北方生態(tài)安全屏障建設(shè)至關(guān)重要。走廊東端的民勤地區(qū)已有六十余年治沙歷史，雖然取得了舉世矚目的成績［1］，但是土地荒漠化形勢依然嚴(yán)峻。綠洲外圍水資源匱乏，風(fēng)力強(qiáng)勁，極易發(fā)生風(fēng)蝕荒漠化。以呈半環(huán)狀包圍著民勤綠洲的連古城國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)為例，其總面積的98.41%屬于風(fēng)蝕荒漠化土地［2］。了解風(fēng)沙地貌形成與運(yùn)動(dòng)規(guī)律是科學(xué)開展風(fēng)沙工程設(shè)計(jì)與施工的重要前提。民勤綠洲外圍上風(fēng)向區(qū)域內(nèi)的風(fēng)沙地貌以固定和半固定的灌叢沙丘為主，新月形沙丘與沙丘鏈次之，小型風(fēng)蝕坑偶有分布。流動(dòng)沙丘在自身不斷移動(dòng)的同時(shí)，亦為其附近的風(fēng)沙活動(dòng)提供物質(zhì)來源，對(duì)綠洲存在與發(fā)展的現(xiàn)實(shí)威脅最大。

在眾多沙丘類型中，新月形沙丘的研究程度較高［3］。早期野外觀測主要以文字描述為主［4］，其工作量大、耗費(fèi)時(shí)間長、形態(tài)特征描述不夠準(zhǔn)確。后來，插釬法、重復(fù)測量和航片分析等傳統(tǒng)監(jiān)測方法得到廣泛應(yīng)用［5-6］。目前，遙感影像、GIS、全站儀、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分GPS、三維激光掃描儀、無人機(jī)傾斜攝影測量等各種先進(jìn)技術(shù)被應(yīng)用于沙丘形態(tài)特征測量［7-9］，為深入探索沙丘形態(tài)動(dòng)力學(xué)過程提供了寶貴資料。新月形沙丘的形態(tài)參數(shù)包括沙丘高度、寬度、迎風(fēng)坡長度、落沙坡長度、迎風(fēng)坡坡度、兩翼長度、開展度和對(duì)稱度等［10］。各參數(shù)之間的關(guān)系包括沙丘寬度與高度、迎風(fēng)坡坡長與寬度、兩翼長度與寬度、落沙坡傾角與高度、底面積與周長或體積等。其中，沙丘寬度和高度之間的關(guān)系研究最為廣泛。由大量實(shí)測數(shù)據(jù)得出的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系是沙丘寬度與高度正相關(guān)［11］，可用線性關(guān)系描述［10-12］。按照新月形沙丘的迎風(fēng)坡長與寬度的比值，將其形態(tài)分為肥的、矮胖的、標(biāo)準(zhǔn)的、苗條的［13-14］。按獸角形態(tài)將其分為線性的、串珠狀的、打結(jié)的［15］。除了形態(tài)特征，沙丘的演變過程和移動(dòng)速率是另一個(gè)研究重點(diǎn)。沙丘是風(fēng)力、沙粒和下墊面三者相互作用的產(chǎn)物［16］，其形態(tài)演變和移動(dòng)速率受沙源豐富程度、風(fēng)速、風(fēng)向、地形、植被等多種因素影響，不同地區(qū)的風(fēng)沙運(yùn)移特征有著不同的表現(xiàn)形式，看似普遍的經(jīng)驗(yàn)和理論關(guān)系往往存在很大的區(qū)域差異。

河西走廊綠洲邊圍2006 年與2014—2015 年兩個(gè)時(shí)段的遙感影像顯示［2］，民勤地區(qū)的新月形沙丘移動(dòng)最快。本研究擬在前人工作的基礎(chǔ)上，利用野外實(shí)地測量和高分辨率遙感影像分析沙丘形態(tài)特征和移動(dòng)速率，給出民勤綠洲上風(fēng)向邊緣區(qū)域內(nèi)新月形沙丘形態(tài)參數(shù)之間及其與移動(dòng)速率的定量關(guān)系，探討該地區(qū)多年防風(fēng)固沙工程的實(shí)際效果。本研究不僅直接服務(wù)于當(dāng)?shù)氐姆里L(fēng)固沙與生態(tài)建設(shè)，而且對(duì)河西走廊其他地區(qū)相關(guān)工作具有重要參考價(jià)值與借鑒意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省民勤縣城西北約30 km范圍內(nèi)，主體南起紅崖山水庫北緣，北至萊菔山腳下（102°45′～103°50′E，38°25′～38°50′N），如圖1 所示。該地區(qū)屬溫帶干旱荒漠性氣候，常年干燥、降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、風(fēng)大沙多。年均降水量116.2 mm［17］，氣溫7.8 ℃，年內(nèi)風(fēng)沙日數(shù)139 d，8 級(jí)以上大風(fēng)29 d。區(qū)域地形平坦，無地表徑流，風(fēng)向單一，植被稀疏，零星分布有梭梭、沙拐棗、灌叢白刺等植物。土地利用類型以沙地為主，林地占一定比例，耕地和草地零星分布。土壤類型以荒漠土為主。風(fēng)蝕荒漠化土地既有歷史時(shí)期自然形成［18］，也有最近幾十年開墾后又棄耕退化。較為開闊的前后灘地是新月形沙丘及沙丘鏈存在所必須的環(huán)境條件，同時(shí)，該區(qū)位于巴丹吉林沙漠盛行風(fēng)的下風(fēng)向，沙源供應(yīng)較為充足。因此，新月形沙丘及沙丘鏈?zhǔn)潜緟^(qū)的主要沙丘類型［19］。該區(qū)域歷來是當(dāng)?shù)胤里L(fēng)固沙的重中之重。目前，治沙措施以大面積植樹造林和圍欄封育為主，已在鄉(xiāng)道兩側(cè)3～5 km內(nèi)及綠洲邊緣部分地區(qū)形成了面積不等的防風(fēng)固沙人工梭梭林。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Map of the research area

1.2 研究方法

1.2.1 沙丘形態(tài)參數(shù) 野外實(shí)地測量和高分遙感影像分析是獲取沙丘形態(tài)參數(shù)的主要方法。新月形沙丘高度和寬度等形態(tài)參數(shù)利用NTS-352 型全站儀直接測得。測量對(duì)象主要為形態(tài)完整、輪廓顯著、相對(duì)獨(dú)立的新月形沙丘。野外測量采用局部坐標(biāo)系，落沙坡最高點(diǎn)與地面的垂直距離作為沙丘高度；在兩翼之間任選一條平行于主風(fēng)向的直線，兩個(gè)翼角與其水平距離之和即為沙丘寬度。先后兩次測量沙丘形態(tài)的時(shí)間為2006 年3 月與2022 年7月，沙丘個(gè)數(shù)分別為27 和25 個(gè)。時(shí)隔16 a，第一次測量的沙丘［20］大多難以確定其具體位置。相較于上次測量，第二次的空間范圍更大，基本覆蓋了整個(gè)研究區(qū)。

1.2.2 遙感影像來源與分析 高分遙感影像數(shù)據(jù)購自高分辨率對(duì)地觀測系統(tǒng)甘肅數(shù)據(jù)與應(yīng)用中心。其中，2013年11月9日和2014年4月21日影像為高分一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，其空間分辨率為2 m；2015年8月21日、2016年5月23日、2017年11月21日、2018年7 月21 日和2019 年10 月7 日的空間分辨率為0.81 m 的高分二號(hào)影像；2020 年8 月5 日、2021 年8 月9日和2022年5月23日為高分六號(hào)影像，其空間分辨率2 m。各時(shí)段影像預(yù)處理包括：遙感影像經(jīng)正射校正、融合、鑲嵌、幾何校正。鑲嵌處理過程需要注意選擇合適的重采樣方法，幾何校正利用了地面控制點(diǎn)和幾何校正數(shù)學(xué)模型來矯正非系統(tǒng)因素產(chǎn)生的誤差。完成以上步驟后，利用ArcGIS軟件從中提取流動(dòng)新月形沙丘底面的輪廓線，最后計(jì)算沙丘寬度和底面質(zhì)心位置。該地區(qū)新月形沙丘形態(tài)處于不斷變化之中，難以選定輪廓線上的某個(gè)或某幾個(gè)特征點(diǎn)代表沙丘位置。因此，以底面質(zhì)心位置計(jì)算其年際移動(dòng)距離。以遙感影像測量的沙丘主要位于薛百鎮(zhèn)和大壩鎮(zhèn)以西，僅有3 個(gè)沙丘位于綠洲北緣的萊菔山下，具體位置見圖1。

影像分析采用整體坐標(biāo)系，具體做法如下：（1）按以直代曲方法量測出每個(gè)沙丘底面輪廓處若干點(diǎn)在WGS-84 坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，計(jì)算其在三維直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；（2）利用最小二乘法擬合出包含所有沙丘底面輪廓點(diǎn)的最優(yōu)平面；（3）在最優(yōu)平面上任選一點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以主風(fēng)向?yàn)閤方向，建立平面直角坐標(biāo)系，并將所有測量點(diǎn)向該坐標(biāo)系投影。以投影后的輪廓線計(jì)算沙丘寬度與質(zhì)心位置。其中，確定質(zhì)心坐標(biāo)時(shí)的底面面積和一階矩由梯形法計(jì)算。因?yàn)檠芯繀^(qū)范圍不大且地形非常平坦，這種影像分析方法能夠比較準(zhǔn)確地提取到沙丘底面輪廓。對(duì)于沙丘迎風(fēng)坡長度和兩翼寬度等形態(tài)參數(shù)，野外實(shí)測與遙感影像量測結(jié)果之間的相對(duì)誤差小于5%。

類似于前期探索［20］，仍然利用全站儀數(shù)據(jù)擬合新月形沙丘的形態(tài)參數(shù)關(guān)系。沙丘移動(dòng)的具體規(guī)律則在理論推導(dǎo)基礎(chǔ)上，由遙感影像數(shù)據(jù)最終確定。野外測量的新月形沙丘既有已被人工林固定的，也有完全流動(dòng)的，遙感影像上量測的則均為流動(dòng)沙丘。

1.2.3 風(fēng)況特征 民勤氣象站2013—2021 年逐小時(shí)風(fēng)速數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/），用于風(fēng)況特征分析。輸沙勢常用于評(píng)估風(fēng)況特征與潛在輸沙強(qiáng)度，其計(jì)算公式為［21］：

DP=U2(U-Ut)t

式中：DP為輸沙勢，矢量單位為VU；U和Ut分別為10 m 高度的風(fēng)速和起動(dòng)風(fēng)速，Ut取值為6 m·s-1；t為起沙風(fēng)作用的時(shí)間，一般用頻率表示。風(fēng)能環(huán)境評(píng)價(jià)包括總輸沙勢（DP）、合成輸沙勢（RDP）、合成輸沙方向（RDD）和方向變率（RDP/DP）。根據(jù)矢量合成法則，對(duì)16個(gè)方位的輸沙勢合成得到合成輸沙勢和合成輸沙方向，而合成輸沙勢與輸沙勢之比為方向變率。根據(jù)輸沙勢的大小，將風(fēng)能環(huán)境［21］劃分為低能（DP＜200）、中能（200≤DP≤400）和高能環(huán)境（DP＞400）。根據(jù)方向變率，風(fēng)能環(huán)境劃分為高變率（RDP/DP＜0.3）、中等變率（0.3≤RDP/DP≤0.8）和低變率（RDP/DP＞0.8）。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)況特征

輸沙勢是反映一個(gè)區(qū)域風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一［22］。民勤地區(qū)2013—2021 年輸沙玫瑰圖如圖2 所示。年起沙風(fēng)主要來自于西西北和西北風(fēng)，歷年合成輸沙方向介于120°～135°，總體搬運(yùn)方向?yàn)镋SE～SE，風(fēng)況分布為窄單峰型。2013—2021年輸沙勢依次為40 VU、34 VU、34 VU、26 VU、25 VU、20 VU、20 VU、15 VU和35 VU，年際間輸沙勢雖有變化，但差異較小，風(fēng)能環(huán)境基本穩(wěn)定。多年平均輸沙勢為27.7 VU。根據(jù)風(fēng)能環(huán)境劃分標(biāo)準(zhǔn)［21］，該地區(qū)屬于低風(fēng)能環(huán)境（DP＜200）。另外，該區(qū)域合成輸沙勢與輸沙勢呈現(xiàn)出同樣的年際變化，變化趨勢基本一致。在2013—2020年間呈不斷下降趨勢，2021 年出現(xiàn)上升（圖3a）。合成輸沙方向和方向變率處于不斷波動(dòng)狀態(tài)（圖3b），多年平均方向變率為0.84，屬于低變率，表明該地區(qū)風(fēng)向較為單一。但是，2013年、2014年、2019年方向變率小于0.8，屬于中等變率。因此，研究區(qū)總體輸沙勢較小，部分年份風(fēng)向變化較大，新月形沙丘的移動(dòng)主要受西西北和西北風(fēng)的影響。

圖2 2013—2021年民勤站輸沙勢玫瑰圖Fig.2 Rose of drift potential at Minqin station from 2013 to 2021

圖3 2013—2021年民勤站風(fēng)能環(huán)境變化Fig.3 The variations in the wind energy at Minqin station from 2013 to 2021

2.2 高度-寬度關(guān)系

新月形沙丘高度與寬度數(shù)據(jù)可用正比例函數(shù)［20］或冪函數(shù)［23］擬合。為了方便，進(jìn)行正比例擬合，結(jié)果見圖4?？傮w上看，雖然兩次測量時(shí)隔16 a，但是形態(tài)參數(shù)關(guān)系基本沒有變化，沙丘寬高比約為16。前人大量工作表明其值一般在8～18之間［24］，本研究符合這一規(guī)律。多年保持常數(shù)值，說明寬高比是新月形沙丘的特征參數(shù)。沙丘形態(tài)特征受風(fēng)況、沙源和地形等因素影響。對(duì)于同一區(qū)域，上述風(fēng)況特征表明多年輸沙勢變化不大，屬于低風(fēng)能環(huán)境。多年平均方向變率屬于低變率，風(fēng)向較為單一。在無人為干擾的情況下，新月形沙丘的參數(shù)關(guān)系也應(yīng)無明顯變化。

圖4 新月形沙丘高度與寬度呈正比例關(guān)系Fig.4 Proportional relationship between height and width of barchans

2022 年實(shí)測數(shù)據(jù)略顯分散，主要原因有二：第一，部分沙丘迎風(fēng)坡上的人工梭梭林影響了其形態(tài)-動(dòng)力學(xué)過程。一般而言，氣流在沙丘迎風(fēng)坡加速，繞過沙丘頂部在背風(fēng)坡形成回流，迎風(fēng)坡氣流加速和背風(fēng)坡回流會(huì)影響沙丘的侵蝕速率，從而影響沙丘的寬度、高度等形態(tài)參數(shù)。對(duì)于不同寬高比的沙丘，這一過程也會(huì)有所變化。沙丘寬高比越小，氣流在迎風(fēng)坡加速越快，背風(fēng)坡回流區(qū)長度和強(qiáng)度均會(huì)增大［25］。地表植被覆蓋會(huì)引起下墊面粗糙度改變，地表抗風(fēng)蝕能力增強(qiáng)，從而影響沙丘近地面流場分布。在2022年測量的部分沙丘中，迎風(fēng)坡存在的人工植被會(huì)減弱氣流在迎風(fēng)坡的加速作用，同時(shí)沙丘背風(fēng)坡回流區(qū)范圍更大。流場的這種變化會(huì)使得沙丘高度快速增長，以及背風(fēng)坡沙塵堆積［26］。植被冠層攔截懸浮在空中的沙塵，使得沙丘上風(fēng)向沙源供應(yīng)不足，導(dǎo)致其形態(tài)發(fā)生變化。同時(shí)，迎風(fēng)坡植被阻擋會(huì)使氣流向沙丘的兩翼繞流，風(fēng)沙流會(huì)將部分沙粒帶向沙丘兩翼，導(dǎo)致沙丘寬度發(fā)生變化。若沙丘兩翼附近存在其他沙丘，氣流流過沙丘會(huì)產(chǎn)生加速效應(yīng)，這種加速效應(yīng)會(huì)加快兩翼的侵蝕速率。

第二，不同區(qū)域的風(fēng)力狀況和地表?xiàng)l件略有差別。民勤綠洲外圍的新月形沙丘主要分布在前后平坦的砂礫質(zhì)灘地上。其位于巴丹吉林沙漠的下風(fēng)向，沙源供應(yīng)充足。但由于不同區(qū)域地表起伏程度有所差異，導(dǎo)致沙丘丘間地不同位置風(fēng)沙流存在明顯差異。不同風(fēng)力作用下，距離沙源越近，輸沙率越大，隨著遠(yuǎn)離沙源，輸沙率減小［27］。新月形沙丘近地表風(fēng)速和輸沙率研究顯示，由于氣流在迎風(fēng)坡的加速作用，迎風(fēng)坡風(fēng)速比來流風(fēng)速增加25%，沙丘翼角到頂部輸沙率增加了1 倍，不斷增加的輸沙率反映風(fēng)力侵蝕的增加［28］。2022 年測量沙丘寬度和高度總體上相較于2006 年更大，即2022 年多為體積更大的新月形沙丘。沙丘迎風(fēng)坡氣流的加速作用更強(qiáng)，丘頂?shù)娘L(fēng)力侵蝕作用更大，沙丘的沙源豐富度和地表?xiàng)l件也更加復(fù)雜多樣。

2.3 移動(dòng)速率

2.3.1 單個(gè)沙丘移動(dòng)軌跡與形態(tài)變化 沙丘的移動(dòng)速率可以估算沙物質(zhì)的輸移量，為防風(fēng)固沙實(shí)踐提供指導(dǎo)。在風(fēng)力作用下，沙丘往往通過迎風(fēng)坡侵蝕與背風(fēng)坡堆積而發(fā)生移動(dòng)。雖然寬高比保持不變，但單個(gè)沙丘的形態(tài)在移動(dòng)過程中卻是不斷變化的。在傳統(tǒng)的風(fēng)沙地貌研究中，往往以輪廓線上某個(gè)點(diǎn)或某幾個(gè)特征點(diǎn)的平均移動(dòng)距離表示整個(gè)沙丘的移動(dòng)。當(dāng)形態(tài)變化較大時(shí)，誤差很大。因此，以底面質(zhì)心標(biāo)識(shí)沙丘位置是更合理的做法。

圖5給出了位于102.99°E，38.79°N和102.83°E，38.68°N兩個(gè)沙丘的底面輪廓在2013—2022年間的變化情況。圖5a中沙丘高度為9.3 m，兩翼寬度分別為89 m和76 m。以2013年為參考，底面輪廓變化能夠反映沙丘詳細(xì)的年際移動(dòng)過程?？傮w上，沙丘形態(tài)維持較為完整，側(cè)向位移微小，新月形形狀明顯。底面質(zhì)心變化反映出沙丘整體移動(dòng)緩慢。沙丘年際間的形態(tài)變化主要在迎風(fēng)坡基線、脊線和翼角處比較明顯。沙丘迎風(fēng)坡基線和脊線所代表的沙丘整體上沿主風(fēng)向移動(dòng)，但2020 年和2021 年出現(xiàn)反向移動(dòng)。沙丘移動(dòng)方式包含前進(jìn)式、搖擺式和擺動(dòng)前進(jìn)式［29］。當(dāng)沙源供應(yīng)不足時(shí)，風(fēng)沙流變?yōu)椴伙柡惋L(fēng)沙流，以及常年多個(gè)風(fēng)向的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致新月形沙丘的反向發(fā)展。圖5b 中沙丘的兩翼寬度約為60 m 和40 m。沙丘的底面輪廓反映出其形態(tài)變化很劇烈，各形態(tài)參數(shù)變化大，沙丘整體沿主風(fēng)向快速前移。在2013—2022年間，沙丘沿主風(fēng)向主要做前進(jìn)式移動(dòng)，少數(shù)年份存在反向移動(dòng)。在反向風(fēng)風(fēng)蝕的作用下，沙丘落沙坡頂部會(huì)出現(xiàn)反向堆積和脊線反向移動(dòng)的現(xiàn)象，從而促進(jìn)了沙丘的反向發(fā)育。根據(jù)移動(dòng)速率，流動(dòng)沙丘可分為四類［30］：慢速（年平均移動(dòng)距離＜1 m）、中等速度（年平均移動(dòng)距離＜1～5 m）、快速（年平均移動(dòng)距離＜5～10 m）、極快速（年平均移動(dòng)距離＞10 m 以上）。上述高大沙丘年均移動(dòng)距離小于3 m，屬于中等速度；低矮沙丘，沙丘年均移動(dòng)距離大于10 m 以上，屬于極快速移動(dòng)。沙丘移動(dòng)速率與沙丘的體型有關(guān)，體型越大，移動(dòng)速率越小。

圖5 單個(gè)沙丘的移動(dòng)軌跡與形態(tài)變化Fig.5 Trajectory and morphological variation of individual barchans

圖5中的質(zhì)心軌跡顯示兩個(gè)沙丘均存在顯著的反向移動(dòng)。而當(dāng)主風(fēng)向和次風(fēng)向大致相反時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)這種運(yùn)動(dòng)。常兆豐等［31］對(duì)甘肅河西綠洲邊緣新月形沙丘分析發(fā)現(xiàn)，單一主風(fēng)向是維持新月形沙丘形態(tài)的關(guān)鍵因素，促使沙丘頂點(diǎn)和沙脊線重合；而反向風(fēng)促使沙丘頂點(diǎn)與沙脊線分離。對(duì)民勤沙區(qū)風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析顯示［32］，起沙風(fēng)主要為春季的西北風(fēng)，其次為夏季的東南風(fēng)。反向風(fēng)除了導(dǎo)致新月形沙丘的這種整體反向移動(dòng)外，還改變了脊線處的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)并造成丘頂與脊線相對(duì)位置的變化［33］。沙丘移動(dòng)主要受風(fēng)速和風(fēng)向等因素的影響。結(jié)合風(fēng)況分析，研究時(shí)段輸沙勢總體較小，屬于低風(fēng)能環(huán)境。單個(gè)沙丘移動(dòng)軌跡反映出沙丘總體向前移動(dòng)，但2014年沙丘出現(xiàn)明顯的反向移動(dòng)（圖5b），2014年方向變率為0.75，屬于中等變率，說明風(fēng)向變化較大，風(fēng)向多變是沙丘反向移動(dòng)的重要因素。由于民勤地區(qū)常年受西北風(fēng)控制，東風(fēng)、東南風(fēng)較弱，難以完全抵償西北風(fēng)產(chǎn)生的作用。即使年內(nèi)風(fēng)向變率較大，但年輸沙勢較小不足以使沙丘發(fā)生反向移動(dòng)。因此，沙丘年際間的反向移動(dòng)可能是強(qiáng)沙塵暴事件所致。以2007 年3 月27 日一場強(qiáng)沙塵暴為例［34］，在強(qiáng)沙塵暴事件前后，對(duì)圖5a 沙丘監(jiān)測發(fā)現(xiàn)：脊線高度減?。?5±5）cm，長度增加（7.00±2.00）m；移動(dòng)距離（21±5）cm，沙丘體積減?。?.1±2.0）×103m3。這說明強(qiáng)沙塵暴事件對(duì)沙丘的移動(dòng)速率和形態(tài)特征有重要的影響，也是導(dǎo)致沙丘反向移動(dòng)的重要原因。此外，低矮沙丘底面輪廓的面積隨著時(shí)間推移不斷縮小，這表明在移動(dòng)過程中體積在減小，沙丘向著縮小的趨勢發(fā)展。而高大沙丘保持相對(duì)穩(wěn)定，造成這一結(jié)果的原因與沙丘自身的體積大小有關(guān)。

2.3.2 移動(dòng)速率與形態(tài)參數(shù)關(guān)系 當(dāng)沙丘形態(tài)和來流情況保持不變時(shí)，可由質(zhì)量守恒定律導(dǎo)出移動(dòng)速度與沙丘高度成反比的理論關(guān)系［35-36］，有時(shí)，新月形沙丘在幾個(gè)月內(nèi)的總體移動(dòng)幾乎完全由一兩場強(qiáng)沙塵暴造成。同時(shí)，反向風(fēng)的存在及遙感影像成像時(shí)間的年度差異也為確定沙丘沿主風(fēng)向的移動(dòng)速率帶來不小困難。為了減少逐年計(jì)算帶來的不確定性，本文以2013 年質(zhì)心位置為參考點(diǎn)，由2014—2022年間質(zhì)心移動(dòng)的最大距離計(jì)算9 a間的平均移動(dòng)速率，沙丘寬度取為10次影像分析的平均值。圖6 給出了年移動(dòng)速率隨沙丘寬度的變化情況，沙丘寬度范圍在45～300 m，移動(dòng)速率在1～16 m·a-1。其中，快速移動(dòng)沙丘占52.63%，極快速移動(dòng)沙丘占15.79%，中等移動(dòng)速度沙丘占31.58%。因此，該區(qū)域沙丘主要以快速移動(dòng)沙丘為主，移動(dòng)速率大于5 m·a-1。

沙丘移動(dòng)速率與寬度之間建立關(guān)系之后，對(duì)研究區(qū)風(fēng)況和沙丘寬度的測量就可以快速估計(jì)沙丘的移動(dòng)速率。通過寬度反映沙丘的移動(dòng)速率大大降低了研究的難度。同一風(fēng)力條件下，沙丘的移動(dòng)速率不同。這表明風(fēng)況對(duì)沙丘移動(dòng)速率的影響被其他因素削弱，導(dǎo)致移動(dòng)速率差異［37］。前文已證實(shí)沙丘寬高比保持常數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。因此，移動(dòng)速率應(yīng)該反比于沙丘寬度。由最小二乘法得到的擬合優(yōu)度為0.83，比例常數(shù)為718.52 m2·a-1。對(duì)沙丘的移動(dòng)方向［38］、移動(dòng)距離［39］、移動(dòng)速率［40］研究發(fā)現(xiàn)，新月形沙丘的移動(dòng)速率與高度、寬度均成反比，與本文結(jié)果一致。同時(shí)，沙丘移動(dòng)速率和寬度的比值變化還表明，隨著寬度增大，沙丘移動(dòng)速率的變化趨于平緩。沙丘寬度由50 m 增加到150 m，移動(dòng)速率的變化范圍在3～16 m·a-1；而沙丘寬度由200 m增加到300 m，沙丘移動(dòng)速率的變化范圍在2～7 m·a-1。這說明沙丘達(dá)到一定的寬度后，移動(dòng)速率變化的波動(dòng)范圍更小，同一風(fēng)況下，沙丘更趨于穩(wěn)定。對(duì)獨(dú)立的新月形沙丘，沙丘寬度與移動(dòng)速率之間存在的反比關(guān)系，可以用不同寬度沙丘之間的沙粒質(zhì)量差異來解釋。沙丘的移動(dòng)是沙粒從迎風(fēng)坡侵蝕重新分布到背風(fēng)坡的過程。寬度更大的沙丘需要更長的時(shí)間來重建和平衡這一過程，因此移動(dòng)速率更慢［41］。這一過程可能導(dǎo)致沙丘在移動(dòng)過程中形態(tài)特征發(fā)生變化。沙丘動(dòng)力學(xué)模型研究表明，恒定沙源條件下，在風(fēng)沙流中不同大小的新月形沙丘可能處于不同的不平衡狀態(tài)［42］。結(jié)合單個(gè)沙丘多年移動(dòng)軌跡的變化以及沙丘移動(dòng)速率與寬度的關(guān)系可知，沙丘寬度不但反映移動(dòng)速率的快慢，而且由于移動(dòng)速率之間的差異，不同寬度的沙丘形態(tài)向不同方向發(fā)育。隨著時(shí)間推移，寬大沙丘形態(tài)基本保持不變或者變大，而窄小沙丘傾向于縮小或者消失。

3 討論

3.1 風(fēng)況

風(fēng)況是影響沙丘形態(tài)發(fā)育的重要?jiǎng)恿σ蛩兀L(fēng)速和風(fēng)向決定沙丘的高度、寬度、體積和移動(dòng)速率等。沙丘形態(tài)演化和移動(dòng)不僅受大氣環(huán)流的控制，同時(shí)受局地氣流的影響［43］。宏觀上，區(qū)域風(fēng)況受大氣環(huán)流的控制，已有研究對(duì)風(fēng)況和不同類型的沙丘建立聯(lián)系。窄單峰型與新月形沙丘相聯(lián)系，雙峰型通常與線形沙丘相聯(lián)系，而復(fù)合型則與星狀沙丘相聯(lián)系［44］。在沙源和風(fēng)向變率均低的地區(qū)會(huì)形成新月形沙丘，沙源的增加導(dǎo)致新月形沙丘合并成橫向沙丘，而風(fēng)向變率的增加導(dǎo)致雙向風(fēng)環(huán)境下線狀沙丘的形成。研究區(qū)風(fēng)況特征顯示年起沙風(fēng)主要來自于西西北和西北風(fēng)，風(fēng)況分布為窄單峰型，多年風(fēng)向變率為低變率，風(fēng)向較為單一，有利于新月形沙丘的形成和演化。因此，沙丘寬高比常年保持常數(shù)值（圖4）。沙丘不僅對(duì)區(qū)域風(fēng)況做出響應(yīng)，沙丘局部也會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的二次流動(dòng)。沙丘背風(fēng)坡可形成分離流、重附未偏向流、重附偏向流和反向流［45］。沙粒從迎風(fēng)坡被侵蝕并在背風(fēng)坡沉積時(shí)，沙丘向下風(fēng)向移動(dòng)。沙丘移動(dòng)是風(fēng)沙量從迎風(fēng)坡重新分布到背風(fēng)坡的結(jié)果。有研究認(rèn)為這一過程處于平衡狀態(tài)，也有認(rèn)為是非平衡狀態(tài)。對(duì)兩個(gè)典型沙丘的移動(dòng)軌跡分析，高大沙丘多年形態(tài)維持穩(wěn)定，移動(dòng)速率緩慢（圖5a）。沙粒被侵蝕后重新分布可以認(rèn)為是平衡狀態(tài)。相對(duì)低矮沙丘形態(tài)變化劇烈，沙丘底面輪廓不斷減小反映出沙丘體積在減少（圖5b），這表明沙丘在移動(dòng)過程中侵蝕量大于堆積量，使得沙丘不斷縮小，移動(dòng)過程可以認(rèn)為是非平衡狀態(tài)，沙丘最終可能會(huì)縮小或者消失。因此，區(qū)域大氣環(huán)流和沙丘局部產(chǎn)生的二次流動(dòng)共同塑造沙丘的形態(tài)，影響沙丘移動(dòng)。

3.2 植被

隨著民勤綠洲防風(fēng)固沙工程的實(shí)施［1］，沙面固定限制了風(fēng)沙流的沙源供應(yīng)，改變了地表下墊面的性質(zhì)。防沙固沙工程主要是通過植物（或生物）措施、機(jī)械措施、化學(xué)措施等降低沙源供應(yīng)、改變下墊面性質(zhì)達(dá)到阻沙、固沙和輸沙的目的。主要影響因素包括沙粒粒度變化、水分含量、粘合劑、植被種類、植物結(jié)構(gòu)、形態(tài)和密度，以及其他表面粗糙度。植被作為沙源供給和風(fēng)沙運(yùn)輸?shù)闹饕拗埔蛩?，本研究區(qū)人工植被是影響沙丘形態(tài)和移動(dòng)的主要因素，是沙丘寬高比分散的原因之一。沙生植物具有發(fā)達(dá)的根系，能固結(jié)周圍的沙粒，植被腐爛后有利于有機(jī)質(zhì)的聚集，促進(jìn)沙的成土作用和固定，同時(shí)改變土壤化學(xué)性質(zhì)［46-47］和粒度分布［48］；同時(shí)植物冠層能降低近地表風(fēng)沙運(yùn)輸?shù)挠行?。?duì)裸露沙丘和植被覆蓋沙丘監(jiān)測發(fā)現(xiàn)［49］，植被覆蓋沙丘的移動(dòng)速率與高度的相關(guān)性比裸露沙丘更差。與裸露沙丘相比，固定沙丘的兩翼、迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡、丘頂?shù)囊苿?dòng)速度存在差異。植被蓋度增加，地表輸沙能力和沙源供應(yīng)受到限制，新月形沙丘會(huì)逐漸向拋物線形沙丘轉(zhuǎn)變［50］。地表植被覆蓋率僅為15%時(shí)，大部分沙粒運(yùn)輸?shù)玫揭种疲?1］。植物冠層對(duì)風(fēng)沙流的影響取決于植物密度、形狀或形態(tài)、分布和高度［52］，群落高大、枝葉密集的植物種固沙能力更強(qiáng)。對(duì)不同類型植被覆蓋下沙丘表面沉積物粒度分析［53］，地表沉積物細(xì)組分含量與植物冠幅、枝高和分枝數(shù)成正相關(guān)。在低密度的情況下，單個(gè)灌木形成的湍流和渦旋脫落又加強(qiáng)了地表的風(fēng)沙侵蝕［54］。植物高度增加，導(dǎo)致沙丘高度增加，沙丘長度減少［55］。研究區(qū)流動(dòng)沙丘各參數(shù)間表現(xiàn)出良好的相關(guān)性，沙丘體積越大，移動(dòng)速率越慢。同時(shí)移動(dòng)速率反比于沙丘寬度（圖6），沙丘總體上向東南方向移動(dòng)，這些結(jié)論與前人研究基本一致［56］。不同之處在于部分新月形沙丘存在人工梭梭林，導(dǎo)致參數(shù)間的相關(guān)性有所減弱，沙丘寬高比分散。植被對(duì)沙丘形態(tài)特征和移動(dòng)速率［57］、近地面流場［58-59］、沙丘表層粒度分布［60］等方面影響深遠(yuǎn)。植被可以增加地表粗糙度，攔截氣流中攜帶的沙物質(zhì)，影響沙粒在植物附近沉積［61］。同時(shí)，植物削弱了近地面風(fēng)速，減少被吹揚(yáng)搬運(yùn)沙粒的數(shù)量，這都會(huì)導(dǎo)致沙源供應(yīng)不足，從而影響沙丘的形態(tài)。

圖6 新月形沙丘移動(dòng)速率反比于寬度Fig.6 Inversely-proportional relationship between migration speed and width of barchans

4 結(jié)論

通過野外實(shí)地測量與高分遙感影像分析方法，探討了民勤綠洲外圍上風(fēng)向區(qū)域內(nèi)人工林固定和完全流動(dòng)性新月形沙丘的形態(tài)特征與移動(dòng)速率，本文得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）2006—2022 年間，沙丘寬高比保持常數(shù)值16。2022年沙丘寬高比數(shù)據(jù)分散的原因，一是部分沙丘迎風(fēng)坡上的人工梭梭林影響了其形態(tài)-動(dòng)力學(xué)過程；二是測量的不同區(qū)域風(fēng)力狀況和地表?xiàng)l件不同。大沙丘迎風(fēng)坡氣流的加速作用更強(qiáng)，丘頂?shù)娘L(fēng)力侵蝕作用更大，沙丘的沙源豐富度和地表?xiàng)l件也更加復(fù)雜多樣。

（2）高大沙丘年移動(dòng)速度緩慢，年均移動(dòng)距離小于3 m，屬于中等移動(dòng)速度，其形態(tài)基本保持不變；低矮沙丘快速移動(dòng)，年均移動(dòng)距離大于10 m，屬于極快速移動(dòng)速度。

（3）沙丘順風(fēng)向的年移動(dòng)速率反比于其寬度，比例常數(shù)為718.52 m2·a-1。該區(qū)域內(nèi)快速移動(dòng)沙丘占52.63%，極快速占15.79%，中等移動(dòng)速度占31.58%。

（4）大沙丘多年形狀維持穩(wěn)定，沙粒在迎風(fēng)坡侵蝕并在背風(fēng)坡沉積的過程相對(duì)穩(wěn)定，沙丘移動(dòng)緩慢。小沙丘形態(tài)變化劇烈，移動(dòng)快速，移動(dòng)過程中沙丘發(fā)育有進(jìn)一步減小的趨勢。