烏珠穆沁沙地主要風(fēng)沙環(huán)境特征及形成機(jī)制研究

張 昊， 黨曉宏,2,3， 蒙仲舉,2， 高 永,4， 劉 陽， 秦青船

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古杭錦荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017400；3.包頭市林業(yè)和草原局，內(nèi)蒙古 包頭 014030；4.中央與地方共建高校特色優(yōu)勢(shì)學(xué)科“風(fēng)沙物理”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；5.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；6.東烏珠穆沁旗水利事業(yè)發(fā)展中心，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026300）

風(fēng)沙災(zāi)害是近地層強(qiáng)風(fēng)攜帶沙物質(zhì)吹蝕地表，使其形態(tài)發(fā)生改變，形成各種風(fēng)沙地貌，并對(duì)人類生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重危害的自然過程［1］。在風(fēng)沙災(zāi)害研究中，風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)是關(guān)鍵內(nèi)容，地表風(fēng)況受局部地形和氣候影響，導(dǎo)致風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)具有明顯的區(qū)域性特點(diǎn)。風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)影響地表沉積物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，而沉積物粒度特征也是反映風(fēng)沙和沉積環(huán)境的重要指標(biāo)之一［2-3］。因此，掌握區(qū)域風(fēng)沙環(huán)境特征對(duì)研究地表風(fēng)沙流具有重要意義。

在風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)研究中一般采用輸沙勢(shì)作為衡量區(qū)域風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度的指標(biāo)［4］。輸沙勢(shì)代表區(qū)域內(nèi)潛在最大風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度，具有統(tǒng)一的風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)環(huán)境評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，方便不同地區(qū)進(jìn)行風(fēng)能環(huán)境對(duì)比分析。如房彥杰［5］利用輸沙勢(shì)分析了塔克拉瑪干沙漠風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度的時(shí)空變化特征，重點(diǎn)研究了輸沙勢(shì)的估算偏差；李志星等［6］發(fā)現(xiàn)，河北昌黎海岸沙丘向岸和離岸的輸沙勢(shì)總體呈衰減趨勢(shì)，且風(fēng)積沙丘的類型和走向受風(fēng)動(dòng)力影響。然而，單以輸沙勢(shì)評(píng)價(jià)風(fēng)沙環(huán)境仍具有一定的局限性，未能充分考慮除風(fēng)況以外的其他環(huán)境因素影響。表層沉積物特征是多種環(huán)境因素共同作用的結(jié)果，對(duì)區(qū)域風(fēng)況和沉積環(huán)境具有重要指示作用［7］。將風(fēng)能環(huán)境與地表沉積物特征相結(jié)合，有利于精準(zhǔn)掌握野外風(fēng)沙輸移規(guī)律，提供更重要的科學(xué)參考意義［8］。

烏珠穆沁草地是錫林郭勒草原的重要組成部分［9］。自20世紀(jì)50年代以來，由于全球氣候逐漸變暖以及人類墾荒和過度放牧等原因，造成草原發(fā)生嚴(yán)重退化，烏珠穆沁草地平均每年被風(fēng)沙吞沒的面積約1000 hm2［10］，嚴(yán)重的草地沙化導(dǎo)致草地載蓄力持續(xù)減少，沙塵天氣頻繁發(fā)生，嚴(yán)重威脅區(qū)域居民生存與發(fā)展［11］?！叭薄惫こ痰墓ぷ髦匦囊苑郎持紊碁橹鞴シ较颍瑑?nèi)蒙古作為中國(guó)北方的重要生態(tài)屏障，具有突出的戰(zhàn)略地位。烏珠穆沁沙地是京津冀地區(qū)沙塵暴的主要來源地之一。治理烏珠穆沁沙地，恢復(fù)天然草原，是筑牢北方生態(tài)安全屏障的必要前提，因此，烏珠穆沁沙地的防沙治沙工作刻不容緩。目前，針對(duì)烏珠穆沁沙地的研究主要集中在沙地景觀格局［12］、土壤風(fēng)蝕［13］以及土壤理化性質(zhì)［14］和沙地植被等方面，而關(guān)于風(fēng)沙環(huán)境特征研究較少。鑒于此，本文基于烏珠穆沁沙地周邊氣象站的數(shù)據(jù)資料，系統(tǒng)分析沙地起沙風(fēng)況及輸沙勢(shì)特征，同時(shí)結(jié)合研究區(qū)地表沉積物粒徑數(shù)據(jù)，研究揭示該地區(qū)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)環(huán)境特點(diǎn)和沙塵遷移規(guī)律，研究結(jié)果豐富研究區(qū)風(fēng)沙流研究?jī)?nèi)容，以期為今后烏珠穆沁沙地的區(qū)域環(huán)境特征分析和風(fēng)沙災(zāi)害防治工作提供科學(xué)參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

烏珠穆沁沙地位于內(nèi)蒙古錫林郭勒草原東部，行政區(qū)劃屬錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗（圖1）。沙地呈西南寬、東北窄的扇形分布，海拔在835～1957 m之間，屬中溫帶典型半干旱大陸性季風(fēng)氣候，長(zhǎng)期受蒙古高壓控制，自然環(huán)境較為惡劣，春季干寒風(fēng)多，夏季短促干燥，秋季霜凍早，冬季寒冷漫長(zhǎng)［15］；年平均氣溫1.6 ℃，極端最高溫度37 ℃，極端最低溫度-37.5 ℃；年降雨量700 mm 左右，主要集中在7—8 月；年平均風(fēng)速3.8 m·s-1，極端最大風(fēng)速可達(dá)34.0 m·s-1，年均8級(jí)風(fēng)速以上天氣73 d；主要土壤類型為栗鈣土和黑鈣土［12］。沙地植被呈地帶性分布，東南部植被以貝加爾針茅（Stipa baicalensisRoshev）、線葉菊（Filifolium sibiricum）等雜類草群落為主，西北部植被以小葉錦雞兒（Caragana microphylla）、大針茅（Stipa grandis）、冷蒿（Artemisia frigida）等群落為主。

圖1 烏珠穆沁沙地氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in Wuzhumuqin Sandy Land

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文所采用的風(fēng)況數(shù)據(jù)來源于烏珠穆沁沙地周邊的巴拉噶爾高勒鎮(zhèn)、巴彥高勒鎮(zhèn)、巴彥胡碩蘇木、烏蘭哈拉噶蘇木4 個(gè)氣象站點(diǎn)，分別代表沙地南、西、北、東4 個(gè)方位的區(qū)域特征。數(shù)據(jù)記錄時(shí)間范圍為2017 年1 月1 日至2021 年12 月31 日。風(fēng)況觀測(cè)高度為10 m，每日從0：00開始，每間隔1 h記錄1 次，共記錄24 個(gè)定時(shí)觀測(cè)的連續(xù)10 min 的平均風(fēng)速。參考相關(guān)研究［2,13,16］，烏珠穆沁沙地風(fēng)速達(dá)到5 m·s-1時(shí)，地面沙物質(zhì)開始出現(xiàn)移動(dòng)，故本文以5 m·s-1作為地表沙粒移動(dòng)的臨界風(fēng)速。首先將原始?xì)庀髷?shù)據(jù)中所有風(fēng)速大于5 m·s-1的風(fēng)況按照不同月份分別計(jì)算平均起沙風(fēng)速、起沙風(fēng)頻率及最大風(fēng)速。再將風(fēng)向數(shù)據(jù)按照360°方位角平均分成N、NNE、NE、ENE、E、ESE、SE、SSE、S、SSW、SW、WSW、W、WNW、NW 和NNW 16個(gè)風(fēng)向方位，分別計(jì)算不同方位的起沙風(fēng)頻率。輸沙勢(shì)的計(jì)算方法采用Fryberger等［17］提出的DP輸沙勢(shì)計(jì)算模型：

式中：DP代表輸沙勢(shì)，為矢量單位（VU）；V代表大于起沙風(fēng)的風(fēng)速（節(jié)，1 節(jié)≈0.5 m·s-1）；Vt代表起沙風(fēng)速（節(jié)）；t代表觀測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)起沙風(fēng)作用時(shí)間與總觀測(cè)時(shí)間的百分比。合成輸沙勢(shì)（Resultant Drift Potential，簡(jiǎn)稱RDP）是16個(gè)方位的輸沙勢(shì)矢量相加的結(jié)果，代表了一個(gè)地區(qū)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)過程中凈輸沙能力的大小。合成輸沙勢(shì)方向（Resultant Drift Direction，簡(jiǎn)稱RDD）代表了區(qū)域內(nèi)沙物質(zhì)的整體移動(dòng)方向。根據(jù)Fryberger 的風(fēng)能環(huán)境劃分方法可將研究區(qū)分為：低風(fēng)能（DP＜200）、中風(fēng)能（200≤DP＜400）、高風(fēng)能（DP≥400）三種不同的風(fēng)能環(huán)境。Fryberger 還提出可以通過風(fēng)向變率指數(shù)（RDP/DP）來反映起沙風(fēng)的復(fù)雜程度，風(fēng)向變率指數(shù)與起沙風(fēng)風(fēng)向組合情況呈反比，當(dāng)RDP/DP＜0.3 時(shí)，為高風(fēng)向變率，一般為復(fù)雜風(fēng)況；當(dāng)0.3≤RDP/DP≤0.8時(shí)，為中風(fēng)向變率，一般為鈍雙峰或銳雙峰風(fēng)況；當(dāng)RDP/DP＞0.8時(shí)，為低風(fēng)向變率，風(fēng)向較為單一，一般為對(duì)應(yīng)窄單峰或?qū)拞畏屣L(fēng)況。將起沙風(fēng)速組合以及輸沙勢(shì)結(jié)果繪制成玫瑰圖，能夠簡(jiǎn)單直觀的分析各自的變化情況。

沉積物表層樣品取自烏珠穆沁沙地不同方位，取樣時(shí)間為2023 年4—5 月，該時(shí)段草地生長(zhǎng)狀況較差，可以避免地表植被對(duì)土壤粒徑的影響。分別在不同方位選取6 個(gè)地勢(shì)平坦的樣地進(jìn)行取樣，取樣點(diǎn)間隔約4 km，每個(gè)取樣點(diǎn)隨機(jī)采取4 個(gè)范圍為20 cm×20 cm，深度為0～3 cm的表層沙土樣品500 g，采集范圍基本代表烏珠穆沁沙地東、西、南、北4 個(gè)方位的主要區(qū)域。利用Mastersizer 2000 激光粒度儀測(cè)得每個(gè)土樣的沉積物組分體積百分比，每個(gè)土樣測(cè)3次，取其平均值。為方便辨析，將每個(gè)取樣點(diǎn)的4 個(gè)土壤數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行算術(shù)平均，來表征該地的沉積物組分特征，同時(shí)根據(jù)Folk-Ward 公式［18］計(jì)算沉積物的平均粒徑MZ、分選系數(shù)σ、偏度SK等參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 起沙風(fēng)特征

烏珠穆沁沙地整體起沙風(fēng)頻率為33.8%，受海拔高度及地表植被蓋度等影響，沙地起沙風(fēng)具有明顯的空間分布差異。如圖2 所示，北部和西部起沙風(fēng)頻率較大，東部和南部相對(duì)較小。巴拉噶爾高勒鎮(zhèn)、巴彥高勒鎮(zhèn)、巴彥胡碩蘇木、烏蘭哈拉噶蘇木的年起沙風(fēng)頻率分別為21.4%、37.5%、48.0%、28.6%。年內(nèi)各月起沙風(fēng)頻率具有相同的變化趨勢(shì)，均呈現(xiàn)2—5 月遞增，6—8 月遞減，8 至翌年1 月遞增的趨勢(shì)，各地最大起沙風(fēng)頻率集中在4—5 月，且均以春季起沙風(fēng)頻率最高。

圖2 烏珠穆沁沙地起沙風(fēng)頻率月均變化Fig.2 Monthly mean variation of sand-blowing wind frequency in Wuzhumuqin Sandy Land

烏珠穆沁沙地年平均風(fēng)速為3.34～5.40 m·s-1、年平均起沙風(fēng)速為6.46～8.49 m·s-1。各地平均起沙風(fēng)速和起沙風(fēng)頻率具有相同的區(qū)域分布特點(diǎn)，西部和北部平均起沙風(fēng)速較大，總體變幅較大，南部和東部平均起沙風(fēng)速相對(duì)較小，風(fēng)速差值相對(duì)較小（圖3）。巴拉噶爾高勒鎮(zhèn)、巴彥高勒鎮(zhèn)、巴彥胡碩蘇木、烏蘭哈拉噶蘇木的年均起沙風(fēng)速為6.46 m·s-1、7.62 m·s-1、8.49 m·s-1、6.94 m·s-1。各地年內(nèi)月平均起沙風(fēng)速呈現(xiàn)同增共減的趨勢(shì)，最大平均起沙風(fēng)速與最大起沙風(fēng)頻率特征一致，最大值仍集中在4—5月，且均以春季平均起沙風(fēng)速最大。

圖3 烏珠穆沁沙地平均起沙風(fēng)速月均變化Fig.3 Monthly average variation of average wind speed of sand rising in Wuzhumuqin Sandy Land

從起沙風(fēng)風(fēng)向特征來看（表1和圖4），烏珠穆沁沙地主要受西南風(fēng)向影響，不同區(qū)域均以WSW 風(fēng)向頻率最高。巴拉噶爾高勒鎮(zhèn)以偏西風(fēng)為主（WSW、SW、W、WNW），頻率為69.0%。其次為偏北風(fēng)（NW）和偏南風(fēng)（SSW、S），頻率依次為8.8%、13.2%。巴彥高勒鎮(zhèn)與巴拉噶爾高勒鎮(zhèn)風(fēng)向結(jié)構(gòu)一致，以偏西風(fēng)為主（WSW、SW、W、WNW），頻率為59.1%，其次為偏北風(fēng)（NNW、NW、N），頻率為20.0%。巴彥胡碩蘇木亦以偏西風(fēng)為主（WSW、W、SW、WNW），頻率為63.7%，偏北風(fēng)次之（NW、NNW），頻率為17.1%。烏蘭哈拉噶蘇木同樣以偏西風(fēng)為主（WSW、WNW、NW、W），頻率為56.7%，其次為偏南風(fēng)（SW、SSE、S），頻率為25.1%。

表1 烏珠穆沁沙地各區(qū)域主風(fēng)向分布Tab.1 Distribution of main wind directions in different regions of Wuzhumuqin Sandy Land

圖4 烏珠穆沁沙地各區(qū)域起沙風(fēng)玫瑰圖Fig.4 Rose chart of sanding wind in different regions of Wuzhumuqin Sandy Land

如圖5 所示，巴拉噶爾高勒鎮(zhèn)春季起沙風(fēng)與年起沙風(fēng)風(fēng)向結(jié)構(gòu)相似，以偏西風(fēng)為主（SW、NW、WSW、WNW、W），頻率為71.2%。夏季以偏南風(fēng)為主（S、SW、SSW、SSE），頻率為54.6%。秋季與春季一致，以偏西風(fēng)為主（WSW、SW、WNW、W），頻率為74.5%。冬季以西南風(fēng)為主（WSW、W、SW），頻率為79.8%。巴彥高勒鎮(zhèn)春季以偏西風(fēng)為主（WNW、WSW、W、SW、NW），頻率為55.5%。夏季以西南風(fēng)向?yàn)橹鳎╓SW、SW、W、SSW），頻率為43.6%。秋季與夏季相似，以西南風(fēng)向?yàn)橹鳎╓SW、SW、W），頻率為53.7%。冬季以西南風(fēng)向?yàn)橹鳎╓SW、SW、W），頻率為75.9%。

巴彥胡碩蘇木春季起沙風(fēng)以偏西風(fēng)向?yàn)橹鳎∟W、WSW、W、SW、WNW），頻率為63.0%。夏季以偏南風(fēng)向?yàn)橹鳎⊿W、WSW、SSE、S）頻率為43.6%。秋季以偏西風(fēng)向?yàn)橹鳎╓SW、SW、W、WNW、NW），頻率為80.2%。冬季以西偏南風(fēng)（WSW、W、SW）為主，頻率為77.3%。烏蘭哈拉噶蘇木春季起沙風(fēng)以偏西為主（NW、WSW、WNW、W），頻率為53.1%。夏季以偏南風(fēng)（SSE、S、SE）為主，頻率為38.4%。秋季起沙風(fēng)亦以偏西風(fēng)為主（WSW、WNW、NW、W、SW），頻率為72.2%，冬季起沙風(fēng)主要集中在西南方向（WSW、SW），頻率為62.5%。

總體來看，烏珠穆沁沙地各地春季和秋季起沙風(fēng)均以偏西風(fēng)向?yàn)橹?，夏季起沙風(fēng)除烏蘭哈拉噶蘇木以南偏東風(fēng)為主，其余地區(qū)均以西南風(fēng)向?yàn)橹?，冬季整體起沙風(fēng)向結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，多以西偏東風(fēng)及部分西風(fēng)為主。

2.2 輸沙勢(shì)特征

烏珠穆沁沙地整體屬于低風(fēng)能環(huán)境（圖6），巴拉噶爾高勒鎮(zhèn)、巴彥高勒鎮(zhèn)、巴彥胡碩蘇木、烏蘭哈拉噶蘇木的年均輸沙勢(shì)分別為19.2 VU、98.7 VU、193.7 VU、41.7 VU，合成輸沙勢(shì)分別為14.8 VU、65.9 VU、145.1 VU、24.4 VU，沙地北部和西部輸沙勢(shì)較大，南部和東部較小。各地風(fēng)向變率指數(shù)均介于0.3～0.8 之間，屬于中風(fēng)向變率，風(fēng)況多為銳雙峰風(fēng)況，全年沙物質(zhì)整體向東、東北方向輸移。巴彥高勒鎮(zhèn)、巴彥胡碩蘇木、烏蘭哈拉噶蘇木的合成輸沙方向相近，為85°±5°，巴拉噶爾高勒鎮(zhèn)合成輸沙方向?yàn)?1.99°，不同地區(qū)均以西南和西北方向?yàn)橹饕妮斏硜碓础?/p>

圖6 烏珠穆沁沙地各區(qū)域輸沙勢(shì)玫瑰圖Fig.6 Rose chart of sediment transport potential in different regions of Wuzhumuqin Sandy Land

從烏珠穆沁沙地不同地區(qū)風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度的時(shí)間尺度上來看（圖7），巴拉噶爾高勒鎮(zhèn)年內(nèi)合成輸沙方向集中在東北方向，春季風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度最強(qiáng)，輸沙勢(shì)為8.3 VU，夏季風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度最弱，輸沙勢(shì)為1.5 VU。秋、冬兩季一致，輸沙勢(shì)均為4.7 VU。春、夏兩季屬中風(fēng)向變率，秋、冬兩季為低風(fēng)向變率。巴彥高勒鎮(zhèn)除春季合成輸沙方向集中在東南方向，其余三季均集中在東北方向。春季是最主要的風(fēng)沙活動(dòng)期，輸沙勢(shì)為44.7 VU，冬季風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度最弱，輸沙勢(shì)為12.8 VU，夏季和秋季輸沙勢(shì)分別為17.2 VU 和24.0 VU。除冬季屬低風(fēng)向變率，其余三季均為中風(fēng)向變率。巴彥胡碩蘇木年內(nèi)輸沙勢(shì)特征與巴彥高勒鎮(zhèn)一致，同樣以春季輸沙勢(shì)最高，為67.2 VU，合成輸沙方向?yàn)闁|南方向，其余三季為東北方向。夏季是風(fēng)沙活動(dòng)衰弱期，輸沙勢(shì)為20.5 VU，秋季和冬季輸沙勢(shì)分別為46.2 VU 和59.8 VU。春季和夏季是中風(fēng)向變率，秋季和冬季是低風(fēng)向變率。烏蘭哈拉噶蘇木春、夏、秋季均屬中風(fēng)向變率，冬季為低風(fēng)向變率。其中，春季輸沙勢(shì)年內(nèi)最高，為20.1 VU，合成輸沙方向?yàn)闁|南方向，夏季輸沙勢(shì)最小，為5.3 VU，合成輸沙方向?yàn)闁|北方向，秋季和冬季輸沙勢(shì)分別為9.4 VU 和6.9 VU，合成輸沙方向均為東北方向。

總體而言，同一時(shí)期內(nèi)烏珠穆沁沙地南部輸沙勢(shì)最低，北部最高，西部大于東部。不同地區(qū)均以春季輸沙勢(shì)最大，年內(nèi)合成輸沙勢(shì)方向均集中在東北、東南方向，且春季和夏季均屬于中風(fēng)向變率，冬季為低風(fēng)向變率。

2.3 土壤粒徑特征

如圖8所示，巴彥高勒鎮(zhèn)、巴拉噶爾高勒鎮(zhèn)和巴彥胡碩蘇木的沉積物粒徑曲線均呈現(xiàn)不對(duì)稱的雙峰分布，主次峰相差較大，主峰均位于735～965 μm，屬粗沙組分。巴彥高勒和巴拉噶爾高勒次峰位于250～365 μm，屬中沙組分。巴彥胡碩次峰位于110～375 μm，為細(xì)沙和中沙混合組分。烏蘭哈拉噶蘇木沉積物粒徑曲線呈不對(duì)稱的單峰分布，峰值位于250～450 μm，屬中沙組分。整體來看，烏珠穆沁沙地不同區(qū)域的沉積物沙粒粗細(xì)度分布不均，西部、北部、南部沙物質(zhì)粒級(jí)較復(fù)雜，粒徑偏粗，東部沙粒較細(xì)，粗細(xì)度相對(duì)集中。

圖8 烏珠穆沁沙地各區(qū)域沉積物粒徑曲線Fig.8 Sediment particle size curves in different regions of Wuzhumuqin Sandy Land

由表2可知，巴拉噶爾高勒鎮(zhèn)主要以粗沙為主，占樣品總量的30.8%，其次為細(xì)沙和中沙，分別占26.7%和25.3%，黏土和極細(xì)沙含量較低，僅為1.6%和1.9%。巴彥高勒鎮(zhèn)以粗沙和中沙為主，分別占36.4%和31.0%，其次為細(xì)沙，占17.8%，粉粒、黏土和極細(xì)沙的含量均不高，合計(jì)占7.4%。巴彥胡碩蘇木以粗沙組分為主，占35.0%，其次為細(xì)沙和中沙，占比分別為23.5%和16.6%。極細(xì)沙和黏土占比最少，分別為3.5%和2.0%。烏蘭哈嘎蘇木以中沙為主，占比38.3%，其次為粗沙和細(xì)沙，占比分別為25.6%和22.3%，極細(xì)沙、極粗沙和黏土占比最少，合計(jì)占6.4%。整體來看，烏珠穆沁沙地整體地表層物質(zhì)以粗沙和中沙為主，其次為細(xì)沙、粉粒和極粗沙含量較少，黏土和極細(xì)沙含量最低。結(jié)合沉積物粒度參數(shù)特點(diǎn)來看，研究區(qū)不同區(qū)域的平均粒徑為0.74～2.60 Φ，均值為1.41 Φ，參照Wentworth 粒度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［19］，沙地整體優(yōu)勢(shì)粒徑顆粒較粗。研究區(qū)沉積物粒徑分選系數(shù)為0.90～2.51 Φ，均值為1.55 Φ，整體沉積物分選性較差，其中，烏蘭哈拉噶地區(qū)分選系數(shù)最大，分選性最差，說明該地區(qū)沙物質(zhì)組分較為復(fù)雜，是沙物質(zhì)聚集的結(jié)果。同時(shí)，研究區(qū)沙粒偏度的變化范圍在0.06～0.78，均值為0.37，整體以極正偏態(tài)為主，沙地東部和北部偏度值較高，說明該地區(qū)風(fēng)沙搬運(yùn)能力相對(duì)較強(qiáng)，沉積物外來組分偏多，再次印證了在風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)過程中，沙物質(zhì)整體向東、東北方向遷移。

表2 烏珠穆沁沙地各區(qū)域粒徑組分含量與參數(shù)Tab.2 Content and parameters of particle size components in Wuzhumuqin Sandy Land

3 討論

從研究結(jié)果來看，烏珠穆沁沙地整體西南風(fēng)向發(fā)生頻率最高，主要原因是受地形因素影響。研究區(qū)南部多為山地丘陵，北部為荒漠草原，地勢(shì)呈東南向西北傾斜，受蒙古氣旋影響，高空低槽自西向東移動(dòng)，氣流受到山丘影響呈西南走向，從而導(dǎo)致研究區(qū)盛行西南風(fēng)。另外，地表植被的空間差異性也是導(dǎo)致風(fēng)能環(huán)境區(qū)域特點(diǎn)的主要原因之一。繁茂的植物不僅可以降低風(fēng)速，還可以增大地表沙粒的啟動(dòng)風(fēng)速，從而減少沙塵天氣的發(fā)生頻率［20］。根據(jù)已有研究結(jié)果表明［12］，烏珠穆沁沙地西部和北部的植被覆蓋度偏低，防風(fēng)固沙效果較差，而東部和南部植被狀況良好，且近幾年植被蓋度有持續(xù)增加的趨勢(shì)，從而導(dǎo)致沙地整體風(fēng)能環(huán)境為西北高，東南低。

研究區(qū)的主要風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)活躍期集中在3—5月，此時(shí)正值春季，空氣溫度寒冷干燥，植物尚未返青，地表基本呈裸露狀態(tài)。結(jié)合降雨數(shù)據(jù)來看，春季降雨量?jī)H占年降雨量的1.2%，而同期蒸發(fā)量卻遠(yuǎn)超降雨量，使得該時(shí)期的土壤水分得不到充分的補(bǔ)充，土壤呈干旱疏松狀，在強(qiáng)風(fēng)作用下極易發(fā)生風(fēng)力侵蝕。夏季降雨量占年降雨量的54.0%，降雨增加能夠有效降低風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度，而風(fēng)季和雨季在時(shí)間上的差異會(huì)加劇該地區(qū)風(fēng)沙災(zāi)害的強(qiáng)度及發(fā)生頻率，導(dǎo)致研究區(qū)春季是沙塵暴的頻發(fā)時(shí)期。

烏珠穆沁沙地輸沙勢(shì)為19.2～193.7 VU，與周邊的渾善達(dá)克沙地（36.9～174.8 VU）［21］均屬于低風(fēng)能環(huán)境，且合成輸沙方向都集中在東偏北方向。不同于渾善達(dá)克沙地的是，烏珠穆沁沙地的形成是由于錫林郭勒草原近年來人口急劇增長(zhǎng)和過度放牧超過了草場(chǎng)的自然更新速度，導(dǎo)致草場(chǎng)出現(xiàn)“斑禿”，形成大量分散不連片的斑塊狀沙地，這種退化作用是相對(duì)緩慢的。而渾善達(dá)克沙地至少形成于晚第三紀(jì)，是天然的荒漠化環(huán)境［22］。退化草地治理比裸沙地修復(fù)具有天然的優(yōu)勢(shì)條件［23］，草地退化修復(fù)過程可以逐漸改善土壤的理化性質(zhì)，最終使退化草地生態(tài)系統(tǒng)由碳源轉(zhuǎn)向碳匯［24］，從而增大植被恢復(fù)后土壤的固碳潛力，草地碳儲(chǔ)量的提升有助于區(qū)域內(nèi)的氣候調(diào)節(jié)，促進(jìn)原生草場(chǎng)的生長(zhǎng)，從而使草地退化得到快速恢復(fù)，而過度退化則會(huì)加速草地碳庫(kù)的損失，破壞草地土壤有機(jī)碳的恢復(fù)和積累，影響草原的自然演替進(jìn)程［25］。因此，要及時(shí)遏制烏珠穆沁草原的退化趨勢(shì)，避免沙地面積進(jìn)一步擴(kuò)張。

沉積物粒度參數(shù)是追溯沙源背景的重要判別標(biāo)準(zhǔn)，研究沉積物粒度特征及其分異規(guī)律，有助于辨別地表沙物質(zhì)來源和探討風(fēng)沙流的運(yùn)動(dòng)機(jī)制［26］。烏珠穆沁沙地不同地區(qū)的沉積物粒徑變化存在顯著差異，沙地整體沉積物粒徑偏粗，說明地表大量細(xì)顆粒在風(fēng)力作用下隨風(fēng)遷移，導(dǎo)致粒徑組分多以粗沙、中沙為主。粗沙組分較多表明研究區(qū)搬運(yùn)介質(zhì)的動(dòng)能不高，整體屬于弱風(fēng)能環(huán)境。在風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)過程中，粉粒是沙塵暴中可遠(yuǎn)距離搬運(yùn)的細(xì)粒組分。細(xì)沙和中沙是風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)主體，也是沙物質(zhì)的躍移組分。巴拉噶爾高勒鎮(zhèn)和巴彥高勒鎮(zhèn)的粉粒含量低于巴彥胡碩蘇木和烏蘭哈拉噶蘇木，主要原因是受高頻率的起沙風(fēng)天氣影響，在風(fēng)力搬運(yùn)作用下，沙地南部和西部沉積物粉粒發(fā)生大量遷移。而沙地北部由于受到高強(qiáng)度的風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)吹蝕，使得地表受到持續(xù)侵蝕，導(dǎo)致土壤粉粒含量增多。沙地東部粗沙和極粗沙含量較低，細(xì)沙和中沙含量偏高，占合計(jì)總量的60.6%，整體沉積物粒度偏細(xì)，粗細(xì)度相對(duì)集中，且沙物質(zhì)分選性差，組分較為復(fù)雜，結(jié)合研究區(qū)風(fēng)況和輸沙勢(shì)特點(diǎn)來看，在高頻率的西南風(fēng)向影響下，沙地大量細(xì)沙組分在風(fēng)力作用下向東、東北輸移，導(dǎo)致研究區(qū)東部?jī)?nèi)部躍移物質(zhì)在運(yùn)動(dòng)過程中不斷積累，向東遷移，使得沙區(qū)東部沉積物外來組分偏多。

烏珠穆沁沙地總體處于固定、半固定沙地狀態(tài)，沙化程度較輕，但土地沙化的趨勢(shì)也比較明顯［27］。如果不加以防治，勢(shì)必會(huì)造成草地進(jìn)一步退化、沙化。因此，針對(duì)烏珠穆沁沙地的防風(fēng)固沙系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要做到因地制宜，以恢復(fù)沙地北部生態(tài)環(huán)境為重點(diǎn)，采用人工播種、圍欄禁牧等措施快速恢復(fù)草原植被。根據(jù)蘇日古嘎的研究發(fā)現(xiàn)［28］，西烏珠穆沁草原地區(qū)小葉錦雞兒灌叢化程度加重會(huì)導(dǎo)致黏粒、粉粒、極細(xì)沙含量減少，而細(xì)沙、中沙、粗沙含量增加。結(jié)合研究區(qū)土壤粒徑分布特征，沙地北部適宜種植大量小葉錦雞兒以減少粉粒等沙塵飛揚(yáng)，同時(shí)防止裸沙地表遭受高強(qiáng)度風(fēng)力侵蝕。另外，可在嚴(yán)重沙化地區(qū)鋪設(shè)適宜的機(jī)械沙障，增加地表粗糙度，降低風(fēng)速以減弱風(fēng)蝕強(qiáng)度，減緩沙地面積進(jìn)一步擴(kuò)大。朱泊年等［9］通過在烏珠穆沁沙地南部鋪設(shè)PLA沙障發(fā)現(xiàn)，PLA沙障能明顯降低地表風(fēng)速，2 m×2 m 規(guī)格防風(fēng)固沙效果最佳，適宜布設(shè)在沙地北部及西部等沙化程度較重，植被恢復(fù)困難的沙區(qū)。同時(shí)，應(yīng)在沙地東部栽植與輸沙勢(shì)方向垂直的防護(hù)林，加強(qiáng)東部地區(qū)防風(fēng)固沙的能力，防止沙物質(zhì)持續(xù)向東輸移，避免破壞東部?jī)?yōu)良草場(chǎng)。選取優(yōu)勢(shì)草種對(duì)沙地嚴(yán)重退化地區(qū)進(jìn)行人為干預(yù)，在烏珠穆沁沙地生態(tài)脆弱區(qū)，形成以流沙快速固定與植被穩(wěn)定恢復(fù)為核心的治理技術(shù)體系，為我國(guó)沙化天然草地快速恢復(fù)與綜合高效治理提供科學(xué)依據(jù)。

研究地表風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度和沉積物粒度特征是研究區(qū)域風(fēng)沙環(huán)境的關(guān)鍵內(nèi)容［29］。評(píng)價(jià)區(qū)域風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度不僅需要對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，還應(yīng)進(jìn)行野外實(shí)測(cè)風(fēng)沙流，同時(shí)考慮地形地貌、植被蓋度等環(huán)境因素對(duì)風(fēng)沙活動(dòng)的影響［30］。本文只考慮了烏珠穆沁沙地風(fēng)況、輸沙勢(shì)及輸沙方向，缺少長(zhǎng)期陸地觀測(cè)數(shù)據(jù)和對(duì)環(huán)境因素的考量。另外，本文土壤取樣時(shí)間為春季，沙地植被狀況仍處于較低水平，忽略了植被蓋度對(duì)土壤粒徑的分選作用，且沙地腹地取樣點(diǎn)較少，土壤樣品在空間部分上具有一定的局限性。因此，在今后的研究中，應(yīng)重點(diǎn)考慮環(huán)境因素對(duì)風(fēng)沙環(huán)境的影響作用，將氣象要素與野外實(shí)測(cè)風(fēng)沙流相結(jié)合，同時(shí)豐富地表沉積物組分?jǐn)?shù)據(jù)，綜合考慮區(qū)域風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度與沉積環(huán)境特征，深入研究風(fēng)沙環(huán)境的成因機(jī)制，以期為烏珠穆沁沙地風(fēng)沙災(zāi)害防治與生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）烏珠穆沁沙地年均起沙風(fēng)頻率為33.8%，平均風(fēng)速3.34～5.40 m·s-1，平均起沙風(fēng)速6.46～8.49 m·s-1，沙地北部和西部起沙風(fēng)頻率和風(fēng)速較高，南部和東部相對(duì)較低。不同地區(qū)均以春季最高，年內(nèi)起沙風(fēng)向以西南方向?yàn)橹?，WSW方向發(fā)生頻率最高。

（2）沙地年均輸沙勢(shì)為19.2～193.7 VU，整體屬于低風(fēng)能環(huán)境，風(fēng)況多為銳雙峰風(fēng)況。沙地北部及西部輸沙勢(shì)較大，南部和東部相對(duì)較小。南部和北部以西南方向?yàn)橹饕斏硜碓?，西部和東部以西南和西北方向?yàn)橹鳎澄镔|(zhì)整體向東、東北方向輸移，不同地區(qū)均以春季輸沙勢(shì)最大。

（3）沙地整體表層物質(zhì)以粗沙和中沙為主，西部和南部粒徑組分偏粗，東部偏細(xì)，且東部地區(qū)土壤分選性最差，東部和北部均以極偏正態(tài)為主，外來組分偏多，印證了研究區(qū)的沙物質(zhì)整體向東、東北方向聚集。

（4）結(jié)合研究區(qū)風(fēng)沙環(huán)境特征分析，沙地北部風(fēng)沙活動(dòng)最強(qiáng)，起沙條件充足，適宜進(jìn)行人工建植或鋪設(shè)沙障等人為干預(yù)活動(dòng)，減緩地表風(fēng)蝕進(jìn)程，快速恢復(fù)草原植被。同時(shí)，應(yīng)在沙地東部栽植與輸沙勢(shì)方向垂直的防護(hù)林，避免沙物質(zhì)持續(xù)東移。