*1民勤荒漠-绿洲过渡带不同沙障的阻沙粒度分析

梁爱民,马　杰,张　瑾，马义娟,苏志珠

(1.太原师范学院 地理科学学院,山西 晋中 030619; 2.山西大学 历史文化学院,山西 太原 030006)



*1民勤荒漠-绿洲过渡带不同沙障的阻沙粒度分析

梁爱民1,马杰1,张瑾1，马义娟1,苏志珠2

(1.太原师范学院 地理科学学院,山西 晋中 030619; 2.山西大学 历史文化学院,山西 太原 030006)

〔摘要〕对民勤沙井子地区荒漠-绿洲过渡带的尼龙网格沙障、白刺沙障和沙拐枣沙障阻截的沙物质进行采样,运用沉积物的粒度分析方法,以流动沙丘和丘间地沉积物为参照,对比分析了研究区内不同沙障所拦截的沙物质的粒度组分及参数特征．结果表明:两种植物沙障拦截的沙物质粒度特征较为相似,拦截的沙物质均以细砂和极细砂为主,对容易形成风沙危害的粒径区间(1.32～4Φ)的拦截量均可达90%以上,而尼龙网格沙障拦截的沙物质相对较粗,对1.32～4Φ区间的拦截量为70%．从阻沙粒度特征上看,植物沙障的阻沙效果明显要好于尼龙网格沙障．此外,在>2Φ的粒径范围内,两种植物沙障拦截的沙物质主要来源于丘间地,尼龙网格沙障拦截的沙物质主要来源于流动沙丘．

〔关键词〕荒漠-绿洲过渡带;阻沙沙障;粒度分析;民勤

荒漠化是当今人类共同面临的严重的生态环境问题之一．西北干旱地区的绿洲地带,土壤盐渍化和沙质荒漠化(即沙漠化)是荒漠化的两种主要类型,土壤盐渍化主要发生于绿洲内部区域,而沙质荒漠化则主要发生于绿洲边缘地带[1-2],即荒漠与绿洲的过渡带．由于绿洲边缘地带与原生荒漠直接接触,使得荒漠绿洲过渡带成为受风沙危害的前沿阵地．为防止绿洲受沙漠化危害,在防沙工程领域已形成了物理、化学和生物三种防沙技术[3]．目前,设置沙障是一种有效且经济的防沙措施,使用的沙障材料类型也在不断丰富,如塑料网沙障、尼龙网格(栅栏)沙障、土工格栅沙障、土壤凝结剂沙障、复膜沙袋阻沙体与芦苇高立式沙障和植物沙障等．沙障设置后能使地表粗糙度增加 15～24倍[4],改变了风沙流场结构,阻滞了流沙移动的速度,使得风沙在沙障体系内沉积．对于不同沙障的防沙效益的研究成果较多[5-10],但对不同沙障阻沙后沙物质粒度的研究鲜有报道．为此,在对河西走廊民勤荒漠绿洲过渡带考察的基础上,选取民勤沙井子地区常见的沙障(尼龙网格沙障、白刺沙障、沙拐枣沙障),对其阻沙粒度进行分析研究,为防风固沙的沙障优选设置提供科学依据．

1研究区概况

民勤沙井子地区(38°34′N， 102°58′E)位于甘肃省石羊河下游民勤绿洲西南部(图1),总面积约230.6 km2,海拔1 375 m,地处民勤绿州向巴丹吉林沙漠的过渡地带,境内唯一的地表河流为发源于祁连山脉东段冷龙岭北侧的石羊河．研究区地质构造上属阿拉善北山台地边缘凹陷,在地质历史时期经受剥蚀、夷平和冲洪积作用下,形成厚度近百米的松散沉积物是本区风沙地貌沙物质来源[11]．区内地势总体上由西南向东北倾斜,石羊河的支流大西河、小西河在此形成冲洪积平原,由西侵袭而来的沙流遇到灌草障碍减速沉降,堆积形成各种类型的沙丘．区内气候属温带大陆性荒漠气候[12],年平均气温7.6 ℃,降水量113.2 mm,潜在蒸发量2 064.3 mm,主导风向为NW和WNW,平均风速为2.5 m/s,年平均沙尘暴日数25.6 d．受人类活动的影响,自20世纪60年代初期以来,民勤沙井子地区的地下水位开始明显下降[13],年平均下降速率为0.33 m/a,致使植物群落的演替从湿生系列过渡到旱生系列[14-16]．植被类型主要有唐古特白刺(Nitrariatangutorum)、沙蒿(Artemisiaarenaria)、沙拐枣(Calligonumjunceum)、红柳(Tamarixramosissima)、梭梭(Haloxylonammodendron)和沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)等旱生、超旱生植物．土壤类型以风沙土为主,在耕作区有经过长期灌溉淋溶、耕作施肥等人为作用下形成的特殊土类——绿洲灌漠土．

新中国成立以来,民勤地区就开始了积极的防沙治沙工作,1959年在县城西南的西沙窝成立了民勤治沙综合试验站,20世纪70年代以来一直是全国防沙治沙的典型样板示范基地[17],主要通过在流动沙丘上设置粘土沙障、植物沙障,以及禁牧封育和营造绿洲农田防护林带等有效措施,阻止了流沙入侵,起到了明显的防风固沙效应和农田增产效益,并改善了区域生态环境．

图1　民勤沙井子地区位置示意图

2研究方法

2.1采样方法

实验样品采样地选在距民勤治沙综合试验站西北8 km左右的沙井子附近的试验场地．在试验场内选取位置相近、但类型不同的沙障,其中植物沙障包括白刺和沙拐枣,机械沙障为治沙站铺设的尼龙网格沙障．植物沙障拦截的沙物质采集于正地形长轴的背风坡表层,白刺沙包的长轴550 cm,短轴260 cm,高120 cm,盖度约20%;沙拐枣沙堆的长轴110 cm,短轴45 cm,高20 cm．尼龙网格沙障拦截的表层沙物质,采集于方格内部距沙障边缘50 cm处的迎风坡,该沙障设置在流动沙丘上．另外,为对比沙障内外沙物质的粒度变化,分别采集了上风向的丘间地和流动沙丘砂样各1组．以上样品采集深度保持在0～2 cm,采样面积控制在20×20 cm2范围内,单个样品均采集500 g左右,装入自封袋并编号、记录GPS坐标．

2.2实验方法

在室内将样品自然风干,剔除样品中的植物残体后,用精度为0.001 g的电子天平称取100 g样品以备筛析．根据Udden-Wentworth粒级及Φ值分类标准[18],将颗粒粒级划分为砾石(64～2 mm;-6～-1Φ)、极粗砂(2～1 mm;-1～0Φ)、粗砂(1-0.5 mm;0～1Φ)、中砂(0.5-0.25 mm;1～2Φ)、细砂(0.25-0.125 mm;2～3Φ)、极细砂(0.125-0.063 mm;3～4Φ)和粉砂黏土(<0.063 mm;>4Φ),并据粒级划分节点挑选相应的粒度筛,挑选符合1/2Φ间隔的粒度筛．用电动振筛机进行筛析,每组样品筛析时间设定为10 min,最后称取各级别粒度筛上的沙物质重量并记录．

2.3计算方法

粒度参数计算方法种类较多,许多学者对此进行过对比研究[19-20]．本文采用Folk-Ward[18]提出的图解法计算相关粒度参数,其计算公式为:

平均粒径(Mean size)

分选系数(Sorling)

偏度(Skewness)

峰度(Kurtosis)

式中,Φ5，Φ16，Φ25，Φ50，Φ75，Φ84，Φ95分别表示累计频率为5%，16%，25%，50%，75%，84%，95%时的Φ值粒径．

3结果与讨论

3.1粒度组成特征

两种植物沙障(白刺、沙拐枣)、尼龙网格沙障截获的沙物质以及流动沙丘、丘间地的沙物质颗粒机械组成见图2．可以看出,三种沙障拦截的沙物质均集中在中砂、细砂和极细砂三个粒级组分,三个组分的合计含量均在90%以上．其中:流动沙丘的粒度组成以中砂、细砂和极细砂为主,三者含量高达98.70%;丘间地的粒度组成以砾石和极细砂两个组分为主,含量分别为19.04%和41.71%;而粉砂黏土组分在各样品中所占比例较小,含量均在5%以下．从粒度组分及变化上看,相对于流动沙丘而言,植物沙障拦截的沙物质,其粒度组分的极细砂和粉砂黏土含量明显增加,有利于沙生植物的生长和流动沙丘向半固定或固定沙丘演变;尼龙网格沙障拦截的沙物质,其粒度组分是细砂、极细砂和粉砂黏土含量反而减少,中砂及其以上的组分含量有所增加．比较三种沙障拦截沙物质的粒度组成可以发现,三种沙障所拦截的沙物质均不含或极少含砾石、极粗砂和粗砂组分(<1Φ),颗粒组分主要集聚在中砂、细砂和极细砂的范围内(1～4Φ),该粒级范围的含量均在90%以上,粉砂黏土(>4Φ)组分含量均较少,说明在当地的起沙风力条件下,<1Φ的地表沙物质不易被搬运,1～4Φ的沙物质在搬运过程中最容易被沙障阻挡,>4Φ的细颗粒则容易被远距离搬运带走．

图2　不同采样点地表沙物质粒级组成

已有的研究表明,形成风沙流的沙丘沙主体粒径区间为2～3Φ(0.25～0.125 mm)[21],容易形成风沙危害的粒径区间为1.32～4Φ(0.4～0.063 mm)[22]．本文所采集的流动沙丘沙样的粒级主要为1～4Φ(0.5～0.063 mm),占总量的98.70%,包含了以上两个粒级区间．为进一步揭示三种沙障拦截的沙物质的粒度差异性,对沙障外的流沙和沙障内的沉积物的粒度组成特征进行了分析,运用Origin8.0软件绘制出粒度的频率累计曲线,并标识出容易形成风沙危害的粒级区域1.32～4Φ(图3)．由图3可知,在1.32～4Φ区间内,4条粒度累积曲线存在差异,白刺沙障拦截沙物质的累积曲线位于最右侧,在该粒级区间内的斜率最大,不仅反映其粒度组分最细,也说明白刺沙障拦截的沙物质在该粒径区间内分布的最多,含量高达98%;沙拐枣拦截沙物质的累积曲线较白刺沙障稍靠左,表明其拦截易产生风沙危害的粒径区间的能力稍弱于白刺沙障,但含量为93%;尼龙网格沙障拦截沙物质的累积曲线位于最左侧,在该粒径区间内其斜率最小,说明粒度组分最粗,拦截1.32～4Φ区间的沙物质相对较少,含量为70%;流动沙丘的沙物质累积曲线位于尼龙网格沙障右侧,说明尼龙网格沙障所拦截的沙物质较流动沙丘砂物质粗．这与前人[23-25]的相关研究成果不一致,其原因可能是采样位置距沙障内部边缘较近,处于风沙流通过沙障系统的前沿部位,粗颗粒沙物质最先在此堆积形成沙丘并不断加积增高,使得沙障外围的粗颗粒沙物质以推移或跳跃方式进入沙障内部;而尼龙网格沙障的边缘靠近丘间地,所以丘间地中的粗颗粒物质也可能通过推移、跃移等方式进入沙障内沉积,其结果为尼龙网格沙障内部的沙物质要粗于流动沙丘的沙物质．

图3　不同沙障沙物质和流动沙丘砂的频率累积曲线

3.2粒度参数特征

沉积物的粒度参数是描述沉积物粒度分布特征的基本统计量[26],通常粒度参数主要包括平均粒径(Mz)、分选系数(σI)、偏度(SK1)和峰度(KG)．平均粒径反映了沉积物粒度分布的集中趋势,分选系数反映沉积物颗粒组成的均一程度,偏度可判别粒度曲线分布的对称性,而峰度能衡量粒度分布的中部和尾部的展形之比．根据Folk-Ward的图解公式计算出各粒度参数(表1),并据其粒度参数分级标准进行级别划分(图4)．

表1　各样点地表沉积物粒度参数

图4　各样点沉积物的粒度参数级别

从表1和图4中可以看出,白刺沙障所拦截的沙物质其平均粒径为3.20Φ,属于极细砂组分,分选性较好,偏度为-0.67,属于极负偏,表现为窄峰态;沙拐枣沙障所拦截的沙物质其平均粒径为2.98Φ,属于细沙组分,分选性较好,偏度为-0.78,属于极负偏,峰态表现为非常窄．两种植物沙障所拦截的沙物质其粒度特征具有相似性,但由于沙拐枣沙堆的高度仅20 cm左右,丘间地粗颗粒物质仍可通过推移或者跃移的搬运方式在沙堆上沉积,所以沙拐枣所拦截的沙物质粒度要稍粗于白刺沙障,在粒度频率曲线上也表现这一特点．另外,两种植物沙障所截拦的沙物质颗粒在粒径上存在的差异,还与植株的形态、盖度和疏透度等因素有关．对尼龙网格沙障而言,其所拦截的沙物质的平均粒径为2.29Φ,属于中砂组分,分选系数为0.96,属于分选中等水平,偏度和峰度分别为0.02和2.01,说明粒度分布相对集中,呈近对称分布状态．

为进一步揭示沙障所截获的沙物质的粒度特征,对沙障外围的对照样地——流动沙丘和丘间地的沙物质进行了分析,其粒度参数差别较大;流动沙丘的平均粒径为2.63Φ,分选性较好,偏度与其他风成沙丘沙偏度一致,属于正偏,峰态很窄;丘间地沙物质平均粒径为1.87Φ,分选性较差,具很窄的极负偏峰态的特点．从粒度组成和粒度参数特征可以看出,尼龙网格沙障所拦截的沙物质颗粒要比两种植物沙障所截获的沙物质颗粒粗一些,说明植物沙障阻沙效果较好．

地表沉积物的粒度分析对于揭示其物质来源具有重要意义．对研究区不同沙障所截获的沙物质以及流动沙丘和丘间地沙物质粒度频率曲线(图5)分析,可反映丘间地和流动沙丘对不同沙障截获沙物质的影响．从图5中可以看出,白刺和沙拐枣沙障拦截的沙物质粒度分布与丘间地沉积物在粒级>2Φ的范围内表现出明显的一致性,尼龙网格沙障拦截的沙物质粒度分布与流动沙丘沉积物在粒级>2Φ的范围内分布也较为一致．据此,说明在大于2Φ粒级范围内的沙物质,白刺和沙拐枣沙障拦截的沙物质主要来源于具有输沙通道性质的丘间地,这与对灌丛沙丘的研究结果[27]相一致;尼龙网格沙障由于铺设在流动沙丘之上,其拦截的沙物质主要来源于流动沙丘．

植物沙障(白刺沙障、沙拐枣沙障)所截获沙物质与丘间地沙物质相比,沙障拦截的沙物质中不含砾石、极粗砂和粗砂组分,且平均粒径较细,分选性好,趋于细偏程度,峰态更窄;尼龙网格沙障拦截的沙物质相对于流动沙丘沙物质而言,所拦截的沙物质颗粒其平均粒径较粗,分选性较差,偏态更接近对称,峰态相对较窄．这进一步说明,在大于2Φ粒级范围内,植物沙障所截拦的沙物质源自丘间地,而尼龙网格沙障所截拦的沙物质源自流动沙丘．

图5　不同样点的粒度频率曲线

4结语

三种沙障所拦截的沙物质其粒度组分和参数特征具有明显的差异性．白刺和沙拐枣两种植物沙障所拦截的沙物质粒度特征较为相似,粒度组分主要集中在2～4Φ,特别是3～4Φ粒径范围内,且分选性都较好,偏度均属于极负偏,且都具有非常窄的峰态;尼龙网格沙障所拦截的沙物质粒度特征有别于植物沙障,其拦截的沙物质粒度组分虽然也集中在2～4Φ,但主要是在2～3Φ粒径范围内,其分选性较植物沙障差,表现出近对称的较窄峰态．

三种沙障对容易形成风沙危害的1.32～4Φ粒径范围内的沙物质具有较好的拦截效果,白刺沙障可拦截98%、沙拐枣沙障可拦截93%,尼龙网格沙障可拦截70%．但综合粒度组分和参数特征来看,尼龙网格沙障所拦截的沙物质颗粒要比两种植物沙障所截获的沙物质颗粒粗一些,说明植物沙障阻沙效果较好．

对三种沙障所拦截的大于2Φ粒径范围的沙物质分析,表明植物沙障和尼龙网格沙障拦截的沙物质具有不同的物质来源,白刺沙障和沙拐枣沙障拦截的沙物质主要来源于具有输沙通道的丘间地,而尼龙网格沙障拦截的沙物质主要来源于流动沙丘．

无论是植物沙障还是机械沙障,其阻沙措施最主要是增加地表粗糙度、降低风速,很显然粗糙度是影响阻沙效果的重要因素．白刺和沙拐枣枝条密集,增大了风沙流运行路径的粗糙度,气流的疏透性较差,并使气流运行的速度发生变化,风的搬运能力降低,风沙流中的沙物质被植被截留并沉积;而尼龙网格沙障表面相对光滑,孔隙度小且容易变形,导致其疏透性较差,地表粗糙度相对较小,对风沙的消减作用不及植物沙障．因此,对不同类型沙障阻沙效应的研究在选择防风固沙措施上具有参考意义．

参考文献：

[1]贾宝全,慈龙骏,蔡体久,等.绿洲-荒漠交错带环境特征初步研究[J].应用生态学报,2002,13(9):1104-1108

[2]贾宝全,慈龙骏,高志海,等.绿洲荒漠化及其评价指标体系的初步探讨[J].干旱区研究,2001,18(2):19-24

[3]韩致文,王涛,董治宝,等.风沙危害防治的主要工程措施及其机理[J].地理科学进展,2004,23(1):13-21

[4]凌裕泉.草方格沙障的防护效益[A].//流沙治理研究[M].银川:宁夏人民出版社,1980

[5]贾丽娜,丁国栋,吴斌,等.几种不同材料类型带状沙障防风阻沙效益对比研究[J].水土保持学报,2010,24(1):42-44

[6]孙涛,刘虎俊,朱国庆,等.三种机械沙障防风固沙功能的时效性[J].水土保持学报,2012,26(4):13-22

[7]曹波,孙保平,高永,等.高立式沙柳沙障防风效益研究[J].中国水土保持科学,2007,5(2):40-45

[8]钟卫,刘涌江,杨涛.三种沙障防风固沙效益比较的风洞实验研究[J].水土保持学报,2008,22(6):7-12

[9]庞营军,屈建军,谢胜波,等.高立式格状沙障防风效益[J].水土保持通报,2014,34(5):11-14

[10]马学喜,王海峰,李生宇,等.两种固沙方格沙障的防护效益及地形适应性对比[J].水土保持通报,2015,35(2):344-348

[11]朱震达,吴正,刘恕,等.中国沙漠概论[M].北京:科学出版社,1980,48-120

[12]彭飞,王涛,刘立超,等.民勤荒漠绿洲过渡带白刺灌丛沙堆演化阶段及其空间格局[J].中国沙漠,2012,32(3):593-598

[13]彭鸿嘉,傅伯杰,陈利顶,等.甘肃民勤荒漠区植被演替特征及驱动力研究—以民勤为例[J].中国沙漠,2004,24(5):628-633

[14]常兆丰,刘虎俊,赵明,等.民勤荒漠植被的形成与演替过程及其发展趋势[J].干旱区资源与环境,2007,21(7):116-124

[15]俄有浩,严平,仲生年,等.民勤沙井子地区地下水动态研究[J].中国沙漠,1997,17(1):72-78

[16]杨自辉.民勤沙井子地区40a来荒漠植被变迁初探[J].中国沙漠,1999,19(4):99-102

[17]丁峰,王继和,彭鸿嘉,等.甘肃科技治沙50年[J].干旱区研究,1999,16(3):44-52

[18]冉敬,杜谷,潘忠习.沉积物粒度分析方法的比较[J].岩矿测试,2011,30(6):669-676

[19]刘志杰.海洋沉积物粒度参数3种计算方法的对比研究[J].海洋学报,2013,35(3):179-188

[20]Folk R L,Ward W C.Brazos river bar:a study in the significance of grain size parameters[J].Journal of Sedimentary Petrology,1957,(27):3-26

[21]凌裕泉,屈建军,金炯.稀疏天然植被对输沙量的影响[J].中国沙漠,2003,23(1):12-17

[22]董治宝,陈广庭,韩致文,等.塔里木沙漠石油公路风沙危害[J].环境科学,1997,18(1):4-9

[23]王训明,陈广庭.塔里木沙漠石油公路半隐蔽式沙障区与流沙区沙物质粒度变化[J].中国沙漠,1996,16(2):180-184

[24]李生宇,雷加强.草方格沙障的生态恢复作用——以古尔班通古特沙漠油田公路扰动带为例[J].干旱区研究,2003,20(1):7-10

[25]曹子龙,赵廷宁,郑翠玲,等.带状高立式沙障防治草地沙化机理的研究[J].水土保持通报,2005,25(4):15-19

[26]成都地质学院陕北队.沉积岩(物)粒度分析及其应用[M].北京:地质出版社,1976：1-147

[27]刘海霞,李晋昌,苏志珠,等.毛乌素沙地西南缘灌丛沙丘沉积物的粒度和元素特征[J].中国沙漠,2015,35(1):24-31

Comparative Analysis of Grain Size of Different Sand Barriers in Desert-Oasis Ecotone in Shajingzi Area of Minqin County

LIANG Aimin1, MA Jie1, ZHANG Jin1, MA Yijuan1, SU Zhizhu2

(1.College of Geography Science,Taiyuan Normal University,Jinzhong 030619;2.Historical Culture School,Shanxi University,Taiyuan 030006, China)

〔Abstract〕Samples were collected from the sand intercepted by different sand barriers including nylon net sand barriers,nitratia tangutorum sand barriers and Calligonum junceum sand barriers in the area of Shajingzi in Minqin. Analyzing the grain size of sediments and compared with the mobile dunes and interdune sediments,this paper discussed the features of grain size of sediments intercepted by different sand barriers. Results showed that the features of grain size of sand intercepted by two plant sand barriers were similar. They mainly intercepted fine sand and very fine sand and could intercept 90% of the sand (1.32 ～4Φ) that could lead to sandstorm. The sand intercepted by nylon net sand barriers intercepting 70% of the sand (1.32～4Φ) tended to be coarser. In terms of the features of grain size of the intercepted sand,plant barriers were more effective than nylon net sand barriers. In addition,the sand intercepted by plant sand barriers mainly came from interdune lands,while the sand intercepted by nylon net sand barriers was mainly from mobile dunes.

〔Key words〕desert-oasis ecotone; sand-protecting barrier;grain-size analysis; Minqin county

*收稿日期：2015-09-17

基金项目：国家科技基础性工作专项(编号:2012 FY111700)资助.

作者简介：梁爱民(1991-),男,湖北宜昌人,太原师范学院地理科学学院在读硕士研究生,主要从事干旱区地貌与环境变化研究.

〔文章编号〕1672-2027(2016)01-0087-06〔中图分类号〕K903

〔文献标识码〕A