塔克拉玛干沙漠和田河西侧胡杨沙堆粒度特征

马倩雯，来风兵

（新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐830054）

粒度是沉积物的主要特征之一，其组成、分布受沉积物来源、搬运条件、沉积环境、后风化作用的影响[1]。1959 年，粒度分析被引入到中国沙漠的研究中[2]，其在辨识物源背景、指代沉积环境、推断气候变化等方面具有重要意义，因此常应用于各种沉积环境的比较和鉴别[3-6]。近60 a 来，专家学者利用粒度分析方法对库姆塔格[7-8]、毛乌素[9]、塔克拉玛干[10-14]等沙地的沉积物进行了大量研究。

陈渭南、李志忠、贺佳嘉、武胜利、Anderson J L、Wang X M[15-20]等通过对粒度特征的4 个参数计算，表征了不同地区沙丘粒度特征以及表面风况。李万娟[21]、来风兵[22-24]、Friedman G M[25]等通过分析沙堆的形态特征等，探讨了沙堆粒度特征及沙源物质组成。高晨晶[26]、Qiao Y S 等[27]对沙漠化防治、沉积物环境变化与粒度的关系研究，指出粒度特征对环境的指示作用。由于沉积物在结构性状上的自相似性，使沉积物粒度具有明显的分形特征[28-29]，因此，分形维数逐渐成为描述沉积物粒度分布特征的另一个重要参数[30-34]。尽管对沉积物的粒度已有大量的研究分析，但对胡杨沙堆表层粒径分形特征的研究较少。

本文基于以上研究，以塔克拉玛干和田河西侧别里库姆沙漠为研究区域，以胡杨沙堆为研究对象，利用体积分形维数计算模型对别里库姆沙漠30 个胡杨沙堆表层150 个样品进行粒度分析，测定其沉积物粒径并分析该区域胡杨沙堆表层粒度分布状况，探讨粒度分形维数与粒度参数的关系，揭示分形维数所能表征的沉积物特征，并做进一步讨论，从而为胡杨沙堆发育演化机制研究以及揭示沙漠环境的变化过程提供基础资料。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

塔克拉玛干沙漠面积为33.76×104km2，其中流动沙丘占85%以上，是世界上第二大流动性沙漠，也是我国面积最大的沙漠。本研究区位于塔克拉玛干沙漠和田河西侧，麻扎塔格山南侧区域，处于交通相对便利的沙漠石油公路周边，东邻和田河（图1）。地理坐标为79°21′58″～80°20′12″E，37°22′23″～38°17′5″N。该区属暖温带极端干旱荒漠气候，降水稀少，年降水量仅为39.61 mm，蒸发强烈，年均蒸发量达2 648.7 mm，西北风为主，土壤为流动性风沙土，风沙活动频繁，除其边缘出现一些鲸鱼脊状的沙垄外，大片地区分布新月形沙链，沙丘高度在西北部达50 m，密度小，其余均在20 m 以下。植被覆盖度极低，＜5%，以斑块状零星发育[35]。

图1 研究区位及采样点

1.2 研究方法

2018 年10 月，由乌鲁木齐出发至和田市，经过墨玉县到喀瓦克乡，再进入南北向沙漠公路，沿公路两侧由南至北选取1～5 号样方，再沿东西向沙漠公路，沿两侧由西向东选取6～10 号样方，共计10 个样方区域（图1）。在各个样方内选取3 个典型胡杨沙堆从迎风坡坡脚至背风坡坡脚分别采取表层土样，每个沙堆采5 个样品，依次是迎风坡坡脚、迎风坡坡中、沙堆顶部、背风坡坡中和背风坡坡脚。在调查及采样过程中，为了保证具有一定空间代表性，共采样150 个，每个沙样的重量均在250 g 以上，对采集的沙样用样品袋密封带回实验室，采样点用GPS定位。

1.2.1 粒度研究方法

测试仪器为MALVERN 仪器公司生产的Mastersizer 2000 型激光粒度分析仪，该仪器的粒度测量范围为0.02～2000 μm。按照试验规范，对沙样进行预处理后，每个样品称取5～10 g 的风干沙样置于500 mL 的烧杯中，加入约10 mL（10%）的H2O2，放置大约24 h 后，置于电热板上加热，去除样品内的有机质和多余的H2O2。待其冷却后，加入约10 mL（10%）的HCL，去除次生的碳酸盐类物质。样品静置24 h，抽取上层清液，再往烧杯中注满蒸馏水，直到加蒸馏水洗至没有H+为止，加入分散剂六偏磷酸钠（NaPO3）6，使颗粒充分分散。

测试数据采用福克—沃德（Fold & Ward）的计算公式求出平均粒径（MZ）、分选系数（σ1）、偏度（SKI）和峰度（KG）等粒度参数。所有沙堆样品的粒度测试均送往兰州大学西部环境教育部重点实验室完成。

1.2.2 分形研究方法

粒度分析结果以粒径—体积百分数含量呈现，因此本文基于杨金玲等[36]、王国梁等[37]、Tyler 和Wheatcraft[38]提出的关系式进行计算，根据粒度分析所得的粒度体积数据，推算出沉积物的分形维数。

2 结果分析

2.1 胡杨沙堆粒度组成

研究区胡杨沙堆沉积物主要是以极细砂（43.51%）为主，其次为细砂（26.72%），再次为极粗粉砂（11.82%），极细粉砂（细砾除外）含量最少（0.31%）。其余各粒级含量由大到小依次为：中砂、粗砂、中粉砂、粗粉砂、细粉砂、极粗砂、黏土（表1）。此结果与钱亦兵[11]等研究的塔克拉玛干沙漠绿洲区灌丛沙堆的沙较细，且主要由极细砂和粉砂组成的结果相类似。

沙堆表层不同部位沉积物粒度分析结果显示（图2），迎风坡坡脚粒级组分含量由大到小依次为极细砂（37.61 %）、细砂（26.11%）、粗砂（12.72%）、中砂（12.69%）、极粗粉砂（8.95%）、极粗砂（1.01%）、中粉砂（0.48%）、粗粉砂（0.11%）、细粉砂（0.04%）、极细粉砂（0%）、黏土（0%）。迎风坡坡中粒级组分含量由大到小依次为极细砂（41.19%）、细砂（26.34%）、中砂（11.59%）、极粗粉砂（11.39%）、粗砂（5.99%）、中粉砂（1.13%）、粗粉砂（0.70%）、细粉砂（0.50%）、极粗砂（0.29%）、黏土（0.26%）、极细粉砂（0.21%）。而坡顶粒级组分含量由大到小依次为极细砂（46.4%）、细砂（28.10%）、极粗粉砂（12.29%）、中砂（5.88%）、粗砂（2.30%）、中粉砂（1.71%）、粗粉砂（0.98%）、细粉砂（0.87%）、黏土（0.58%）、极细粉砂（0.51%）、极粗砂（0.44%）。背风坡坡中粒级组分含量由大到小依次为极细砂（47.38%）、细砂（22.70%）、极粗粉砂（15.35%）、中砂（6.72%）、粗砂（2.69%）、中粉砂（2.14%）、粗粉砂（1.15%）、细粉砂（0.95%）、黏土（0.55%）、极细粉砂（0.49%）、极粗砂（0.02%）。背风坡坡脚粒级组分含量由大到小依次为极细砂（44.95%）、细砂（30.33%）、极粗粉砂（11.11%）、中砂（7.51%）、粗砂（2.70%）、中粉砂（1.24%）、粗粉砂（0.71%）、细粉砂（0.57%）、黏土（0.40%）、极细粉砂（0.35%）、极粗砂（0.10%）。

表1 胡杨沙堆表层沉积物粒度组成 %

图2 胡杨沙堆不同部位粒度变化

由迎风坡坡脚到坡顶，细砂、极细砂、极粗粉砂、粗粉砂、中粉砂、细粉砂、极细粉砂、黏土含量逐渐增加，极粗砂、粗砂、中砂含量逐渐减少；由坡顶到背风坡坡脚，极粗砂、粗砂、中砂、细砂、极粗粉砂含量逐渐增加，极细砂、粗粉砂、中粉砂、细粉砂、极细粉砂含量逐渐减少。

2.2 胡杨沙堆粒度特征

平均粒径（MZ）、分选系数（σ1）、偏度（SKI）、峰度（KG）以及分形维数是鉴别沙堆表面沉积物沉积环境的重要参考值，根据计算所得粒度数据如表2 所示。

表2 胡杨沙堆不同部位粒度参数统计分析

2.2.1 平均粒径（MZ）

胡杨沙堆表层土壤粒度参数呈现出有规律的变化（表2）。平均粒径以胡杨沙堆迎风坡坡脚最粗，为1.660φ；背风坡坡中平均粒径最细，为2.368φ；平均粒径从迎风坡坡脚至沙堆顶部，粒径逐渐变细（1.660φ—1.999φ—2.302φ）。从背风坡坡中至背风坡坡脚，粒径相对迎风坡变粗（2.368φ—2.176φ）。总体来看，胡杨沙堆迎风坡的土壤粒径大于背风坡的土壤粒径，且迎风坡粒径变化幅度较背风坡略大。

2.2.2 分选系数（σ1）

分选系数越小，沉积物的分选性越好。胡杨沙堆表层平均分选系数在0.991～1.111。根据Fold 和Ward（1957）给出的分选程度评价标准，研究区胡杨沙堆平均分选系数为1.053，分选系数从迎风坡坡脚至沙堆顶部，分选性逐渐变差（0.991—1.104—1.031）；从背风坡坡中至背风坡坡脚，分选性逐渐变好（1.111—1.026）。其中在迎风坡坡脚表现出分选最好，其次是背风坡坡脚、沙堆顶部、迎风坡坡中和背风坡坡中。整体表现出背风坡比迎风坡的分选略差。

2.2.3 偏度（SKI）

胡杨沙堆沉积物的偏度在-0.046～-0.106，平均值为-0.072。偏度系数整体为负，说明塔克拉玛干和田河西侧胡杨沙堆以极细砂、细砂为主，与之前研究结果相符。偏度在沙堆顶部>迎风坡坡脚>迎风坡坡中（-0.065>-0.088>-0.106）；背风坡坡脚>背风坡坡中（-0.046>-0.056）。整体上显示出胡杨沙堆土壤粒径偏度系数背风坡比迎风坡更趋向于负偏。

2.2.4 峰度（KG）

胡杨沙堆的峰度在1.004～1.243，平均值为1.077。从迎风坡坡脚至沙堆顶部，峰度值略微增加（1.004—1.066—1.042），从背风坡坡中至背风坡坡脚，峰度值降低（1.243—1.030）。迎风坡坡脚与背风坡坡脚的峰度值比迎风坡坡中和背风坡坡中的峰度值略小，即迎风坡坡脚、背风坡坡脚、沙堆顶部对应地貌部位比迎风坡坡中、背风坡坡中对应地貌的粒级频率曲线略宽（图3）。

2.2.5 分形维数

土壤分形维数反映土壤的自我相似性，根据粒度分析结果，利用粒径体积—百分数对胡杨沙堆表层分形维数进行计算。由表2 可知，塔克拉玛干沙漠和田河西侧胡杨沙堆的粒径分形维数介于0.68～2.47，平均值为1.66，标准偏差介于0.26～0.62。分形维数从迎风坡坡脚至沙堆顶部，分形维数逐渐变小（1.81—1.77—1.50），从背风坡坡中至背风坡坡脚，分形维数逐渐变大（1.44—1.78）。

图3 胡杨沙堆各部位表层土壤粒度频率曲线

2.3 胡杨沙堆分形维数与其他粒度特征的相关性

分形维数作为一种新的粒度分布参数，与传统粒度参数（平均粒径、分选系数、偏度、峰度）进行比较，可以更好地揭示出沉积物的粒度特征。将研究区30 个胡杨沙堆的分形维数与粒度参数的关系进行分析，得到图4 和表3。

不同沉积环境下分形维数与平均粒径的关系各不相同。胡杨沙堆表层沉积物分形维数与平均粒径之间存在显著负相关关系，拟合程度一般，R2=0.403，这与毛东雷[39]等对新疆策勒绿洲—沙漠过渡带沉积物粒度分析结果一致，但其相关系数较本文要小（R2=0.347）。

分形维数与分选系数之间存在显著正相关关系，拟合程度中等偏上，R2=0.623，说明分形维数越大，分选程度越好，沉积物分布就越分散。现有研究也证明了这一点[11，39]，本文也与此保持一致。分形维数与偏度之间存在正相关关系，拟合程度一般，R2=0.353，相关系数与其他粒度参数相比偏小。分形维数与峰度之间存在显著正相关关系，拟合程度中等偏上，R2=0.737，相关系数与其他粒度参数相比偏大，与以往研究结果相比[11，39]，相关系数也偏大。

表3 分形维数与粒度参数相关关系及回归分析

图4 分形维数与平均粒径（a）、分选系数（b）、偏度（c）及峰度（d）之间的关系

胡杨沙堆的分形维数与平均粒径、分选系数、偏度、峰度之间均存在显著相关关系，尤其是与峰度的相关性最强，与偏度值的拟合程度最弱。胡杨沙堆表面的沙粒主要为砂和粉砂，其中极细砂和细砂的含量偏高。随着植被覆盖度的增加，植被对风的阻碍程度增强，砂粒的自我相似性也越高，与4 个参数之间的相关性也比较显著。

3 讨论

在胡杨沙堆不同地貌部位表层沉积物的粒度特征表现出有规律的变化，是风沙流、沙堆形态、植被和沙源综合作用的结果[39]。塔克拉玛干和田河西侧别里库姆沙漠属于半固定沙，由于受到麻扎塔格山和和田河两个天然屏障的影响，研究区范围内多为低矮的沙堆、沙丘，植被覆盖度低，通过对胡杨沙堆各部位表层土壤粒度频率曲线分析，可以看出胡杨沙堆表层土壤主要由细砂、极细砂和极粗粉砂组成，其中以迎风坡坡脚、迎风坡坡中分选差，为负偏；在迎风坡坡脚存在双峰，其余部位为单峰。由此可以确定别里库姆沙漠胡杨沙堆表层土壤的来源表现较为单一，以风成沉积物来源为主。

本研究胡杨沙堆表层平均粒径从迎风坡坡脚至背风坡坡中逐渐变细，从背风坡坡中至背风坡坡脚逐渐变粗；此结果与唐进年[7]、何清等[8]对库姆塔格沙漠的研究结果一致（平均粒径为2.42φ，迎风坡到背风坡土壤粒径逐渐变细）。此结果与杨兴华[13]、赵聪敏[14]、陈渭南[15]、李志忠[16]、武胜利[18，21]等对塔克拉玛干沙漠的研究结果也相符，说明了风力对沉积物产生了较大的影响。

沙堆各部位分选性表现不一，沙堆表层土壤整体分选性较好，其中在迎风坡的分选性最好。但此结果与库姆塔格沙漠[7-8]（平均分选系数为0.65）、艾比湖区域[21]（平均分选系数为0.50）相比，分选性较差。

偏度整体属于负偏。这说明沙堆表面迎风坡的风力作用从坡脚到坡顶逐渐加强，背风坡沉积作用从坡中到坡脚逐渐变弱；粒径频率曲线显示在迎风坡坡脚存在双峰，其余部位为单峰。胡杨沙堆表层土壤频率曲线呈现出从中等到较窄的变化，反映了典型的风力作用的特征。

沉积物体积分形维数介于0.68～2.47，平均值为1.66，在迎风坡坡脚和背风坡坡脚分形维数较大，在沙堆坡顶分形维数较小。在已有研究[40-44]表明，沉积物的粒级含量、地表形态（流动、半固定、固定）、地表风速以及植被覆盖度的高低、风蚀强度等，均是分形维数产生差异的原因。

4 结论

本文采用福克—沃德的计算公式求出研究区150 个样品的平均粒径（MZ）、分选系数（σ1）、偏度（SKI）和峰度（KG）等粒度参数，根据粒度分析所得的粒度体积数据，推算出沉积物的分形维数，得到如下结论：

（1）胡杨沙堆表层土壤沉积物砂含量高达98.7%，有超过82%的土壤颗粒粒级在32 ～250 μm的细沙范围内，平均粒径为258.0 μm。胡杨沙堆表层平均粒径以极细砂和细砂为主，沉积物整体分选性较好，偏态整体属于负偏，峰度呈现出从中等到较窄的变化。

（2）沙堆表层土壤的分形维数与各粒度特征参数均呈显著线性相关。分形维数与平均粒径呈显著负相关，拟合程度中等，R2=0.403；与分选系数呈显著正相关，拟合中等偏上，R2=0.623；与偏度值呈正相关，拟合程度一般，R2=0.353；与峰度值呈显著正相关，拟合中等偏上，R2=0.737。

（3）胡杨沙堆粒径分形特征为研究胡杨沙堆发育演化机制、解释风沙运动及风沙地貌的形成、探讨沉积环境的变化过程提供了基础资料，为塔克拉玛干区域风沙危害的防治提供理论依据。