柴达木盆地沙丘移动的空间分异及对形态参数的响应

李建军，焦菊英,，曹 雪，白雷超，陈同德，严晰芹，祁泓锟

·研究速报·

柴达木盆地沙丘移动的空间分异及对形态参数的响应

李建军1，焦菊英1,2※，曹 雪2，白雷超1，陈同德1，严晰芹2，祁泓锟1

（1. 西北农林科技大学水土保持研究所，黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌 712100； 2. 中国科学院水利部水土保持研究所，杨凌 712100）

研究沙丘移动规律与空间分异特征有助于准确了解风沙活动的危害程度，为区域城镇规划和青藏高原国家生态安全屏障保护与建设提供参考。该研究基于Google Earth软件测量横向沙丘的形态参数与移动速度，分析了移动速度与方向的空间分异特征，以及移动速度对形态参数的响应。结果表明，1）柴达木盆地内沙丘移动速度介于0～23.53 m/a之间，平均4.66 m/a，以中速（1～5 m/a）为主（53.73%），中部移动最快（5.22±4.27 m/a），东南部最慢（3.27±3.08 m/a），移动方向与主风向一致；2）沙丘移动速度与宽度的相关性最好（2=0.988），以后的研究中需多关注沙丘宽度这一参数；3）从柴达木盆地整体看，降水量越大、风速越低，沙丘移动越慢；从局部看，植被覆盖度越大，沙丘移动越慢；4）密集的河流可阻挡沙丘移动，保护格尔木市区，但不能消除沙丘移动的威胁。

遥感；沙丘；移动；形态参数；柴达木盆地

0 引 言

沙丘是风沙作用的产物，是沙漠、沙地的主要地貌类型，横向沙丘是指沙丘走向与起沙风合成风向交角大于60°的丘状风积地貌形态，包括新月形沙丘及沙丘链、格状沙丘、抛物线形沙丘、复合型新月形沙丘等[1]。沙丘移动是指沙丘整体性顺风向位移，过程为迎风坡风蚀，背风坡堆积。沙丘移动会破坏道路、农田、草场[2]，是除沙漠扩散、沙尘暴之外的一种主要的沙漠化运动形式，也是研究沙丘形成过程的重要问题之一[3]。沙丘移动现象广泛发生在干旱区、海岸甚至是外星球[4]。沙丘移动研究主要包括移动速度的年内年际变化[5-6]、移动速度的影响因素[7-8]、移动前后的形态变化以及监测方法的改进[9]等方面。由于形态简单且较为典型，沙丘移动研究多集中在新月形沙丘上[7]。

地面监测和遥感影像监测是沙丘移动研究中的常用方法。地面监测精度高，但野外监测环境恶劣，实地监测的范围往往较小[10]。如今，差分GPS和无人机摄影[11]等新兴测量技术降低了地面监测工作难度，各种高分影像的出现也使得遥感影像监测有了可靠的数据来源[12]。相比于地面监测，Google Earth提供的多时相高分辨率影像更适于大范围的沙丘移动调查。因此，近几年的沙丘移动研究中，大多数使用遥感影像测量[7]。其中，Google Earth提供的影像分辨率最高也最容易获取，其测量精度也得到了广泛验证[13]。此外，Google Earth提供的影像还被广泛用于验证Landsat、Sentinel等中分辨率影像的沙丘移动测量结果[14]。

柴达木盆地是中国重要的资源工业基地，是青藏高原沙漠分布的主要地区之一，由于空气稀薄、气温较低，被认为是“地球上与火星最为接近的地区”，是研究火星风沙地貌的重要参照[15]。中国火星探测器“天问一号”已经抵达火星轨道，对柴达木盆地风沙地貌的基础研究也需要跟进。柴达木盆地已有的沙丘地貌研究主要集中在沙丘景观格局和沉积物的粒度特征等方面[16]，对柴达木盆地沙丘移动特征及规律还不甚明确。因此，本文以新月形沙丘等横向沙丘为研究对象，基于Google Earth软件对盆地内的沙丘移动情况进行测量，分析沙丘移动速度与方向的空间分异特征，以及沙丘移动速度对形态参数的响应，以期为区域城镇规划与生态文明建设，以及青藏高原国家生态安全屏障保护与建设提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

柴达木盆地地处青藏高原东北部，介于87°48′E～99°20′E、34°41′N～39°20′N之间，属大陆性荒漠气候。盆地内风力和降水时空差异较大[17]，河流以季节性河流为主，湖泊数量较多，沙漠零星分布。经遥感解译，沙漠总面积约16 846 km2。沙丘类型以新月形沙丘及新月形沙丘链为主，另外还有格状沙丘、复合新月形沙丘、圆顶沙丘、抛物线形沙丘、沙垄、金字塔沙丘、爬坡沙丘等。

格尔木市是海西蒙古族藏族自治州下辖县级市，地处柴达木盆地南缘，是连接西部几省区和丝绸之路经济带的重要交通枢纽。市区海拔2 820 m，建在洪积扇边缘，南部为戈壁滩，北部为湿地，因周围“河流密集”而得名。本研究新月形沙丘典型区选在格尔木市区东部约10 km的戈壁滩上，该区域有多期遥感影像，且地形平坦，对风况的影响较小，适合独立地研究沙丘形态参数对移动速度的影响。

1.2 数据来源与沙丘选取

气象数据来自海西州气象局提供的柴达木盆地内7个气象站2003-2016年逐小时数据，计算了平均风速、起沙风时数、降水量、蒸发量等气象要素的多年平均值（表1）。

遥感影像主要是Google Earth提供的GeoEye（0.41 m分辨率）、Quickbird（0.6 m分辨率）和World View（0.5 m分辨率）影像。基于高分影像对柴达木盆地沙漠分布进行目视解译，用0.1°×0.1°网格均匀选点，并剔除两期影像间隔时间短于1 a或仅一期影像的样点。为保证可比性，对于样点落在新月形沙丘链和格状沙丘的区域，均选取其中一环作为研究对象，共测量沙丘67个（图1），影像时间间隔最短1.47 a，最长15.5 a，平均间隔6.45 a，大部分都在3 a以上。为了排除环境因素的影响，进一步研究新月形沙丘移动速度和形态参数的关系，选取了盆地中南部格尔木市区东部一处典型区，共测量沙丘34个（图1c）的形态参数和移动情况，影像时间间隔5.5 a。

表1 柴达木盆地基本气象要素（2003-2016年）

注：起沙风时数为一年中风速大于6 m·s-1的累计小时数。

Note: Sand driving wind hours is the cumulative hours of wind velocity greater than 6 m·s-1in a year.

注：图a中箭头指向沙丘的移动方向。下同。

Note: Arrows indicate the direction of dune migration in the picture a. Same as below.

图1 研究区地理位置及其周边环境

Fig.1 Research area and its surrounding environment

1.3 沙丘形态参数提取

沙丘主要形态参数包括迎风坡长度、背风坡长度、宽度、高度、底面积、周长等，主要通过Google Earth软件获取[12]。迎风坡长度、背风坡长度、宽度3个参数在最高分辨率影像正视状态下，由软件提供的工具测量沙丘移动前的平面长度。由于Google Earth高程精度低，故沙丘高度用背风坡长度乘以休止角的正切计算[8]。在野外考察中，测得格尔木附近沙丘休止角为32°。底面积和周长需要勾绘出沙丘移动前的轮廓，保存后在属性中查看。本研究引入了形状系数的概念，即沙丘实际周长与‎同面积‎圆的周长之‎比，可以反映沙丘的形态；长宽比由沙丘迎风坡、背风坡长度之和除以宽度得到，可以反映沙丘的“胖瘦”[8]。

1.4 沙丘移动测量

沙丘移动前后的影像介于1999-2017年之间，大部分集中在2003-2016年。首先勾绘沙丘移动前脊线和轮廓，再切换到移动后影像进行测量。测量点选择沙丘两翼和脊线中部，分别测量3个点的移动距离和方向并取平均值。由移动距离与两期影像间隔时长计算沙丘移动速度。对影像偏移的沙丘，借助附近的岩石、灌丛等固定物体进行校正。

1.5 数据分析

根据朱震达等[18]的分级方法，将柴达木盆地沙丘移动速度分为4个等级：慢速<1 m/a、中速1～5 m/a、快速>5～10 m/a、特别快速>10 m/a（图1a）。用SPSS 20软件对典型区新月形沙丘各形态参数和移动速度进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 沙丘移动速度与方向

柴达木盆地沙漠沙丘移动速度在0～23.53 m/a之间，平均速度4.66 m/a。盆地内沙丘移动以中速为主（53.73%），其次是快速（29.85%），慢速（10.45%）和特别快速（5.97%）。在空间上自西北向东南减慢，但无明显趋势（表2）。盆地中部沙丘由于地势平坦，移动速度较快（5.22 m/a）。西南部和北部沙漠受到地形的影响，移动速度偏慢（3.35、3.49 m/a），但略快于降水较多植被较好的东南部（3.27 m/a）。盆地内沙丘移动方向整体上自西北向东南，在53.52°～150.06°之间，平均104.13°，与主风向基本一致。另外，盆地边缘沙丘又受到地形影响，沿着高大山脉的延伸方向前进。

表2 柴达木盆地各区域沙丘移动情况

注：同列不同字母表示区域间差异显著，<0.01。

Note: Different letters show significant difference,<0.01.

2.2 沙丘移动的空间分异特征

西北部沙漠沿山脉分为3段（图2a）。沙丘类型包括格状、新月形和复合新月形沙丘。西段为峡谷出口，风力强劲，沙丘平均移动速度6.57 m/a；中段有高大山脉阻挡，平均移动速度3.13 m/a；东段位于茫崖西北风口的下风向，平均移动速度4.04 m/a。中部沙漠分为3条沙带（图2b）。北部沙带地处冷湖西北风口下方，以小型沙丘为主，平均移动速度10.35 m/a。中部沙带地处湿地中心，以新月形沙丘链为主，平均移动速度4.84 m/a。南部沙带位于戈壁，以格状和新月形沙丘为主，平均移动速度3.76 m/a。东南部以固定和半固定格状沙丘为主，临近山体的沙丘平均移动速度仅0.19 m/a，而西侧4个沙丘达到了6.5 m/a（图2c）。沙漠已紧邻都兰县城，但由于降水量较高，沙丘基本固定。北部与西南部沙漠都分布在山谷中（图2d, 2e），北部以新月形沙丘和新月形沙丘链为主，西南部以格状和复合新月形沙丘为主。由于山脉削弱了风力，沙丘平均移动速度分别为3.49和3.35 m/a。

a.西北部；b.中部；c.东南部；c1裸露的沙丘；c2植被覆盖的沙丘；d.北部；e.西南部

a. Northwest region; b. Central region; c. Southeast region; c1.Bare dune; c2.Vegetation-covered dune; d. North region; e. Southwest region

图2 柴达木盆地各区域沙丘移动情况

Fig.2 Dune migration in various regions of the Qaidam Basin

2.3 沙丘移动速度与形态参数的关系

格尔木市区东部典型区所测量的新月形沙丘迎风坡长度范围18.8～172.5 m，宽度范围18～282 m，移动速度在2.79～23.53 m/a之间，整体移动方向95°，平均速度10.94 m/a，以非常快速为主（55.88%），快速（23.53%）和中速（20.59%）占比相近。典型区沙丘迎风坡长度、背风坡长度、宽度、高度、周长之间呈极显著线性相关，底面积与迎风坡长度、背风坡长度、宽度、高度、周长之间呈二次函数关系。背风坡长度、宽度、周长、底面积之间的关系较好（2≥0.729，图3）。

沙丘宽度与形状系数呈幂函数关系（2=0.755），与长宽比呈幂函数关系（2=0.565）。这表明新月形沙丘由小变大的过程，沙丘变“矮胖”（长宽比减小），由椭圆形变为新月形（形状系数增大）。

新月形沙丘移动速度与沙丘迎风坡长度（2=0.716）、背风坡长度（2=0.705）、宽度（2=0.988）、高度（2=0.705）、周长（2=0. 986）、底面积（2=0.955）等形态参数之间都呈现指数关系，与形状系数呈极显著（<0.01）线性负相关关系（2=0.438），与长宽比呈显著（<0.05）线性正相关关系（2=0.130）。其中，移动速度与沙丘宽度、底面积、周长的拟合关系较好（图4c, 4e, 4f）。沙丘形状系数越大，长宽比越小，沙丘体型越大，对应的移动速度也越慢（图4g）。该区域新月形沙丘左翼比右翼向前延伸地更长（图1c），图4h中更多的点分布在1:1线上方，左翼移动速度均值（11.16±5.26 m/a）略大于右翼（10.53±5.47 m/a）。

3 讨 论

3.1 Google Earth提取数据可靠性

Google Earth测量平面形态较为可靠。如刘佳等[13]使用Google Earth进行农作物面积调查，其误差低于0.1%；李镇等[19]与实地测量对比，发现QuickBird影像在目视解译切沟面积、周长的平均相对误差都在5%左右。相较于切沟，沙丘面积更大且与背景环境色差明显，解译沙丘平面形态参数的误差在可接受范围内，基于Google Earth测量沙丘形态参数与移动距离的方法在库木塔格沙漠[7]，库鲁克沙漠[8]，毛乌素沙地[12]，埃及西部沙漠[20]等地得到了广泛应用。Google Earth无法准确测量沙丘高度，而背风坡与背景亮度差异最为明显，为准确获取沙丘高度，本研究中选择了背风坡水平长度换算的方法[8]。今后的研究可结合无人机、差分GPS等新兴技术手段，对典型地区开展实地测量，以提高测量沙丘三维形态参数精度。

3.2 环境因素对沙丘移动的影响

在东南部，年降水量大于200 mm，沙丘大部分固定，植被覆盖的沙丘平均移动速度仅0.19 m/a，而西侧裸露的沙丘平均移动速度达6.50 m/a。与东南部相比，西北部和中心的年平均风速均大于3 m/s[21]，对应的沙丘移动速度也更快。可见沙丘移动速度受到风况、降水、植被、地形等环境因素的综合影响。降水促进植被生长，降低近地表风速[7]，进而减慢沙丘移动。中部沙带距格尔木市区38 km，前缘沙丘移动速度3.77 m/a。按此速度估算，该市将在万年后被吞没，但市区西北方向河流密集（图1b），沙丘很难通过[22-23]，短期内威胁较小。考虑到沙物质能以风沙流形式输移，遇到障碍物再度形成沙丘，故威胁仍存在。柴达木盆地气候呈暖湿化趋势，植被覆盖度逐渐增加[24]，沙丘移动将逐渐变慢。

3.3 形态参数对沙丘移动的影响

沙丘体型越大，移动速度越慢，这与前人研究一致；不同的是，在毛乌素沙地[12]、埃及西部沙漠[20]等地的研究中大多发现沙丘移动速度与形态参数呈线性相关。与前者相比本研究中典型区沙丘宽度范围在18～282 m之间，数据离散程度较大，故呈指数关系，这与Yang等[7]的结论一致。沙丘高度与移动速度相关性高[10]，在前人研究中最受关注。本研究中高度需换算，而宽度不仅易测量，且与移动速度相关性最高，建议给予更多关注。典型区新月形沙丘左翼移动较右翼略快，这是由两个方向的起沙风所致[17,25]，主风向（W）决定了沙丘移动方向，副风向（WNW）则使得左翼伸长（图1c）；还存在盾形沙丘向圆顶沙丘的逆向演化，可能是沙源不足所致[12]。沙丘形态变化会改变移动特征[8]，其移动前后的形态变化还需深入研究。

4 结 论

1）柴达木盆地沙丘移动速度在0～23.53 m/a之间，平均4.66 m/a，其中中速占53.73%，快速占29.85%，慢速占10.45%，特别快速占5.97%。沙丘移动方向整体上自西北向东南，在53.52°～150.06°之间，平均104.13°，与主风向基本一致，并随山脉走向变化。

2）柴达木盆地沙丘移动速度整体上自西北向东南减慢，但无明显趋势。中部沙丘移动最快（5.22 m/a），之后依次是西北部（4.84 m/a）、北部（3.49 m/a）、西南部（3.35 m/a）和东南部（3.27 m/a）。

3）典型区新月形沙丘移动速度与迎风坡长度、背风坡长度、宽度、高度、周长、底面积等形态参数之间都呈指数关系，与形状系数呈极显著（<0.01）线性负相关关系，与长宽比呈显著（<0.05）正线性相关关系。沙丘宽度与移动速度相关性最好，以后的研究中应多关注。

4）从柴达木盆地整体来看，降水量越多、风速越低，沙丘移动越慢；局部来看，植被覆盖度越大，沙丘移动越慢。河流能在一定程度上阻挡沙丘移动，保护了格尔木市区，但并不能消除沙丘移动带来的威胁，沙丘移动问题仍需关注。

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Spatial regionalization and response to morphological parameters of dune migration in the Qaidam Basin of China

Li Jianjun1, Jiao Juying1,2※, Cao Xue2, Bai Leichao1, Chen Tongde1, Yan Xiqin2, Qi Hongkun1

(1. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2. Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China)

Desertification and dune migration are two serious forms of land degradation, resulting in the destruction of grassland and farmland ecosystems. Sandstorm activities occur more frequently in the Tibetan Plateau of western China in recent years, particularly with the expansion of desertification. The Qaidam Basin is the largest intermountain basin located in the northwestern portion of the Tibetan Plateau. This basin is usually considered to be 'the region of Earth most similar to Mars', providing for a sound reference for the study of Mars aeolian geomorphology. However, it is still lacking the understanding of dune migration in the Qaidam Basin. Taking the transverse dunes (such as barchan dune) as the research objects, this study aims to clarify the spatial regionalization and response to morphological parameters of dune migration in the Qaidam Basin. Geo Eye, Quick bird and World View satellite images were utilized to measure morphological parameters and migration using the Google Earth software. The main results were listed as follows: 1) The average migration rate of dunes was between 0 and 23.53 m/a in the study area, with an average of 4.66 m/a, more than half of which was the medium speed (53.73%). The migration direction of the dune was between 53.52° and 150.06°, with an average of 104.13°, indicating a better agreement with the main wind direction. The average speed of dune migration slowed down spatially from northwest to southeast, but there was no obvious trend. Specifically, the fastest migration was found in the middle (5.22 m/a), followed by the northwest (4.84 m/a), the north (3.49 m/a), the southwest (3.35 m/a), and the southeast (3.27 m/a). The migration direction changed with the direction of the mountain range. 2)The migration of the dune was much slower as the volume of dune increased in the same environment. There was a very significant (<0.01) exponential negative correlation between the migration speeds and morphological parameters of dune, such as the length of windward slope (2=0.716), length of lee slope (2=0.705), height (2=0.705), width (2=0.988), perimeter (2=0.986), basal area (2=0.955), whereas, a very significant (<0.01) linear negative correlation with the coefficient of dune shape (2=0.438), and a significant (<0.05) positive linear correlation with the length-width ratio (2=0.130). Therefore, more attention can be paid to the dune width in future studies using remote sensing images. 3)The dune migration was much slower as the wind velocity decreased and the precipitation increased in the whole basin. Furthermore, the dune moved slowly under the great vegetation coverage in the southeastern basin. 4)Dense rivers blocked the dune migration and protected Golmud City, but the dune migration still posed great threats to the whole ecosystem. This finding can make a great contribution to the accurate understanding of sandstorm activities for regional town planning and protection in the national ecological security shelter zone on the Tibetan Plateau of western China.

remote sensing; dune; migration; morphological parameters; Qaidam Basin

2020-11-25

2021-01-17

第二次青藏高原综合考察研究（2019QZKK0603）；中国科学院战略性先导科技专项“泛第三极环境变化与绿色丝绸之路建设”子课题“土壤侵蚀定量评价与分区防控对策”（XDA20040202）

李建军，博士生，主要研究方向为土壤侵蚀。Email：lijianjun@nwafu.edu.cn

焦菊英，博士，研究员。主要研究方向为流域侵蚀产沙、土壤侵蚀与植被关系及水土保持效益评价。Email：jyjiao@ms.iswc.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.038

P931.3

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1002-6819(2021)-07-0309-06

李建军，焦菊英，曹雪，等. 柴达木盆地沙丘移动的空间分异及对形态参数的响应[J]. 农业工程学报，2021，37(7)：309-314. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.038 http://www.tcsae.org

Li Jianjun, Jiao Juying, Cao Xue, et al. Spatial regionalization and response to morphological parameters of dune migration in the Qaidam Basin of China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(7): 309-314. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.038 http://www.tcsae.org