新疆塔克尔莫乎尔沙漠北缘灌丛沙堆表层沉积物粒度特征

王佩，马倩,2,朱元璞，曾燚

(1.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054；2.新疆干旱区湖泊资源与环境重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830054)

沉积物粒度特征在区分风沙地貌、沉积环境；判定搬运方式与动力条件；控制沙丘地貌、研究古气候变化等方面具有重要意义[1]。灌丛沙堆是分布在干旱、半干旱地区，在自然和人为因素影响下发育而成的一种比较常见和典型的风沙地貌类型，是土壤风蚀物在遇到植被阻拦后逐渐堆积而成。许多学者研究发现，灌丛沙堆的存在是土壤风蚀和土地荒漠化的标志，同时也可以作为土地退化评价指标之一[2]，其发育过程主要受到植被状况、物源供给、风沙活动、气候环境、人类活动的影响。随着土地沙化理论和机制研究的成熟，灌丛沙堆已成为风沙地貌学、古环境演化等众多研究者的关注热点。我国干旱、半干旱地区面积广大，灌丛沙堆主要分布于农牧交错带、荒漠草原、沙漠边缘、荒漠绿洲过渡带及河床河谷地带等[3]，主要植被类型有锦鸡儿、柽柳、白刺、蒿类等。对灌丛沙堆的研究主要集中在沙堆的形态特征[4-8]、沉积物分布规律[9-11]、沙堆形成演变[12-13]以及灌丛沙堆所带来的环境指示意义[14]等方面。在地域上，目前国内对灌丛沙堆的研究主要集中在新疆、甘肃、内蒙古等地。另一方面灌丛沙堆也有削弱风力、截留风沙、维护区域生态安全的作用[15-16]。新疆伊犁塔克尔莫乎尔沙漠是受西风带控制下形成的固定半固定河谷型沙漠，由于人类活动过程导致地表植被退化，土地沙化严重，使得该沙漠面积不断扩大。本课题组在对灌丛沙堆沉积物进行野外采样的基础上，对塔克尔莫乎尔沙漠北缘灌丛沙堆粒度特征进行研究，分析塔克尔莫乎尔沙漠北缘灌丛沙堆整体和不同地貌部位的沉积物粒度特征差异、粒度参数特征及粒度参数之间的相关性，为丰富区域风沙地貌研究及沙漠化定量研究提供依据，以促进沙漠化土地治理及修复生态环境。

1 研究区概况

塔克尔莫乎尔沙漠(又名霍城沙漠)，地理坐标N 43°50′34″～44°09′00″，E 80°27′00″～80°51′28″，总面积约4.85×104hm2，降水稀少、气候干旱炎热、昼夜温差较大，风沙天气较多，研究区全年起沙风(≥5 m/s)主要发生在春、夏、秋三季，风向主要以西南西风(WSW)为主，占全年起沙风频率的66%，其次风向为西风(W)、西南风(SW)，其他风向占比比较小，属温带大陆性荒漠气候，是典型西风带半干旱气候影响下的固定半固定河谷型沙漠，为伊犁河流域面积最大的沙漠，被发源于北山沟水系切割成霍尔果斯沙漠、塔克尔莫乎尔沙漠、巴基泰沙漠、图开沙漠和惠远南沙窝等几个小沙漠，在河流廊道的分片切割作用下，极大地削弱了整个沙漠的流动性，沙漠沙层湿度较高，加之人为因素影响下人工植被的介入，区内植被比较丰富，广泛生长梭梭(Haloxylonammodendron(C.A.Mey.) Bunge)、锦鸡儿(Caraganasinica(Buc'hoz) Rehd.)、骆驼刺(Alhagi sparsifolia Shap.)、芨芨草(Achnatherumsplendens(Trin.) Nevski)、铃铛刺(Halimodendronhalodendron(Pall.) Voss)等乔、灌、草以及短生、类短生植物，总植被盖度为17%～35%，区内土壤主要以半固定风沙土为主，还发育着灰钙土、沼泽土、草甸土、盐土、潮土等，在沙漠西南部广阔的风蚀地面发育着体积较小，相对高度约为1～2 m的抛物线沙丘或雏形的抛物线沙丘，图开沙漠南部零星分布着舌状沙丘和雏形的新月形沙丘，沙漠中部地带分布较为密集的不对称抛物线形沙丘，开口朝向西南方向，沙漠北部地区主要发育密集而高大的复合型灌丛沙堆、梁窝状沙丘及沙垄等。

图1 研究区位置及采样点图Figure 1 Locations of the sampling points and the study area

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

本研究采样点主要选取在沙堆发育完整的沙漠北部，并对发育典型的灌丛沙堆进行沙样采集(图2)。典型灌丛沙堆一般按照迎风坡底、坡中、顶、背风坡中、坡底的5个部位顺序采样，此次采样选择不同类型的沙丘8个，共采取沙样120个，采样方法与Lancaster[17]在纳米布沙漠的采样标准类似，选取0.2 m×0.2 m面积的沙面，均匀采集表面深度为0～5 cm的表层沉积物样品，样品质量约500 g，采样后进行详细的观测，其位置经GPS精准定位，记录沙丘类型、沙丘部位、高度及坡度等信息，同时描述沙丘的地貌特征、形态特征、植被特征，记录后用样品袋封存沙样。

图2 灌丛沙堆表层沉积物沙样采样点Figure 2 Collection points of surface sediment sand samples of shrub sand pile

2.2 研究方法

通过英国Malvern制造的Mastersizer-2000激光粒度分析仪(0.02～2 000 μm)测试本试验中所采集的粒度样品，测量结果用Folk-Ward粒度公式，用GRADISTAT粒度分析软件得到各粒度参数，粒度分级采用Wentworth分类[18]：黏土，0～2 μm；粉砂，2～63 μm(细分为极细粉砂，2～4 μm；细粉砂，4～8 μm；中粉砂，8～16 μm；粗粉砂，16～31 μm；极粗粉砂，31～63 μm)；砂，63～2 000 μm(细分为极细砂，63～125 μm；细砂，125～250 μm；中砂，250～500 μm；粗砂，500～1 000 μm；极粗砂1 000～2 000 μm)。

粒度参数计算采用Folk-Ward等[19]的计算公式计算出所需指标平均粒径(MZ)、分选系数(σ1)、偏度(SK1)和峰态(KG)，其中平均粒径可以表征沉积物粒度分布情况，分选系数可以表示颗粒大小均匀程度，偏度反映沉积物颗粒的粗细分布状况，而峰态反映颗粒粒径在平均粒径两侧集中程度[20]。参数计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Φ5、Φ16、Φ25、Φ50、Φ75、Φ84、Φ90，分别代表5%、16%、25%、50%、75%、84%、90%概率曲线上所对应的粒径值。

2.3 数据处理

所有数据均采用Excel、IBM Statistics SPSS、Origin 9.0软件分析及绘制相关图表。

3 结果与分析

3.1 灌丛沙堆表层沉积物粒径特征

塔克尔莫乎尔沙漠北缘灌丛沙堆表面砂物质(图3-A)主要由极细砂、细砂、中砂、粗砂组成，其中细砂和中砂所占的比例最大，其次是极细砂和粗砂，其他粒级所占的百分比均较少。灌丛沙堆各粒级平均含量依次为细砂(46.48%)>中砂(41.29%)>极细砂(6.10%)>粗砂(4.26%)>粗粉砂(1.80%)>极粗粉砂(0.32%)>中粉砂(0.20%)>细粉砂(0.11%)>极细粉砂(0.05%)>极粗砂(0.002%)。

在塔克尔莫乎尔沙漠北缘灌丛沙堆(图3-B)，在不同地貌部位的粒级分布规律有所不同，占比最大的细砂，其含量在沙堆顶部最大，平均含量为48.82%，在不同地貌部位的分布规律中，从迎风坡底到顶部再到背风坡底，呈现先增多后减少的趋势；而粗砂各部位分布规律与细砂相反，从迎风坡底到顶部再到背风坡底，呈现先减少再增加的分布规律；中砂在迎风坡底含量最高，平均含量为44.28%，其次依次为顶部、迎风坡中、背风坡中，含量依次为42.94%、42.28%、41.17%，在背风坡底部中砂的含量最少；极细粉砂、细粉砂、中粉砂、极粗粉砂、极细砂在不同地貌部位中的变化规律相近，从迎风坡底到迎风坡中再到顶部最后到背风坡底，基本呈现先增加再减少再增加的趋势，且各粒级都在顶部百分含量最少，在背风坡中百分含量最多。

从不同坡向来看，灌丛沙堆中迎风坡中砂、细砂含量高于背风坡，而其他粒级百分含量则相反，背风坡含量高于迎风坡，说明迎风坡偏粗，背风坡偏细，这是由于灌丛沙堆表层沉积物在风力作用下，较细的砂物质被风携带到其他的地方，同时在周围植被的阻挡下，粗砂粒在迎风坡发生沉降，较细砂粒受背风坡回旋气流的影响，堆积于背风坡，由迎风坡向背风坡沙粒趋向于细化，从坡底与坡顶来看，灌丛沙堆中迎风坡顶部细砂含量高于迎风坡底，而极细砂、中砂、粗砂含量与细砂含量规律相反，坡顶含量低于迎风坡底；相对于背风坡来说细砂、中砂含量在坡顶高于背风坡底，而粗砂、极细砂及粗粉砂在背风坡底含量高于坡顶，说明在迎风坡从坡底沙粒趋于细化，在背风坡从坡顶到坡底沙粒趋于细化。

3.2 灌丛沙堆表层沉积物粒度参数

沉积物的来源、沉积环境等可以用粒度参数来表征。分析塔克尔莫乎尔沙漠北缘灌丛沙堆粒度参数发现(表1)，在灌丛沙堆表层沉积物平均粒径范围介于1.62～2.49 Φ，标准偏差为0.20，平均值为2.06 Φ，属于细砂范围，在背风坡平均粒径最大，其他依次为顶部、背风坡中、迎风坡中，迎风坡底平均粒径的值最小为1.97 Φ；灌丛沙堆表层沉积物分选系数介于0.50～0.83 Φ，标准偏差为0.08，平均值为0.62 Φ，属于中等偏好分选性，分选系数值表现为背风坡底>迎风坡中>迎风坡底>背风坡中>顶部，分选性由迎风坡底到迎风坡中到顶部再到背风坡底，呈现先变好到差再到好的趋势，且在灌丛沙堆的顶部分选性最差；偏度值介于-0.02～0.12 Φ，标准偏差为0.03，平均值为0.04 Φ，属于近对称分布，偏度值在顶部最小为0.031 Φ，在背风坡底偏度值最大，为0.57 Φ，不同地貌部位从迎风坡底到顶部再到背风坡底部，呈现先减小再增大的变化趋势，峰态值介于0.92～1.05 Φ，标准偏差为0.03，平均值为0.97 Φ，属于中等峰态，在不同地貌部位中，背风坡底部峰态值最大为0.993 Φ，其次依次为迎风坡中、背风坡中、迎风坡底，平均最小值出现在顶部，为0.965 Φ。

表1 灌丛沙堆不同地貌部位表层沉积物粒度参数

3.3 灌丛沙堆表层沉积物粒度参数相关性

对塔克尔莫乎尔沙漠北缘灌丛沙堆表层沉积物平均粒径、分选系数、偏度、峰态4个参数结合SPSS对粒度参数做相关性分析(表2)，发现平均粒径与偏度、平均粒径与峰态，偏度与峰态之间具有一定的相关性，平均粒径与偏度在0.01水平上显著正相关，相关系数是0.414，说明平均粒径Φ增大，即粒径变细，偏度越偏向正偏；平均粒径与峰态在0.01水平上显著正相关，相关系数是0.471，说明灌丛沙堆表层沉积物粒径变细，峰态也越窄；峰态与偏度在0.01水平上也呈现显著正相关，相关系数为0.665，即灌丛沙堆表层沉积物粒度偏度值随峰态值增大而相应变大，峰态频率曲线越窄，偏度越偏向正偏，而平均粒径与分选性、分选性与偏度、峰态之间的相关性较差。

表2 灌丛沙堆表层沉积物粒度参数相关性

4 讨论与结论

4.1 讨论

塔克尔莫乎尔沙漠地处中纬度半干旱内陆地区，具有较好的水分条件、植物条件和丰富的砂物质来源[21]，研究区域地表沉积物受地形、植被以及风砂来源的影响，同时与风化、碰撞及流体冲刷等因素有关，一方面研究区周边有广布沙漠存在，这为灌丛沙堆表层砂物质提供了丰富的来源，不同来源的砂物质在风力作用下搬运过程存在差异，这对该沙漠灌丛沙堆表层沉积物产生影响。从灌丛沙堆整体表层沉积物粒径特征来看，迎风坡与背风坡相比粒径偏粗，此粒径分布特征与肖晨曦等[22]在和田河流域研究的灌丛沙堆的粒径分布规律一致。本研究中塔克尔莫乎尔沙漠北缘灌丛沙堆表面沉积物平均粒径与分选系数、分选系数与偏度、峰态之间的相关性不显著，说明研究区灌丛沙堆表面沉积物与其他区域受到的风动力条件有所不同，其表面的沉积物粒度特征也有所差异，灌丛沙堆表面砂物质呈现近对称分布、中等峰态，表明表层沉积物粒度分布的对称性变化更为分散、复杂，同时研究区内的砂物质整体分布比较集中。另一方面灌丛沙堆在形成过程中都会受到植被的影响，本研究区内的灌丛沙堆上都有柽柳、锦鸡儿、骆驼刺、梭梭等植被生长，风在搬运砂物质时受到植被的作用，对沙堆表层沉积物分布产生影响，毛东雷等[23]研究发现，有透风型植被障碍物前形成的回涡沙丘表面风力分选过程比无植被障碍物前形成的回涡沙丘表面更为复杂，说明植被的形态特征对灌丛沙堆表层砂物质的分选也产生作用，同时展秀丽等[24]在宁夏白芨滩防沙治沙区发现在草方格与植物措施的治理下，沙区内风沙土的颗粒的分选性较好，分配程度均匀性良好，随着治理程度以及植被盖度的增加，表层土壤颗粒都向着细粒化方向发展。本研究区灌丛沙堆中的植被与沙堆形成之间的作用关系可在今后进一步研究。

4.2 结论

1) 塔克尔莫乎尔沙漠北缘灌丛沙堆表面砂物质主要由极细砂、细砂、中砂、粗砂组成，其中细砂和中砂所占的比例最大，其次是极细砂和粗砂，其他粒级所占的百分比均较少。

2) 在灌丛沙堆表面沉积物各粒级所占百分含量中，中砂百分含量从迎风坡到顶部再到背风坡，呈现先增加后减少的趋势，而粗砂百分含量从迎风坡到顶部再到背风坡，呈现先减少再增加的趋势，极细粉砂、细粉砂、中粉砂、极粗粉砂、极细砂在不同地貌部位中的变化规律相近，从迎风坡底到迎风坡中再到顶部最后到背风坡底，基本呈现先增加再减少再增加的趋势，且各粒级都在顶部百分含量最少，在背风坡中百分含量最多。从不同坡向来看，迎风坡相比背风坡偏粗。

3) 灌丛沙堆表层沉积物从迎风坡底到顶部，平均粒径逐渐变细，分选性逐渐变差，从顶部到背风坡底部，平均粒径逐渐变细，分选性逐渐变好。偏度值与峰态值变化趋势基本一致，属于近对称分布和中等峰态。

4) 灌丛沙堆表层沉积物粒度参数间，平均粒径与偏度、峰态呈现显著的相关性(P<0.01)，峰态与偏度之间也呈现显著的正相关(P<0.01)，平均粒径与分选系数、分选系数与偏度、分选系数与峰态之间的相关性不显著。