塔克拉瑪干沙漠南緣紅柳沙包沙物質(zhì)粒度特征與風(fēng)沙環(huán)境變化

高辰晶，劉 倩，王艷欣，趙元杰，高偉明，夏訓(xùn)誠

（1.河北師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，石家莊050016；2.石家莊新奧燃?xì)庥邢薰荆仪f050035；3.中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊830011）

紅柳沙包屬于灌叢沙丘，廣泛分布于塔克拉瑪干沙漠南緣地區(qū)（塔南地區(qū)）以及位于塔克拉瑪干沙漠中河流下游的河道兩岸和三角洲地帶，也成群分布在沙漠內(nèi)的古河道與洼地中［1］。其中一些紅柳沙包如同樹木年輪，具有清晰的沉積紋層，可以作為荒漠地區(qū)恢復(fù)古氣候和古環(huán)境的計(jì)年手段和氣候環(huán)境信息載體［2］。沉積物粒度特征是古氣候環(huán)境演變的良好標(biāo)志之一［3－4］，可用于研究不同時(shí)期沙物質(zhì)來源和風(fēng)況變化［5］。本文通過塔南地區(qū)不同地點(diǎn)的紅柳沙包沉積紋層沙物質(zhì)粒度特征，分析風(fēng)沙環(huán)境變化，對促進(jìn)本地區(qū)生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)有重要的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

塔南地區(qū)位于昆侖山和塔克拉瑪干沙漠的交接地帶，屬降水量稀少、蒸發(fā)量高、晝夜溫差大的極端干旱暖溫帶大陸性氣候，年均降水量小于100mm，而年蒸發(fā)量可達(dá)2 500～3 400mm，多風(fēng)沙和浮塵天氣，風(fēng)沙危害嚴(yán)重。植被主要為旱生和超旱生的極端稀疏的荒漠植被，以半灌木和灌木為主，種類稀少，群落組成簡單，覆蓋度較低，大部分地方是裸露沙地［6］。年徑流量較大的河流主要有葉爾羌河、玉龍喀什河、喀拉喀什河、克里雅河以及且末河等。其中，安迪爾故城自唐代中后期逐漸被廢棄，目前遺址區(qū)內(nèi)多為流動(dòng)沙丘，分布有紅柳、蘆葦?shù)?；安迪爾牧場為現(xiàn)代綠洲，位于安迪爾河下游三角洲，分布有胡楊、紅柳、蘆葦、駱駝刺等；達(dá)瑪溝鄉(xiāng)也為現(xiàn)代綠洲，位于達(dá)瑪溝河下游三角洲，分布有胡楊林、紅柳、蘆葦?shù)取?/p>

2 樣品采集與分析

2.1 沙物質(zhì)樣品采集

2011年6月18—20日，在民豐縣安迪爾故城（A采樣點(diǎn)）、安迪爾牧場（B采樣點(diǎn)）和策勒縣達(dá)瑪溝鄉(xiāng)（C采樣點(diǎn)），選擇典型紅柳沙包后，對紅柳沙包剖面進(jìn)行清理和固定。對于清晰、連續(xù)的沉積紋層，按照沉積紋層層理，從頂層到底部逐層采集［7］；對于紋層不清晰層段，按照一定厚度從上向下分層采集。其中，A采樣點(diǎn)，地理坐標(biāo)37.83°N，83.71°E，海拔1 300m，共采集沉積紋層樣品88個(gè)，剖面深度約1.5m；B采樣點(diǎn)，地理坐標(biāo)37.72°N，83.82°E，海拔1 223m，共采集沉積紋層樣品107個(gè)，剖面深度約5m；C采樣點(diǎn)，地理坐標(biāo)37.09°N、81.08°E，海拔1 318m，共采集沉積紋層樣品151個(gè)，剖面深度約4.5m。

2.2 樣品處理與分析結(jié)果

將樣品中的沙物質(zhì)和紅柳枯枝落葉分離后，對沙物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理：①采用浸提法去除鹽分；②采用氧化法（H2O2）去除有機(jī)質(zhì)；③采用溶蝕法（HCl）去除鈣質(zhì)膠結(jié)物；④采用超聲波振蕩法分散樣品［8］。用Malvern 2000激光粒度儀測定粒級組成［7］。其測定范圍在0.02～2 000μm，粒級分辨率達(dá)1mm。粒度分析結(jié)果見圖1。

圖1 中A采樣點(diǎn)以細(xì)沙為主，含量為83.62%～91.4%；粗粉沙次之，含量7.69%～12.72%；黏粒、粗黏粒和細(xì)粉沙較少，分別為0～0.63%，0～1.23%，0.84%～1.22%；而除了1994年、1985年、1967年、1938年和1803年這五層含有粗沙外，其余紋層均無出現(xiàn)。

B采樣點(diǎn)以細(xì)沙為主，含量為82.91%～98.54%；粗粉沙次之，含量1.46%～13.89%；黏粒、粗黏粒以及細(xì)粉沙含量較少，分別為0～0.6%，0～1.3%，0～1.19%；而粗沙含量所占比例也很小，平均含量僅為0.02%左右。

C采樣點(diǎn)主要為細(xì)沙，其含量為69.4%～78.83%；粗粉沙含量較多，占17.87%～25.05%；黏粒、粗黏粒以及細(xì)粉沙含量較少，其含量分別為0.63%～0.8%，1.16%～1.75%，1.32%～1.88%；而粗沙所占比例很少，除了1989—2010年、1966—1986年、1916—1917年、1909年所占比例稍大（1%左右）外，其余平均在0.2%左右。

2.3 沉積紋層的年代序列

采用210Pb CIC模式［9］，依據(jù)沙物質(zhì)210Pbex隨深度變化的對數(shù)擬合曲線方程，計(jì)算各采樣點(diǎn)沉積紋層的平均沉積速率，再根據(jù)各采樣點(diǎn)的平均沉積速率和樣品沉積的深度估算其年代。并結(jié)合紋層計(jì)年、137Cs測年和14C測年數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，最終建立各采樣點(diǎn)紅柳沙包沉積紋層的年代序列，其中A采樣點(diǎn)序列時(shí)段為1792—2010年，B采樣點(diǎn)序列時(shí)段為1600—2010年，C采樣點(diǎn)序列時(shí)段為1590—2010年（圖2）。

圖2 塔南地區(qū)紅柳沙包沉積紋層的年代序列

3 結(jié)果與分析

3.1 粒度參數(shù)特征

根據(jù)粒度參數(shù)計(jì)算方法［4，10］，分別對三個(gè)采樣點(diǎn)沉積紋層沙物質(zhì)粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行間斷年份粒度參數(shù)的線性插值，最后用Sigma Plot軟件繪制粒度參數(shù)變化圖（圖3）。

圖3 不同采樣點(diǎn)紅柳沙包沉積紋層沙物質(zhì)粒度參數(shù)

圖3 中A采樣點(diǎn)沙物質(zhì)粒徑主要分布在0.16φ～11.13φ之間，粒徑平均值為3.71φ，中值粒徑為3.69φ。分選系數(shù)為1.25～1.34，平均值為1.27，表明該采樣點(diǎn)沙物質(zhì)粒度分選性較好。偏度值為－0.25～－0.05，平均值為－0.11。其中，44.6%的偏度值為－0.3～－0.1，屬于負(fù)偏態(tài)；55.4%的偏度值為－0.1～0.1，呈近對稱分布，說明沙物質(zhì)粒度以細(xì)組分為主，且沙物質(zhì)粒度的分選性有變差趨勢。峰度值為0.96～1.49，平均值為1.08。其中，78.2%的峰度值為0.9～1.11，屬中等（正態(tài)）型；21.8%的峰度值為1.11～1.56，屬尖銳型。

B采樣點(diǎn)沙物質(zhì)粒徑主要分布在1.99φ～11.13φ，粒徑平均值為3.47φ，中值粒徑為3.46φ。分選系數(shù)為1.23～1.33，平均值為1.26，表明該采樣點(diǎn)沙物質(zhì)粒度分選性較好。偏度值為－0.27～－0.01，平均值為－0.06。其中，11.9%的偏度值為－0.3～－0.1，屬于負(fù)偏態(tài)；88.1%的偏度值為－0.1～0.1，呈對稱分布。峰度值為0.93～1.45，平均值為1.00。其中，88.1%的峰度值為0.9～1.11，呈中等（正態(tài)）分布；11.9%的峰度值為1.11～1.56，屬尖銳型。

C采樣點(diǎn)沙物質(zhì)的粒徑主要分布在0.16φ～11.13φ，粒徑平均值為3.95φ，中值粒徑為3.90φ。分選系數(shù)為1.58～1.76，平均值為1.64，表明該采樣點(diǎn)沙物質(zhì)分選性較好。偏度值為－0.25～－0.17，平均值為－0.22，屬負(fù)偏態(tài)。峰度值為1.26～1.41，平均值為1.35，屬尖銳型。

3.2 粒級分布與概率累計(jì)特征

3.2.1 粒級分布特征 根據(jù)粒度組成和粒度參數(shù)，采用Excel 2007軟件處理后，得到3組沙物質(zhì)的粒級分布規(guī)律，3個(gè)采樣點(diǎn)沙物質(zhì)粒度分布整體呈現(xiàn)負(fù)偏態(tài)，而B采樣點(diǎn)粒級分布所指向的1846年、1972年、1977—1982年、1988—2010年的沉積紋層明顯不同于其他紋層，其原因?yàn)樵摬糠稚澄镔|(zhì)中含有較多的粗沙粒。

3.2.2 概率累積特征 依據(jù)粒度組成和粒度參數(shù)，并使用相關(guān)軟件處理后，得到3組沙物質(zhì)粒度概率累計(jì)曲線。3個(gè)采樣點(diǎn)紅柳沙包沉積紋層沙物質(zhì)粒度概率累積曲線的類型基本一致，均呈“S”型分布，且具有很高的相似性，反映其沉積動(dòng)力環(huán)境相對一致。

4 討論

4.1 不同采樣點(diǎn)粒度參數(shù)的差異及形成原因

表1列出了塔南地區(qū)3個(gè)采樣點(diǎn)紅柳沙包沉積紋層沙物質(zhì)的平均粒徑、中值粒徑、分選系數(shù)、偏度以及峰度五個(gè)粒度參數(shù)特征［11－12］。

表1 塔南地區(qū)紅柳沙包沉積紋層沙物質(zhì)粒度參數(shù)特征

根據(jù)表1數(shù)據(jù)得出，沙物質(zhì)平均粒徑：B采樣點(diǎn)＞A采樣點(diǎn)＞C采樣點(diǎn)，說明在B采樣點(diǎn)周圍的風(fēng)沙搬運(yùn)動(dòng)力最強(qiáng)；中值粒徑：B采樣點(diǎn)＞A采樣點(diǎn)＞C采樣點(diǎn)，說明在B采樣點(diǎn)沉積物質(zhì)以躍移和蠕移為主，而在C采樣點(diǎn)以懸移為主；分選系數(shù)：B采樣點(diǎn)的分選性明顯好于A采樣點(diǎn)和C采樣點(diǎn)，說明B采樣點(diǎn)的沉積環(huán)境更加穩(wěn)定；另外，偏度系數(shù)表現(xiàn)為：B采樣點(diǎn)＞A采樣點(diǎn)＞C采樣點(diǎn)；峰度系數(shù)表現(xiàn)為：C采樣點(diǎn)＞A采樣點(diǎn)＞B采樣點(diǎn)。

對比采樣點(diǎn)位置及相關(guān)結(jié)果得出，從東北到西南排列的3個(gè)采樣點(diǎn)的沙物質(zhì)在粒度參數(shù)上表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性。并且3個(gè)紅柳沙包都位于塔南地區(qū)，可以判斷該地區(qū)紅柳沙包的沙源主要是風(fēng)成沙。這里常年刮東北風(fēng)，而塔克拉瑪干沙漠沙就成為了塔南地區(qū)紅柳沙包沙物質(zhì)的沙源地。A樣點(diǎn)接近沙漠內(nèi)部，影響沙物質(zhì)特征的人為因素較少，主要是風(fēng)力；B采樣點(diǎn)位于民豐縣安迪爾鄉(xiāng)新修的沙漠公路支路一側(cè)，因?yàn)槭艿綇?qiáng)風(fēng)的影響，沙物質(zhì)粒徑相對較粗，分選性也較好，峰度范圍較寬；C采樣點(diǎn)位于策勒縣達(dá)瑪溝鄉(xiāng)，離綠洲最近，周圍還有開墾的農(nóng)田。由于綠洲植被阻滯沙物質(zhì)的移動(dòng)，粒徑相對較細(xì)，分選性變差，峰度范圍變窄［12］。3個(gè)采樣點(diǎn)沙物質(zhì)粒度參數(shù)與塔克拉瑪干沙漠南緣的其他灌叢沙丘基本一致［13－14］，細(xì)沙含量較高，極細(xì)沙和粉沙也較多。

4.2 不同類型沙丘沙物質(zhì)粒度特征對比

塔南地區(qū)紅柳沙包沉積紋層沙物質(zhì)粒度特征，由于所形成環(huán)境條件不同，與其他地區(qū)沙丘沙相比仍有其獨(dú)特性（表2）。

表2 不同類型沙丘沙物質(zhì)粒度特征

4.2.1 與塔克拉瑪干流動(dòng)沙丘沙、海岸沙丘沙粒度的差異 從表2中看出，塔南地區(qū)紅柳沙包沙物質(zhì)粒徑最細(xì)，塔克拉瑪干沙漠流動(dòng)沙丘沙物質(zhì)粒徑較細(xì)，海岸沙丘的沙物質(zhì)粒徑相對較粗，其原因在于塔南地區(qū)紅柳沙包的沙物質(zhì)來源于塔克拉瑪干沙漠流動(dòng)沙丘沙，并經(jīng)過較長距離搬運(yùn)；而海岸沙丘沙主要靠海灘沉積，搬運(yùn)距離較短。偏度對比結(jié)果顯示，塔南地區(qū)紅柳沙包沙物質(zhì)粒度呈負(fù)偏態(tài)，其原因可能是其中部分沙物質(zhì)來源于河流沉積物。塔克拉瑪干沙漠流動(dòng)沙丘沙粒度的正偏態(tài)是長時(shí)間風(fēng)沙作用分選的結(jié)果；而海岸沙丘沙物質(zhì)粒度多呈對稱分布，由于受到海灘的影響，部分樣品表現(xiàn)出負(fù)偏態(tài)［8］。

4.2.2 與羅布泊紅柳沙包沉積紋層沙物質(zhì)粒度的差異 對比相關(guān)數(shù)據(jù)可以得出，塔南地區(qū)紅柳沙包與羅布泊紅柳沙包沙物質(zhì)粒徑相近，表明兩地的沉積環(huán)境相對一致。從偏度上看，塔南地區(qū)3組紅柳沙包沙物質(zhì)粒度均為Sk1＜0，說明沙物質(zhì)以細(xì)組分為主，可能由于塔南地區(qū)的沙物質(zhì)大部分來源于經(jīng)長距離搬運(yùn)的沙漠沙，其中C采樣點(diǎn)位于綠洲附近，受人為影響較大。

4.2.3 不同位置紅柳沙包沙物質(zhì)粒度變化 根據(jù)前文數(shù)據(jù)看出，各采樣點(diǎn)紅柳沙包沙物質(zhì)粒度組成具有一致性和繼承性，且具備明顯的風(fēng)成沙特征。不同位置的紅柳沙包沙物質(zhì)粒度變化因受沙源和風(fēng)力影響，呈現(xiàn)出規(guī)律性變化，即采樣點(diǎn)周圍水分和植被條件較好時(shí)，沙物質(zhì)粒度細(xì)組分較之沙漠中就地起沙的沙物質(zhì)相對要多。

4.3 粒度參數(shù)與年平均風(fēng)速相關(guān)性分析

位于荒漠地區(qū)的風(fēng)成沉積沙層的厚度，與沙源、風(fēng)速和物質(zhì)組成狀況相關(guān)；而風(fēng)沙起動(dòng)臨界風(fēng)速的大小，與沙物質(zhì)起動(dòng)方式、沙顆粒級配、植被條件以及沙層濕度等因素不可分離［16］。

使用SPSS 17.0軟件對3個(gè)采樣點(diǎn)沙物質(zhì)粒度的偏度、峰度與安迪爾、民豐和策勒氣象站記載的年平均風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果顯示，A采樣點(diǎn)和B采樣點(diǎn)的偏度值和峰度值與年平均風(fēng)速在0.01水平時(shí)表現(xiàn)為顯著相關(guān)，其中A采樣點(diǎn)相關(guān)系數(shù)分別為0.528和－0.550，B采樣點(diǎn)相關(guān)系數(shù)分別為0.602和－0.623；但是分析結(jié)果中，C采樣點(diǎn)的相關(guān)性不顯著，其原因可能為綠洲阻礙了沙物質(zhì)的移動(dòng)和沉積。

4.4 風(fēng)沙環(huán)境變化

細(xì)粒沉積物粒度特征可以判別風(fēng)成、水成沉積物成因類型［17－18］。本文依據(jù)偏度值、峰度值及標(biāo)準(zhǔn)偏差等粒度參數(shù)，并利用砂巖粒度的薩胡判別函數(shù)值Y風(fēng)成：海灘，對沉積環(huán)境進(jìn)行鑒別［18］。結(jié)果顯示，3個(gè)采樣點(diǎn)函數(shù)Y風(fēng)成：海灘的平均值分別為－7.79，－7.86，－6.14，均滿足風(fēng)成沉積環(huán)境條件鑒別值Y＜－2.741 1，說明塔南地區(qū)3個(gè)采樣點(diǎn)的紅柳沙包沙物質(zhì)均以風(fēng)成沙為主。

4.4.1 峰度距平值與大風(fēng)天氣 粒徑、偏態(tài)和峰度等均與風(fēng)況有關(guān)。本文將峰度距平值分為四級：距平值大于25%，表示大風(fēng)天氣較多；距平值在0～25%之間，表示大風(fēng)天氣正常偏多；距平值在0～－25%之間，表示大風(fēng)天氣正常偏少；距平值小于－25%，表示大風(fēng)天氣較少。將塔南地區(qū)三個(gè)采樣點(diǎn)紅柳沙包沙物質(zhì)峰度距平值變化（圖4）代表的轉(zhuǎn)折年份進(jìn)行擬合后發(fā)現(xiàn)，1801—1871年峰度值相對較低，大風(fēng)天氣正常偏少；1872—1902年，峰度值升高，大風(fēng)天氣正常偏多；1903—1984年，峰度值變低，大風(fēng)天數(shù)明顯回落，基本對應(yīng)于偏干期（1919—1986）；1985—2010年，峰度值升高，大風(fēng)天氣偏多，基本對應(yīng)于偏濕期（1987—2010）［19］，與策勒氣象站記錄的降水增多趨勢相一致。

圖4 塔南地區(qū)三個(gè)采樣點(diǎn)沙物質(zhì)峰度距平值變化

4.4.2 沙塵物質(zhì)與浮塵天氣 沙塵物質(zhì)（粒徑＜0.005mm）所占比例代表浮塵天氣的多少［20］，將沙塵物質(zhì)所占比例依據(jù)距平值分為四級：距平值大于25%，表示浮塵天氣較多；距平值為0～25%，表示浮塵天氣正常偏多；距平值為0～25%，表示浮塵天氣正常偏少；距平值小于－25%，表示浮塵天氣較少。三個(gè)采樣點(diǎn)紅柳沙包沙塵物質(zhì)含量的距平值變化如圖5所示，1801—1871年，浮塵天氣正常偏多；1872—1902年，浮塵天氣正常偏少；1903—1984年，浮塵天氣變多；1985—2010年浮塵天氣大幅增加，而C樣點(diǎn)因受綠洲影響，浮塵天氣明顯少于A、B兩采樣點(diǎn)。

圖5 塔南地區(qū)三個(gè)采樣點(diǎn)紅柳沙包沙塵物質(zhì)含量距平值變化

通過紅柳沙包沉積紋層沙物質(zhì)粒度分析，可將塔南地區(qū)1801年來的風(fēng)沙環(huán)境變化劃分為4個(gè)階段：第一階段：1801—1872年，風(fēng)沙作用變?nèi)踮厔菝黠@，多浮塵天氣。第二階段：1872—1902年，風(fēng)沙作用明顯變強(qiáng)，風(fēng)沙天氣逐漸增多，1876—1884年達(dá)到峰值。第三階段：1903—1984年，風(fēng)沙作用強(qiáng)度一般，風(fēng)沙天氣較多。第四階段：1985—2010年，風(fēng)沙作用較弱，浮塵天氣出現(xiàn)頻繁，相對來說風(fēng)沙天氣出現(xiàn)較少，風(fēng)沙天氣與浮塵天氣交替出現(xiàn)。

5 結(jié)論

（1）塔克拉瑪干沙漠南緣地區(qū)的紅柳沙包沙物質(zhì)主要來源于沙漠腹地，沙物質(zhì)組成以細(xì)沙為主。沙物質(zhì)的粒度參數(shù)、粒級分布、粒度概率累計(jì)特征等都具有較強(qiáng)的相似性。

（2）沙物質(zhì)粒度變化序列表明，1801年以來該地區(qū)的氣候從干旱逐步轉(zhuǎn)向濕潤。

（3）塔南地區(qū)的風(fēng)沙環(huán)境變化階段包括：1801—1872年，風(fēng)沙作用較弱；1872—1902年，風(fēng)沙作用明顯變強(qiáng)；1903—1984年，風(fēng)沙作用強(qiáng)度一般；1985—2010年，風(fēng)沙作用明顯回落。

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