中國(guó)北方三流域河流
—沙漠過(guò)渡帶地表沉積物化學(xué)元素空間差異分析

李小妹　嚴(yán)　平　吳　偉　錢　瑤

(1.北京師范大學(xué)地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　北京　100875；2.陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院　西安　710119；3.北京師范大學(xué)防沙治沙教育部工程研究中心　北京　100875)

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中國(guó)北方三流域河流
—沙漠過(guò)渡帶地表沉積物化學(xué)元素空間差異分析

李小妹1,2,3嚴(yán)平1,3吳偉1,3錢瑤1,3

(1.北京師范大學(xué)地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100875；2.陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院西安710119；3.北京師范大學(xué)防沙治沙教育部工程研究中心北京100875)

通過(guò)對(duì)克里雅河、毛布拉格孔兌以及西拉木倫河三流域的河流—沙漠過(guò)渡帶地表沉積物的7種常量氧化物以及15種微量元素進(jìn)行因子分析，結(jié)果顯示：三個(gè)流域之間或不同河段因子分析提取的公因子均可以概括為較穩(wěn)定的鐵錳礦物、較不穩(wěn)定的長(zhǎng)石類和方解石(白云石)類等硅酸鹽礦物以及穩(wěn)定的稀土元素和重礦物等類別；河流間因子分析結(jié)果表明，自西向東三個(gè)流域沿河地表沉積物的化學(xué)元素富集與遷移程度呈遞增趨勢(shì)，化學(xué)風(fēng)化程度增強(qiáng)；流域內(nèi)因子分析結(jié)果表明，自上游至下游，樣點(diǎn)化學(xué)組成均愈變復(fù)雜，不同河段或不同河岸沉積物化學(xué)元素空間分布規(guī)律與其物源、地貌格局以及水分條件等因素有關(guān)；自河床至階地，不同地貌單元地表沉積物化學(xué)元素呈相異的遞變規(guī)律，這與在距離河道遠(yuǎn)近不同，物源、動(dòng)力因素的分配不同有關(guān)。

地球化學(xué)元素空間分布因子分析河流—沙漠過(guò)渡帶

風(fēng)水交互作用是干旱區(qū)常見的地貌現(xiàn)象和重要的地表過(guò)程[1-3]，在地層記錄中也廣泛存在有干旱環(huán)境下的風(fēng)水交互沉積[2-6]，反映出沙漠與河流在沉積物上互為來(lái)源，在空間分布上鑲嵌交織，在時(shí)間演化上斷續(xù)交錯(cuò)。近年來(lái)關(guān)于干旱、半干旱沙漠環(huán)境下沉積物結(jié)構(gòu)與風(fēng)力輸移[7-9]、水力輸移過(guò)程[10-12]關(guān)系的研究越來(lái)越引起關(guān)注。研究者通過(guò)沙漠、沙地原地剖面中的礦物化學(xué)風(fēng)化和元素遷移過(guò)程[13-16]來(lái)探討其物質(zhì)來(lái)源[17-19]、風(fēng)化和沉積過(guò)程[20-22]以及古環(huán)境重建[23-25]等方面，而對(duì)沙漠地表沉積物現(xiàn)代風(fēng)化過(guò)程研究關(guān)注較少[20,26]，缺乏河流上中下游不同風(fēng)水動(dòng)力條件下地表沉積物差異的相關(guān)分析數(shù)據(jù)，其難點(diǎn)在于風(fēng)水交互作用下沉積物高度混合和差異性分選以及與此相關(guān)的沉積物輸移過(guò)程、動(dòng)力機(jī)制、源巖影響等[10]，迫切需要從這一復(fù)雜過(guò)程中辨析風(fēng)水交互作用的沉積物信息。本文選擇我國(guó)西部的克里雅河、中部的毛布拉格孔兌和東部的西拉木倫河三個(gè)流域河流—沙漠的過(guò)渡地帶為研究區(qū)(圖1)，借助R型因子分析法分析三個(gè)流域之間、河流不同河段以及不同地貌單元三個(gè)尺度上沉積物的化學(xué)元素空間分布特點(diǎn)，探求河流—沙漠過(guò)渡帶地表沉積物對(duì)風(fēng)、水兩相作用的響應(yīng)機(jī)制。

1　方法

1.1研究區(qū)概況

克里雅河位于塔里木盆地塔克拉瑪干沙漠南緣，發(fā)源于昆侖山北坡主峰烏什騰格山，向北流入塔克拉瑪干沙漠腹地，最后消失在達(dá)里亞博依附近沙丘間。河流總長(zhǎng)860 km(包括古河道90 km)，延伸于沙漠中的河道長(zhǎng)度約350 km，流域總面積3.95×104km2。地勢(shì)呈南高北低，由北到南，沉積物明顯地分異為4個(gè)地帶，即沙漠、戈壁、亞沙土丘陵以及黃土分布區(qū)[15]。氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶詺夂颍嗄昶骄涤炅?5 mm，多年平均氣溫11.6℃。

毛布拉格孔兌是匯入黃河河套段的一級(jí)支流，源自內(nèi)蒙古杭錦旗阿門其日格鄉(xiāng)龍虎淘勞亥，由南向北流，支流長(zhǎng)111 km，集水面積0.13×104km2，年平均流量為757×104 m3/a，中下游河段穿越庫(kù)布齊沙漠。流域地勢(shì)南高北低，西高東低，海拔為1 000～1 500 m，由南向北可分為黃土丘陵溝壑區(qū)、庫(kù)布齊沙漠區(qū)、西拉木倫河屬東北西遼河上游，源于內(nèi)蒙古克什克騰旗白岔山，源頭為高原上的古大型河湖網(wǎng)絡(luò)盆地，由西向東流，納入教來(lái)河、查干木倫河等支流，西拉木倫河在哲理木盟蘇家鋪與老哈河匯合后稱西遼河，全長(zhǎng)約380 km，流域面積3.22×104km2。西部流經(jīng)渾善達(dá)克沙地，東部穿越科爾沁沙地。氣候?qū)儆谥袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均降水量為400 mm左右，年均氣溫5℃～7℃，為我國(guó)北方干旱區(qū)與半干旱—半濕潤(rùn)區(qū)的過(guò)渡地帶[28]。

圖1　研究區(qū)位置及樣點(diǎn)分布圖Fig.1　Sampling sites in the three river basins of northern China

黃河南岸沖積平原區(qū)三個(gè)自然單元[27]。氣候?qū)侔敫珊挡菰瓪夂?，多年平均降雨?41 mm，多年平均氣溫5.9℃。

1.2樣品采集

沿著克里雅河、毛不拉孔兌以及西拉木倫河三個(gè)流域，自上游至下游選擇4個(gè)斷面(克里雅河KR01-04，毛布拉格孔兌MR01-04，西拉木倫河X(jué)R01-04)(圖1)，對(duì)4個(gè)斷面用EP90差分GPS進(jìn)行橫斷面地形測(cè)量，水平與垂直距離測(cè)量精度均達(dá)到亞米級(jí)。樣品采集主要并沿著橫斷面采集地表0～5 cm地表土樣，樣品類型包括河床—漫灘相物質(zhì)、階地沙丘沙(丘頂與丘間地)，其地貌格局及采樣點(diǎn)如圖2、3所示。共采集樣品364個(gè)，其中，克里雅河93個(gè)，毛不拉孔兌129個(gè)，西拉木倫河142個(gè)。

1.3樣品分析

地球化學(xué)元素測(cè)定在中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。采用粉末壓片法制樣，首先將風(fēng)干樣品碾磨至200目以下，稱取4 g于105℃下烘干后放入制樣模具，用硼酸鑲邊嵌底，在30噸壓力下形成外徑為32 mm的圓形樣片。測(cè)試儀器為荷蘭帕納科公司Axios型順序式波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀，元素測(cè)定誤差<5%。

主量元素以氧化物百分含量表示，微量元素以u(píng)g/g表示其含量。

1.4因子分析法

因子分析是通過(guò)對(duì)變量間相關(guān)矩陣內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究，找出控制所有變量的公因子，可以用幾個(gè)公因子代表多組變量，還可以發(fā)現(xiàn)一些隱藏變量[29-30]。對(duì)于地球化學(xué)元素變量而言，這些公因子代表形成所有元素變量基本關(guān)系的地球化學(xué)過(guò)程[31-32]，元素共生組合已成為反映沉積物地球化學(xué)的主要特征之一，對(duì)物源有著重要的指示意義。

首先利用SPSS20.0對(duì)克里雅河、毛布拉格孔兌、西拉木倫三個(gè)流域全部樣品的常量氧化物和微量元素，利用巴特利特球度檢驗(yàn)(Bartlett test of sphericity)和KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)進(jìn)行檢驗(yàn)，Bertlett’s球形度檢驗(yàn)，顯著度為0.000，KMO檢驗(yàn)結(jié)果依次為0.731、0.654，基本上適合做因子分析，再分別對(duì)每一條河流所有樣品的元素?cái)?shù)據(jù)分別進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，KMO值依次為0.727、0.741、0.825，概率(P)值均為0.00，也適合做因子分析[33]。

圖2　三流域斷面采樣點(diǎn)示意圖a.克里雅河KR02；b.毛布拉格孔兌MR03；c.西拉木倫河X(jué)R02Fig.2　Schematic diagram of sampling sites in three reaches

圖3　三流域斷面遙感影像及照片A.克里雅河KR02；B.毛布拉格孔兌MR03；C.西拉木倫河X(jué)R0Fig.3　Remote sensing images and photographs of three reaches

2　結(jié)果與分析

2.1流域間因子分析

三個(gè)流域沉積物的常量氧化物包括SiO2、Fe2O3、A12O3、CaO、MgO、K2O和Na2O共7種，其中以SiO2的含量最高(60.5%～86.5%)，其次為A12O3含量(7.53%～9.7%)，其他氧化物含量較少。特征根(Initial Eigenvalues ) 解釋了各公因子對(duì)變量總方差的解釋程度，從提取的公因子解釋元素含量總方差的情況來(lái)看(表1)，F(xiàn)1、F2因子特征根分別為3.241、2.98，分別解釋了7個(gè)元素總方差的46.35%、42.567%累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到88.866%，能夠解釋了絕大部分元素的特征。因子載荷(Component )為公因子對(duì)變量解釋的權(quán)重，因子載荷矩陣顯示了各個(gè)公因子對(duì)各個(gè)變量(元素含量) 的解釋意義，由于正交旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣比初始因子載荷矩陣所反映的元素組合更具合理性和可解釋性[33]，且正載荷為正向影響，負(fù)載荷為負(fù)向影響。從每個(gè)公因子中因子載荷較大的元素組合來(lái)看(表1)，第一公因子在Al2O3、SiO2、Fe2O3、Na2O上有較大載荷，除SiO2外均為正載荷，主要是因?yàn)镾iO2在搬運(yùn)過(guò)程中，通常在較粗粒的陸源碎屑中賦存(如石英碎屑等)[34]，可以代表較穩(wěn)定的鋁鐵礦、鈉長(zhǎng)石類礦物。第二公因子在CaO、MgO、K2O上有較大載荷，其中CaO、MgO為正載荷，K2O為負(fù)載荷，概括為不穩(wěn)定的方解石、白云石以及鉀長(zhǎng)石類礦物。

微量元素含有Ti、Ba、Sr、Co等8種，其中以Ti含量最為豐富(0.19%～0.29%)，其次為Ba(0.055%～0.068%)，其他微量元素含量則很少。同理，微量元素也從中提取特征根大于1的四個(gè)公因子(表1)，方差累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到90.572%，第一公因子在Mn、P、Co、Ti、Sr上有較高載荷，除Co外均為正載荷，主要代表較為穩(wěn)定親鐵元素。第二公因子在Rb、Zr上有較高的載荷，可以概括為黏土礦物及重礦物類。第三、第四公因子較高載荷分別為Ba、Ce，分別代表干旱型元素與稀土元素。

三個(gè)流域常量氧化物、微量元素的公因子得分及綜合得分如表2所示。三個(gè)流域常量氧化物與微量元素公因子綜合得分(F)均為克里雅河>毛布拉格孔兌>西拉木倫河，表明公因子各自所代表的元素組合含量較高，這除了與沉積物物源有關(guān)之外，其后期的差異性風(fēng)化也是一個(gè)重要因素，表明自西向東三流域的元素虧損程度增強(qiáng)。

從常量氧化物與微量元素的公因子得分散點(diǎn)圖可以看出(圖4)，三個(gè)流域之間存在明顯的界限，且以克里雅河較為集中分布，表明三個(gè)流域之間在礦物組成和后期風(fēng)化過(guò)程存在明顯的差異，且以克里雅河樣點(diǎn)間礦物組成較為一致，表明其可能來(lái)自于同一物源和后期風(fēng)化程度較為相似。中、東部的毛布拉格孔兌和西拉木倫河的常量氧化物F1與F2之間呈負(fù)相關(guān)(圖4a)，相關(guān)系數(shù)(R2)達(dá)到0.715、0.625(P=0.01)，指示著兩類常量氧化物“此消彼長(zhǎng)”的相互關(guān)系，即礦物元素的富集與虧損過(guò)程相對(duì)應(yīng)，表明其化學(xué)風(fēng)化程度較為明顯。而西部的克里雅河沒(méi)有明顯的相關(guān)性，氧化物之間相互獨(dú)立，表明氧化物之間缺少成因上的聯(lián)系，化學(xué)風(fēng)化程度較弱。在微量元素上(圖4b)，三個(gè)流域樣點(diǎn)以公因子F1所代表的重礦物界限較為明顯。三個(gè)流域兩個(gè)公因子F1與F2得分呈一定的正相關(guān)，表明這兩類微量元素之間在表生環(huán)境下具有相似的化學(xué)行為[34]。

表1　三流域地球化學(xué)元素因子正交旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣、特征根和方差

表2三流域地表沉積物化學(xué)元素公因子得分

Table 2The scores of main factors of sediments in three river basins

流 域常量氧化物微量元素F1F2FF1F2F3F4F克里雅河0.7091.3280.8941.230-0.270-0.480-0.1970.414毛布拉格孔兌0.208-0.258-0.0140.081-0.4720.7510.1230.079西拉木倫河-0.653-0.635-0.573-0.8790.606-0.3680.017-0.343

2.2流域內(nèi)因子分析

2.2.1不同河段的因子分析

根據(jù)正交旋轉(zhuǎn)因子載荷，分別對(duì)三個(gè)流域進(jìn)行常量氧化物與微量元素公因子提取(表3)。克里雅河提取5個(gè)公因子，其累積貢獻(xiàn)率達(dá)到92.07%，能反映沉積物的化學(xué)元素組成。第一公因子包括A12O3、K2O、Fe2O3、Rb、Mn，這些元素對(duì)公因子具有較高的載荷，且元素間呈較強(qiáng)的正相關(guān)，可以概括為較穩(wěn)定鐵錳礦物和鋁礦。第二公因子在CaO、MgO、SiO2、Co上有較高載荷值，前兩者為正載荷，后兩者為負(fù)載荷，可以概括為不穩(wěn)定的方解石、白云石類礦物。第三公因子在Ce、Zr、Ti上有較高載荷，可以概括為較穩(wěn)定的稀土元素與重礦物類。第四主因子在P、Ba、Sr上有較高載荷，其中P為正載荷，Ba、Sr為負(fù)載荷，分別代表穩(wěn)定的非金屬礦物和干旱型元素。第五公因子在Na2O上有較高載荷，可以代表鈉長(zhǎng)石類礦物。毛不拉孔兌提取三個(gè)公因子，其累積貢獻(xiàn)率達(dá)到87.55%，能夠代表此流域的沉積物化學(xué)元素組成特征。第一公因子在CaO、MgO、Co、SiO2、P、Fe2O3、Mn上有較高載荷，其中Co、SiO2為負(fù)載荷，其他為正載荷，可以代表方解石、白云石類礦物與鐵錳礦物。第二公因子在Na2O、Al2O3、K2O、Sr、Rb、Ba上有較高的載荷，可以代表長(zhǎng)石類礦物及黏土礦物。第三公因子在Zr、Ce、Ti在上具有較高的載荷，代表較穩(wěn)定的稀土元素與重礦物。西拉木倫河提取三個(gè)公因子，累積貢獻(xiàn)率達(dá)到89.51%，能反映沉積物的化學(xué)元素組成。第一公因子在Fe2O3、MgO、CaO、SiO2、Al2O3、Mn、Ti、Co上具有較高載荷，可以概括為方解石、白云石與鐵錳礦物的混合體。第二公因子在K2O、Ba、Rb、Zr上具有較高的載荷，可以概括為鉀長(zhǎng)石類礦物與重礦物，在水中不易遷移。第三公因子在Na2O、Ce上具有較高的載荷，可以概括為鈉長(zhǎng)石類礦物及稀土元素。

從上述三流域的公因子載荷可以看出，三個(gè)流域均表現(xiàn)出穩(wěn)定礦物與不穩(wěn)定礦物的混合體，表明三個(gè)流域的化學(xué)風(fēng)化程度較低，還處于化學(xué)風(fēng)化初等階段。不同河流之間元素的組合差異較大，反映三河流不同的源巖組成和相異的地球化學(xué)過(guò)程，但三河流中有些元素總是相伴生，如MgO與CaO，Co與SiO2，F(xiàn)e2O3與Mn，表明三河流中均含有一定量的白云石、方解石以及鐵錳等礦物。

從克里雅河的公因子得分F1和F3散點(diǎn)圖可以看出(圖5a)，斷面之間以KR04與其他斷面界限較為明顯，表明河流尾閭段物源較為復(fù)雜，其他三斷面樣點(diǎn)相對(duì)混雜分布，尤以 KR02與KR03樣點(diǎn)重疊性較高，表明其可能存在相同物源和經(jīng)歷相似化學(xué)過(guò)程。不同河段以F3差異較大，自上游至下游總體呈遞減趨勢(shì)，F(xiàn)3主要是Ce、Zr、Ti等微量元素是重礦物的主要成分，比較穩(wěn)定，不易風(fēng)化，一方面可能是沿程不同物源加入導(dǎo)致穩(wěn)定礦物含量降低。另一方面，沿途礦物經(jīng)歷沿途流水搬運(yùn)，礦物破碎，而粉沙等細(xì)顆粒物質(zhì)是Ce、Zr、Ti等微量元素的主要攜帶者[34]，在風(fēng)力長(zhǎng)期吹蝕作用下細(xì)顆粒物質(zhì)流失，也可能會(huì)引起其含量降低。

從毛不拉孔兌F1與F2散點(diǎn)圖可以看出(圖5b)，上游斷面樣點(diǎn)分布較下游斷面集中，表明上游斷面沉積物主要源于上游源巖碎屑物，組成較簡(jiǎn)單，下游斷面樣點(diǎn)則較為復(fù)雜。以F2差異較大，且自上游至下游遞減，反映了化學(xué)風(fēng)化程度的增強(qiáng)和不穩(wěn)定礦物含量的減少，尤其以下游斷面MR04與其他三斷面差異較大。不同河岸公因子得分也存在一定的差異，上游斷面MR01兩岸樣點(diǎn)混雜分布，差異相對(duì)較小，但下游斷面兩岸規(guī)律表現(xiàn)不一，如斷面MR03(圖2、圖3)，西岸的樣點(diǎn)F1與F2均小于東岸，表明化學(xué)風(fēng)化程度西岸較東岸強(qiáng)，這與斷面局地的地貌組合有關(guān)，由于河道的擺動(dòng)，西岸為覆蓋于階地上的高大沙丘，繼承了下伏地貌階地沉積物的特征，東岸遍布分汊河道，樣點(diǎn)多代表河床/河漫灘沉積物，脫離水成環(huán)境較短，沉積物相對(duì)較為年輕，化學(xué)風(fēng)化程度較弱。

圖4　三流域地表沉積物化學(xué)元素公因子得分散點(diǎn)圖Fig.4　The scatter plots of main factor of sediments in three river basins

圖5　三流域斷面地表沉積物主因子得分散點(diǎn)圖Fig.5　The scatters plots of scores of main factors in three river basins

從西拉木倫河F1與F2得分散點(diǎn)圖可以看出(圖5b)，下游斷面XR03與XR04樣點(diǎn)混雜分布，表明具有相似的風(fēng)化過(guò)程。不同河段F2差異較大，且自上游至下游遞增，即第二公因子代表的元素逐漸富集，表明易遷移元素的虧損，化學(xué)風(fēng)化程度增強(qiáng)。從不同河岸來(lái)看，下游斷面兩岸差異較大，其中XR02北岸樣點(diǎn)分布較南岸集中，F(xiàn)1得分較南岸高，即北岸化學(xué)風(fēng)化程度較南岸弱，反映了地貌格局、沙源與風(fēng)向組合、植被覆蓋等對(duì)風(fēng)化過(guò)程的影響。

2.2.2不同地貌單元的因子分析

自河床至階地，可以劃分為河床—河漫灘、低階地沙丘和高階地沙丘三個(gè)地貌沉積單元[35-36](圖2)。分別選擇三個(gè)流域中下游斷面(克里雅河KR02、毛不拉孔兌MR03、西拉木倫河選擇斷面XR02)，利用公因子得分來(lái)分析不同地貌單元的元素空間分布(圖6)。

在克里雅河斷面KR02(圖6a)，自河床至高階地，公因子得分總體趨勢(shì)為F1遞增，F(xiàn)2遞減(圖5a)，表明穩(wěn)定礦物含量遞增，不穩(wěn)定礦物含量遞減，化學(xué)風(fēng)化程度遞增。其中，F(xiàn)1依次為增→減→增，F(xiàn)2為減→增→減。這是由于河床—河漫灘物質(zhì)來(lái)源于上游沖洪積物經(jīng)歷流水搬運(yùn)更新較快，表現(xiàn)為穩(wěn)定礦物含量較低，不穩(wěn)定礦物含量較高，低階地呈波動(dòng)變化，與其物質(zhì)來(lái)源受河床和高階地沙丘沙混合影響較大，而相對(duì)不穩(wěn)定。高階地變化相對(duì)較為穩(wěn)定，表現(xiàn)為穩(wěn)定礦物含量較高，不穩(wěn)定礦物含量較低，這與沉積物受河流影響較小，多為就地起沙[37]，因而對(duì)階地下伏物質(zhì)具有一定的繼承性，在風(fēng)力長(zhǎng)期篩選下，不穩(wěn)定礦物的遷移，穩(wěn)定礦物則富集，即沙丘越老，不穩(wěn)定礦物含量越低[38]。

在毛不拉孔兌斷面MR03，如前所述，斷面東岸F1和F2均較西岸低。自河床至低階地，F(xiàn)1和F2均遞減(圖6b)，化學(xué)風(fēng)化程度增強(qiáng)，程度上稍有差異。究其原因，河床—河漫灘物質(zhì)主要來(lái)自于上游山體源巖風(fēng)化產(chǎn)物經(jīng)流水搬運(yùn)至河流下游，經(jīng)歷的物質(zhì)更新較快，其相對(duì)階地沙丘較為年輕，其礦物含量損失較少，化學(xué)風(fēng)化程度較弱。其中，在河流的西岸，河床至階地過(guò)渡帶(樣點(diǎn)序號(hào)5-8)F1和F2發(fā)生突變，這主要與西岸為高階地沙丘受偏西風(fēng)的影響以及河道的擺動(dòng)而逼近河道(圖3)，河床物質(zhì)與高階地沙丘沙物質(zhì)組成差異較大。

在西拉木倫河斷面XR02(圖6c)，兩岸F1、F2均表現(xiàn)出自河床至河漫灘呈遞減，化學(xué)風(fēng)化程度增強(qiáng)，河漫灘至低階地波動(dòng)較大，活躍低階地至高階地呈鋸齒狀緩慢遞增，化學(xué)風(fēng)化程度減弱。前者原因與毛布拉格孔兌相似，而穩(wěn)定高階地多分布半固定沙丘至流動(dòng)沙丘，植被蓋度降低，化學(xué)風(fēng)化淋溶作用減弱，地表不穩(wěn)定礦物含量較高。其中，在河流北岸，河床至河漫灘F1、F2均表現(xiàn)出最低值(樣品序號(hào)11-16)，從實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，此處疑似為古河道分布，植被分布茂密，淋溶作用較強(qiáng)，地表不穩(wěn)定礦物含量較低。

圖6　三流域地表沉積物斷面公因子得分(a 克里雅河KR02；b毛布拉格孔兌MR03；c西拉木倫河X(jué)R02)Fig.6　The scores of main factors in three river reaches

3　討論

沉積物中元素地球化學(xué)特征是沉積環(huán)境和物源的函數(shù)，控制地表沉積物化學(xué)元素組成的主要因素包括源區(qū)物質(zhì)組成、氣候、搬運(yùn)過(guò)程中的磨損和分選作用[39-41]，在不同尺度上表現(xiàn)不一。

在流域尺度上，氣候因素是控制地表沉積物地球化學(xué)過(guò)程的關(guān)鍵因素，具體表現(xiàn)為，西部的克里雅河流域所處的干熱環(huán)境決定其缺乏表生化學(xué)過(guò)程，化學(xué)元素的富集與遷移不明顯，且在風(fēng)力作用下，產(chǎn)生高度分選和混合，在化學(xué)元素特征上表現(xiàn)為樣點(diǎn)混合分布，具有相似的元素組成；中、東部的毛布拉格孔兌和西拉木倫河兩流域，雖然兩河流發(fā)源地不同，源巖組成相差較大，但與克里雅河相比，二者在水熱條件方面更接近，表現(xiàn)為受地表水或地下水的影響，化學(xué)元素富集與遷移比較明顯，化學(xué)風(fēng)化程度較強(qiáng)，化學(xué)元素之間存在一定的成因上的關(guān)聯(lián)。

在中尺度的河段上，三個(gè)流域不同河段化學(xué)元素組成均存在一定程度的混雜分布，中游河段更為明顯，一方面反映了不同河段對(duì)母巖物質(zhì)的繼承性，另一方面也表明地表沉積物經(jīng)歷環(huán)境改造的相似性，即三個(gè)流域均屬于季節(jié)性河流，且沙物質(zhì)均采自河流-沙漠過(guò)渡帶，受雨季高能量的水動(dòng)力條件和風(fēng)季風(fēng)動(dòng)力條件的反復(fù)搬運(yùn)與沉積作用，表現(xiàn)為當(dāng)沙漠越過(guò)河道，風(fēng)成沙進(jìn)入河道，河道沉積物的特征由此改變，同樣河床沉積物由風(fēng)動(dòng)力作用脫離水成環(huán)境，其特征發(fā)生改變[42-43]，上述沉積物特征也遠(yuǎn)不同于山前源巖特征。總之，新、老物質(zhì)的疊加、混合，使得沉積物在元素組成上存在一定程度的相似性和復(fù)雜性。由于不同河段地貌格局及水分條件等的差異，造成物源以及動(dòng)力條件迥異?？死镅藕幼陨嫌沃料掠?，河床—河漫灘沉積物表現(xiàn)為不穩(wěn)定礦物含量遞減，這與下游沉積物主要來(lái)源于上游山體源巖的風(fēng)化產(chǎn)物經(jīng)流水的搬運(yùn)作用，不穩(wěn)定礦物的損失有關(guān)；而階地上沙物質(zhì)表現(xiàn)出不穩(wěn)定礦物含量的波動(dòng)變化，還與不同河段的氣候干旱程度有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，不穩(wěn)定礦物含量與其氣候干旱程度成正相關(guān)[38]。對(duì)中東部的毛布拉格孔兌和西拉木倫河兩條河，不同河段化學(xué)風(fēng)化程度遞變規(guī)律不是太明顯，尤其是下游河段出現(xiàn)分異，這由于其物源并不完全來(lái)自于流水搬運(yùn)的上游碎屑物，還與支流匯入帶來(lái)外來(lái)物質(zhì)有關(guān)。不同河岸的化學(xué)元素的空間分布規(guī)律不同，這是因?yàn)楹有汀⒑恿髁飨蚺c風(fēng)向關(guān)系、局部地貌等組合上的差異，也會(huì)改變沉積物的空間分布和沉積環(huán)境，從而引起對(duì)沉積物的分選作用以及部分元素分異模式的差異。

在小尺度的河流斷面上，三個(gè)流域斷面化學(xué)元素也呈現(xiàn)出明顯的遞變規(guī)律，首先，物源是影響其分布規(guī)律的重要原因之一，河漫灘或低階地地表物質(zhì)主要受流水反復(fù)搬運(yùn)自源頭的碎屑物有關(guān)，而表現(xiàn)出不穩(wěn)定礦物含量較高，且呈波動(dòng)變化，而高階地物質(zhì)距河相對(duì)較遠(yuǎn)，受現(xiàn)代河流影響相對(duì)較小，其地表物質(zhì)受下伏沉積物影響較大，而呈現(xiàn)出不穩(wěn)定礦物含量較低，穩(wěn)定礦物含量較高。其次，三個(gè)流域不同地貌類型之間的遞變幅度以克里雅河較為明顯，這與其氣候干旱，水分條件隨距離河道遠(yuǎn)近不同遞變比較明顯有關(guān)。而對(duì)于中東部流域，氣候相對(duì)較為濕潤(rùn)，地表水或地下水相對(duì)較為豐富，因此隨著距離河道遠(yuǎn)近不同，水分條件遞變不明顯，因此不同地貌單元之間化學(xué)元素富集與遷移界限也不明顯。三個(gè)流域自低階地至高階地段，不穩(wěn)定礦物含量降低程度均增加，風(fēng)化程度增強(qiáng)，但引起原因不同。對(duì)克里雅河來(lái)說(shuō)，階地多為流動(dòng)沙丘，其風(fēng)化程度較強(qiáng)主要受下伏古沙丘物質(zhì)影響以及風(fēng)力機(jī)械風(fēng)化的雙重疊加作用所致[44]。而對(duì)于中東部流域，由于高階地受降水或地表水、地下水的作用，植被覆蓋較好，多為古沙丘固化，甚至有一定土壤的發(fā)育，所以不穩(wěn)定礦物遭受淋溶作用損失，化學(xué)風(fēng)化程度較強(qiáng)。因此其距河道遠(yuǎn)近的不同，由于影響其物源、水分條件、植被等的差異，進(jìn)而引起同一元素的地球化學(xué)過(guò)程也不同。

上述三個(gè)流域上地表沉積物在不同空間尺度上，表現(xiàn)出化學(xué)元素特征上的差異，在一定程度上反映了風(fēng)動(dòng)力和水動(dòng)力的差異性分選[45]。如何確定風(fēng)、水動(dòng)力對(duì)沉積物化學(xué)組成特征上的貢獻(xiàn)率問(wèn)題，進(jìn)而得到判別風(fēng)成沉積物與水成沉積物的化學(xué)特征綜合指標(biāo)，還需要從沉積學(xué)、土壤學(xué)、地球化學(xué)等方面的綜合研究。再者，相對(duì)于剖面沉積物，地表沉積物更具復(fù)雜性，在后續(xù)的研究中可以在河流上不同河段以及不同地貌部位選擇一些典型剖面，并結(jié)合測(cè)年數(shù)據(jù)，綜合分析沙漠演化與河流變遷二者的關(guān)系，重建古環(huán)境演化序列與過(guò)程。

4　結(jié)論

通過(guò)因子分析方法，探討了三個(gè)流域在不同空間尺度上化學(xué)元素遞變規(guī)律，得出的主要結(jié)論有：

(1) 三個(gè)流域之間或不同河段總體因子分析結(jié)果均表明，提取的公因子基本上可以概括為較為穩(wěn)定的鐵錳礦物、較不穩(wěn)定的長(zhǎng)石類和方解石(白云石)類礦物以及穩(wěn)定的稀土元素和重礦物組成。

(2) 不同礦物組合可以較好地區(qū)分三個(gè)流域，可以指示不同氣候自然帶下地球化學(xué)過(guò)程的差異性，即自西向東三個(gè)流域上樣點(diǎn)的化學(xué)元素富集或遷移程度呈遞增趨勢(shì)，化學(xué)風(fēng)化程度增強(qiáng)。

(3) 三個(gè)流域不同河段，自上游至下游，樣點(diǎn)化學(xué)組成均愈變復(fù)雜。不同河段或不同河岸沉積物的化學(xué)元素空間分異規(guī)律除與物源有關(guān)外，其地貌格局以及水分條件等因素也影響其空間分布。

(4) 對(duì)于不同地貌單元，自河床至階地，化學(xué)元素遞變規(guī)律可以劃分為河床—河漫灘型、活躍低階地型、穩(wěn)定高階地型三種類型，這與距離河道遠(yuǎn)近不同引起物源不同以及動(dòng)力因素的分配不同有關(guān)。

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The Spatial Distribution Difference of Surface Elements in the River-desert Transition Zone of Three Drainages in Northern China

LI XiaoMei1,2,3YAN Ping1,3WU Wei1,3QIAN Yao1,3

(1. State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China;2. Tourism and Environmental Sciences , Shaanxi Normal University, Xian 710119, China;3. Academy of Disaster Reduction and Emergency Management, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)

As the geochemical characteristics of surface sediments usually recorded the information of the sediments, such as the transport medium and sedimentation process, analyses of their mineral composition and provenance can provide valuable indications for paleoenvironmental reconstruction. This study provides factor analyses of 7 major dioxides and 15 micro elements in the surface sediments taken from the river-desert transition zones in the Keriya River, Mu Bulag River, and Xi Xar Moron River basins. It was found that the common factors derived from the factor analyses among the three river basins or their upper, middle, and lower reaches mainly included stable Fe and Mn minerals, less stable feldspars, calcite (dolomite) and other silicate minerals, and stable rare earth elements and heavy minerals. The factor analysis of the relationships between the rivers indicated that the surface sediments along the rivers from west to east showed progressively increasing abundance and movement of chemical elements and degrees of chemical weathering. The factor analyses at a river basin scale indicated that from the upper reaches to the lower reaches, samples exhibiting increasingly complex chemical compositions. The spatial distribution patterns of the chemical elements in the surface sediments from different river sections or different river banks showed correlations with their provenance, geomorphic pattern, water conditions, and other factors. From the riverbed to the river terrace, the surface sediments on the three geomorphic units, from riverbed-flood plain, low river terrace composed of sand dunes to the high terrace, exhibited heterogeneous, progressive variations in their chemical compositions. This may result from their varying distances from the river courses, provenances and dynamic factors. The preliminary results of the study are expected to provide references for research into the chemical composition characteristics of surface sediments in river-desert transition zones and their variation mechanisms in response to changes of aeolian-fluvial interactions.

Geochemical elements; spatial distribution; factor analysis; river-desert transition zone

A

1000-0550(2016)04-0615-11

10.14027/j.cnki.cjxb.2016.04.001

2015-09-14； 收修改稿日期： 2015-12-24

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41171003)；國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃(2013CB956001) [Foundation: National Natural Science Foundation of China, No. 41171003; Major National Science Research Program, No. 2013CB956001]

李小妹女1979年出生博士研究生干旱區(qū)地貌E-mail: lixiaomei8477@sina.com

嚴(yán)平男教授E-mail:yping@bnu.edu.cn

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