李建軍,焦菊英,,曹 雪,白雷超,陳同德,嚴(yán)晰芹,祁泓錕
·研究速報·
柴達(dá)木盆地沙丘移動的空間分異及對形態(tài)參數(shù)的響應(yīng)
李建軍1,焦菊英1,2※,曹 雪2,白雷超1,陳同德1,嚴(yán)晰芹2,祁泓錕1
(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室,楊凌 712100; 2. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所,楊凌 712100)
研究沙丘移動規(guī)律與空間分異特征有助于準(zhǔn)確了解風(fēng)沙活動的危害程度,為區(qū)域城鎮(zhèn)規(guī)劃和青藏高原國家生態(tài)安全屏障保護(hù)與建設(shè)提供參考。該研究基于Google Earth軟件測量橫向沙丘的形態(tài)參數(shù)與移動速度,分析了移動速度與方向的空間分異特征,以及移動速度對形態(tài)參數(shù)的響應(yīng)。結(jié)果表明,1)柴達(dá)木盆地內(nèi)沙丘移動速度介于0~23.53 m/a之間,平均4.66 m/a,以中速(1~5 m/a)為主(53.73%),中部移動最快(5.22±4.27 m/a),東南部最慢(3.27±3.08 m/a),移動方向與主風(fēng)向一致;2)沙丘移動速度與寬度的相關(guān)性最好(2=0.988),以后的研究中需多關(guān)注沙丘寬度這一參數(shù);3)從柴達(dá)木盆地整體看,降水量越大、風(fēng)速越低,沙丘移動越慢;從局部看,植被覆蓋度越大,沙丘移動越慢;4)密集的河流可阻擋沙丘移動,保護(hù)格爾木市區(qū),但不能消除沙丘移動的威脅。
遙感;沙丘;移動;形態(tài)參數(shù);柴達(dá)木盆地
沙丘是風(fēng)沙作用的產(chǎn)物,是沙漠、沙地的主要地貌類型,橫向沙丘是指沙丘走向與起沙風(fēng)合成風(fēng)向交角大于60°的丘狀風(fēng)積地貌形態(tài),包括新月形沙丘及沙丘鏈、格狀沙丘、拋物線形沙丘、復(fù)合型新月形沙丘等[1]。沙丘移動是指沙丘整體性順風(fēng)向位移,過程為迎風(fēng)坡風(fēng)蝕,背風(fēng)坡堆積。沙丘移動會破壞道路、農(nóng)田、草場[2],是除沙漠?dāng)U散、沙塵暴之外的一種主要的沙漠化運(yùn)動形式,也是研究沙丘形成過程的重要問題之一[3]。沙丘移動現(xiàn)象廣泛發(fā)生在干旱區(qū)、海岸甚至是外星球[4]。沙丘移動研究主要包括移動速度的年內(nèi)年際變化[5-6]、移動速度的影響因素[7-8]、移動前后的形態(tài)變化以及監(jiān)測方法的改進(jìn)[9]等方面。由于形態(tài)簡單且較為典型,沙丘移動研究多集中在新月形沙丘上[7]。
地面監(jiān)測和遙感影像監(jiān)測是沙丘移動研究中的常用方法。地面監(jiān)測精度高,但野外監(jiān)測環(huán)境惡劣,實地監(jiān)測的范圍往往較小[10]。如今,差分GPS和無人機(jī)攝影[11]等新興測量技術(shù)降低了地面監(jiān)測工作難度,各種高分影像的出現(xiàn)也使得遙感影像監(jiān)測有了可靠的數(shù)據(jù)來源[12]。相比于地面監(jiān)測,Google Earth提供的多時相高分辨率影像更適于大范圍的沙丘移動調(diào)查。因此,近幾年的沙丘移動研究中,大多數(shù)使用遙感影像測量[7]。其中,Google Earth提供的影像分辨率最高也最容易獲取,其測量精度也得到了廣泛驗證[13]。此外,Google Earth提供的影像還被廣泛用于驗證Landsat、Sentinel等中分辨率影像的沙丘移動測量結(jié)果[14]。
柴達(dá)木盆地是中國重要的資源工業(yè)基地,是青藏高原沙漠分布的主要地區(qū)之一,由于空氣稀薄、氣溫較低,被認(rèn)為是“地球上與火星最為接近的地區(qū)”,是研究火星風(fēng)沙地貌的重要參照[15]。中國火星探測器“天問一號”已經(jīng)抵達(dá)火星軌道,對柴達(dá)木盆地風(fēng)沙地貌的基礎(chǔ)研究也需要跟進(jìn)。柴達(dá)木盆地已有的沙丘地貌研究主要集中在沙丘景觀格局和沉積物的粒度特征等方面[16],對柴達(dá)木盆地沙丘移動特征及規(guī)律還不甚明確。因此,本文以新月形沙丘等橫向沙丘為研究對象,基于Google Earth軟件對盆地內(nèi)的沙丘移動情況進(jìn)行測量,分析沙丘移動速度與方向的空間分異特征,以及沙丘移動速度對形態(tài)參數(shù)的響應(yīng),以期為區(qū)域城鎮(zhèn)規(guī)劃與生態(tài)文明建設(shè),以及青藏高原國家生態(tài)安全屏障保護(hù)與建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。
柴達(dá)木盆地地處青藏高原東北部,介于87°48′E~99°20′E、34°41′N~39°20′N之間,屬大陸性荒漠氣候。盆地內(nèi)風(fēng)力和降水時空差異較大[17],河流以季節(jié)性河流為主,湖泊數(shù)量較多,沙漠零星分布。經(jīng)遙感解譯,沙漠總面積約16 846 km2。沙丘類型以新月形沙丘及新月形沙丘鏈為主,另外還有格狀沙丘、復(fù)合新月形沙丘、圓頂沙丘、拋物線形沙丘、沙壟、金字塔沙丘、爬坡沙丘等。
格爾木市是海西蒙古族藏族自治州下轄縣級市,地處柴達(dá)木盆地南緣,是連接西部幾省區(qū)和絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶的重要交通樞紐。市區(qū)海拔2 820 m,建在洪積扇邊緣,南部為戈壁灘,北部為濕地,因周圍“河流密集”而得名。本研究新月形沙丘典型區(qū)選在格爾木市區(qū)東部約10 km的戈壁灘上,該區(qū)域有多期遙感影像,且地形平坦,對風(fēng)況的影響較小,適合獨(dú)立地研究沙丘形態(tài)參數(shù)對移動速度的影響。
氣象數(shù)據(jù)來自海西州氣象局提供的柴達(dá)木盆地內(nèi)7個氣象站2003-2016年逐小時數(shù)據(jù),計算了平均風(fēng)速、起沙風(fēng)時數(shù)、降水量、蒸發(fā)量等氣象要素的多年平均值(表1)。
遙感影像主要是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。基于高分影像對柴達(dá)木盆地沙漠分布進(jìn)行目視解譯,用0.1°×0.1°網(wǎng)格均勻選點,并剔除兩期影像間隔時間短于1 a或僅一期影像的樣點。為保證可比性,對于樣點落在新月形沙丘鏈和格狀沙丘的區(qū)域,均選取其中一環(huán)作為研究對象,共測量沙丘67個(圖1),影像時間間隔最短1.47 a,最長15.5 a,平均間隔6.45 a,大部分都在3 a以上。為了排除環(huán)境因素的影響,進(jìn)一步研究新月形沙丘移動速度和形態(tài)參數(shù)的關(guān)系,選取了盆地中南部格爾木市區(qū)東部一處典型區(qū),共測量沙丘34個(圖1c)的形態(tài)參數(shù)和移動情況,影像時間間隔5.5 a。
表1 柴達(dá)木盆地基本氣象要素(2003-2016年)
注:起沙風(fēng)時數(shù)為一年中風(fēng)速大于6 m·s-1的累計小時數(shù)。
Note: Sand driving wind hours is the cumulative hours of wind velocity greater than 6 m·s-1in a year.
注:圖a中箭頭指向沙丘的移動方向。下同。
Note: Arrows indicate the direction of dune migration in the picture a. Same as below.
圖1 研究區(qū)地理位置及其周邊環(huán)境
Fig.1 Research area and its surrounding environment
沙丘主要形態(tài)參數(shù)包括迎風(fēng)坡長度、背風(fēng)坡長度、寬度、高度、底面積、周長等,主要通過Google Earth軟件獲取[12]。迎風(fēng)坡長度、背風(fēng)坡長度、寬度3個參數(shù)在最高分辨率影像正視狀態(tài)下,由軟件提供的工具測量沙丘移動前的平面長度。由于Google Earth高程精度低,故沙丘高度用背風(fēng)坡長度乘以休止角的正切計算[8]。在野外考察中,測得格爾木附近沙丘休止角為32°。底面積和周長需要勾繪出沙丘移動前的輪廓,保存后在屬性中查看。本研究引入了形狀系數(shù)的概念,即沙丘實際周長與?同面積?圓的周長之?比,可以反映沙丘的形態(tài);長寬比由沙丘迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡長度之和除以寬度得到,可以反映沙丘的“胖瘦”[8]。
沙丘移動前后的影像介于1999-2017年之間,大部分集中在2003-2016年。首先勾繪沙丘移動前脊線和輪廓,再切換到移動后影像進(jìn)行測量。測量點選擇沙丘兩翼和脊線中部,分別測量3個點的移動距離和方向并取平均值。由移動距離與兩期影像間隔時長計算沙丘移動速度。對影像偏移的沙丘,借助附近的巖石、灌叢等固定物體進(jìn)行校正。
根據(jù)朱震達(dá)等[18]的分級方法,將柴達(dá)木盆地沙丘移動速度分為4個等級:慢速<1 m/a、中速1~5 m/a、快速>5~10 m/a、特別快速>10 m/a(圖1a)。用SPSS 20軟件對典型區(qū)新月形沙丘各形態(tài)參數(shù)和移動速度進(jìn)行相關(guān)性分析。
柴達(dá)木盆地沙漠沙丘移動速度在0~23.53 m/a之間,平均速度4.66 m/a。盆地內(nèi)沙丘移動以中速為主(53.73%),其次是快速(29.85%),慢速(10.45%)和特別快速(5.97%)。在空間上自西北向東南減慢,但無明顯趨勢(表2)。盆地中部沙丘由于地勢平坦,移動速度較快(5.22 m/a)。西南部和北部沙漠受到地形的影響,移動速度偏慢(3.35、3.49 m/a),但略快于降水較多植被較好的東南部(3.27 m/a)。盆地內(nèi)沙丘移動方向整體上自西北向東南,在53.52°~150.06°之間,平均104.13°,與主風(fēng)向基本一致。另外,盆地邊緣沙丘又受到地形影響,沿著高大山脈的延伸方向前進(jìn)。
表2 柴達(dá)木盆地各區(qū)域沙丘移動情況
注:同列不同字母表示區(qū)域間差異顯著,<0.01。
Note: Different letters show significant difference,<0.01.
西北部沙漠沿山脈分為3段(圖2a)。沙丘類型包括格狀、新月形和復(fù)合新月形沙丘。西段為峽谷出口,風(fēng)力強(qiáng)勁,沙丘平均移動速度6.57 m/a;中段有高大山脈阻擋,平均移動速度3.13 m/a;東段位于茫崖西北風(fēng)口的下風(fēng)向,平均移動速度4.04 m/a。中部沙漠分為3條沙帶(圖2b)。北部沙帶地處冷湖西北風(fēng)口下方,以小型沙丘為主,平均移動速度10.35 m/a。中部沙帶地處濕地中心,以新月形沙丘鏈為主,平均移動速度4.84 m/a。南部沙帶位于戈壁,以格狀和新月形沙丘為主,平均移動速度3.76 m/a。東南部以固定和半固定格狀沙丘為主,臨近山體的沙丘平均移動速度僅0.19 m/a,而西側(cè)4個沙丘達(dá)到了6.5 m/a(圖2c)。沙漠已緊鄰都蘭縣城,但由于降水量較高,沙丘基本固定。北部與西南部沙漠都分布在山谷中(圖2d, 2e),北部以新月形沙丘和新月形沙丘鏈為主,西南部以格狀和復(fù)合新月形沙丘為主。由于山脈削弱了風(fēng)力,沙丘平均移動速度分別為3.49和3.35 m/a。
a.西北部;b.中部;c.東南部;c1裸露的沙丘;c2植被覆蓋的沙丘;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
圖2 柴達(dá)木盆地各區(qū)域沙丘移動情況
Fig.2 Dune migration in various regions of the Qaidam Basin
格爾木市區(qū)東部典型區(qū)所測量的新月形沙丘迎風(fēng)坡長度范圍18.8~172.5 m,寬度范圍18~282 m,移動速度在2.79~23.53 m/a之間,整體移動方向95°,平均速度10.94 m/a,以非常快速為主(55.88%),快速(23.53%)和中速(20.59%)占比相近。典型區(qū)沙丘迎風(fēng)坡長度、背風(fēng)坡長度、寬度、高度、周長之間呈極顯著線性相關(guān),底面積與迎風(fēng)坡長度、背風(fēng)坡長度、寬度、高度、周長之間呈二次函數(shù)關(guān)系。背風(fēng)坡長度、寬度、周長、底面積之間的關(guān)系較好(2≥0.729,圖3)。
沙丘寬度與形狀系數(shù)呈冪函數(shù)關(guān)系(2=0.755),與長寬比呈冪函數(shù)關(guān)系(2=0.565)。這表明新月形沙丘由小變大的過程,沙丘變“矮胖”(長寬比減?。?,由橢圓形變?yōu)樾略滦危ㄐ螤钕禂?shù)增大)。
新月形沙丘移動速度與沙丘迎風(fēng)坡長度(2=0.716)、背風(fēng)坡長度(2=0.705)、寬度(2=0.988)、高度(2=0.705)、周長(2=0. 986)、底面積(2=0.955)等形態(tài)參數(shù)之間都呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系,與形狀系數(shù)呈極顯著(<0.01)線性負(fù)相關(guān)關(guān)系(2=0.438),與長寬比呈顯著(<0.05)線性正相關(guān)關(guān)系(2=0.130)。其中,移動速度與沙丘寬度、底面積、周長的擬合關(guān)系較好(圖4c, 4e, 4f)。沙丘形狀系數(shù)越大,長寬比越小,沙丘體型越大,對應(yīng)的移動速度也越慢(圖4g)。該區(qū)域新月形沙丘左翼比右翼向前延伸地更長(圖1c),圖4h中更多的點分布在1:1線上方,左翼移動速度均值(11.16±5.26 m/a)略大于右翼(10.53±5.47 m/a)。
Google Earth測量平面形態(tài)較為可靠。如劉佳等[13]使用Google Earth進(jìn)行農(nóng)作物面積調(diào)查,其誤差低于0.1%;李鎮(zhèn)等[19]與實地測量對比,發(fā)現(xiàn)QuickBird影像在目視解譯切溝面積、周長的平均相對誤差都在5%左右。相較于切溝,沙丘面積更大且與背景環(huán)境色差明顯,解譯沙丘平面形態(tài)參數(shù)的誤差在可接受范圍內(nèi),基于Google Earth測量沙丘形態(tài)參數(shù)與移動距離的方法在庫木塔格沙漠[7],庫魯克沙漠[8],毛烏素沙地[12],埃及西部沙漠[20]等地得到了廣泛應(yīng)用。Google Earth無法準(zhǔn)確測量沙丘高度,而背風(fēng)坡與背景亮度差異最為明顯,為準(zhǔn)確獲取沙丘高度,本研究中選擇了背風(fēng)坡水平長度換算的方法[8]。今后的研究可結(jié)合無人機(jī)、差分GPS等新興技術(shù)手段,對典型地區(qū)開展實地測量,以提高測量沙丘三維形態(tài)參數(shù)精度。
在東南部,年降水量大于200 mm,沙丘大部分固定,植被覆蓋的沙丘平均移動速度僅0.19 m/a,而西側(cè)裸露的沙丘平均移動速度達(dá)6.50 m/a。與東南部相比,西北部和中心的年平均風(fēng)速均大于3 m/s[21],對應(yīng)的沙丘移動速度也更快??梢娚城鹨苿铀俣仁艿斤L(fēng)況、降水、植被、地形等環(huán)境因素的綜合影響。降水促進(jìn)植被生長,降低近地表風(fēng)速[7],進(jìn)而減慢沙丘移動。中部沙帶距格爾木市區(qū)38 km,前緣沙丘移動速度3.77 m/a。按此速度估算,該市將在萬年后被吞沒,但市區(qū)西北方向河流密集(圖1b),沙丘很難通過[22-23],短期內(nèi)威脅較小。考慮到沙物質(zhì)能以風(fēng)沙流形式輸移,遇到障礙物再度形成沙丘,故威脅仍存在。柴達(dá)木盆地氣候呈暖濕化趨勢,植被覆蓋度逐漸增加[24],沙丘移動將逐漸變慢。
沙丘體型越大,移動速度越慢,這與前人研究一致;不同的是,在毛烏素沙地[12]、埃及西部沙漠[20]等地的研究中大多發(fā)現(xiàn)沙丘移動速度與形態(tài)參數(shù)呈線性相關(guān)。與前者相比本研究中典型區(qū)沙丘寬度范圍在18~282 m之間,數(shù)據(jù)離散程度較大,故呈指數(shù)關(guān)系,這與Yang等[7]的結(jié)論一致。沙丘高度與移動速度相關(guān)性高[10],在前人研究中最受關(guān)注。本研究中高度需換算,而寬度不僅易測量,且與移動速度相關(guān)性最高,建議給予更多關(guān)注。典型區(qū)新月形沙丘左翼移動較右翼略快,這是由兩個方向的起沙風(fēng)所致[17,25],主風(fēng)向(W)決定了沙丘移動方向,副風(fēng)向(WNW)則使得左翼伸長(圖1c);還存在盾形沙丘向圓頂沙丘的逆向演化,可能是沙源不足所致[12]。沙丘形態(tài)變化會改變移動特征[8],其移動前后的形態(tài)變化還需深入研究。
1)柴達(dá)木盆地沙丘移動速度在0~23.53 m/a之間,平均4.66 m/a,其中中速占53.73%,快速占29.85%,慢速占10.45%,特別快速占5.97%。沙丘移動方向整體上自西北向東南,在53.52°~150.06°之間,平均104.13°,與主風(fēng)向基本一致,并隨山脈走向變化。
2)柴達(dá)木盆地沙丘移動速度整體上自西北向東南減慢,但無明顯趨勢。中部沙丘移動最快(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)和東南部(3.27 m/a)。
3)典型區(qū)新月形沙丘移動速度與迎風(fēng)坡長度、背風(fēng)坡長度、寬度、高度、周長、底面積等形態(tài)參數(shù)之間都呈指數(shù)關(guān)系,與形狀系數(shù)呈極顯著(<0.01)線性負(fù)相關(guān)關(guān)系,與長寬比呈顯著(<0.05)正線性相關(guān)關(guān)系。沙丘寬度與移動速度相關(guān)性最好,以后的研究中應(yīng)多關(guān)注。
4)從柴達(dá)木盆地整體來看,降水量越多、風(fēng)速越低,沙丘移動越慢;局部來看,植被覆蓋度越大,沙丘移動越慢。河流能在一定程度上阻擋沙丘移動,保護(hù)了格爾木市區(qū),但并不能消除沙丘移動帶來的威脅,沙丘移動問題仍需關(guān)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
第二次青藏高原綜合考察研究(2019QZKK0603);中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“泛第三極環(huán)境變化與綠色絲綢之路建設(shè)”子課題“土壤侵蝕定量評價與分區(qū)防控對策”(XDA20040202)
李建軍,博士生,主要研究方向為土壤侵蝕。Email:lijianjun@nwafu.edu.cn
焦菊英,博士,研究員。主要研究方向為流域侵蝕產(chǎn)沙、土壤侵蝕與植被關(guān)系及水土保持效益評價。Email:jyjiao@ms.iswc.ac.cn
10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.038
P931.3
A
1002-6819(2021)-07-0309-06
李建軍,焦菊英,曹雪,等. 柴達(dá)木盆地沙丘移動的空間分異及對形態(tài)參數(shù)的響應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,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