塔克拉瑪干沙漠南緣紅柳沙包沙物質粒度特征與風沙環境變化

高辰晶，劉 倩，王艷欣，趙元杰，高偉明，夏訓誠

（1.河北師范大學 資源與環境科學學院，河北省環境演變與生態建設實驗室，石家莊050016；2.石家莊新奧燃氣有限公司，石家莊050035；3.中國科學院 新疆生態與地理研究所，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（塔南地區）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，可以作為荒漠地區恢復古氣候和古環境的計年手段和氣候環境信息載體［2］。沉積物粒度特征是古氣候環境演變的良好標志之一［3－4］，可用于研究不同時期沙物質來源和風況變化［5］。本文通過塔南地區不同地點的紅柳沙包沉積紋層沙物質粒度特征，分析風沙環境變化，對促進本地區生態建設和環境保護有重要的指導意義。

1 研究區概況

塔南地區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，而年蒸發量可達2 500～3 400mm，多風沙和浮塵天氣，風沙危害嚴重。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，目前遺址區內多為流動沙丘，分布有紅柳、蘆葦等；安迪爾牧場為現代綠洲，位于安迪爾河下游三角洲，分布有胡楊、紅柳、蘆葦、駱駝刺等；達瑪溝鄉也為現代綠洲，位于達瑪溝河下游三角洲，分布有胡楊林、紅柳、蘆葦等。

2 樣品采集與分析

2.1 沙物質樣品采集

2011年6月18—20日，在民豐縣安迪爾故城（A采樣點）、安迪爾牧場（B采樣點）和策勒縣達瑪溝鄉（C采樣點），選擇典型紅柳沙包后，對紅柳沙包剖面進行清理和固定。對于清晰、連續的沉積紋層，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，地理坐標37.83°N，83.71°E，海拔1 300m，共采集沉積紋層樣品88個，剖面深度約1.5m；B采樣點，地理坐標37.72°N，83.82°E，海拔1 223m，共采集沉積紋層樣品107個，剖面深度約5m；C采樣點，地理坐標37.09°N、81.08°E，海拔1 318m，共采集沉積紋層樣品151個，剖面深度約4.5m。

2.2 樣品處理與分析結果

將樣品中的沙物質和紅柳枯枝落葉分離后，對沙物質進行預處理：①采用浸提法去除鹽分；②采用氧化法（H2O2）去除有機質；③采用溶蝕法（HCl）去除鈣質膠結物；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1mm。粒度分析結果見圖1。

圖1 中A采樣點以細沙為主，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。

B采樣點以細沙為主，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采樣點主要為細沙，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］，依據沙物質210Pbex隨深度變化的對數擬合曲線方程，計算各采樣點沉積紋層的平均沉積速率，再根據各采樣點的平均沉積速率和樣品沉積的深度估算其年代。并結合紋層計年、137Cs測年和14C測年數據進行校正，最終建立各采樣點紅柳沙包沉積紋層的年代序列，其中A采樣點序列時段為1792—2010年，B采樣點序列時段為1600—2010年，C采樣點序列時段為1590—2010年（圖2）。

圖2 塔南地區紅柳沙包沉積紋層的年代序列

3 結果與分析

3.1 粒度參數特征

根據粒度參數計算方法［4，10］，分別對三個采樣點沉積紋層沙物質粒度數據進行處理，采用SPSS 17.0軟件進行間斷年份粒度參數的線性插值，最后用Sigma Plot軟件繪制粒度參數變化圖（圖3）。

圖3 不同采樣點紅柳沙包沉積紋層沙物質粒度參數

圖3 中A采樣點沙物質粒徑主要分布在0.16φ～11.13φ之間，粒徑平均值為3.71φ，中值粒徑為3.69φ。分選系數為1.25～1.34，平均值為1.27，表明該采樣點沙物質粒度分選性較好。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，屬于負偏態；55.4%的偏度值為－0.1～0.1，呈近對稱分布，說明沙物質粒度以細組分為主，且沙物質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）型；21.8%的峰度值為1.11～1.56，屬尖銳型。

B采樣點沙物質粒徑主要分布在1.99φ～11.13φ，粒徑平均值為3.47φ，中值粒徑為3.46φ。分選系數為1.23～1.33，平均值為1.26，表明該采樣點沙物質粒度分選性較好。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，屬于負偏態；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）分布；11.9%的峰度值為1.11～1.56，屬尖銳型。

C采樣點沙物質的粒徑主要分布在0.16φ～11.13φ，粒徑平均值為3.95φ，中值粒徑為3.90φ。分選系數為1.58～1.76，平均值為1.64，表明該采樣點沙物質分選性較好。偏度值為－0.25～－0.17，平均值為－0.22，屬負偏態。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特征

3.2.1 粒級分布特征 根據粒度組成和粒度參數，采用Excel 2007軟件處理后，得到3組沙物質的粒級分布規律，3個采樣點沙物質粒度分布整體呈現負偏態，而B采樣點粒級分布所指向的1846年、1972年、1977—1982年、1988—2010年的沉積紋層明顯不同于其他紋層，其原因為該部分沙物質中含有較多的粗沙粒。

3.2.2 概率累積特征 依據粒度組成和粒度參數，并使用相關軟件處理后，得到3組沙物質粒度概率累計曲線。3個采樣點紅柳沙包沉積紋層沙物質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，反映其沉積動力環境相對一致。

4 討論

4.1 不同采樣點粒度參數的差異及形成原因

表1列出了塔南地區3個采樣點紅柳沙包沉積紋層沙物質的平均粒徑、中值粒徑、分選系數、偏度以及峰度五個粒度參數特征［11－12］。

表1 塔南地區紅柳沙包沉積紋層沙物質粒度參數特征

根據表1數據得出，沙物質平均粒徑：B采樣點＞A采樣點＞C采樣點，說明在B采樣點周圍的風沙搬運動力最強；中值粒徑：B采樣點＞A采樣點＞C采樣點，說明在B采樣點沉積物質以躍移和蠕移為主，而在C采樣點以懸移為主；分選系數：B采樣點的分選性明顯好于A采樣點和C采樣點，說明B采樣點的沉積環境更加穩定；另外，偏度系數表現為：B采樣點＞A采樣點＞C采樣點；峰度系數表現為：C采樣點＞A采樣點＞B采樣點。

對比采樣點位置及相關結果得出，從東北到西南排列的3個采樣點的沙物質在粒度參數上表現出較強的相關性。并且3個紅柳沙包都位于塔南地區，可以判斷該地區紅柳沙包的沙源主要是風成沙。這里常年刮東北風，而塔克拉瑪干沙漠沙就成為了塔南地區紅柳沙包沙物質的沙源地。A樣點接近沙漠內部，影響沙物質特征的人為因素較少，主要是風力；B采樣點位于民豐縣安迪爾鄉新修的沙漠公路支路一側，因為受到強風的影響，沙物質粒徑相對較粗，分選性也較好，峰度范圍較寬；C采樣點位于策勒縣達瑪溝鄉，離綠洲最近，周圍還有開墾的農田。由于綠洲植被阻滯沙物質的移動，粒徑相對較細，分選性變差，峰度范圍變窄［12］。3個采樣點沙物質粒度參數與塔克拉瑪干沙漠南緣的其他灌叢沙丘基本一致［13－14］，細沙含量較高，極細沙和粉沙也較多。

4.2 不同類型沙丘沙物質粒度特征對比

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

表2 不同類型沙丘沙物質粒度特征

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

4.2.2 與羅布泊紅柳沙包沉積紋層沙物質粒度的差異 對比相關數據可以得出，塔南地區紅柳沙包與羅布泊紅柳沙包沙物質粒徑相近，表明兩地的沉積環境相對一致。從偏度上看，塔南地區3組紅柳沙包沙物質粒度均為Sk1＜0，說明沙物質以細組分為主，可能由于塔南地區的沙物質大部分來源于經長距離搬運的沙漠沙，其中C采樣點位于綠洲附近，受人為影響較大。

4.2.3 不同位置紅柳沙包沙物質粒度變化 根據前文數據看出，各采樣點紅柳沙包沙物質粒度組成具有一致性和繼承性，且具備明顯的風成沙特征。不同位置的紅柳沙包沙物質粒度變化因受沙源和風力影響，呈現出規律性變化，即采樣點周圍水分和植被條件較好時，沙物質粒度細組分較之沙漠中就地起沙的沙物質相對要多。

4.3 粒度參數與年平均風速相關性分析

位于荒漠地區的風成沉積沙層的厚度，與沙源、風速和物質組成狀況相關；而風沙起動臨界風速的大小，與沙物質起動方式、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個采樣點沙物質粒度的偏度、峰度與安迪爾、民豐和策勒氣象站記載的年平均風速數據進行相關分析。結果顯示，A采樣點和B采樣點的偏度值和峰度值與年平均風速在0.01水平時表現為顯著相關，其中A采樣點相關系數分別為0.528和－0.550，B采樣點相關系數分別為0.602和－0.623；但是分析結果中，C采樣點的相關性不顯著，其原因可能為綠洲阻礙了沙物質的移動和沉積。

4.4 風沙環境變化

細粒沉積物粒度特征可以判別風成、水成沉積物成因類型［17－18］。本文依據偏度值、峰度值及標準偏差等粒度參數，并利用砂巖粒度的薩胡判別函數值Y風成：海灘，對沉積環境進行鑒別［18］。結果顯示，3個采樣點函數Y風成：海灘的平均值分別為－7.79，－7.86，－6.14，均滿足風成沉積環境條件鑒別值Y＜－2.741 1，說明塔南地區3個采樣點的紅柳沙包沙物質均以風成沙為主。

4.4.1 峰度距平值與大風天氣 粒徑、偏態和峰度等均與風況有關。本文將峰度距平值分為四級：距平值大于25%，表示大風天氣較多；距平值在0～25%之間，表示大風天氣正常偏多；距平值在0～－25%之間，表示大風天氣正常偏少；距平值小于－25%，表示大風天氣較少。將塔南地區三個采樣點紅柳沙包沙物質峰度距平值變化（圖4）代表的轉折年份進行擬合后發現，1801—1871年峰度值相對較低，大風天氣正常偏少；1872—1902年，峰度值升高，大風天氣正常偏多；1903—1984年，峰度值變低，大風天數明顯回落，基本對應于偏干期（1919—1986）；1985—2010年，峰度值升高，大風天氣偏多，基本對應于偏濕期（1987—2010）［19］，與策勒氣象站記錄的降水增多趨勢相一致。

圖4 塔南地區三個采樣點沙物質峰度距平值變化

4.4.2 沙塵物質與浮塵天氣 沙塵物質（粒徑＜0.005mm）所占比例代表浮塵天氣的多少［20］，將沙塵物質所占比例依據距平值分為四級：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。三個采樣點紅柳沙包沙塵物質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樣點因受綠洲影響，浮塵天氣明顯少于A、B兩采樣點。

圖5 塔南地區三個采樣點紅柳沙包沙塵物質含量距平值變化

通過紅柳沙包沉積紋層沙物質粒度分析，可將塔南地區1801年來的風沙環境變化劃分為4個階段：第一階段：1801—1872年，風沙作用變弱趨勢明顯，多浮塵天氣。第二階段：1872—1902年，風沙作用明顯變強，風沙天氣逐漸增多，1876—1884年達到峰值。第三階段：1903—1984年，風沙作用強度一般，風沙天氣較多。第四階段：1985—2010年，風沙作用較弱，浮塵天氣出現頻繁，相對來說風沙天氣出現較少，風沙天氣與浮塵天氣交替出現。

5 結論

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

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

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

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