敦煌沙漠-綠洲過渡帶近地表風(fēng)沙動力環(huán)境

張克存, 牛清河, 安志山, 張偉民, 張 號

(中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 敦煌戈壁荒漠生態(tài)與環(huán)境研究站 沙漠與沙漠化重點實驗室， 甘肅 蘭州 730000)

敦煌沙漠-綠洲過渡帶近地表風(fēng)沙動力環(huán)境

張克存, 牛清河, 安志山, 張偉民, 張 號

(中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 敦煌戈壁荒漠生態(tài)與環(huán)境研究站 沙漠與沙漠化重點實驗室， 甘肅 蘭州 730000)

摘要：[目的] 探究沙漠綠洲過渡帶起沙風(fēng)況、輸沙勢、風(fēng)沙通量和近地表粒度特征，為闡明沙漠綠洲過渡帶風(fēng)沙動力過程提供理論依據(jù)。 [方法] 利用同步風(fēng)況、輸沙通量和近地表斷面粒度資料，分析了沙漠、綠洲及其過渡帶輸沙勢時空分布特征。 [結(jié)果] 由于沙漠和綠洲內(nèi)部物質(zhì)組成、空間結(jié)構(gòu)和水熱狀況不同，沙漠—綠洲過渡風(fēng)速梯度和起沙風(fēng)累計作用時間差異顯著；受沙漠和綠洲的交互作用，沙漠—綠洲過渡帶存在兩組主導(dǎo)風(fēng)向。從近地表粒度特征沿程分布來看，自沙漠至綠洲方向，粗沙含量逐漸降低，粉沙和黏粒含量相對增加。沙漠—綠洲過渡帶是綠洲生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對維持綠洲穩(wěn)定意義重大。 [結(jié)論] 針對綠洲風(fēng)沙危害防治，應(yīng)從局地環(huán)流角度出發(fā)，充分考慮沙漠—綠洲過渡帶的調(diào)節(jié)和緩沖作用。

關(guān)鍵詞：沙漠—綠洲過渡帶; 起沙風(fēng); 輸沙勢; 粒度特征

沙漠和綠洲是干旱區(qū)最為典型的地表景觀類型，二者相互依存而又互相牽制。全球綠洲面積雖僅占干旱區(qū)總面積的4%，但卻養(yǎng)育了干旱區(qū)95%以上的人口，創(chuàng)造了干旱區(qū)璀璨的古代文明[1-2]。沙漠作為近地表風(fēng)沙過程的物源地，直接威脅綠洲的存亡。但綠洲低水平、無序開發(fā)致使綠洲穩(wěn)定性下降，引發(fā)包括沙漠化在內(nèi)的一系列生態(tài)環(huán)境問題[3-4]。沙漠—綠洲過渡帶對維系綠洲系統(tǒng)穩(wěn)定尤為關(guān)鍵：一方面，它作為減輕沙漠對綠洲施壓的天然屏障，可以阻止沙漠?dāng)U張以及風(fēng)沙對綠洲的侵襲；另一方面，在水資源條件改善的情況下，又是綠洲擴展和沙漠改造的首選之地[5]。由于受綠洲和沙漠景觀格局的雙重影響，沙漠—綠洲過渡帶是一個對外界條件變化極為敏感的生態(tài)環(huán)境脆弱帶。沙漠和綠洲的水、熱差異所造成的局地環(huán)流和小氣候，影響沙漠—綠洲過渡帶近地表風(fēng)沙過程[6-7]。研究[8-9]表明，歷史時期以來，在人類活動和氣候變化的影響下，水文過程、生物過程、陸表過程和大氣過程及其相互作用決定了綠洲的演化。而沙漠—綠洲過渡帶近地表風(fēng)沙過程是上述諸多過程的集中表現(xiàn)，影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境的演變和沙漠—綠洲系統(tǒng)的穩(wěn)定，也是辨析區(qū)域沙漠化或綠洲化的關(guān)鍵。風(fēng)沙在沙漠和綠洲間往復(fù)式的能量交換及物質(zhì)搬運，使近地表呈現(xiàn)復(fù)雜的風(fēng)蝕、堆積及其交互過程[10-12]。沙漠—綠洲過渡帶風(fēng)沙活動引起的風(fēng)蝕、沙埋以及流沙入侵已嚴(yán)重影響綠洲穩(wěn)定和持續(xù)發(fā)展。為解決綠洲及其毗鄰地區(qū)的風(fēng)沙危害，保障綠洲生態(tài)安全，亟待對沙漠—綠洲過渡帶近地表風(fēng)沙動力過程開展系統(tǒng)研究。敦煌綠洲毗鄰高大連綿的鳴沙山，沙丘類型多為金字塔沙丘，平均高度約130 m。鳴沙山與距離最近的敦煌月牙泉村莊、林地和農(nóng)田等相隔約2.0 km。鳴沙山與敦煌綠洲地勢高差和景觀格局差異顯著，是一典型的沙漠—綠洲過渡帶。鑒于此，本研究以敦煌綠洲為例，探討沙漠—綠洲過渡帶起沙風(fēng)和輸沙勢等風(fēng)動力環(huán)境，不僅揭示沙漠—綠洲過渡帶局地環(huán)流特征和風(fēng)沙運動機制，而且有助于解決綠洲風(fēng)沙危害，為干旱區(qū)綠洲風(fēng)沙防治提供理論依據(jù)，具有重要的理論和實踐意義。

1敦煌綠洲自然環(huán)境特征

敦煌市位于甘肅省河西走廊西段，面積約3.12×104km2，主要以戈壁和沙漠為主,綠洲面積1.40×103km2，僅占總面積的4.5%。境內(nèi)水資源主要來自疏勒河和黨河，維系著敦煌綠洲的生態(tài)平衡。敦煌綠洲由于地處我國西北內(nèi)陸，氣候極端干旱，年均降水量為38.8 mm，年蒸發(fā)量高達3 470 mm。另外，受外圍沙漠影響，敦煌綠洲生態(tài)環(huán)境極其脆弱，風(fēng)沙活動強烈而頻繁，年均大風(fēng)日數(shù)約20 d，沙塵暴日15.8 d。每年11月至翌年2月，盛行風(fēng)向以西南風(fēng)和西風(fēng)為主，3—10月多東北風(fēng)和東風(fēng)。根據(jù)1997和1998年敦煌市氣象局風(fēng)況資料統(tǒng)計來看，全年主導(dǎo)起沙風(fēng)以東北風(fēng)和西南風(fēng)為主，二者占全年總量的51.47%，全年起沙風(fēng)合成輸沙方向215° (表1)。據(jù)觀測，毗鄰敦煌綠洲西緣的庫姆塔格沙漠每年向綠洲內(nèi)部推進3～4 m，沙漠與綠洲近在咫尺，對農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

尤其是近年來，隨著全球氣候變化和人類活動的影響，敦煌綠洲及其周邊生態(tài)環(huán)境退化更為突出，地表水資源銳減、地下水位下降、植被退化、濕地萎縮的現(xiàn)象十分嚴(yán)重。

表1　敦煌市各方位起沙風(fēng)比例

2沙漠-綠洲過渡帶起沙風(fēng)

為了揭示沙漠—綠洲過渡帶風(fēng)動力環(huán)境，自鳴沙山至敦煌市月牙泉村莊方向設(shè)置監(jiān)測斷面，整個監(jiān)測斷面走向為西南至東北方向。沙漠測點位于鳴沙山腹地，在沙漠測點的西南方向依次設(shè)置沙漠綠洲過渡帶測點和綠洲測點。沙漠測點距離綠洲和過渡帶兩測點的直線距離分別為3.0和1.2 km。在監(jiān)測斷面上沿分別途架設(shè)小型氣象儀，各氣象站點風(fēng)速采集高度距離地表2.0 m，每次風(fēng)速采集時間間隔為10 min，用于分析局地主導(dǎo)風(fēng)向、起沙風(fēng)況和輸沙勢等風(fēng)動力環(huán)境特征。采用用2008—2010年連續(xù)3 a風(fēng)況資料，分別計算和統(tǒng)計了沙漠綠洲過渡帶各測點平均風(fēng)速、起沙風(fēng)玫瑰圖、起沙風(fēng)累計作用時間和輸沙勢等。

2.1　平均風(fēng)速

平均風(fēng)速是衡量風(fēng)沙強度活動的指標(biāo)之一。沙漠和綠洲同處于干旱區(qū)，二者物質(zhì)組成、空間結(jié)構(gòu)和水熱特性的不同，導(dǎo)致沙漠—綠洲過渡帶各點平均風(fēng)速在空間分布及時間變化上存在明顯的差異。從表2可以看出，在空間分布上，從沙漠至綠洲，平均風(fēng)速有遞減趨勢。沙漠和過渡帶兩測點年均風(fēng)速為分別為2.78和2.54 m/s，由于受綠洲效應(yīng)的影響，至綠洲年均風(fēng)速為1.99 m/s，遠(yuǎn)小于沙漠地區(qū)。從時間變化來看，各點平均風(fēng)速冬春季相對較大，尤其是3—5月份。

2.2　起沙風(fēng)玫瑰圖

起沙風(fēng)是確定風(fēng)沙活動發(fā)生與否及其強度的重要依據(jù)，也是研究風(fēng)沙運動規(guī)律、解決風(fēng)沙工程問題的關(guān)鍵指標(biāo)之一。基于相關(guān)研究結(jié)果和野外實地觀測，對于一般干燥裸露的沙質(zhì)地表來說，當(dāng)風(fēng)速達到5.0 m/s左右(2.0 m高度)，沙粒開始起動，形成風(fēng)沙流。所以本研究以5.0 m/s作為沙粒的起動風(fēng)速。從起沙風(fēng)統(tǒng)計記錄來看，總體趨勢是越遠(yuǎn)離沙漠，靜風(fēng)頻率越大，起沙風(fēng)頻次越小。沙漠、過渡帶和綠洲三點起沙風(fēng)頻率分別為15.73%，14.20%和7.26%。從主導(dǎo)起沙風(fēng)向來看，沙漠測點主要以南風(fēng)和偏南風(fēng)為主，起沙風(fēng)合成方向為24.60°，西南向指向綠洲方向。沙漠—綠洲過渡帶，由于受沙漠和綠洲的交互作用，存在兩組主導(dǎo)方向，一組為W—SWS，指向綠洲方向，頻率為45.45%；另一組為NE—ENE,方向指向沙漠，頻率為27.315%。在綠洲內(nèi)部，主導(dǎo)起沙風(fēng)向以東北風(fēng)為主，占57.21%，起沙風(fēng)合成方向為203.10°，指向沙漠方向(圖1)。

表2　沙漠-綠洲過渡帶各點月平均風(fēng)速　m/s

圖1　沙漠-綠洲過渡帶各點起沙風(fēng)玫瑰圖

2.3　起沙風(fēng)累計作用時間

為了更具體地對比沙漠—綠洲過渡帶風(fēng)沙活動強度，圖2所示了各站點起沙風(fēng)累計作用時間。從各季節(jié)起沙風(fēng)作用時間分布來看，無論是沙漠還是綠洲，春、冬季起沙風(fēng)累計作用時間相對較高，尤其是春季，沙漠、過渡帶至綠洲起沙風(fēng)累計作用時間分別為406.83，453.33和250.17 h。另外，由于受綠洲呈現(xiàn)獨特的“濕島效應(yīng)”和“增雨效應(yīng)”的影響，綠洲內(nèi)部起沙風(fēng)累計作用時間明顯低于沙漠，過渡帶間于中間。全年沙漠和綠洲內(nèi)部起沙風(fēng)累計作用時間為1 424.67和636.33 h，綠洲起沙風(fēng)累計作用時間約占沙漠站點的44.67%。

圖2　沙漠-綠洲過渡帶各點起沙風(fēng)累計作用時間

3沙漠-綠洲過渡帶輸沙勢

輸沙勢(drift potential， DP)是衡量區(qū)域風(fēng)沙活動強度及風(fēng)動力環(huán)境重要指標(biāo)，在工程防沙設(shè)計和風(fēng)沙地貌研究中，經(jīng)常用到輸沙勢。本文在計算輸沙勢時，采用Fryberger提出的計算方法[13]。表3為沙漠—綠洲過渡帶四季分布情況，由表3可以看出，沙漠與過渡帶輸沙勢相差不大，但綠洲內(nèi)部輸沙勢明顯較低。

表3　沙漠-綠洲過渡帶不同季節(jié)輸沙勢

由于風(fēng)是一種矢量，根據(jù)矢量合成法則將16個方位輸沙勢進行合成，就得到合成輸沙勢(resultant drift potential， RDP)和合成輸沙方向(resultant drift direction， RDD)，它可以反映一個地區(qū)凈輸沙能力的大小。合成輸沙勢與輸沙勢的比值稱為方向變率指數(shù)(RDP/DP)，用來反映一個地區(qū)風(fēng)向組合情況。基于輸沙勢合成計算，沙漠站點年合成輸沙勢RDP為117.91 UV，過渡帶RDP為53.09 UV，綠洲內(nèi)部RDP為47.50 UV。沙漠至綠洲內(nèi)部，年輸沙勢和合成輸沙勢均呈遞減趨勢，沙漠地表風(fēng)動力環(huán)境明顯高于綠洲內(nèi)部。沙漠站點方向變率RDD最大，為0.81，過渡帶方向變率RDD最小為0.35，綠洲內(nèi)部RDD為0.56。

4沙漠-綠洲過渡帶近地表粒度特征

沉積物的粒度特征是指粒度組成與粒度參數(shù)，同時也包括其在地域上的分布規(guī)律[14-16]。在風(fēng)沙地貌研究中，粒度是一個很重要的指標(biāo)，它可反映沙丘的形態(tài)特征、沉積環(huán)境和發(fā)育過程[17-19]。為了揭示沙漠—綠洲過渡帶近地表粒度特征，于大風(fēng)過境后沿沙漠至綠洲方向分別采集典型地表沙樣進行粒度組成分析(表4)。樣品采集面積為30 cm×30 cm，采集重量約為150 g，使用振篩機分選沙樣并稱重，每個樣品振篩5 min，稱重精度為0.000 1 g，之后計算各粒徑區(qū)間質(zhì)量百分比。采集沙樣樣本數(shù)為：沙漠地表4個，過渡帶5個，綠洲邊緣至綠洲內(nèi)3個，共計12個樣點。

表4　沙漠-綠洲過渡帶近地表粒度組成百分含量

通過分析表層沙粒粒度可知，沙漠綠洲過渡帶各點粒度分布存在較大差別，自沙漠至綠洲，粗沙含量逐漸降低，中沙和細(xì)沙含量增加。沙漠近地表以粗沙為主，質(zhì)量百分含量75.76%，中細(xì)沙含量較少，分別為15.59%和3.52%。過渡帶近地表沙粒以中沙和粗沙為主，中沙含量相對較高，為51.48%。相對沙漠地表，細(xì)沙含量有所增加，為21.14%。綠洲邊緣至綠洲內(nèi)部近地表沙粒以細(xì)沙為主，質(zhì)量百分含量為62.78%，粗沙含量較少，只有0.76%，而風(fēng)沙和黏粒含量相對增加，分別為3.2%和3.03%。綜上分析可知，沿沙漠至綠洲方向，由于沙漠植被稀少，表層以粗沙粒為主，粗沙百分比均大于50%。過渡帶水熱條件相對較好，生長有低矮灌木，表層沙粒以粗沙、中沙和細(xì)沙為主，與沙漠地區(qū)表層沙粒相比，粗沙比例減小至26.18%，中沙百分比增加至55.48%，細(xì)沙比例增加至21.14%，且越靠近綠洲，中沙和細(xì)沙比例越大。綠洲內(nèi)部有高大喬木和灌木保護，表層沙粒以極細(xì)沙、細(xì)沙和中沙為主，其中，細(xì)沙百分比增加至62.78%，極細(xì)沙百分比增加至11.78%，而粗沙百分比下降至0.76%。

5結(jié) 論

沙漠—綠洲過渡帶是綠洲生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對維持綠洲穩(wěn)定具有重要作用。近地表風(fēng)沙過程在沙漠和綠洲間的時空交錯，直接影響沙漠—綠洲生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。由于受綠洲效應(yīng)的影響，綠洲年均風(fēng)速遠(yuǎn)小于沙漠地區(qū)，綠洲起沙風(fēng)累計作用時間約占沙漠站點的44.67%。年輸沙勢和合成輸沙勢也呈遞減趨勢，沙漠地表風(fēng)動力環(huán)境明顯高于綠洲內(nèi)部。從近地表粒度特征來看，沙漠地區(qū)以粗沙為主，含量較高，中細(xì)沙含量較少；過渡帶近地表沙粒以中沙和粗沙為主，中沙含量相對較高，為51.48%；綠洲邊緣至綠洲內(nèi)部近地表沙粒以細(xì)沙為主，粗沙含量較少；風(fēng)沙和黏粒含量相對增加。沙漠—綠洲過渡帶近地表風(fēng)沙過程不僅受沙漠和綠洲景觀格局和地表物質(zhì)組成的影響，而且還與沙漠—綠洲水、熱差異造成的局地環(huán)流有很大的關(guān)系。

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Aeolian Dynamics Environments Near Earth Surface in Desert-Oasis Transitional Zone of Dunhuang Area

ZHANG Kecun, NIU Qinghe, AN Zhishan, ZHANG Weimin, ZHANG Hao

(DunhuangGobiandDesertEcologyandEnvironmentResearchStation，KeyLaboratoryofDesertandDesertification,ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou,Gansu730000,China)

Abstract：[Objective] The distribution pattern of sand-driven wind regimes, drift potentials, sand flux and particle size along the desert oasis transitional zone in the Dunhuang oasis adjacent to Mingsha Mountain was investigate in order to provide a theoretical basis for clarifying the process of aeolian sand in desert and oasis regions. [Methods] Based on the data from the synchronous wind velocity, sand flux and the size of sand grains, the characteristics of aeolian sand environments were calculated along the desert oasis transitional zone. [Results] Because of the differences of the material composition, spatial structure and hydrothermal conditions, wind velocity gradient and cumulative time of sand-driven wind existed significant differences. By the interaction of the desert and oasis, two dominant winds existed desert-oasis transitional zone. From the point of near surface granularity characteristics along the distribution, coarse sand content gradually reduced and silt and clay content increased relatively from the desert to the oasis. Desert-oasis transitional zone was the important part of the ecosystem, and had significance in maintaining a stable transition. [Conclusion] For the oasis sand hazard prevention and control, we should give full consideration to the role of regulation and buffering of desert-oasis transitional zone in view of atmospheric circulation.

Keywords:desert-oasis transitional zone; sand-driven wind; drift potentials; characteristics of sand grains

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)04-0008-04

中圖分類號：P931.3, X43

收稿日期：2014-06-22修回日期：2014-06-30

資助項目：國家自然科學(xué)基金項目“沙漠綠洲過渡帶近地表風(fēng)沙動力過程研究”(41371027)；中國科學(xué)院“西部之光”項目(29Y128841)

第一作者：張克存(1978—),男(漢族),甘肅省民勤縣人,博士,研究員,主要從事風(fēng)沙災(zāi)害與風(fēng)沙工程研究。E-mail:kecunzh@lzb.ac.cn。