不同發育階段新月形沙丘表面粒度特征

俞祥祥，李生宇，馬學喜，賈文茹

（1.中國科學院新疆生態與地理研究所，新疆 烏魯木齊830011；2.中國科學院大學，北京100049）

沙丘是當上風方向的輸入沙速率超過下風方向的遣出速率時出現的沙的堆積過程并發育而成的[1]。大量研究[2-4]表明，其形成發育過程受沙源、風況、地形等因素的影響。地形、氣流和沙粒三者之間的相互作用導致了沙丘的粒度組成具有明顯的地域差異，而沙丘形態對氣流的改造作用則導致了沙丘表面不同部位的粒度組成出現不同程度的差異。粒度組成不僅反映了風對沙源物質的搬運、堆積和分選情況，而且還體現了地形對風沙流移動過程的影響，同時還是沙丘形成過程中風力強度的重要體現。因此，對沙丘表面粒度進行分析是研究風沙地貌過程的重要手段之一。通過對粒度的分析可以判定沙物質來源和運移方式，有助于分析沙丘形成演變過程中的環境條件[5]。

新月形沙丘作為最簡單也最典型的風積地貌，廣泛分布于世界各大沙漠，其出現率為21%~84%，平均為41.6%，是最常見的沙丘類型之一[6-9]，其一般形成于供沙量不足和幾乎為單向輸沙風的無植被區域[10-14]。國內外大量學者對新月形沙丘的形態與移動特征、形成條件與發育環境、流場與蝕積特征、粒度與構造特征以及分布與相互作用等方面進行了大量研究[12-16]。這些研究結果對于全面了解新月形沙丘具有重要意義，但這些研究往往是針對單個或不同地區同一發育階段的新月形沙丘而言的，研究其不同發育階段之間粒度組成變化規律的文章卻很少。

本文通過對塔克拉瑪干沙漠腹地壟間平地不同發育階段新月形沙丘表面粒度的研究，旨在驗證前人研究成果的基礎上，揭示新月形沙丘發育過程中表面粒度的變化特征并初步探討其機理。研究結果對新月形沙丘形成及發育研究具有重要理論意義。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

塔克拉瑪干沙漠位于塔里木盆地中心，整個沙漠東西長約1000 km，南北寬約400 km，沙漠的北、南分別被天山、昆侖山包圍，西部為帕米爾高原，東部與羅布泊洼地相鄰，是我國最大的沙漠，也是世界第二大流動沙漠，面積33.76×104km2，占中國沙漠總面積的47%，其中流動沙丘占85%[17]。該地區屬于典型的內陸暖溫帶荒漠氣候，夏季炎熱，干旱少雨，光熱充足，日照時間長，晝夜溫差大，水資源時空分布不均[18]。

根據塔中氣象站觀測資料，該區年平均氣溫12.1 ℃，氣溫年較差平均在33.0~39.0 ℃，極端最高氣溫可達40.0~46.0 ℃，極端最低氣溫達-20.0~-25.0 ℃；年平均降水量在25.9 mm 左右，且90%以上集中在春夏兩季；區內蒸發量強烈，年平均可達3 812.3 mm；年平均風速為1.5~3.0m/s，平均為2.5 m/s，風向以E、ENE、NE 為主；大風日數年平均為10.5 d；該區還是塔里木盆地沙塵暴的高發中心，年沙塵暴日數可達68~88 d[19-22]。

塔克拉瑪干沙漠這些獨特的條件使其流沙面積廣大，沙丘類型復雜多樣，成為研究沙漠學科許多問題的理想場所[23]。試驗地位于塔克拉瑪干沙漠腹地塔中“K9 公里”試驗場（距塔中作業區約3 km）內，其地理位置為83°40′E，39°00′N，海拔高度約為1099 m。壟間區域地勢平坦，寬1~3 km，沙物質機械組成以細砂和極細砂為主[24]。高大縱向復合沙壟和寬廣的壟間地相間分布構成了主要的風沙地貌格局，在壟間地廣泛發育了各種類型的新月形沙丘，它們的形態發育過程也極為特殊，存在成形、保持、發育、退化和消失等全部發育階段，而且變化很快，是研究新月形沙丘不同發育階段的良好實驗場地[14，18]。

1.2 樣品采集與分析方法

Bagnold[1]1941 年提出的新月形沙丘發育模式至今仍被大多數風沙地貌學家視為經典并不斷被后來的研究者所驗證和完善，其研究結果表明新月形沙丘是風沙流經過障礙物（如草叢、灌叢、礫石等）堆積后，在單一風向作用下，經歷了從沙斑、餅狀沙堆、盾形沙堆、雛形新月形沙丘、新月形沙丘的發育過程而形成的。因此，本文在試驗地順當地主風向ENE（圖1 中箭頭所示方向），隨機選擇餅狀沙丘（Pie Dune，簡稱PD，如圖1a，等高距為0.01 m）、盾狀沙丘（Shield Dune，簡稱SD，如圖1b，等高距為0.02 m）、雛形新月形沙丘（Prototype Crescent Dune，簡稱PCD，如圖1c，等高距為0.05 m）、典型新月形沙丘（Typical Crescent Dune，簡稱TCD，如圖1d，等高距為0.05 m）4 個不同發育階段的新月形沙丘作為研究對象。由于新月形沙丘4 個發育階段沙丘高度差異較大，同時，為保證每個沙丘樣品數足夠，本文采用均勻矩陣式（1 m×1 m）插釬（關鍵地形點如脊線、砂丘最高點等也確保有插釬），每個插釬位置即為采樣點，并用RTK 基站儀測量每個沙丘和插扦點的地形。采樣深度控制在沙面0~1 cm 范圍內，采樣面積約為20 cm×20 cm，每個樣品重量100~200 g，采樣時間為2013 年8 月下旬。共采集了271 個樣品，其中PD27 個、SD55 個、PCD101 個、TCD87 個。粒度分析在中國科學院新疆生態與地理研究所荒漠環境與生態修復實驗室完成，采用BT-2001 型激光粒度分布儀（濕法）測量樣品粒度。粒度分析結果以體積百分含量表示，根據溫德華粒級標準劃分方法統計了不同沙丘類型、不同地貌部位的沙粒級配[25]。根據Folk-Ward 圖解法[26]計算粒度參數（平均粒徑MZ、分選系數σI、峰度KG、偏度SkI）。

圖1 新月形沙丘4 個發育階段沙丘形態及采樣位置分布

表1 新月形沙丘4 個發育階段不同地貌部位的沙粒級配

2 結果與分析

2.1 沙粒級配特征

2.1.1 粒級體積百分含量

就總體而言，塔克拉瑪干沙漠腹地壟間平地新月形沙丘4 個發育階段的沙丘沙主要由細砂和極細砂組成，總含量平均可達91.47%，其次為中砂（6.15%），粉砂（2.00%），粗砂含量較少（0.38%），基本不含極粗砂或更粗組分，不含粘土。就單個沙丘而言，雖然各沙丘沙均以細砂和極細砂為主但從PD到SD 其平均含量由85.93%增加至92.91%；從SD到TCD 則逐漸減少至91.62%。與之相對應的中砂和粗砂含量由11.88%減至5.21%再增加至6.49%。細砂及極細砂總含量最大值為97.64%，出現在TCD背風坡腳處；最小值為47.10%，出現在PD 臨近沙丘最高點背風處。沙粒各級級配中離散程度最大的是細砂及極細砂，標準偏差為7.66，其次為中砂5.99，粗砂2.18，粉砂0.55 最小。在各沙丘中也基本符合這種離散程度排序。

各沙丘內部不同地貌部位（選自沙丘最高點所在縱斷面上5 個代表部位樣本點）的粒級體積百分含量存在明顯變化規律。由表1 可知，PD 在迎風坡腳處細砂及極細砂含量為94.69%，丘頂處這一含量減少至88.46%而背風坡腳處又增加至92.96%，由此可知PD 自迎風坡腳至背風坡腳的沙粒組成中細砂及極細砂所占含量之和呈現先減小后增大的趨勢，且在丘頂處最小，反之，粗砂和中砂含量先增大后減小。此外，其余沙丘的沙粒組成也遵循此規律。不同的是各沙丘內部在不同地貌部位細砂及極細砂含量的變化率不同，最大者為TCD（27.52%），其次為SD（14.55%）和PCD（12.85%），PD（7.04%）最小。而比較不同沙丘在相同地貌部位的機械組成發現，PD 在丘頂處小于0.25 mm（＞2Φ）的沙粒占90.41%，SD、PCD 中這一含量相對減少（86.84%、86.70%），到TCD 時減少至78.29%。因此，隨著沙丘的發育丘頂部位的沙粒組成中大于2Φ 的沙粒所占含量之和依次減少。但背風坡中部和背風坡腳的規律卻與此相反呈依次增加之勢，而迎風坡中部和迎風坡腳的增減性卻不明顯。

4 個沙丘都受相同沙源和風況的影響，但沙丘形態的變化對近地表氣流的改造使得沙丘表面粒級級配產生明顯差異，且對含量最多的細砂及極細砂作用最明顯。這種差異不僅在沙丘內而且在不同發育階段之間均具有一定的規律性。

2.1.2 頻率曲線特征

從頻率曲線（圖2）來看，4 個階段沙丘峰值粒徑介于3.077~3.146Φ，其中PCD 最大（3.146Φ），其次為TCD （3.102Φ），SD （3.077Φ） 最 小 但 與PD（3.080Φ）較為接近，均屬于極細砂。峰值粒徑所在頻率（15.37%~25.90%）則存在明顯差異，最大者為PCD（25.90%）、其次為SD（25.67%）、TCD（20.27%）、PD（15.37%）最小。4 個沙丘表面所有樣本的沙粒都表現為單峰，只有TCD 中極少數處于沙丘迎風坡底部位置的沙樣出現了雙峰。

圖2 新月形沙丘4 個發育階段的粒度頻率曲線特征

2.2 粒度參數特征

2.2.1 不同發育階段沙丘的粒度參數

不同發育階段沙丘的粒度參數如圖3 所示。參與統計的271 個沙丘沙的平均粒徑之平均值為3.032Φ（0.122 mm），屬于極細砂。與吉啟慧[27]的研究結果（0.121 mm）相近。所有樣本的平均粒徑介于2.162~3.352Φ（0.098~0.224 mm），涵蓋了細砂至極細砂的范圍，與沙粒級配特征一致，其中25.83%屬于細砂，74.17%屬于極細砂。由于4 個沙丘的平均粒徑分布基本不符合正態分布且方差不齊所以用Kruskal-Wallis H 非參數檢驗得Sig=0.051（接近于0.05），由此可知各沙丘平均粒徑之間的差異具有統計學意義，趨向于顯著。依Φ 值排序為PCD（3.067Φ）>SD （3.055Φ）>TCD （3.043Φ）>PD（2.962Φ）。各沙丘平均粒徑的極差也存在明顯差異，最大為TCD（1.110Φ），其次為PD（1.035Φ）和PCD（0.825Φ），SD（0.487Φ）最小。

所有樣本的分選系數介于0.457Φ~1.120Φ，涵蓋了分選好至較差的4 個等級。但各沙丘的分選系數平均值介于0.526Φ~0.618Φ，說明各沙丘分選性總體上較好。其中PD 分選較好的占85.19%，其次為中等11.11%和較差3.70%，不含分選好的。SD 中只有分選較好和好兩個等級，分別為80%和20%。PCD 中較好的占85.15%，其次為好（10.89%），中等（3.96%），不含分選較差。TCD 中4 個等級都有分布，分別為較好（65.91%），好（30.68%），較差（2.27%），中等（1.14%）。

從所有樣本的峰度（0.788Φ~1.144Φ）和偏度（-0.143Φ~0.058Φ）范圍來看，峰度涵蓋了寬—窄3個等級，偏度涵蓋了負偏和近對稱兩個等級。但從單個沙丘的峰度和偏度平均值來看，4 個沙丘都屬于近對稱中等峰態。經過對所有樣本的統計發現，只有極個別的樣本不屬于近對稱中等峰態，僅占總樣本的2.58%。所以，新月形沙丘不同發育階段對沙丘的峰度和偏度影響不大，都屬于近對稱中等峰態。

圖3 新月形沙丘4 個發育階段表面沙粒的粒度參數

2.2.2 典型剖面的粒度參數

不同發育階段沙丘不同地貌部位（取自沙丘最高點所在中軸線上的所有測點）的粒度參數如圖4所示，從圖中可以看出自迎風坡底至沙丘頂部，沙粒平均粒徑變粗，PD 在臨近沙丘最高點的背風坡處沙粒最粗（2.162Φ），SD、PCD 在臨近沙丘最高點的迎風坡處沙粒最粗，分別為2.914Φ 和2.404Φ，TCD 在沙丘最高點的沙粒最粗（2.749Φ）；自沙丘頂部至背風坡底，沙粒逐漸變細。這與McArthur[28]和趙景峰[29]的研究結果一致，但Lancaster 等[30]卻發現迎風坡的沙子比丘頂的粒度要粗，造成這種差異的原因可能是沙源供給、沙源沉積物的粒度組成、風沙流的相對挾沙力等環境背景不同造成的。分選系數的變化規律與沙粒平均粒徑一致，沙丘最高點或者臨近最高點的分選系數最差，除SD 在臨近沙丘最高點背風處分選最差與沙粒最粗點不符外，其他沙丘分選系數最差點出現位置與沙粒最粗點一致，向兩側逐漸變好。峰度與偏度的變化則不明顯，即使有上下的波動，但也基本屬于近對稱中等峰態。各沙丘不同地貌部位的平均粒徑差異很大，變差系數依次為PD（0.119）、PCD（0.074）、TCD（0.050）、SD（0.035）。分選系數的變差系數排序為PCD（0.284）、PD（0.250）、TCD（0.111）、SD（0.060）。

圖4 典型剖面的粒度參數

為便于比較各發育階段之間粒度參數的變化，將沙丘地貌部位分為迎風坡和背風坡，各地貌部位的粒度參數取其各點的平均值。結果發現，PD 在迎風坡的平均粒徑和分選系數分別為3.049Φ 和0.576Φ，SD 為3.067Φ 和0.509Φ，PCD 為3.039Φ 和0.566Φ，TCD 為3.045Φ 和0.528Φ。因此，在迎風坡各沙丘之間平均粒徑和分選系數較為相近。而在背風坡則有明顯的差異和變化規律：隨著新月形沙丘的發育其平均粒徑逐漸變細（PD2.993Φ →SD3.046Φ→PCD3.098Φ→TCD3.155Φ），分選性逐漸變 好（PD0.598Φ →SD0.541Φ →PCD0.519Φ →TCD 0.481Φ）。

3 討論

3.1 沙丘粒度組成的區域性差異

塔克拉瑪干沙漠腹地壟間平地（塔中地區）沙丘表面粒度組成與塔克拉瑪干沙漠其他區域沙丘粒度組成存在一定差異，塔克拉瑪干沙漠腹地沙丘沙以細砂及極細砂為主，含量占47.10%~97.64%，其中細砂含量占26.90%~55.20%，極細砂含量占17.75%~63.45%；塔克拉瑪干沙漠北緣沙塵暴源區（肖塘地區）沙丘沙以細砂及極細砂為主，含量分別占46.92%~59.58%和17.51%~41.36%；塔克拉瑪干沙漠南緣綠洲邊緣沙丘沙以極細砂為主，含量約占70%。在平均粒徑方面，塔克拉瑪干沙漠腹地沙丘沙平均粒徑為2.162~3.352Φ，介于塔克拉瑪干砂漠北緣沙塵暴源區（肖塘地區）沙丘沙（2.43~2.98Φ）和塔克拉瑪干沙漠南緣綠洲邊緣沙丘沙（3.06~4.12Φ）之間。

大量研究[2-4]表明，沙丘粒度組成的區域性差異主要與沙源狀況、風況、地形等因素有關，同時還受沙丘歷時、植被、濕度等眾多因素的影響。內陸沙丘的表層沉積物一般來自沖積扇、冰水沉積物、河流沉積物、湖相沉積物和干鹽湖沉積物[31]。本研究中新月形沙丘四個發育階段表層沉積物粒級級配（均主要由細砂及極細砂組成）和粒度參數的相似性（平均粒徑sig=0.051、分選性均整體較好，均屬于近對稱中等峰態且為單峰型）可初步確定其都受相同沙源和風況的影響，即都為風成環境下多來源的河流沉積物經過風力的再分選形成的[32]。

3.2 沙丘表面粒度的變化特征

新月形沙丘不同發育階段表面不同部位的粒度分布差異是由于沙丘形態對近地表氣流的改造作用而形成的。沙丘通過改變其形態特征以適應當時氣流環境，最終形成適應自身的地表氣流環境并對沙粒進行再分選，由此決定了沙丘表面沉積物的粒度分布。因此，沙丘表面粒度的變化主要受沙丘形態、近地表氣流狀況等因素的影響。

單個沙丘內，由于迎風坡的隆起改變了地表微地形加劇了地形的起伏，引起氣流輻合加速，較細砂粒更易被吹起，使新月形沙丘各發育階段沿迎風坡至沙丘頂部細砂及極細砂含量逐漸減少、沙粒逐漸變粗，分選性逐漸變差。由于風沙流中最粗沙在丘頂剪切風速驟減帶發生沉積，造成各沙丘丘頂或近丘頂部位細砂及極細砂含量最低、沙粒最粗、分選性最差。沙丘頂部至背風坡底部，由于受到分離氣流和渦流的影響，風速下降，較細沙粒越過沙脊線以飄落的形式堆積下來，使細砂及極細砂含量逐漸增加、沙粒逐漸變細、分選性逐漸變好。

各發育階段之間，迎風坡的粒度分布并不隨著沙丘的發育有較大的差異，平均粒徑在3.039Φ~3.067Φ，分選系數在0.509Φ~0.576Φ，這可能是由于迎風坡皆為氣流輻合加速區，而氣流加速效果與迎風坡的隆起高度以及長度有關，即與迎風坡的坡度有關。因此，由于各發育階段沙丘迎風坡坡度差別不大，分別為PD2.0°、SD3.9°、PCD1.8°、TCD6.2°，使氣流加速對沙粒的再分選作用造成的粒度分布變化差異不大。隨著沙丘的發育背風坡逐漸形成明顯的氣流分離和渦流，分離氣流和渦流作用逐漸加強造成風速逐漸降低，使得背風坡隨著新月形沙丘的發育2Φ 以上沙粒含量逐漸增加，平均粒徑逐漸變小，分選性逐漸變好。另外，峰度和偏度并不隨著新月形沙丘的發育而改變，271 個測點基本都屬于近對稱中等峰態且基本為單峰。

3.3 粒度參數間的關系

圖5 是不同沙丘類型不同地貌部位的粒度參數關系散點圖。4 種沙丘平均粒徑與分選系數都呈負相關，相關系數依次為PD（0.94）、TCD（0.77）、PCD（0.73）、SD（0.35），分選性隨平均粒徑（Φ 值）的增大而變好。分選程度變化速率依次為PCD（-0.57）、TCD（-0.55）、PD（-0.48）、SD（-0.18）。PD 的峰度與平均粒徑呈正相關，相關系數0.60，TCD 峰度與平均粒徑呈弱正相關，相關系數0.24，但峰度變化速率都很小，不到0.1。而SD 與PCD 的峰度與平均粒徑之間不存在明顯的相關關系。PCD 與TCD 的偏度與平均粒徑都呈弱正相關，相關系數分布為0.43 和0.33，但偏度變化率相差很大，分別為0.14 和0.08，而PD 和SD 的偏度與平均粒徑的相關性并不明顯。

4 結論

塔克拉瑪干沙漠腹地壟間平地新月形沙丘4 個發育階段沙丘沙的優勢粒徑是細砂及極細砂，含量可達47.10%~97.64%。單個沙丘不同地貌部位的粒度組成差異明顯。細砂及極細砂含量由迎風坡腳至背風坡腳呈現先減小后增大的趨勢，且在丘頂處最小，反之，粗砂和中砂含量先增大后減小。

實驗樣品的平均粒徑為3.032Φ，范圍為2.162~3.352Φ，均屬于細砂及極細砂。分選系數較好及以上占96.31%。單個沙丘的平均粒徑在沙丘最高點或者臨近最高點最粗，向兩側逐漸變細。分選系數則由差向兩側逐漸變好。

97.42 %的樣本為近對稱中等峰態說明新月形沙丘不同發育階段對沙丘的峰度和偏度影響不大。

隨著沙丘的發育，背風坡2Φ 以上沙粒含量逐漸增加，平均粒徑逐漸變小，分選性逐漸變好。但迎風坡的粒度分布并不隨著沙丘的發育有較大的差異。這可能是由于不同發育階段迎風坡雖有地形起伏變化差異，但總體上呈現隆起趨勢，不同于背風坡在雛形新月形沙丘時期出現明顯的氣流分離和渦流現象使得背風坡粒度分布變化更有規律有關，這方面還需進行進一步的研究論證。

圖5 粒度參數之間散點關系圖

綜上，沙源及大氣環流決定了較大區域的沙粒分選情況，而地形起伏、沙丘形態等因素因影響局地氣流從而影響沙丘表面沙粒分布。在各沙丘內部粒級級配和粒度參數都有明顯的變化規律。但在各發育階段之間則需區分不同地貌部位。