塔克拉瑪干沙漠和田河西側胡楊沙堆粒度特征

馬倩雯，來風兵

（新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊830054）

粒度是沉積物的主要特征之一，其組成、分布受沉積物來源、搬運條件、沉積環境、后風化作用的影響[1]。1959 年，粒度分析被引入到中國沙漠的研究中[2]，其在辨識物源背景、指代沉積環境、推斷氣候變化等方面具有重要意義，因此常應用于各種沉積環境的比較和鑒別[3-6]。近60 a 來，專家學者利用粒度分析方法對庫姆塔格[7-8]、毛烏素[9]、塔克拉瑪干[10-14]等沙地的沉積物進行了大量研究。

陳渭南、李志忠、賀佳嘉、武勝利、Anderson J L、Wang X M[15-20]等通過對粒度特征的4 個參數計算，表征了不同地區沙丘粒度特征以及表面風況。李萬娟[21]、來風兵[22-24]、Friedman G M[25]等通過分析沙堆的形態特征等，探討了沙堆粒度特征及沙源物質組成。高晨晶[26]、Qiao Y S 等[27]對沙漠化防治、沉積物環境變化與粒度的關系研究，指出粒度特征對環境的指示作用。由于沉積物在結構性狀上的自相似性，使沉積物粒度具有明顯的分形特征[28-29]，因此，分形維數逐漸成為描述沉積物粒度分布特征的另一個重要參數[30-34]。盡管對沉積物的粒度已有大量的研究分析，但對胡楊沙堆表層粒徑分形特征的研究較少。

本文基于以上研究，以塔克拉瑪干和田河西側別里庫姆沙漠為研究區域，以胡楊沙堆為研究對象，利用體積分形維數計算模型對別里庫姆沙漠30 個胡楊沙堆表層150 個樣品進行粒度分析，測定其沉積物粒徑并分析該區域胡楊沙堆表層粒度分布狀況，探討粒度分形維數與粒度參數的關系，揭示分形維數所能表征的沉積物特征，并做進一步討論，從而為胡楊沙堆發育演化機制研究以及揭示沙漠環境的變化過程提供基礎資料。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

塔克拉瑪干沙漠面積為33.76×104km2，其中流動沙丘占85%以上，是世界上第二大流動性沙漠，也是我國面積最大的沙漠。本研究區位于塔克拉瑪干沙漠和田河西側，麻扎塔格山南側區域，處于交通相對便利的沙漠石油公路周邊，東鄰和田河（圖1）。地理坐標為79°21′58″～80°20′12″E，37°22′23″～38°17′5″N。該區屬暖溫帶極端干旱荒漠氣候，降水稀少，年降水量僅為39.61 mm，蒸發強烈，年均蒸發量達2 648.7 mm，西北風為主，土壤為流動性風沙土，風沙活動頻繁，除其邊緣出現一些鯨魚脊狀的沙壟外，大片地區分布新月形沙鏈，沙丘高度在西北部達50 m，密度小，其余均在20 m 以下。植被覆蓋度極低，＜5%，以斑塊狀零星發育[35]。

圖1 研究區位及采樣點

1.2 研究方法

2018 年10 月，由烏魯木齊出發至和田市，經過墨玉縣到喀瓦克鄉，再進入南北向沙漠公路，沿公路兩側由南至北選取1～5 號樣方，再沿東西向沙漠公路，沿兩側由西向東選取6～10 號樣方，共計10 個樣方區域（圖1）。在各個樣方內選取3 個典型胡楊沙堆從迎風坡坡腳至背風坡坡腳分別采取表層土樣，每個沙堆采5 個樣品，依次是迎風坡坡腳、迎風坡坡中、沙堆頂部、背風坡坡中和背風坡坡腳。在調查及采樣過程中，為了保證具有一定空間代表性，共采樣150 個，每個沙樣的重量均在250 g 以上，對采集的沙樣用樣品袋密封帶回實驗室，采樣點用GPS定位。

1.2.1 粒度研究方法

測試儀器為MALVERN 儀器公司生產的Mastersizer 2000 型激光粒度分析儀，該儀器的粒度測量范圍為0.02～2000 μm。按照試驗規范，對沙樣進行預處理后，每個樣品稱取5～10 g 的風干沙樣置于500 mL 的燒杯中，加入約10 mL（10%）的H2O2，放置大約24 h 后，置于電熱板上加熱，去除樣品內的有機質和多余的H2O2。待其冷卻后，加入約10 mL（10%）的HCL，去除次生的碳酸鹽類物質。樣品靜置24 h，抽取上層清液，再往燒杯中注滿蒸餾水，直到加蒸餾水洗至沒有H+為止，加入分散劑六偏磷酸鈉（NaPO3）6，使顆粒充分分散。

測試數據采用福克—沃德（Fold & Ward）的計算公式求出平均粒徑（MZ）、分選系數（σ1）、偏度（SKI）和峰度（KG）等粒度參數。所有沙堆樣品的粒度測試均送往蘭州大學西部環境教育部重點實驗室完成。

1.2.2 分形研究方法

粒度分析結果以粒徑—體積百分數含量呈現，因此本文基于楊金玲等[36]、王國梁等[37]、Tyler 和Wheatcraft[38]提出的關系式進行計算，根據粒度分析所得的粒度體積數據，推算出沉積物的分形維數。

2 結果分析

2.1 胡楊沙堆粒度組成

研究區胡楊沙堆沉積物主要是以極細砂（43.51%）為主，其次為細砂（26.72%），再次為極粗粉砂（11.82%），極細粉砂（細礫除外）含量最少（0.31%）。其余各粒級含量由大到小依次為：中砂、粗砂、中粉砂、粗粉砂、細粉砂、極粗砂、黏土（表1）。此結果與錢亦兵[11]等研究的塔克拉瑪干沙漠綠洲區灌叢沙堆的沙較細，且主要由極細砂和粉砂組成的結果相類似。

沙堆表層不同部位沉積物粒度分析結果顯示（圖2），迎風坡坡腳粒級組分含量由大到小依次為極細砂（37.61 %）、細砂（26.11%）、粗砂（12.72%）、中砂（12.69%）、極粗粉砂（8.95%）、極粗砂（1.01%）、中粉砂（0.48%）、粗粉砂（0.11%）、細粉砂（0.04%）、極細粉砂（0%）、黏土（0%）。迎風坡坡中粒級組分含量由大到小依次為極細砂（41.19%）、細砂（26.34%）、中砂（11.59%）、極粗粉砂（11.39%）、粗砂（5.99%）、中粉砂（1.13%）、粗粉砂（0.70%）、細粉砂（0.50%）、極粗砂（0.29%）、黏土（0.26%）、極細粉砂（0.21%）。而坡頂粒級組分含量由大到小依次為極細砂（46.4%）、細砂（28.10%）、極粗粉砂（12.29%）、中砂（5.88%）、粗砂（2.30%）、中粉砂（1.71%）、粗粉砂（0.98%）、細粉砂（0.87%）、黏土（0.58%）、極細粉砂（0.51%）、極粗砂（0.44%）。背風坡坡中粒級組分含量由大到小依次為極細砂（47.38%）、細砂（22.70%）、極粗粉砂（15.35%）、中砂（6.72%）、粗砂（2.69%）、中粉砂（2.14%）、粗粉砂（1.15%）、細粉砂（0.95%）、黏土（0.55%）、極細粉砂（0.49%）、極粗砂（0.02%）。背風坡坡腳粒級組分含量由大到小依次為極細砂（44.95%）、細砂（30.33%）、極粗粉砂（11.11%）、中砂（7.51%）、粗砂（2.70%）、中粉砂（1.24%）、粗粉砂（0.71%）、細粉砂（0.57%）、黏土（0.40%）、極細粉砂（0.35%）、極粗砂（0.10%）。

表1 胡楊沙堆表層沉積物粒度組成 %

圖2 胡楊沙堆不同部位粒度變化

由迎風坡坡腳到坡頂，細砂、極細砂、極粗粉砂、粗粉砂、中粉砂、細粉砂、極細粉砂、黏土含量逐漸增加，極粗砂、粗砂、中砂含量逐漸減少；由坡頂到背風坡坡腳，極粗砂、粗砂、中砂、細砂、極粗粉砂含量逐漸增加，極細砂、粗粉砂、中粉砂、細粉砂、極細粉砂含量逐漸減少。

2.2 胡楊沙堆粒度特征

平均粒徑（MZ）、分選系數（σ1）、偏度（SKI）、峰度（KG）以及分形維數是鑒別沙堆表面沉積物沉積環境的重要參考值，根據計算所得粒度數據如表2 所示。

表2 胡楊沙堆不同部位粒度參數統計分析

2.2.1 平均粒徑（MZ）

胡楊沙堆表層土壤粒度參數呈現出有規律的變化（表2）。平均粒徑以胡楊沙堆迎風坡坡腳最粗，為1.660φ；背風坡坡中平均粒徑最細，為2.368φ；平均粒徑從迎風坡坡腳至沙堆頂部，粒徑逐漸變細（1.660φ—1.999φ—2.302φ）。從背風坡坡中至背風坡坡腳，粒徑相對迎風坡變粗（2.368φ—2.176φ）。總體來看，胡楊沙堆迎風坡的土壤粒徑大于背風坡的土壤粒徑，且迎風坡粒徑變化幅度較背風坡略大。

2.2.2 分選系數（σ1）

分選系數越小，沉積物的分選性越好。胡楊沙堆表層平均分選系數在0.991～1.111。根據Fold 和Ward（1957）給出的分選程度評價標準，研究區胡楊沙堆平均分選系數為1.053，分選系數從迎風坡坡腳至沙堆頂部，分選性逐漸變差（0.991—1.104—1.031）；從背風坡坡中至背風坡坡腳，分選性逐漸變好（1.111—1.026）。其中在迎風坡坡腳表現出分選最好，其次是背風坡坡腳、沙堆頂部、迎風坡坡中和背風坡坡中。整體表現出背風坡比迎風坡的分選略差。

2.2.3 偏度（SKI）

胡楊沙堆沉積物的偏度在-0.046～-0.106，平均值為-0.072。偏度系數整體為負，說明塔克拉瑪干和田河西側胡楊沙堆以極細砂、細砂為主，與之前研究結果相符。偏度在沙堆頂部>迎風坡坡腳>迎風坡坡中（-0.065>-0.088>-0.106）；背風坡坡腳>背風坡坡中（-0.046>-0.056）。整體上顯示出胡楊沙堆土壤粒徑偏度系數背風坡比迎風坡更趨向于負偏。

2.2.4 峰度（KG）

胡楊沙堆的峰度在1.004～1.243，平均值為1.077。從迎風坡坡腳至沙堆頂部，峰度值略微增加（1.004—1.066—1.042），從背風坡坡中至背風坡坡腳，峰度值降低（1.243—1.030）。迎風坡坡腳與背風坡坡腳的峰度值比迎風坡坡中和背風坡坡中的峰度值略小，即迎風坡坡腳、背風坡坡腳、沙堆頂部對應地貌部位比迎風坡坡中、背風坡坡中對應地貌的粒級頻率曲線略寬（圖3）。

2.2.5 分形維數

土壤分形維數反映土壤的自我相似性，根據粒度分析結果，利用粒徑體積—百分數對胡楊沙堆表層分形維數進行計算。由表2 可知，塔克拉瑪干沙漠和田河西側胡楊沙堆的粒徑分形維數介于0.68～2.47，平均值為1.66，標準偏差介于0.26～0.62。分形維數從迎風坡坡腳至沙堆頂部，分形維數逐漸變小（1.81—1.77—1.50），從背風坡坡中至背風坡坡腳，分形維數逐漸變大（1.44—1.78）。

圖3 胡楊沙堆各部位表層土壤粒度頻率曲線

2.3 胡楊沙堆分形維數與其他粒度特征的相關性

分形維數作為一種新的粒度分布參數，與傳統粒度參數（平均粒徑、分選系數、偏度、峰度）進行比較，可以更好地揭示出沉積物的粒度特征。將研究區30 個胡楊沙堆的分形維數與粒度參數的關系進行分析，得到圖4 和表3。

不同沉積環境下分形維數與平均粒徑的關系各不相同。胡楊沙堆表層沉積物分形維數與平均粒徑之間存在顯著負相關關系，擬合程度一般，R2=0.403，這與毛東雷[39]等對新疆策勒綠洲—沙漠過渡帶沉積物粒度分析結果一致，但其相關系數較本文要小（R2=0.347）。

分形維數與分選系數之間存在顯著正相關關系，擬合程度中等偏上，R2=0.623，說明分形維數越大，分選程度越好，沉積物分布就越分散。現有研究也證明了這一點[11，39]，本文也與此保持一致。分形維數與偏度之間存在正相關關系，擬合程度一般，R2=0.353，相關系數與其他粒度參數相比偏小。分形維數與峰度之間存在顯著正相關關系，擬合程度中等偏上，R2=0.737，相關系數與其他粒度參數相比偏大，與以往研究結果相比[11，39]，相關系數也偏大。

表3 分形維數與粒度參數相關關系及回歸分析

圖4 分形維數與平均粒徑（a）、分選系數（b）、偏度（c）及峰度（d）之間的關系

胡楊沙堆的分形維數與平均粒徑、分選系數、偏度、峰度之間均存在顯著相關關系，尤其是與峰度的相關性最強，與偏度值的擬合程度最弱。胡楊沙堆表面的沙粒主要為砂和粉砂，其中極細砂和細砂的含量偏高。隨著植被覆蓋度的增加，植被對風的阻礙程度增強，砂粒的自我相似性也越高，與4 個參數之間的相關性也比較顯著。

3 討論

在胡楊沙堆不同地貌部位表層沉積物的粒度特征表現出有規律的變化，是風沙流、沙堆形態、植被和沙源綜合作用的結果[39]。塔克拉瑪干和田河西側別里庫姆沙漠屬于半固定沙，由于受到麻扎塔格山和和田河兩個天然屏障的影響，研究區范圍內多為低矮的沙堆、沙丘，植被覆蓋度低，通過對胡楊沙堆各部位表層土壤粒度頻率曲線分析，可以看出胡楊沙堆表層土壤主要由細砂、極細砂和極粗粉砂組成，其中以迎風坡坡腳、迎風坡坡中分選差，為負偏；在迎風坡坡腳存在雙峰，其余部位為單峰。由此可以確定別里庫姆沙漠胡楊沙堆表層土壤的來源表現較為單一，以風成沉積物來源為主。

本研究胡楊沙堆表層平均粒徑從迎風坡坡腳至背風坡坡中逐漸變細，從背風坡坡中至背風坡坡腳逐漸變粗；此結果與唐進年[7]、何清等[8]對庫姆塔格沙漠的研究結果一致（平均粒徑為2.42φ，迎風坡到背風坡土壤粒徑逐漸變細）。此結果與楊興華[13]、趙聰敏[14]、陳渭南[15]、李志忠[16]、武勝利[18，21]等對塔克拉瑪干沙漠的研究結果也相符，說明了風力對沉積物產生了較大的影響。

沙堆各部位分選性表現不一，沙堆表層土壤整體分選性較好，其中在迎風坡的分選性最好。但此結果與庫姆塔格沙漠[7-8]（平均分選系數為0.65）、艾比湖區域[21]（平均分選系數為0.50）相比，分選性較差。

偏度整體屬于負偏。這說明沙堆表面迎風坡的風力作用從坡腳到坡頂逐漸加強，背風坡沉積作用從坡中到坡腳逐漸變弱；粒徑頻率曲線顯示在迎風坡坡腳存在雙峰，其余部位為單峰。胡楊沙堆表層土壤頻率曲線呈現出從中等到較窄的變化，反映了典型的風力作用的特征。

沉積物體積分形維數介于0.68～2.47，平均值為1.66，在迎風坡坡腳和背風坡坡腳分形維數較大，在沙堆坡頂分形維數較小。在已有研究[40-44]表明，沉積物的粒級含量、地表形態（流動、半固定、固定）、地表風速以及植被覆蓋度的高低、風蝕強度等，均是分形維數產生差異的原因。

4 結論

本文采用福克—沃德的計算公式求出研究區150 個樣品的平均粒徑（MZ）、分選系數（σ1）、偏度（SKI）和峰度（KG）等粒度參數，根據粒度分析所得的粒度體積數據，推算出沉積物的分形維數，得到如下結論：

（1）胡楊沙堆表層土壤沉積物砂含量高達98.7%，有超過82%的土壤顆粒粒級在32 ～250 μm的細沙范圍內，平均粒徑為258.0 μm。胡楊沙堆表層平均粒徑以極細砂和細砂為主，沉積物整體分選性較好，偏態整體屬于負偏，峰度呈現出從中等到較窄的變化。

（2）沙堆表層土壤的分形維數與各粒度特征參數均呈顯著線性相關。分形維數與平均粒徑呈顯著負相關，擬合程度中等，R2=0.403；與分選系數呈顯著正相關，擬合中等偏上，R2=0.623；與偏度值呈正相關，擬合程度一般，R2=0.353；與峰度值呈顯著正相關，擬合中等偏上，R2=0.737。

（3）胡楊沙堆粒徑分形特征為研究胡楊沙堆發育演化機制、解釋風沙運動及風沙地貌的形成、探討沉積環境的變化過程提供了基礎資料，為塔克拉瑪干區域風沙危害的防治提供理論依據。