河北昌黎海岸沙丘粒度參數特征的風沙環境意義

李志星，李志忠，3*，靳建輝，3，白 利，程 延，徐曉琳，張文靜

（1.濕潤亞熱帶山地生態國家重點實驗室培育基地，福建 福州 350007；2.福建師范大學 地理科學學學院，福建 福州 350007；3.福建師范大學 地理研究所，福建 福州 350007；4.廣西百色學院 旅游管理學院，廣西 百色 533099）

海岸沙丘廣泛分布于具有充足沙源供給、強勁向岸風和低平濱海平原的沙質海岸帶，其形成和演化與區域海平面、氣候條件變化等因素密切相關，是古海岸線位置和全球氣候變化的重要信息載體[1-3]。構成海岸沙丘的風成沙是記錄海岸環境演變的常見沉積類型之一，風成沙的粒度特征是直接反映海岸帶風力性質的代用指標。海岸風沙沉積在揭示海岸帶的風力作用變化歷史、海岸沙丘的形成與演化方面具有重要意義[4]。

前人對海岸沙丘的形態類型、風沙粒度特征、沉積構造、發育模式及動態變化等方面進行了大量研究[5-11]。在海岸風沙粒度特征方面，國外學者如Bigarella指出當海灘沙較粗且分選較差時，相鄰的沙丘沙通常更細且分選好，反之，相鄰沙丘沙與海灘沙粒度參數無明顯差異[12]；Abuodha對肯尼亞馬林迪海岸的現代沙丘沙與海灘沙的粒度組成與分布進行分析后發現，沉積物具有自海向陸逐漸細化的趨勢[13]；Saye等對英國Spurn 半島的沙丘進行研究后發現，風沙沉積的粗細會影響沙丘的發育規模與堆積潛力[14]；Ahlbrandt 還對464個內陸沙丘沙與海灘沙的粒度參數進行對比分析，發現內陸沙丘沙分選性更差，認為這主要是由沉積物來源及搬運距離的差異導致[15]。國內學者周莉曾利用粒度參數對山東半島的淺灘沙、沙丘沙及河口沙進行了沉積環境的判別[16]；吳正對華南海岸沙丘沙進行粒度分析后指出，現代風成沙主要由中、細沙組成，較海灘沙細且分選好[17]；董玉祥對比分析了國內外海岸風成沙的粒度參數，指出海岸風成沙的粒度參數特征主要取決于其發育條件和演化過程[18]。

河北省昌黎縣位于東亞溫帶季風區，其東部沿海發育著中國海岸帶規模最大的沙丘群[19]。近三十余年來，前人對昌黎海岸沙丘沙粒度特征進行了大量研究。高善明、傅啟龍等將沙丘沙與海灘沙進行對比后認為，海岸沙丘沙繼承了海灘沙的特征，反映海岸沙丘沙主要由濱海沉積改造而成[20-21]；李從先等結合鉆探和天然剖面調查資料研究發現，海岸沙丘沉積以中細沙為主，分選優良，各類沙丘沙樣及同一沙丘的不同部位沙樣粒度差異不甚明顯[22]。王穎等研究發現，海岸沙丘丘頂為分選良好的細沙，丘頂至坡腳存在粗顆粒成份增高的趨勢[23]。祈興芬、馬駿在對橫向沙丘沙進行粒度分析后均發現，同一沙丘不同部位沙粒的粒度特征存在差異[24-25]。董玉祥等對新月形沙丘與橫向沙脊的表面粒度分異特征進行了分析，將海岸沙丘表層粒度分布模式歸納為沙丘頂部沙物質最粗的橫向沙脊粒度分布模式和自沙脊兩側坡腳向脊頂粒徑變細、分選變好的新型沙丘粒度分布模式，認為這兩種粒度分布模式是風向變化、風力差異及沙丘形態等因素綜合作用的結果[26-27]。而河北昌黎海岸沙丘分布區海岸風沙沉積記錄的海岸帶風動力變化歷史過程尚不清楚。本文擬通過系統采集河北昌黎海岸沙丘表層沙樣進行粒度分析，對比前人的粒度研究成果，進一步闡明研究區現代海岸風沙動力特征，分析近30 a來研究區表層沙樣的粒度參數變化及其成因，繼而以人工探坑剖面的OSL年代為時間標尺，以風成沙的粒度參數作為過去風力變化的代用指標，提取海岸帶風力變化序列信息，通過鄰近區域典型記錄的對比分析，重建研究區海岸風沙活動演變序列。

1 研究區概況

河北省昌黎縣東部的黃金海岸（見圖1-a）是中國第一個國家級海洋自然保護區[9]，屬于渤海西部典型的沙質海岸帶，地勢低平，沿岸海灘寬闊，海灘沙主要源自南側多沙性河流——灤河[24]。如圖1（b）所示，在豐富的沙源供給與強勁向岸風的共同作用下，發育了規模較大、形態多樣的海岸沙丘，這些海岸沙丘整體平行于岸線分布；毗鄰海灘的一列較為高大的沙丘即橫向沙脊，為海岸主沙丘，展布方向為NNE-SSW，沿岸延綿不斷，高度為30～40 m。沙脊兩坡呈顯著不對稱，迎風坡較背風坡緩且長（見圖1-c）。橫向沙脊向陸一側至七里海澙湖之間發育著新月形沙丘、沙丘鏈、海岸沙席等海岸沙丘類型，向七里海澙湖沼澤濕地方向沙丘高度逐漸降低。這里地下水位接近地表，地表植被生長較好，新月形沙丘鏈和沙席多呈半固定或固定狀態。

研究區屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，受東亞季風控制，風向存在季節變化。冬季受蒙古高原冷高壓控制，西北風受地轉偏向力作用于渤海西岸形成干寒強勁的東北風；夏季受太平洋副熱帶高壓控制，盛行東南風，帶來大量水汽，形成濕熱少風的氣候環境[8]。在東亞季風和局地海陸風的共同影響下，全年以東北向的向岸風與西南向的離岸風為主，其中以東北風為優勢風或強風向。根據1980—2010年觀測資料，平均風速為2.58 m/s，春季最大，冬季次之，夏季最低；全年極大風速出現在12 月，最高達22.5 m/s。年平均氣溫11.8 ℃左右；年平均降水量600.0 mm左右，主要集中于夏季。冬季大風少雨的氣候特征有利于風沙搬運[28]。

圖1 研究區位置及采樣地點（a、b據文獻[21]修改）Figure 1 Geographical location of the study area and sampling locations（a、b modified based on reference[21]）

2 材料與方法

2.1 樣品采集

野外采集樣品包括兩部分，一是海灘沙、橫向沙丘沙及丘間地等不同地貌單元的表層沙樣，二是在橫向沙脊頂部和丘間地人工探坑的剖面沙樣。

（1）表層沙樣

沿課題組早期的探地雷達探測剖面GPR04所在位置，自海向陸，在潮間帶和海岸前丘迎風坡坡腳處，采集3組6個海灘表層沙樣。在橫向沙脊上由迎風坡坡腳、迎風坡上部、丘頂，到背風坡上部、背風坡坡腳等間距20 m采集表層沙樣，依次編號為CLCDG2-0、CLCDG2-1、CLCDG2-2、CLCDG2-3、CLCDG2-4、CLCDG2-5、CLCDG2-6、CLCDG2-7，共計8個樣。在丘間地采集CLW1、CLW2-1、CLW2-2、CLW3-1和CLW3-2共5個丘間地表層沙樣。

（2）剖面沙樣

在橫向沙脊丘頂兩側的CLCDG2-4和CLCDG2-5兩個表層沙樣采樣點上，人工開挖深度1 m左右的探坑，探坑編號分別為CLCDO2-4和CLCDO2-5，等間隔10 cm共采集10個樣品，樣品自上而下進行編號。丘間地人工探坑剖面位于距離橫向沙脊西部、背風坡坡腳約400 m左右的位置，即丘間地表層沙樣CLW3-2采集點處，深度約1 m，自上而下間隔2 cm采樣，50個樣品按順序編號，即CLW3-2（01）、CLW3-2（02）、CLW3-2（03）……CLW3-2（50）。

2.2 粒度測試

據文獻[29]對樣品進行前處理，采用英國Mastersizer 2000 型激光粒度儀（粒徑測量范圍為0.02～2000 μm）進行測試。粒級標準采用國際通用的烏登-溫特沃思等比制（Udden Wentworth grade scale）Φ值粒級標準[30-31]。選用精確度高、物理意義明確的Folk-Ward公式[4]，使用圖解法進行粒度參數的計算[32-33]。

3 結果與分析

3.1 粒度組成特征

3.1.1 表層沙樣的粒度組成

研究區海灘沙、橫向沙脊沙丘沙和丘間地表層沙樣總體上以中沙和細沙組分占優勢，這兩種組分的含量達90%以上，此外有少量的粗沙和極細沙組分（見圖2-a）。三者沙樣的優勢粒度組分又存在較明顯的差異：橫向沙脊沙樣的中沙和細沙平均含量分別為66.87%和30.84%，兩種粒度組分平均含量相差較大；海灘沙樣的中沙和細沙平均含量分別為41.28%和58.24%，細沙組分含量相對較高；丘間地沙樣的中沙和細沙平均含量分別為49.54%和48.43%，兩個粒度組分平均含量相差不大。細沙含量有自沙丘頂部向兩側坡腳明顯減少的趨勢，在迎風坡由39.82%減少為坡腳的20.79%，在背風坡減少到坡腳的21.43%。中沙與粗沙含量則有自沙丘頂部向兩側坡腳逐漸增加的趨勢，其中中沙含量由65.95%分別增加到70.74%和76.32%，粗沙含量則由0.47%分別增加到2.26%和8.47%。

3.1.2 探坑剖面沙樣的粒度組成

橫向沙脊上部探坑剖面CLCLO2-5 的沙樣以中沙和細沙為主（見圖2-b），中沙含量最高（51.05%～77.63%），平均含量為64.79%；其次為細沙（20.26%～48.79%），平均含量為34.14%；粗沙平均含量為1.05%；極細沙平均含量為0.014%。

在深度0～20 cm、40～50 cm、90～100 cm處，中沙和粗沙含量高于剖面的平均含量，分別達到68.51%和1.45%；而相應深度的細沙和極細沙的含量較低，分別為30.04%和0.002%，因而沙樣在這3 個深度范圍內較粗。

圖2 垂直岸線各地貌單元表層沙樣(a)和丘頂剖面CLCDO2-5(b)沙樣的粒級變化Figure 2 Variation of different grain size parameters of surface deposition perpendicular to the coast and deposition in the pit profile on the top of the sand dunes

橫向沙脊西側丘間地的風沙沉積粒度組成主要以中沙為主（見圖3），含量為51.56%～81.31%，平均含量為67.30%；其次為細沙與粗沙，平均含量分別為19.00%和13.65%；而極細沙含量極少，為0.06%。各粒度組分在垂直方向上的變化比較明顯，粗沙、中沙、細沙含量變化的標準差分別達到42.70%、30.75%、47.25%。尤其在34 cm、82 cm以及98 cm深度處，粗沙含量都出現峰值，而細沙含量較低。

圖3 丘間地剖面（CLW3-2）風成沙不同粒級含量隨深度變化的特征Figure 3 Variation of different grain size parameters with depth of the profile at the interdune trough (CLW3-2)

3.2 粒度參數特征

3.2.1 不同地貌單元表層沙樣的粒度參數特征

海灘表層沙樣的平均粒徑（Mz）在1.75～2.17 φ范圍內，均值為2.07 φ；分選系數（σ）為0.38～0.48，分選性好；峰度（KG）平均值為0.96，表現為中等峰態；偏度（SK）為-0.03～0.03，平均值為0.01，呈近對稱分布。

橫向沙脊表層沙樣的平均粒徑為1.73～1.99 φ，均值為1.88 φ；分選系數為0.36～0.45，平均值為0.39，分選性好；峰度平均值為0.97，表現為中等峰態；偏度平均值為0，呈近對稱分布。

丘間地表層沙樣的平均粒徑為1.96～2.17 φ，均值為2.09 φ；分選系數為0.40～0.52，平均值為0.45，分選性好；峰度平均值為0.96，表現為中等峰態；偏度平均值為0.02，呈近對稱分布。

不同地貌單元表層沙樣粒度參數空間變化見圖4a，以丘間地表層沙樣的平均粒徑最細，其次為海灘沙，橫向沙脊沙最粗。分選程度以橫向沙脊沙樣最佳，中等峰態，海灘沙與丘間地表層沙略呈正偏。從橫向沙脊不同部位沙樣粒度參數的變化特點看，平均粒徑呈現隨沙丘高度增加而變小的趨勢，即由迎風坡和背風坡坡腳的1.73 φ和1.79 φ增加到丘脊頂部的1.99 φ；由迎風坡向背風坡，沙樣的分選系數逐漸減小，分選性變好；峰度變化標準差為0.03，呈中等峰態；偏度無明顯變化，呈近對稱分布。

3.2.2 剖面沙樣的粒度參數特征

橫向沙脊探坑CLCLO2-5剖面沙樣粒度參數變化特點見圖4b。在垂直方向上，剖面沙樣的平均粒徑為1.77～2.07 φ，平均值為1.92 φ；分選系數為0.36～0.41，平均值為0.37，分選性好；峰度為0.96～0.98，為中等峰態；偏度為0～0.01，呈近對稱分布。

丘間地探坑剖面沙樣粒度參數的變化特點見圖5。在垂直方向上，沙樣的平均粒徑為1.19～2.07 φ，均值為1.65 φ；分選系數為0.34～0.59，均值為0.44，分選性好；峰度為0.92～0.98，均值為0.95，呈中等峰態；偏度為-0.01～0.04，均值為-0.01，呈近對稱分布。從整體上看，各個粒度參數的變化范圍均大于橫向沙脊剖面。隨剖面深度的變化，各個粒度參數存在顯著的波動變化。

3.3 頻率和概率曲線特征

所有沙樣的粒級頻率分布均呈現為單峰形態，中沙、細沙等優勢粒度分布集中，說明沉積環境穩定，物質來源單一（見圖6）。

圖4 垂直岸線各地貌單元表層沙樣（a）和丘頂剖面CLCLO2-5（b）沙樣粒度參數的變化Figure 4 Variation of grain size parameters of surface deposition perpendicular to the coast and deposition in the pit profile on the top of the sand dunes

圖5 丘間地剖面（CLW3-2）沙樣粒度參數隨深度變化特征Figure 5 Variation of grain size parameters with depth of the profile at the interdune trough (CLW3-2)

不同地貌單元表層沙樣的頻率曲線特點（見圖6-a）。橫向沙脊表層沙樣的粒級頻率曲線展開度狹窄，峰度較高，說明對沙丘沙的分選更強。從概率累積曲線特征看，所有表層沙樣均以蠕移和躍移兩種搬運方式為主，其中躍移組分占總體的90%以上，粒度為0～3.5 φ。橫向沙脊表層沙樣的概率曲線斜率顯著高于海灘沙與丘間地沙樣，其中躍移組分占總體的97%以上。

橫向沙脊剖面沙樣的粒級頻率分布曲線展開度窄，峰值高，概率累積曲線顯示躍移組分占比很高，占總體的97%以上，表現為典型的風成沉積特點（見圖6-b）。

丘間地剖面中，沙樣粒級頻率分布曲線總體顯示展開度較窄、峰值較高的特點（見圖6-c），說明沙樣分選性好，但隨深度不同粒度分布區間存在差異，深度0～30 cm與71～100 cm的沙樣總體較細，粒度區間分別為100～600 μm 及120～700 μm；深度31～70 cm 沙樣總體較粗，粒度區間為140～850 μm。概率累積曲線顯示沙樣總體以躍移組分為主，占總體的90%以上。

不同深度丘間地剖面沙樣的頻率與概率累積分布曲線峰值變化較明顯（見圖6-d），34 cm與78 cm深處沙樣展開度較寬，峰值較低，沙樣分選性較差；而82 cm深處沙樣展開度較窄，峰值較高，分選性較好，說明區域風力強度在過去存在顯著的波動變化。

圖6 研究區沙樣的頻率曲線與概率累積曲線特征Figure 6 The frequency curves and cumulative probability curves of samples in study area

4 討論

4.1 沙質沉積參數特征指示的動力成因

董玉祥[34]曾研究分析了中國溫帶海岸現代風成沙的粒度特征并對其粒度參數范圍作出了界定，指出中國溫帶海岸現代風成沙的平均粒徑為0.21～4.14 φ，標準偏差為0.26～2.57，偏度為-0.48～0.65，峰度為0.80～3.09。從河北昌黎海岸風沙沉積的粒度參數來看，沙丘沙整體以中、細沙為主，平均粒徑均值為1.88 φ，屬中沙；標準偏差均值為0.39，分選好；偏度值為0，呈近對稱分布，峰度平均值為0.97，表現為中等峰態，各項粒度參數值均位于中國溫帶海岸現代風成沙粒度特征范圍內，與Pye、Bigarella等以及吳正早期所描述的海岸風成沙粒度參數特征大體吻合[1，12，17]。

對比傅啟龍等、祈興芬、董玉祥、姜峰前期對昌黎海岸風沙沉積粒度特征的研究結果[21，24，34，35]（見表1），可以發現所有結果均顯示風成沙的分選性優于海灘沙，說明風成沙受風力的分選作用較強。而本文所得沙丘沙的粒度參數結果同樣顯示出其分選性優于海灘沙的特點，表明研究區海岸沙丘沙具典型的風成沙特征。

表1 不同研究者粒度參數分析結果對比Table 1 Comparison of grain size parameter analysis results by different researchers

同時，從頻率曲線和概率累積曲線來看，沙丘沙較之于海灘沙，頻率曲線呈現出更為窄而尖銳的單峰形態，且概率累積曲線的斜率更大，躍移組分含量占絕對優勢，表明沙丘沙樣以風力搬運作用為主。因此，本文采集的海岸沙丘沙樣品為典型的風成沙。

4.2 探坑剖面記錄的風力強弱變化

風積物粒度參數隨時間的峰谷波動變化是重建過去風沙環境變遷歷史的重要信息來源，而建立風沙沉積剖面的時間標尺是有效提取風積物古氣候信息的基本前提。

根據姜峰在橫向沙脊丘頂與中上部1 m深度探坑底部采集沙樣獲得的（13±3）a和（37±8）a兩個OSL年齡結果[35]可知，研究區橫向沙脊上部1 m深度探坑底部的OSL年齡一般為25 a左右，橫向沙脊迎風坡腳出露最老沙層年齡為（184±16）a。另據王小樂等在渤海北部盤錦海岸沙丘深3 m 的探坑剖面底部沙樣獲得的（120±6）a OSL年齡[36]，并參考橫向沙丘丘間地的風沙過程和沉積速率變化特點[37]，初步推斷研究區丘間地深度1 m的人工探坑剖面是大約200 a以來的風沙沉積。

因此，綜合前期OSL測年結果和丘間地風沙沉積速率建立時間標尺，以探坑剖面風沙平均粒徑作為過去風力強弱變化的主要替代指標，根據其峰值谷值的波動變化特點，可將研究區近200 a來的風沙活動劃分為3個階段（見圖7）。

階段I：年代約為1760—1820 AD，深度71～100 cm。此段平均粒徑為1.19～1.92 φ，均值為1.60 φ；分選系數為0.35～0.55，均值為0.46，分選性較好；偏度均值為-0.02，為近對稱分布；峰度為0.93～0.97，平均值為0.95，屬于中等峰態。該時期海岸風力總體上較弱。此時西北、華北黃土分布區沙塵天氣頻率[38]和北方降塵頻率[39]均指示冬季風強度處于較弱的狀態，大體上與竺可楨劃分的第二個暖期（1720—1830 AD）[40]相對應。此段個別深度的樣品，如76～84 cm（即1800 AD左右），平均粒徑較大，分選性較差，可能與當時研究區的局部水文地理環境有關。據昌黎縣志記載，這一時期洪水多發，灤河多次決口。洪水泛濫使灤河含有大量粗沙，因此供給了較多的粗顆粒沙源。

階段II：年代約為1821—1900 AD，深度31～70 cm。此段平均粒徑為1.32～1.76 φ，均值為1.48 φ，低于剖面整體平均粒徑的均值0.17 φ，沙樣顆粒較粗，分選系數平均值為0.40，偏度均值為-0.02，峰度平均值為0.96，較剖面整體而言，分選程度更好，略呈負偏，粒徑分布更為集中?？傮w上指示區域冬季風較為強盛，風沙活動較為活躍，與竺可楨劃分的第三個冷期（1840—1890 AD）相對應。此時西北和華北地區也都存在有關沙塵暴頻發的記錄。在《清史稿·災異志》中，“大風折木，晦冥”“昏塵蔽天”“黑風晝晦”等有關沙塵天氣的描述在1830—1910 AD多次出現，說明該時段氣候較為干冷，易發生沙塵暴。同時，內蒙古岱海于19世紀后期因降水量少、蒸發量加劇，出現了湖泊水位下降的現象[41]；日本鳥取的海岸沙丘在1840 AD左右也存在明顯的陸向加積過程[42]，反映該時段大陸冷高壓氣團十分強盛。

階段III：年代約為1901 AD至今，深度0～30 cm。此段平均粒徑均值為1.94 φ，分選系數均值為0.45 φ，峰態均值為0.95，偏度均值為0.01，除峰態與剖面均值相同外，平均粒徑偏細，偏度略呈正偏，分選性好，說明冬季風活動較弱。最近20 a風力強弱變化狀況以橫向沙丘上部探坑剖面記錄較好（見圖2b、圖4b）。將底部有OSL定年的探坑剖面（編號為CLCDO2-5）沙樣的平均粒徑變化與東亞冬季風指數[43]和河西走廊沙塵暴頻率變化曲線[44]進行對比，結果見圖7。近20 a間的風力強弱存在年際尺度的波動變化：61～100 cm深度范圍內（1988—1998 AD），沙粒平均粒徑呈現出逐年減小的趨勢，而同時段東亞冬季風指數變化曲線顯示東亞冬季風指數降低，滑動平均以負相位為主，河西走廊沙塵暴頻率也整體呈現降低的趨勢，均反映了冬季風的減弱趨勢；31～60 cm 深度范圍內（1999—2004 AD），風成沙平均粒徑有所增加，東亞冬季風指數呈正相位，河西走廊沙塵暴頻率也有所上升，均指示該時段冬季風由弱轉強；深度0～30 cm深度范圍內（2005 AD至今），沙粒的平均粒徑逐漸變細，與東亞冬季風指數與河西走廊沙塵暴頻率所反映的冬季風弱化現象相一致。

圖7 研究區風沙沉積記錄的海岸帶風力作用變化歷史Figure 7 The history of wind action in coastal zone recorded by sand deposition in the study area

5 結論

（1）研究區沙丘沙為典型的風成沙。研究區表層沙樣的平均粒徑以丘間地最細，海灘沙次之，橫向沙脊沙最粗；分選程度以沙丘沙為最佳；峰度值均處于中等峰態范圍內，呈近對稱分布。橫向沙脊不同部位表層沙樣平均粒徑呈現出自丘頂向兩側坡腳粗化的趨勢；分選性由迎風坡向背風坡逐漸變好。

（2）橫向沙脊探坑剖面沙樣和丘間地探坑剖面沙樣整體分選性好，為中等峰態且呈近對稱分布，但相對而言橫向沙脊探坑剖面沙樣更粗。各個粒度參數均隨剖面深度有明顯變化，其中丘間地探坑剖面沙樣變化幅度整體上大于橫向沙脊探坑剖面。

（3）研究區近200 a 來的風沙活動變化可劃分為3 個階段：①1760—1820 AD，冬季風強度整體較弱；②1821—1900 AD，冬季風相對強盛；③1901 AD至今，冬季風活動波動減弱。結果說明在百年-十年尺度上，研究區海岸風沙活動受東亞冬季風控制。