敦煌沙漠-綠洲過渡帶近地表風沙動力環境

張克存, 牛清河, 安志山, 張偉民, 張 號

(中國科學院 寒區旱區環境與工程研究所 敦煌戈壁荒漠生態與環境研究站 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沙動力環境

張克存, 牛清河, 安志山, 張偉民, 張 號

(中國科學院 寒區旱區環境與工程研究所 敦煌戈壁荒漠生態與環境研究站 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況、輸沙勢、風沙通量和近地表粒度特征，為闡明沙漠綠洲過渡帶風沙動力過程提供理論依據。 [方法] 利用同步風況、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。 [結果] 由于沙漠和綠洲內部物質組成、空間結構和水熱狀況不同，沙漠—綠洲過渡風速梯度和起沙風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風向。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系統的重要組成部分，對維持綠洲穩定意義重大。 [結論] 針對綠洲風沙危害防治，應從局地環流角度出發，充分考慮沙漠—綠洲過渡帶的調節和緩沖作用。

關鍵詞：沙漠—綠洲過渡帶; 起沙風; 輸沙勢; 粒度特征

沙漠和綠洲是干旱區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總面積的4%，但卻養育了干旱區95%以上的人口，創造了干旱區璀璨的古代文明[1-2]。沙漠作為近地表風沙過程的物源地，直接威脅綠洲的存亡。但綠洲低水平、無序開發致使綠洲穩定性下降，引發包括沙漠化在內的一系列生態環境問題[3-4]。沙漠—綠洲過渡帶對維系綠洲系統穩定尤為關鍵：一方面，它作為減輕沙漠對綠洲施壓的天然屏障，可以阻止沙漠擴張以及風沙對綠洲的侵襲；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環境脆弱帶。沙漠和綠洲的水、熱差異所造成的局地環流和小氣候，影響沙漠—綠洲過渡帶近地表風沙過程[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沙過程是上述諸多過程的集中表現，影響區域生態環境的演變和沙漠—綠洲系統的穩定，也是辨析區域沙漠化或綠洲化的關鍵。風沙在沙漠和綠洲間往復式的能量交換及物質搬運，使近地表呈現復雜的風蝕、堆積及其交互過程[10-12]。沙漠—綠洲過渡帶風沙活動引起的風蝕、沙埋以及流沙入侵已嚴重影響綠洲穩定和持續發展。為解決綠洲及其毗鄰地區的風沙危害，保障綠洲生態安全，亟待對沙漠—綠洲過渡帶近地表風沙動力過程開展系統研究。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—綠洲過渡帶起沙風和輸沙勢等風動力環境，不僅揭示沙漠—綠洲過渡帶局地環流特征和風沙運動機制，而且有助于解決綠洲風沙危害，為干旱區綠洲風沙防治提供理論依據，具有重要的理論和實踐意義。

1敦煌綠洲自然環境特征

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%。境內水資源主要來自疏勒河和黨河，維系著敦煌綠洲的生態平衡。敦煌綠洲由于地處我國西北內陸，氣候極端干旱，年均降水量為38.8 mm，年蒸發量高達3 470 mm。另外，受外圍沙漠影響，敦煌綠洲生態環境極其脆弱，風沙活動強烈而頻繁，年均大風日數約20 d，沙塵暴日15.8 d。每年11月至翌年2月，盛行風向以西南風和西風為主，3—10月多東北風和東風。根據1997和1998年敦煌市氣象局風況資料統計來看，全年主導起沙風以東北風和西南風為主，二者占全年總量的51.47%，全年起沙風合成輸沙方向215° (表1)。據觀測，毗鄰敦煌綠洲西緣的庫姆塔格沙漠每年向綠洲內部推進3～4 m，沙漠與綠洲近在咫尺，對農牧業生產構成了嚴重威脅。

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環境退化更為突出，地表水資源銳減、地下水位下降、植被退化、濕地萎縮的現象十分嚴重。

表1　敦煌市各方位起沙風比例

2沙漠-綠洲過渡帶起沙風

為了揭示沙漠—綠洲過渡帶風動力環境，自鳴沙山至敦煌市月牙泉村莊方向設置監測斷面，整個監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。在監測斷面上沿分別途架設小型氣象儀，各氣象站點風速采集高度距離地表2.0 m，每次風速采集時間間隔為10 min，用于分析局地主導風向、起沙風況和輸沙勢等風動力環境特征。采用用2008—2010年連續3 a風況資料，分別計算和統計了沙漠綠洲過渡帶各測點平均風速、起沙風玫瑰圖、起沙風累計作用時間和輸沙勢等。

2.1　平均風速

平均風速是衡量風沙強度活動的指標之一。沙漠和綠洲同處于干旱區，二者物質組成、空間結構和水熱特性的不同，導致沙漠—綠洲過渡帶各點平均風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，平均風速有遞減趨勢。沙漠和過渡帶兩測點年均風速為分別為2.78和2.54 m/s，由于受綠洲效應的影響，至綠洲年均風速為1.99 m/s，遠小于沙漠地區。從時間變化來看，各點平均風速冬春季相對較大，尤其是3—5月份。

2.2　起沙風玫瑰圖

起沙風是確定風沙活動發生與否及其強度的重要依據，也是研究風沙運動規律、解決風沙工程問題的關鍵指標之一。基于相關研究結果和野外實地觀測，對于一般干燥裸露的沙質地表來說，當風速達到5.0 m/s左右(2.0 m高度)，沙粒開始起動，形成風沙流。所以本研究以5.0 m/s作為沙粒的起動風速。從起沙風統計記錄來看，總體趨勢是越遠離沙漠，靜風頻率越大，起沙風頻次越小。沙漠、過渡帶和綠洲三點起沙風頻率分別為15.73%，14.20%和7.26%。從主導起沙風向來看，沙漠測點主要以南風和偏南風為主，起沙風合成方向為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%。在綠洲內部，主導起沙風向以東北風為主，占57.21%，起沙風合成方向為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速　m/s

圖1　沙漠-綠洲過渡帶各點起沙風玫瑰圖

2.3　起沙風累計作用時間

為了更具體地對比沙漠—綠洲過渡帶風沙活動強度，圖2所示了各站點起沙風累計作用時間。從各季節起沙風作用時間分布來看，無論是沙漠還是綠洲，春、冬季起沙風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，由于受綠洲呈現獨特的“濕島效應”和“增雨效應”的影響，綠洲內部起沙風累計作用時間明顯低于沙漠，過渡帶間于中間。全年沙漠和綠洲內部起沙風累計作用時間為1 424.67和636.33 h，綠洲起沙風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)是衡量區域風沙活動強度及風動力環境重要指標，在工程防沙設計和風沙地貌研究中，經常用到輸沙勢。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，但綠洲內部輸沙勢明顯較低。

表3　沙漠-綠洲過渡帶不同季節輸沙勢

由于風是一種矢量，根據矢量合成法則將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(RDP/DP)，用來反映一個地區風向組合情況。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，綠洲內部RDP為47.50 UV。沙漠至綠洲內部，年輸沙勢和合成輸沙勢均呈遞減趨勢，沙漠地表風動力環境明顯高于綠洲內部。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，同時也包括其在地域上的分布規律[14-16]。在風沙地貌研究中，粒度是一個很重要的指標，它可反映沙丘的形態特征、沉積環境和發育過程[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，之后計算各粒徑區間質量百分比。采集沙樣樣本數為：沙漠地表4個，過渡帶5個，綠洲邊緣至綠洲內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，中沙和細沙含量增加。沙漠近地表以粗沙為主，質量百分含量75.76%，中細沙含量較少，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，細沙含量有所增加，為21.14%。綠洲邊緣至綠洲內部近地表沙粒以細沙為主，質量百分含量為62.78%，粗沙含量較少，只有0.76%，而風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、中沙和細沙為主，與沙漠地區表層沙粒相比，粗沙比例減小至26.18%，中沙百分比增加至55.48%，細沙比例增加至21.14%，且越靠近綠洲，中沙和細沙比例越大。綠洲內部有高大喬木和灌木保護，表層沙粒以極細沙、細沙和中沙為主，其中，細沙百分比增加至62.78%，極細沙百分比增加至11.78%，而粗沙百分比下降至0.76%。

5結 論

沙漠—綠洲過渡帶是綠洲生態系統的重要組成部分，對維持綠洲穩定具有重要作用。近地表風沙過程在沙漠和綠洲間的時空交錯，直接影響沙漠—綠洲生態系統的穩定。由于受綠洲效應的影響，綠洲年均風速遠小于沙漠地區，綠洲起沙風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，沙漠地表風動力環境明顯高于綠洲內部。從近地表粒度特征來看，沙漠地區以粗沙為主，含量較高，中細沙含量較少；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%；綠洲邊緣至綠洲內部近地表沙粒以細沙為主，粗沙含量較少；風沙和黏粒含量相對增加。沙漠—綠洲過渡帶近地表風沙過程不僅受沙漠和綠洲景觀格局和地表物質組成的影響，而且還與沙漠—綠洲水、熱差異造成的局地環流有很大的關系。

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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：國家自然科學基金項目“沙漠綠洲過渡帶近地表風沙動力過程研究”(41371027)；中國科學院“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,主要從事風沙災害與風沙工程研究。E-mail:kecunzh@lzb.ac.cn。