渾善達克沙地風成沙粒度空間分布與風況關系研究

胡慧芳，劉 琦，馬永桃，王嵩松，裴碧炫，楊惠琳，張曉微

(太原師范學院 地理科學學院，山西 晉中 030619)

1 引言

土地沙漠化是土地退化的主要類型之一，目前已成為世界面臨的主要生態環境問題[1,2]。而粒度作為沉積物的重要結構特征，是風沙地貌研究的重要內容，其形成受到沙源物質、搬運條件、自然環境等多方面因素的影響[3,4]。粒度特征在反映風力對物質的搬運、分選、記錄風力強度方面具有優勢，對體現風沙地貌、地形的形成及其他障礙物對風沙流運移過程的改變具有重要意義[3,4]。

我國是世界上沙漠化最嚴重的國家之一，甚至已經達到了制約我國經濟發展的程度，對提高我國國民經濟水平和社會生活質量形成了極大阻礙，已成為中華民族的心腹之患[5]。近幾十年來，在經濟發展、人口增長、畜牧業發展以及新農田開墾的壓力下，強化了對草場的利用，特別是長期盲目開墾，大規模毀草造田令渾善達克沙地生態平衡遭到破壞、生態環境嚴重退化，出現了大面積的草場退化和土地沙化現象[6]。

在干旱半干旱地區，隨著社會經濟的進一步發展，土地沙漠化問題越來越嚴重，已經成為影響全球環境的重大問題之一，因此吸引了很多國內外學者的密切關注。比如外國學者Tyson，Bakhit，Sanders，Jaskolla和Okin以及國內學者胡日娜、王濤、任孝宗等前后對國內外沙漠化地區進行了各方面的探究[7～14]。

渾善達克沙地作為我國四大沙地之一，多年來受自然和人為因素的影響，土地沙漠化速率不斷加快，因此有不少國內學者從各個方面對其進行了研究，比如王小平等[15]為了研究渾善達克沙地粒度組成和環境之間的關系，采用濕測法對研究區的周邊以及腹地質量磁化率進行研究來得到結論；張洪等[16]通過激光粒度分析儀和粒度參數計算公式進行了分析，得出粒度旋回及其氣候變化特征的結論；劉樹林等[17]經過一定數量的遙感解譯和實地調查，采用2003～2006年的數據對渾善達克沙地的土壤粒度組成和土壤有機碳(SOC)和全氮(TN)含量進行了分析；董玉祥等[18]通過綜合分析歷史氣候以及地面剖層，最后得出氣候因素主導的結論；劉德松等[19]通過對降水、濕度、云量、風速等因素進行研究對比計算，表明渾善達克地區的各氣象因子變化與人類行為有很大關系，也初步探尋到了沙漠化的規律；任孝宗等[20,21]通過實地采樣和對比分析，分析了渾善達克沙地東部地區天然水體的水化學組成及其控制因素和地下水的補給機制。從研究的方向來看，已有的研究主要集中在環境、氣候、沙漠化演進和水資源等方面，對風成沙粒度組成的空間分布研究還較少。因此，本文通過已有數據和資料，分析了研究區不同粒度空間分布特征和極大風速風向特征，希望為渾善達克沙地的風沙治理提供建議。

2 研究區概況

渾善達克沙地處于我國內蒙古地區的中部，是我國四大沙地之一，主體地理位置在42°～45°N、112°～118°E之間，東西跨度約450 km，南北跨度約50～300 km，整體地勢南高北低，地面起伏小，平均海拔1300 m，隸屬于錫林郭勒盟和赤峰市，包括二連浩特市、錫林浩特市、阿巴嘎旗、克什克騰旗、太仆寺旗、多倫縣、鑲黃旗、正鑲白旗、蘇尼特右旗、蘇尼特左旗和正藍旗。氣候屬于中溫帶地區的干旱半干旱大陸性季風區，年降水量為200～400 mm，由東南向西北方向遞減。沙地內由草甸、疏林、灌叢、草原、固定沙丘、半固定沙丘、流動沙丘和半流動沙丘組成，沙丘形態包括新月形、鏈狀等，由于受冬季風影響強烈，多為西北―東南走向。沙地邊緣區由剝蝕產生的低地和丘陵交錯分布。研究區相對于內蒙古其它地區而言，與首都北京的距離最近，可以說渾善達克沙地的環境狀況直接影響著北京(圖1)。

圖1 渾善達克沙地采樣點分布

3 研究方法

風況數據來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn)的中國地面國際交換站氣候資料年值數據集，包括研究區周邊阿巴嘎旗氣象站、二連浩特氣象站、多倫氣象站、錫林浩特氣象站和化德氣象站5個氣象站1980～2019年30年風況數據(累年年極大風速和累年年極大風速的風向)。風成沙沉積物數據分為兩部分，一部分為實地采集，一部分為公開發表的風成沙粒度數據[17]。

風成沙沉積物使用振篩儀進行分級處理，為了保證取樣的均勻，多次攪拌后進行分次隨機取樣，每個樣品稱取40 g左右，在振篩儀上進行15 min的篩分，依次對留在篩子上樣品進行稱重(重量值精確到0.001)。期間進行平行樣的檢測，保證儀器的精度。粒徑按照2.0～0.5 mm、0.5～0.25 mm、0.25～0.10 mm、0.10～0.05 mm和<0.05 mm五個粒級劃分，分別代表不同的風力狀況。使用ArcGIS進行插值分析，繪制樣品不同粒級空間分布圖，使用Excel繪制極大風速風玫瑰圖。

4 結果與分析

4.1 渾善達克沙地粒度組成總體特征

沙粒級配反映的是沉積物各粒度組成的粒徑大小和含量百分比變化[22]。渾善達克沙地風成沙樣品不同粒度組成(表1)表明，渾善達克沙地沉積物粒度組成范圍比較廣，包含粗沙、中沙、細沙、極細沙和粉沙多個粒級。從表1、圖2來看渾善達克沙地的主要沉積物為細沙和中沙，兩者含量之和達到75%以上。其中細沙含量的范圍為1.32%～79.43%，平均值45.67%；中沙含量的范圍為10.65%～43.84%,平均值29.43%。其他粒級含量按粗沙、極細沙和粉沙的順序依次減少，平均值分別為19.20%、5.53%和0.17%，變化范圍為0.07%～85.97%、1.36%～13.04%和0.00%～0.64%。不同樣品同一粒級的變異系數大表明研究區內的沉積物粒度組成在空間上存在很大差異(表1)，這一點從渾善達克沙地不同粒度組成空間分布圖也能看到(圖3)。

圖2 研究區樣品各粒級組成匯總

表1 研究區各樣品不同粒度組成

渾善達克沙地風成沙沉積物粒度組成包含多個粒級，這與多方面因素有關：①渾善達克沙地表層的固定、半固定的沙丘以及人口增加帶來土地退化，為研究區提供充足了沙源物質；②據研究表明渾善達克沙地春秋多大風，8級以上風一年可達60～80次，年平均風速為4～5 m/s,這為吹動風蝕和沙塵暴提供了動力因子[23,24]。

4.2 渾善達克沙地粒度組成空間分布特征

渾善達克沙地各粒級粒度組成空間分布圖(圖3)表明，研究區內風沙沉積物各粒級占比情況在空間分布上存在很大差異。其中粗沙含量高的部分出現在渾善達克沙地中、西部地區，整體上表現為自西向東含量減少的趨勢，這可能與渾善達克沙地西部地區多沙丘可以提供沙源物質有關(圖3a)。中沙和細沙是風沙運動中主要的躍移物質，也是渾善達克沙地的主要沉積物[25]。中沙含量高的部分主要集中在渾善達克沙地西部地區，整體上表現為東少西多(圖3b)。細沙含量在空間分布上呈現出與粗沙相反的情況，即在渾善達克沙地中東部地區含量較高，西部較少，整體上由東向西遞減(圖3c)。可能是中心腹地距離較遠且多沙丘，粒徑較小的細沙組分通過分選到達土壤質地較為均一的中心地區。極細沙的分布呈現出波動變化的趨勢，在西部地區含量較高(圖3d)。粉沙是塵暴中可遠離搬運的組分，在渾善達克沙地各個地區含量都比較低，整體表現為西部地區含量高，東部地區含量低，自東向西逐步減少(圖3e)[26]。從沙源物質來看，極細沙和粉沙為碎屑物質，而渾善達克沙地內部多沙丘，可能是大顆粒的殘留物質，即使在風力作用下也會有部分小粒徑的沙停留在原地或者以緩慢的形式進行移動。

圖3a-e為研究區各粒級組成插值分析圖、圖3f為研究區樣點各粒級含量分布圖圖3 研究區各粒級組分空間分布

圖3f為研究區內風沙沉積物采樣點各粒級含量分布圖，與圖3a-e的樣條插值結果相一致，說明使用樣條插值對現有風成沙沉積物數據來分析渾善達克沙地周邊沉積物各粒級的分布情況存在合理性。

4.3 渾善達克沙地粒度的空間分布與風況關系分析

風向是影響物質搬運、堆積的重要因素之一，對塑造沙地形態有著重大作用。通過分析研究區的5個站點數據以及各站點的極大風速風玫瑰圖(圖4)，表明研究區內各站點的極大風速風向是較為統一的，可看出渾善達克沙地的主要風向為西風，但具體從各個站點來看由稍有區別。如多倫縣、阿巴嘎旗、二連浩特就是西風所占比例大，錫林浩特以西南風為主，而化德站則是西北風為主。從渾善達克沙地所處地理位置來看，表明研究區是受冬季西伯利亞冷高壓(西北風強烈)的影響。

圖4 研究區各站點極大風速風向玫瑰圖 (單位：%)

將圖4研究區各站點極大風速風玫瑰圖與研究區各粒級組分空間分布圖(圖3)相結合，可以看到渾善達克沙地的風成沉積物整體上呈現出自西向東粒徑變細的趨勢，即粗沙、中沙西部含量高，細沙東部含量高。有研究表明渾善達克沙地沉積物的中值粒徑以及分選性沿著盛行風的方向變細變好，這一說法與本文的研究結果一致[25]。

冬季風來臨時，渾善達克沙地受盛行西風影響，區域內沙丘被吹蝕，為就地起沙提供沙源物質[27]。不同粒度的風沙物質移動受到極大風速風向的影響，加速了渾善達克沙地的土地沙漠化速率，嚴重影響當地的自然環境甚至首都北京的發展，不利于研究區和首都的綠色可持續發展。

5 結論

本文中的風成沉積物粒度數據和30年風況數據，通過Excel進行整理、歸納，同時使用ArcGIS、Excel等制圖軟件繪制渾善達克沙地不同粒度組成的空間分布圖以及多年極大風速風向圖表，以下結論。

(1)渾善達克沙地沉積物包括多個粒級，表明由多種沉積環境影響而形成，主要粒級為中沙和細沙，其次為粗沙和極細沙，粉沙含量最低。

(2)從粒度組成空間分布特征方面來看，研究區各采樣點粗沙、中沙和粉沙部分在中西部地區含量大，細沙部分在中東部地區含量大，極細沙含量在整個研究區呈波動變化。整體表現為沉積物粒徑自西向東變細。

(3)渾善達克沙地極大風速風向整體以西風為主，不同站點風向存在具體差別，其中多倫站、阿巴嘎站和二連浩特站以西風為主，錫林浩特站以西南風為主，化德站以西北風為主。主要原因是研究區距離冬季風源地近，受西伯利亞高壓影響較大。極大風速風向為西風與研究區風沙沉積物整體自西向東沉積物粒徑變小的結論，暗示了該區風成沙粒度組成空間分布與風速風向有一定的聯系。