毛乌素沙地新月形和抛物线形沙丘表层沉积物粒度特征_李静芸.pdf

第 43 卷 第 2 期2023 年 3 月中国沙漠JOURNAL OF DESERT RESEARCHVol.43 No.2Mar.2023李静芸，傅天阳，申玉龙，等.毛乌素沙地新月形和抛物线形沙丘表层沉积物粒度特征 J.中国沙漠，2023，43（2）：226-232.毛乌素沙地新月形和抛物线形沙丘表层沉积物粒度特征李静芸1，傅天阳2，申玉龙1，王立辉1，伍永秋1（1.浙江师范大学 地理与环境科学学院，浙江 金华 321000；2.北京师范大学 地理科学学部，北京 100875）摘要：沙丘的粒度组成主要由风况、沙源、沙丘形态与气流之间的相互作用等决定，粒度组成可以反映沙丘的形成过程。对毛乌素沙地20个新月形沙丘及沙丘链，25个抛物线形沙丘的迎风坡脚、丘顶、背风坡脚表层05 cm进行了采样，并对其粒度组成进行了分析测试，来探讨其粒度特征。结果表明：（1）相比新月形沙丘，抛物线形沙丘分选性更差，悬移组分更高；抛物线形沙丘迎风坡相比新月形沙丘分选性更差，粗沙含量更高。（2）沙丘的粒度分布模式统计中，新月形沙丘出现最多的是迎风坡最细的类型，占比65%，而抛物线形沙丘则倾向于背风坡最细类型，占比56%。（3）植被、新月形沙丘和抛物线形沙丘相反的形态以及形态与气流的相互作用是导致两种沙丘粒度差异的主要因素。关键词：毛乌素沙地；新月形沙丘；抛物线形沙丘；粒度特征文章编号：1000-694X（2023）02-226-07 DOI：10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00140 中图分类号：P931.3 文献标志码：A0 引言 地表沉积物的粒度特征不仅可以反映风力对沙源物质的搬运和分选1-2及沙源物质的组成特征2-3，而且可以结合具体的地表气流、植被覆盖及地形特征情况进一步地分析不同风沙地貌形成的原因及过程4。沙丘是典型的风沙地貌，在沙丘形成发育过程中，沙丘形态和外界条件（风况、植被覆盖度等）之间的相互作用会影响沙丘表面的风蚀沉积过程，从而导致沙丘表层沉积物粒度特征的变化5。沙丘形态与外界条件之间的这种相互作用可进一步解释为形态与气流之间的作用，风力分选结果在不同形态沙丘和同一形态沙丘各地貌部位之间出现不同程度的差异6-7，这些差异以最大程度表现在沙丘表层沉积物的粒度组成上，并导致不同类型沙丘出现迎风坡-丘顶-背风坡不同的粒度分布模式8-10。新月形沙丘和抛物线形沙丘形态截然相反，已有众多学者对不同地区沙漠中新月形沙丘和抛物线形沙丘的粒度特征进行了探讨4，7，9-14，沙丘的粒度分布特征研究结果并不完全一致，但出现最多的是丘顶最粗模式4，7，9，12-13和迎风坡脚最粗模式11，15。虽然目前对于其他沙漠中新月形沙丘和抛物线形沙丘的粒度分布模式进行了较多探讨，但是对于这两种沙丘在毛乌素沙地中的粒度分布情况还需要进一步分析，观察其优势粒度分布模式情况。毛乌素沙地作为中国四大沙地之一，具有特殊的地理位置，位于季风尾闾区，地处干旱区、半干旱区的过渡地带，以及沙漠-黄土过渡地带，区域内生态环境脆弱，风沙危害严重，是区域风沙地貌学研究的典型地区，也是中国沙漠化研究的热点地区16。现代毛乌素沙地及其附近的沙漠化土地是对地质历史时期形成的各种沉积物进一步搬运、分选和再沉积的结果，具有相对复杂的粒度特征17。因此本文选择了毛乌素沙地新月形沙丘和抛物线形沙丘两种沙丘类型作为研究对象，对其迎风坡脚、丘顶和背风坡脚的表层进行了采样，研究两种沙丘的粒度特征差异，分别统计了两种沙丘出现的收稿日期：20220708；改回日期：20221108资助项目：国家自然科学基金重点项目（41330748）作者简介：李静芸（1997），女，浙江宁波人，硕士研究生，主要从事风沙地貌研究。E-mail：通信作者：伍永秋（E-mail：）第 2 期李静芸等：毛乌素沙地新月形和抛物线形沙丘表层沉积物粒度特征所有粒度分布模式，并分析了每种沙丘优势粒度分布模式的成因。1 研究区概况及研究方法 1.1研究区概况毛乌素沙地（3730 3930 N，10715 11030 E）位于鄂尔多斯高原东南洼地，南北长220 km，东西宽 100 km，最宽处 150 km18，面积约 3.9 万km2 19，是中国四大沙地之一。该区域属典型的温带大陆性半干旱气候，年降水量250440 mm，集中于79月，占全年降水量的60%75%，年潜在蒸散量1 8002 500 mm。年均气温6.08.5，1月平均气温-9.5-12，7月平均气温2224 20。冬春季节盛行西北风，夏秋季节则以东南风为主，起沙风主要出现在冬末、春季，年大风时间 2040 d18。沙地内沙丘种类较多，主要有固定或半固定的沙垄、抛物线形沙丘、流动的新月形沙丘及沙丘链等21（图1）。1.2样品采集及分析方法在毛乌素沙地选取新月形沙丘及沙丘链20个，抛物线形沙丘25个，分别在其迎风坡脚、丘顶、背风坡脚（后面用迎风坡和背风坡代指迎风坡脚和背风坡脚）采集表层05 cm的沉积物样品（图1），其中每个点采3个重复样，以3个重复样的平均值来指代该点的值。同时记录每个沙丘的经纬度、基本特征和周边环境特征。样品在进行前处理后22，采用英国马尔文（Malvern）公司生产的Mastersizer-2000型激光粒度分析仪进行沉积物粒度的测量，该仪器的测量范围为0.022 000 m，重复测量3次，误差0.05），在不同沙丘同一个地貌部位的对比中，迎风坡和背风坡中沙含量不存在显著性差异，但新月形沙丘的丘顶中沙含量显著高于抛物线形沙丘丘顶（P0.05）。细沙含量仅次于中沙，含量31.17%42.01%，其中新月形沙丘的迎风坡和丘顶细沙含量显著高于抛物线形沙丘（P0.05）。粉沙和极粗沙含量分别为 2.05%3.85%和0.01%0.49%，抛物线形沙丘丘顶的粉沙和极粗沙含量显著高于新月形沙丘的丘顶（P0.05）。抛物线形沙丘迎风坡的粗沙含量显著高于背风坡（P0.05）。抛物线形沙丘平均粒径为1.89，其中背风坡显著细于迎风坡（P0.05）。两种沙丘整体的平均粒径无显著性差异。新月形沙丘分选系数为0.66，抛物线形沙丘分选系数为0.79，两者的分选系数存在图1毛乌素沙地概况以及采样点分布Fig.1Overview of the Mu Us Desert and the distribution map of the sampling points227中国沙漠第 43 卷显著性差异（P0.05），但抛物线形沙丘的迎风坡要比新月形沙丘的迎风坡更正偏（P0.05），但抛物线形沙丘的迎风坡要比新月形沙丘的迎风坡峰态值更大（P9 0.12 0.30ac0.11 0.27ac0.10 0.22ac0.11 0.26e0.19 0.24ac0.19 0.28ac0.25 0.36ac0.21 0.27e粉沙49 2.47 2.43ac2.27 2.46ac2.05 2.24ac2.26 2.22e3.80 2.60ac2.83 2.85ad3.85 4.50ac3.49 3.01e极细沙34 6.01 4.42ac4.00 2.66ac3.80 4.62ac4.60 3.13e4.65 4.12ac5.03 3.34ac5.10 3.90ac4.92 3.20e细沙23 42.01 13.53ac37.60 15.89ac39.16 16.29ac39.59 14.51e31.17 14.19ad35.39 15.10ad38.65 13.03ac35.07 12.42e中沙12 42.72 10.36ac46.79 9.69ac47.05 13.36ac45.52 10.17e44.90 7.50ac43.80 8.28ad44.38 7.93ac44.36 6.50e粗沙01 6.63 6.91ac9.22 8.64ac7.83 9.27ac7.89 7.66e14.97 12.81ad12.27 12.56abd7.74 7.93bc11.66 9.56e极粗沙-10 0.05 0.23ac0.01 0.04ac0.02 0.05ac0.03 0.08e0.34 0.83ac0.49 1.91ad0.02 0.08ac0.28 0.80e同列不同字母表示差异显著（P0.05），其中a、b是同类沙丘不同部位的对比，c、d是不同沙丘同一部位的对比，e、f是不同沙丘平均值的对比。表2 不同类型沙丘各地貌部位沉积物粒度参数Table 2 Particle size parameters of sediment at different sites of different types of sand dunes沙丘类型新月形沙丘抛物线形沙丘沙丘部位迎风坡丘顶背风坡平均迎风坡丘顶背风坡平均平均粒径/2.02 0.25ac1.90 0.25ac1.92 0.31ac1.94 0.25e1.80 0.32ad1.87 0.32abc2.01 0.25bc1.89 0.23e分选系数/0.69 0.17ac0.69 0.21ac0.62 0.17ac0.66 0.16e0.83 0.20ad0.75 0.21ac0.78 0.32ac0.79 0.22f偏度0.09 0.10ac0.12 0.13ac0.09 0.10ac0.10 0.10e0.17 0.14ad0.12 0.11ac0.14 0.16ac0.14 0.12e峰态1.05 0.18ac1.12 0.29ac1.08 0.23ac1.09 0.22e1.31 0.39ad1.12 0.34ac1.14 0.31ac1.19 0.29e同列不同字母表示差异显著（P0.05），其中a、b是同类沙丘不同部位的对比，c、d是不同沙丘同一部位的对比，e、f是不同沙丘平均值的对比。228第 2 期李静芸等：毛乌素沙地新月形和抛物线形沙丘表层沉积物粒度特征坡粒径较细，丘顶粒径较粗；抛物线形沙丘背风坡粒度频率曲线偏右，迎风坡曲线偏左，说明抛物线形沙丘背风坡粒径较细，迎风坡粒径较粗。新月形沙丘和抛物线形沙丘平均概率累计曲线明显由两段组成，分别代表跃移组分和悬移组分，缺少蠕移组分，跃移组分和悬移组分的截点位于 33.25，其中跃移组分线段斜率最大，含量最高，可以占到整个样本的近 95%，新月形沙丘跃移组分斜率相比抛物线形沙丘更大，分选更好（图3）。就两个沙丘类型的3个地貌部位而言，也都是由两段组成，跃移组分和悬移组分的截点也位于33.25 左右。两种沙丘类型不管是哪个部位，都是新月形沙丘跃移组分含量更高，悬移组分含量更低。2.4沙丘的粒度分布模式由于沙丘形态和气流的相互作用，不同沙丘形成了迎风坡-丘顶-背风坡不同的粒度分布模式。沙丘的粒度分布模式逻辑上可以有6种情况，毛乌素沙地新月形沙丘每种粒度分布模式都存在，抛物线形沙丘除了第6种，其他5种也同时存在（图4）。新月形沙丘中出现最多的是迎风坡最细模式，占比65%，其中丘顶最粗占40%，背风坡最粗占25%；而抛物线形沙丘则最多的是背风坡最细模式，占比56%，其中丘顶最粗占36%，迎风坡最粗占20%。图2毛乌素沙地不同沙丘3个部位的粒度频率曲线Fig.2Grain-size frequency curves for three parts of different dunes in the Mu Us Desert图3新月形沙丘和抛物线形沙丘沉积物概率累计曲线Fig.3The probability cumulative curve of barchan and parabolic dunes229中国沙漠第 43 卷3 讨论 3.1粒度参数差异新月形沙丘和抛物线形沙丘的粒度参数大多没有显著性差异，但其中的分选系数，抛物线形沙丘要显著大于新月形沙丘（P0.05），即分选更差。充分的分选过程可以有效提高风成沙的分选程度，降低值，植被覆盖程度会显著影响风成沙的分选过程25。植被对分选作用的影响主要表现在以下几个方面：植被覆盖可以有效降低风速、从而减弱风对地表风成