福建海坛岛海岸海滩—沙丘系统表层砂物质粒度特征及其环境意义

张文静，李志忠，洪东铭，于晓莉，苑秀全,赖海成，申健玲

(1. 福建师范大学地理科学学院，福建 福州350007； 2. 湿润亚热带生态地理过程省部共建国家重点实验室，福建 福州350007；3. 福建师范大学地理研究所，福建 福州350007)



福建海坛岛海岸海滩—沙丘系统表层砂物质粒度特征及其环境意义

张文静1,2，李志忠1, 2, 3，洪东铭1,2，于晓莉1,2，苑秀全1,2,赖海成1,2，申健玲1,2

(1. 福建师范大学地理科学学院，福建 福州350007； 2. 湿润亚热带生态地理过程省部共建国家重点实验室，福建 福州350007；3. 福建师范大学地理研究所，福建 福州350007)

摘要：通过对福建海坛岛北部芦洋海岸海滩—沙丘系统3个典型剖面的表层砂样的粒度分析，探索海滩与海岸沙丘砂物质输移特征及其动力环境意义.结果表明： 1) 芦洋海岸横向沙丘表面粒度组成以细砂和中砂为主，平均值为1.76 Ф；海滩砂的粒度组成以细砂、中砂和粗砂为主，平均值为1.82 Ф，总体粒度特征为分选较好、正态分布和中等峰态.2)芦洋海滩砂样品主要是波浪作用的产物，虽然海岸沙丘砂部分样品具有一定的波浪作用特征，但显示风力搬运沉积为主的粒度特点.3)芦洋海滩—沙丘系统各个地貌部位表层砂样的粒度参数的空间变化较小，表明研究区波浪作用和风力作用的耦合影响且沉积环境比较稳定.

关键词：海滩—沙丘系统；粒度特征；动力环境；福建海坛岛

0引言

海岸带是受陆—海—气共同影响的特殊地带，海岸沙丘和海岸风沙沉积反映了陆地、大气和海洋之间的相互作用，成为记录海平面变化和海岸环境演变的良好信息载体[1-3].但是长期以来，因外动力作用因素的时空变异，研究者常将海滨和海岸作为独立的地貌系统进行研究[4].20世纪80年代，Short和Hesp通过分析海滨动力状态类型与海岸沙丘类型的关系，提出了海滨地貌动力状态与海岸沙丘相互作用的基本模式，认为海滩与海岸沙丘共同构成一个不可分离的复合动力地貌系统[5].

近年来，国外关于海滩—沙丘系统相互作用关系的研究表明，海滩和沙丘演化过程经常伴随着强烈耦合的沉积通量联系[5-7].国内学者对海岸沙丘形成发育、古地理环境演变与地貌变化特征进行了一定的研究[8-11]，但通过对海滩—沙丘系统表层砂物质的粒度特征分析探讨两者之间动力联系的研究还较为少见.

粒度特征是沉积物和沉积岩的主要特征之一，它可以作为沉积物及沉积岩分类的定量指标，是对沉积环境进行分析与对比的重要依据[12].因此，粒度分析是沉积环境研究中普遍运用的方法之一，技术已相当成熟.不同类型的沉积，由于搬运介质、搬运强度的不同造成粒度组成的时空变化，所以通过粒度分析可以有效地重建沉积物形成的环境及体现搬运动力的特征[13-16].

目前，普遍采用的研究方法，是根据样品的粒度分析数据计算出沉积物粒度参数和粒度组成，再依据这两项数据推测沉积环境动力性质和演变.Folk在Sinmpson沙漠[17]、Lancaster在Namib沙漠[16]纵向沙丘粒径变化研究中，得出沙丘砂粒径变化与沙源沉积物粒度组成密切相关的结论.Ahlbrandt[18]和Pye[19]肯定偏度与平均粒径有一定的关系.周娜等[20]对雅鲁藏布江米林宽谷段新月形沙丘的粒度分异进行了研究.陈渭南等[21]对塔克拉玛干沙漠腹地纵向沙垅表面和丘间地沙物质进行了粒度分析，总结出沙漠腹地表面沙物质粒度特征的空间变化规律.王中波等[22]指出沉积物粒度分布受物源、外营力等多种因素影响，因此导致粒度特征的空间变化.但上述研究基本上集中于内陆沙漠沙丘的研究，鲜见有针对海滩—沙丘系统砂物质粒度特征分异规律的研究.

近年来，国内学者在我国海岸风沙的粒度分布特征[23-25]、海岸沙丘砂与海滩砂粒度特征比较分析[26]、海岸风沙地貌与成因[9]、风沙灾害防治与海岸保护[27]等方面进行了比较广泛的研究，但是往往把海岸沙丘和海滩分开分析，很少将海滩—沙丘系统作为一个整体来研究.本文尝试把福建海坛岛北部砂质海岸的海滩—沙丘作为系统整体，根据海滩—沙丘系统表层砂样的粒度特征及其物源联系，结合海坛岛现代气象(风速、风向的季节变化)资料，探讨海坛岛北部芦洋海岸海滩—沙丘系统的动力环境特点.

1研究区概况

图1　研究区域及采样位置图Fig. 1　Map of the study area and sampling location

海坛岛位于我国闽中沿海，东濒台湾海峡，西临海坛海峡.介于北纬25°20′～25°40′、东经119°40′～119°52′之间(图1).海坛岛地貌以丘陵、台地和滨海平原为主[28].气候类型为南亚热带半湿润海洋性季风气候，暖热湿润.年平均气温19.5 ℃，最热月为7月，最冷月为2月.年均降水量1 151.5 mm，且降水季节分配不均，全年降水主要集中在3～9月，占全年降水量的81%左右[29]，年相对湿度81%(图2).海坛岛地处台湾海峡西岸，大风日数多，风力强劲，夏季多台风.受季风和台湾海峡走向的制约，风向具有明显的季节性变化，夏季盛行西南风，冬季盛行东北风.常年主导风向为NNE，仅6～8月份以偏南风为主[30].郑斯中[31]研究发现，我国东南地区近两千年气候湿润状况的变化表现出长短不同的周期性，有逐渐变干的趋势,这种趋势为海坛岛海岸风沙地貌发育提供了有利的条件.

图2　福建海坛岛多年平均降水量(mm)、气温(℃)、风向频率、平均风速及最大风速Fig. 2　Averaged annual precipitation,temperature,wind direction frequency,mean and maximum wind velocity ofHaitan Island,Fujian

2材料与方法

2.1研究区海岸带沙丘地貌特征与采样

海坛岛北部的芦洋浦平原海岸沙丘带，大致呈现NNW-SSE向条带状平行于海岸线分布，覆盖面积约68 km2(图1C)[32-33].根据野外调查，芦洋海岸沙丘系统主要由岸前沙丘、平沙地、穹形沙丘、线形沙丘和台地丘陵覆盖沙地组成[34]，以岸前沙丘、线形沙丘、平沙地最为常见[35].本研究所选取的沙丘类型主要是平行于盛行风方向的岸前沙丘(横向沙丘).沙丘的迎风坡及部分丘顶已被沙生植被所覆盖，背风坡鲜有植物，无乔木植被.由于本文研究的重点是现代海岸海滩—沙丘系统的动力环境特点，所以已经被木麻黄(CasuarinaequisetifoliaL.)防护林体系稳定的岸后沙丘不予考虑.

采样断面设计为3条平行于主导风向NNE向且垂直海岸线的纵断面，依次采集现代海滩—沙丘系统的表层粒度沙样10个，分别是潮间带下、潮间带中、潮间带上、潮上带下、潮上带上、迎风坡坡脚、迎风坡坡中、丘顶、背风坡中、背风坡坡脚,3个采样纵断面分别编号为ly101～ly110，ly201～ly210，ly301～ly310.

2.2实验方法

粒度测试采用英国马尔文仪器公司生产的MasterSizer2000激光粒度分析仪，仪器测量范围为0.02～2 000 μm，粒级分辨率为0.01 Ф，每个样品重复测试3次，以减小误差.重复测试相对误差小于5%，最后取其平均值.实验过程如下：称取经过2 mm筛后混合均匀的风干待测样品9 g，放入洁净的烧杯，加入5 mL10%的H2O2溶液静置24 h以去除有机质，加入5 mL10%的HCL，加热使其充分反应后，给烧杯注满蒸馏水静置24 h.之后再抽取几次蒸馏水(一般3～5次)，重复几次直至溶液呈中性为止.正式上机测试前，加入5 mL 0.05 mol·L-1的(NaPO3)6进行分散，并用超声波振荡3～5 min之后上机测试.

粒度分级根据温德华粒径分级表中的分级标准进行划分，共分为7 级，分别为粘土(<0.002 mm)、粉砂(0.002～0.063 mm)、极细砂(0.063～0.125 mm)、细砂(0.125～0.25 mm)、中砂(0.25～0.5 mm)和粗砂(0.5～1.0 mm)、极粗砂(1～2 mm).

粒度参数计算方法为Folk-Ward图解法[13]，其公式如下：

其中：φ为尤登-温德华式等比例粒级；φ5、φ16、φ25、φ50、φ75、φ84、φ95分别代表累积曲线上5%、16%、25%、50%、75%、84%、95%对应的φ值粒径.上述粒度实验在福建省湿润亚热带生态-地理过程省部共建国家重点实验室完成.

3样品分析结果

3.1粒度组成与粒度参数

粒度分析结果(表1)显示，芦洋海岸横向沙丘粒度组成以中砂、细砂和粗砂为主，三者总含量约为97.19%.其中，中砂平均含量为47.42%，细砂平均含量为37.12%，粗砂平均含量为12.65%，同时含有少数极细砂和极粗砂.海滩砂的粒度组成以细砂、中砂和粗砂为主，平均含量分别为39.47%，48.41%，9.37%.从粒度组成上看，海岸沙丘砂的粗砂、极粗砂含量高于海滩砂，而粉砂、极细砂、细砂、中砂含量小于海滩砂，说明这两个沉积环境的动力条件具有一定的差异性，可能反映了其风力作用和波浪动力作用的不同，同时粒度组成的相似性可能指示了两种沉积环境在物源和动力条件方面的紧密联系.

与现代海岸沙丘[23]对比(表2)，芦洋海岸的沙丘砂的极粗砂、极细砂、粉砂、粘土含量较少，粗砂含量较多，中砂和细砂含量相差不大.极粗砂和粉砂、粘土含量较少说明研究区海岸带风速较稳定，不如温带海岸的风速变化大.芦洋海滩砂具有受波浪作用的特征，但极粗砂含量较温带海岸海滩砂少，粉砂含量较多，证明研究区海滩地带波浪作用较温带海岸更弱，且后期遭受强烈的化学风化作用，使粉砂含量增多.

表1　海坛岛芦洋砂质海岸各位置的平均沉积粒度组成

表2　海坛岛芦洋砂质海岸与其他风力沉积环境砂物质平均粒度组成比较

图3为各采样位置样品的粒度参数对比.从图中可以看出，芦洋海岸横向沙丘砂的平均粒径介于0.93～2.18 Ф之间，平均值为1.76 Ф；海滩砂的平均粒径介于1.49～2.19 Ф之间，平均值为1.82 Ф.沙丘砂与海滩砂的标准差非常接近，总体分选较好，表明二者的搬运动力具有相对的稳定性.所采集的30个样品中，除局部两处呈略微正偏和负偏外，其余均呈近对称分布.所有样品均为中等峰态.总体粒度参数特征基本符合海岸沙丘沉积物粒度的一般规律.海滩砂与沙丘砂粒度特征的相似性，表明二者可能具有共同的砂物质来源.

从表3可知，研究区芦洋海岸沙丘砂的粒度参数特征与其他区域典型海岸风成砂粒度参数[23,36]相似，总体表现出明显的海岸风成砂特征.各地海岸沙丘砂粒度特征的差异，应当是由我国东部沿海南北自然地理条件的区域性差异造成的.

粒度参数具有一定的判别沉积环境的意义，但单一的粒度参数难以区分两种相似的沉积环境.所以本文尝试运用粒度参数散点图来进一步综合分析沙丘砂与海滩砂的沉积环境差异.对比芦洋海岸的海滩砂和沙丘砂粒度参数散点图(图4)可以看出，两者之间的区分程度很低，说明研究区海滩砂与沙丘砂的沉积环境具有很大的相似性和稳定性，这一点与董玉祥观点[23]一致.

图3　海坛岛芦洋砂质海岸各采样点样品的粒度参数Fig. 3　The grain-size parameters at different sites on coastal dunes at Luyang,,Haitan Island

地点类型平均粒径均值/Ф标准偏差均值偏度均值峰态均值芦洋沙丘砂1.840.600.010.95海滩砂1.760.620.000.94长乐沙丘砂2.310.510.000.93海滩砂————温带海岸沙丘砂2.010.600.071.19海滩砂1.650.59-0.080.96

图4　海坛岛芦洋海滩砂与沙丘砂粒度参数散点图Fig. 4　The grain size parameter plot of beach and dune sands in Luyang, Haitan Island

3.2频率分布曲线和概率累积曲线

频率分布曲线图以粒度为横坐标，各个粒级的百分含量为纵坐标，曲线的形状能非常直观地反映出沉积物粗粒或细粒部分的频率大小及众数的分布，沉积物的分选性也能明显看出.从图5中可以看出，所测的30个样品的频率曲线大多呈正态分布，峰值粒径出现在208.93～316.228 μm之间，以细砂和中砂为主，说明芦洋海岸海滩砂及沙丘砂的粒径分布较为均一，在一定范围内不随海滩长度和所处位置而变化.样品的频率分布曲线均具有明显的单峰特点，单峰高而窄，分选较好，粒级比较集中.由单峰频率曲线的出现可知，海坛岛芦洋砂质海岸的物源单一、且沉积环境较稳定.

此外，剖面3的频率累计曲线具有略微的细尾，而剖面1、2没有，反映了该剖面的芦洋海岸风沙沉积后可能遭受了一定的化学风化作用，从而导致细粒组分含量增加.

图5　海坛岛芦洋海岸海滩砂和沙丘砂频率曲线图Fig. 5　The grain size distribution curves of beach and dune sands of the coast in Luyang，Haitan Island

概率累积曲线可定性地分析样品的粒度特征，它表示大于任一选定粒径的颗粒在样品中的含量，横坐标为Ф值粒径，纵坐标为各粒径的累积百分含量.由图6可以看出，芦洋海滩砂的概率累计曲线大部分呈现滚-跳-悬三段式.其滚动组分不高；跳跃次组分为主，剖面1的跳跃组分中有一个截点，呈两线段相交，可能由波浪的进流与退流造成；悬浮组合含量很少，剖面1、3的背风坡中段有小于4%的悬浮组分.

图6　海坛岛芦洋海岸海滩砂和沙丘砂概率累积曲线图Fig. 6　The probability cumulative curves of beach and dune sands of the coast in Luyang,Haitan Island

海坛岛芦洋海岸沙丘3个剖面非常相似，均以滚动组分和跳跃组分占优势.滚动组分小于2%，跳跃组分含量大于90%，呈单一的直线段，斜率很大，分选较好，悬浮组分含量几乎为0.仅剖面3的背风坡中处有明显的悬浮组分，含量约为0.5%～5%，总体区间较宽，斜率较小，分选较差.除此处外，其余3个剖面的各个采样点砂样概率累计曲线基本上由滚-跳-悬三段式组成.

综合以上分析，海坛岛芦洋海滩砂具有波浪作用的典型特征，沙丘砂是来源于海滩砂，后经风力作用影响再搬运沉积的产物，所以二者在粒度特征上呈现总体相似同时也存在着差异性.其中，海岸沙丘迎风坡坡脚样品的粒度特点，与海滩砂极为相似，而海岸沙丘顶部和背风坡则具有典型风成砂的粒度特点，即距离海滩(高潮线)越远的下风方向，沙丘砂的粒度风成特征越明显.

4分析与讨论

芦洋海岸沿岸盛行风年平均风速仅为5.0 m/s(图2)，但海坛岛大风天气(气象上把瞬间风速达到或超过17.0 m/s的风定义为大风)出现频率较高，明显地大于表层海滩砂粒的起动风速(6.07 m/s)[37]，强劲的向岸风为产生由海滩向陆的风沙流提供了动力条件.从潜在风沙搬运量来看，风能越大，潮上带风沙搬运量越大，但是太大的风能又对海岸沙丘产生强烈的风蚀作用.平潭全年≥8级的大风天数较多(62 d)，研究区海岸岸前沙丘高度并非最大，可能与较强的海岸风能限制了沙丘高度的生长有一定关系.

研究区地处闽江入海口南部海域，沿岸流携带了大量闽江泥沙在海坛岛北部海湾堆积.研究区芦洋浦具有向北敞开的宽广海滩，且长江澳海湾南部为地形起伏平坦的砂质平原，为强劲的向岸风提供了充沛的沙源和足够长的风区，使研究区具有较高输沙强度的风沙流并形成了向岸堆积发育海岸沙丘的地貌动力环境.

芦洋海岸横向沙丘表面粒度总体特征为以细砂和中砂为主，分选较好，正态分布和中等峰态.表层海滩砂和表层沙丘砂的粒度组成与粒度参数的特征符合我国海岸带海滩砂和沙丘砂的一般特征.在海滩砂和沙丘砂的粒度参数散点图中，几乎无法区分表层海滩砂与表层沙丘砂(图4)，说明海滩上部和沙丘迎风坡脚具有极其相似的沉积环境和动力环境.且两者的频率分布曲线(图5)与概率累积曲线(图6)大体一致，也说明了这一点.表明海坛岛北部海岸的表层沙丘砂和表层海滩砂是以风力作用和波浪作用为主要的外动力因素，具有单一的砂物质来源.陈方等[38]研究指出，海坛岛大量的海岸带第四纪松散堆积物是海岸风沙沉积的物质来源之一.结合野外考察结果，推测海滩砂以陆源河沙为主要沙源，沙丘砂则以海滩砂为主要沙源.由于芦洋海滩和海岸沙丘之间是毗邻的近源砂物质输移，随着波浪作用向岸转变为风力作用，海滩砂的粒度特点尚未充分发生距离分异，海滩砂就堆积发育为表层海岸沙丘砂，因此两者的粒度组成和粒度参数表现出相当程度的相似性.

从芦洋海滩—沙丘表层系统粒度特征的空间分异特点看，是由海岸地貌系统中的波浪、季风、台风、海陆风等因素综合作用的结果.海滩砂和沙丘砂两者粒度特征的空间变异，总体上显示了由海滩向海岸沙丘的沉积环境的梯次变化，而各个部位粒度特征细节上的差别，是由海滩—沙丘系统局部动力、波浪高低、潮汐大小以及海滩—沙丘系统之间的相互作用所导致的.

5结论

根据以上的分析和讨论，可将福建海坛岛北部芦洋海岸海滩—沙丘系统表层砂物质特征及环境意义总结如下：

1)海坛岛芦洋海岸横向沙丘砂的粒度组成以细砂和中砂为主，平均粒径介于0.93～2.18 Ф之间，平均值为1.76 Ф；表层海滩砂的粒度组成以细砂、中砂和粗砂为主，平均粒径介于1.49～2.19 Ф之间，平均值为1.82 Ф.总体粒度特征表现为分选较好、正态分布和中等峰态.

2)海坛岛芦洋表层海滩砂和表层沙丘砂的频率分布曲线呈单峰形态，表现出一定程度的相似性，表明了比较稳定的沉积环境和单一的物质来源，反映两者既相似又有变化的动力环境——由以波浪作用为主渐次过渡到以风力作用为主；各个部位海滩砂和沙丘砂概率累积曲线的空间变化特点大体相似.从总体粒度参数特征看，沙丘砂表现出明显的海岸风成砂特征，而海滩砂表现出较典型的波浪分选搬运特点.

3)研究区沙丘砂的物源前期主要来自上风方向由波浪作用搬运堆积的海滩砂，后期受离岸风向的交替变化影响，使海滩—沙丘系统表层砂物质粒度特征产生一定程度的混合.总体上研究区波浪作用和风力作用对沉积环境的影响比较稳定.除区域风况因素外，研究区平缓开阔的地势十分有利于海岸风沙发育.此外，植被覆盖、人类活动的因素对海滩—沙丘系统表层的砂物质粒度特征的影响机制，有待进一步研究.

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收稿日期：2015-11-27

基金项目：国家自然科学基金项目(41271031); 国家基础科学人才培养基金项目(J1210067)；福建师范大学大学生创新创业训练计划项目(cxxl-2015129).

通信作者：李志忠(1962—)，男，教授，博士，主要从事风沙地貌与环境演变研究.E-mail:lizz@fjnu.edu.cn

doi:10.3969/j.issn.1674-232X.2016.04.016

中图分类号:P532

文献标志码:A

文章编号:1674-232X(2016)04-0427-10

The Surface Grain-size Characteristics and Environmental Significance of Beach-dune System in Haitan Island, Fujian Province

ZHANG Wenjing1,2, LI Zhizhong1, 2, 3, HONG Dongming1,2, YU Xiaoli1,2, YUAN Xiuquan1,2,LAI Haicheng1,2, SHEN Jianling1,2

(1.College of Geographical Sciences, Fujian Normal University, Fuzhou 350007; 2.Key Laboratory Humid Subtropical Ecosystem and Geography, Ministry of Education, Fuzhou 350007; 3.Institute of Geography, Fujian Normal University, Fuzhou 350007)

Abstract:Based on grain size analysis of three typical sand specimens on the surface of beach-dune system in Luyang Coastal, Haitan Island, Fujian Province, the study researched grain size characteristics of beach and coastal dune sand and their environmental significance. The results showed that fine sand and medium sand mainly composed grain size of transverse dune in Luyang Coastal, and its average was 1.76 Ф, the composition of beach sands was mainly fine sand, medium sand and coarse sand, the average was 1.82 Ф, in general, grain size was high sorting degree, symmetrical skewness and middle degree kuriosis. Luyang Coastal sands sample was mainly influenced by wave action, dune sand had the characteristics of wave action partly, but mainly displayed the granularity characteristic of wind carrying sediment. Beach-dune system in Luyang Coastal had basically identical grain size characteristics of sand specimen on surface in each topography position, its spatial variation of grain size parameter was small, which showed that research institute was mainly influenced by wave and wind action and their sedimentary environment was steady.

Key words:beach-dune system; grain size characteristics; dynamic environment; Haitan Island