塔克拉玛干沙漠不同下垫面梯度输沙样粒度特征分析

康永德，杨兴华，何 清*，艾力·买买提明，霍 文，杨 帆

（1.新疆师范大学 地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054;2.中国气象局 乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002）

塔克拉玛干沙漠不同下垫面梯度输沙样粒度特征分析

康永德1，2，杨兴华2，何 清2*，艾力·买买提明2，霍 文2，杨 帆2

（1.新疆师范大学 地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054;2.中国气象局 乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002）

在塔克拉玛干沙漠腹地一次沙尘天气过程中，选取沙丘顶部和平坦沙地两种不同下垫面，收集了6个高度层输沙样粒度进行统计分析。结果表明：沙丘顶部和平坦沙地的沙尘粒度均呈正态分布，且峰值主要集中在90μm-125μm极细砂区域，各占53.24%和60.23%左右，其次为细砂和粗粉砂约占40%，剩余粒度级占约10%。沙丘顶部的偏度值大多为负值，粒度分布形态为右偏；平坦沙地的偏度值大多为正值，粒度分布形态为左偏。随着高度层的升高，平均粒径变小。沙丘顶部的平均粒度分布较平坦沙地而言，相对平缓且各粒级沙尘颗粒物分布范围更广。

塔克拉玛干沙漠；下垫面;梯度；粒度特征

粒度是对沉积物分析的重要手段之一［1］。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［2-3］及沙源物质组成特征［3-5］，还可结合地表植被覆盖度、气流、地形等特征因素深入研究不同风沙地貌形成的原因。不同的区域环境或沙源丰度条件下，沙丘表面会产生不同的粒度分布模式，风力分选作用与沙粒物质来源的差异，同样影响着各环境下的沙物质组成［6-9］。国内外学者对中国北方沙漠地表沙丘粒度组成进行了大量研究，集中于塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠、巴丹吉林沙漠、库姆塔格沙漠和腾格里沙漠等，已取得了长足进展［10-14］。近年来，有关塔克拉玛干沙漠的风沙活动研究一直是科学界的热点。中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所的沙漠气象研究团队，以塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站为试验基地，涵盖沙漠腹地塔中，北缘荒漠过渡带肖塘、哈德，东缘若羌，对自然条件下的沙尘活动开展了较为长期的野外观测，获取了一些新的认识［15-16］。但是，上述研究只是集中于塔克拉玛干沙漠沙丘地表层沉积物粒度特征的研究，对不同下垫面沙尘粒度不同高度层分层变化研究的报道较少。鉴于此，文章在前人研究的基础上，采用BSNE梯度集沙仪，选取沙丘顶部和平坦沙地两种不同下垫面，对其不同高度层输沙样粒度特征进行分析，试图寻求粒度特征与沙尘高度层的关系，阐明不同下垫面不同高度层沙尘的运动规律，为沙地地貌形成演变、沙物质来源供应、固沙减尘等提供基础数据。

1 研究区概况与研究方法

塔克拉玛干沙漠位于北半球中纬度欧亚大陆腹地，是世界第二、我国第一大流动沙漠，面积33×104km2，该区年平均降水量不足40mm，属于典型的极端干旱气候区。本次试验区位于塔克拉玛干沙漠腹地的塔中观测试验站附近，BSNE梯度集沙仪布设在距塔中观测试验站西侧2.2km的平坦沙地B处和距塔中观测试验站东侧1.6km的高大沙丘顶部A处，这一带风力均较大。BSNE梯度集沙仪的集沙盒距地有6个垂直高度，依次为：5cm、10cm、20cm、50cm、100cm、200cm，分层收集和测定不同下垫面0-200cm气流层内的输沙样粒径特征，共2组12个样本。集沙盒进沙口高5cm、宽2cm；集沙仪一端为风向板，另一端为集沙盒，根据来风方向可收集各个方向的沙尘。将收集样品带回实验室按试验规范进行前期处理，利用中国气象局乌鲁木齐沙漠研究所树木年轮理化研究重点开放实验室的Mastersizer2000型激光粒度分析仪进行粒度测量（0.02-2000μm，误差小于2%）。由克鲁宾（Krμmbein，1934）和伍登温德华粒级标准换算公式φ=-log2d，可得出φ值，d为直径（mm），以此表示粒径单位；再用Folk和Ward［17］方法计算粒度参数，最后用Sigmaplot12.5软件进行数据处理并绘图。

2 结果与分析

如图1、图2所示，两站沙尘粒度均从1-1000μm变化呈正态分布，且峰值主要集中在90-125μm极细砂区域，占53.24%和60.23%左右。其次为细砂和粗粉砂占40%左右，剩余占10%左右。从采样梯度来看，20cm、100cm处的粒度分布偏细，峰度较高，集中为极细砂；从不同下垫面来看，A站六个梯度所采样品的粒度比B站所采样品稍微偏大，各类粒度级样品分布范围也较B站更广。由此说明，不同下垫面对沙尘输送影响较大，沙丘顶部气流作用频繁强烈，地形条件复杂，热力异常等是造成此现象的原因之一。A、B两站的沙样均靠近100μm，符合正态分布规律，然而曲线左侧尾部粗端均有一个较小的峰值区，造成此现象的原因是塔克拉玛干沙漠地处极端干旱区，由于下垫面空气动力学粗糙度的影响，空气动力作用可使粗粒物质跳跃到较高的梯度［18］。一般来说，粗砂粒只能在地面跳跃向前滚动，不能在空气中悬浮搬运；细砂粒可进入2m高度处运动，不能长距离悬浮搬运；然而粉砂颗粒可以悬浮至1500m高空被分散长距离搬运；黏粒则可被悬浮至对流层长距离搬运至千里之外。

图1 塔中A站沙丘顶部粒度频率曲线

图2 塔中B站平坦沙地粒度频率曲线

2.1 粒度组成分析

对沙丘顶部和平坦沙地6个梯度的沙样粒径进行统计分析，其结果如表1所示。A站5cm处沙样颗粒，集中分布在粗砂到粗粉砂之间，极细砂占52.18%，其次为细砂占39.73%，再次为粗粉砂占5.42%，其余各级含量占2.67%；A站10cm处沙样在粗砂到细粉砂之间分布，极细砂占52.33%，其次为粉砂占37.65%，再次为粗粉砂占7.49%，其余各级含量占2.48%；A站20cm处沙样在细砂到极细粉砂之间分布，极细砂占57.03%，其次为细砂占23.46%，再次为粗粉砂占16.53%，其余各级含量占5.65%；A站50cm处沙样在细砂到细黏土之间分布，极细砂占53.69%，其次为细砂占22.97%，再次为粗粉砂占18.80%，其余各级含量占10.19%；A站100cm处沙样在粗砂到细黏土之间分布，极细砂占54.06%，其次为细砂占20.30%，再次为粗粉砂占21.05%，其余各级含量占4.58%;A站200cm处沙样在粗砂到细黏土砂之间分布，极细砂占50.21%，其次为细砂占19.67%，再次为粗粉砂占23.76%，其余各级含量占6.35%。B站5cm处沙样在细砂到粗粉砂之间分布，极细砂占63.90%，其次为细砂占29.34%，再次为粗粉砂占7.44%;B站10cm处沙样在细砂到极细粉砂之间分布，极细砂占61.84%，其次为细砂占29.25%，再次为粗粉砂占7.29%，其余各级含量占1.61%;B站20cm处沙样在粗砂到粗黏土之间分布，极细砂占63.26%，其次为细砂占26.61%，再次为粗粉砂占7.86%，其余各级含量占2.27%;B 站50cm处沙样在中砂到细黏土之间分布，极细砂占58.50%，其次为细砂占27.66%，再次为粗粉砂占11.38%，其余各级含量占2.46%;B站100cm处沙样在粗砂到极细粉砂之间分布，极细砂占60.81%，其次为细砂占23.82%，再次为粗粉砂占13.86%，其余各级含量占1.51%;B站200cm处沙样在中砂到细黏土之间分布，极细砂占53.16%，其次为细砂占24.60%，再次为粗粉砂占17.61%，其余各级含量占4.62%。从以上分析可看出，随着梯度集沙仪收集高度的增加，A、B两站的沙样在50-200cm处均呈现粒度范围增广的趋势，相对而言A站分布范围比B站更广；其次两站5cm处样品粒度范围最窄，且A站5cm处、200cm的沙样粒度较粗，B站5cm处、200cm处沙样粒度较细。

表1 伍登-温德华-φ值标准

从不同下垫面的粒径组成分析看，A站沙丘顶部20cm处和B站平坦沙地10cm处以下，收集的沙样颗粒主要来自近地表跃移的沙粒，即就地起沙的沙物质。随着高度的增加，所收集沙粒中细砂含量越来越少，粉砂及黏土含量呈逐渐增加趋势。由此表明，在强风天气运动中200cm高处减少了细砂物质的供应，相应地增加了粉砂及黏土的物质供应，符合沙尘在气流中的垂直分布规律，即随着高度的增加，沙尘颗粒物越来越细。再者，200cm处的沙尘主要来自风沙流的水平输送，沙尘可能来自沙区内部，也可能来自外源性沙尘物质的输入，符合实际情况。沙尘暴过后，粒径较大的颗粒一般都在源区及周围地区，它会依靠自身重力而沉降，小粒径的粉砂物质则会被输送之百公里乃至千里之外。由此说明，两站在50cm高度处粉砂及黏粒含量均增加，是外源输入的成分较多。因为，自身源区的粉砂成分质量轻、粒径小，在空气中很难下沉，一旦被风扬起就不易沉落［19］，也不会就近沉积，而是会随着风尘流向其下风方向运动，在更远的地方沉积。由此推断，下垫面及输沙样颗粒梯度的不同，导致了其向大气提供的沙尘量也不同。

2.2 粒度参数分析

沙尘天气过程中，分别收集不同下垫面A、B两站六个高度层的输沙样颗粒，根据MalvernMS2000型激光粒度分析仪输出的数据，按照相关参数公式计算系数得出表2。由此分析可得，两站所采集沙样在上层100-200cm高度处的平均粒径依次呈递减趋势，平均粒径分别为163.9μm和186.43μm左右，而下层5-10cm处的沙样粒径较大，平均粒径分别为230.46μm和206.36μm；中间层20-50cm处沙样粒径居中，分别为178.45μm 和196.14μm。造成这一现象的最直接原因就是沙尘天气过程中空气动力作用导致，因此使得沙样粒径在不同梯度呈现不同特征，这对今后研究输沙流的分层输样提供了科学依据。

表2 不同下垫面梯度输沙样粒度参数特征

从粒度参数变化相关分析（表3）及散点图（图3）看出，不同下垫面收集的样品粒径表现为A站最粗，B站次之，且随着高度的上升两站平均粒径均减小。标准偏差值范围A站在1.595-1.942左右，B站在1.608-1.874左右。A、B站标准偏差极值均介于1-2，分选较差，这是由于风的长期作用力使细颗粒被风力输移，遗留粗颗粒较多。偏度和峰度均为描述分布形态的指标，根据统计学原理，均值对称的数据偏度为0。沙尘天气过程中，A站的偏度值大多为负值，粒度分布形态为右偏。偏态程度较低，说明在频率曲线上的粗颗粒越多。另外偏态程度小也说明了塔中沙尘天气过程中主要成分来自源区，源区外物质较少。B站的偏度值集中为正值，粒度分布形态为左偏。峰度A站在5-20cm处呈陡增趋势，20-50cm处趋于平缓，50cm处达到最大值，50-200cm处逐渐下降。峰度B站在5-20cm处呈平缓增加，20cm处直至最大，20-50cm处趋于下降，50-200cm处逐渐上升。总体而言，A站峰度在宽型、窄型范围内波动，B站峰度变化范围在中等型，窄型范围内，波动性相对较小。

表3 不同下垫面粒度参间相关分析

图3看出，平均粒径与分选系数均呈现极显著的负相关，即粒径变细，分选系数越好，平均粒径与偏态呈现正相关，即粒径越细，偏态越接近对称。

图3 粒度参数散点图

3 结论与讨论

（1）对塔克拉玛干沙漠两种不同下垫面2组沙样试验数据进行统计分析，得出沙尘天气过程中，由于空气动力作用，使得沙粒粒径在不同梯度层出现不同的特征。A、B两站均以细砂为主，中砂次之，其后为粗砂。A站在5cm处沙样平均粒径较大，为234.49μm，B站在10cm处粒径较大，为209.294μm；两站均在200cm处沙样粒径最小，分别为159.42μm和179.39μm，中间层居中平均约为187.92μm、197.26μm。导致上述原因出现除与沙尘源区，风力作用，沙丘年龄有关外，还与不同下垫面，沙丘高度，植被［20］、湿度以及特殊地质地貌单元等众多因素有关，今后还有待进一步观测验证。

（2）对不同高度层输沙样的试验结果分析来看，沙尘天气过程中，空气输送固体颗粒物的能力与高度层成反比，因而越向上分选越好。A站的偏度值大多为负值，粒度分布形态为右偏。B站的偏度值大多为正值，粒度分布形态为左偏。随着高度上升偏度减小，近似对称分布。因为所采沙样来自塔克拉玛干沙漠，所以正偏态的分布也符合福克和沃德的概括图解偏度中沙丘沙、风沙正偏的论述［21］。两站的峰态变化介于宽和偏窄，粒径曲线尾部粗端的小峰值区域，说明沙漠的空气动力作用能使大粒径颗粒物跳跃到更高的梯度。

（3）从不同梯度的粒径曲线来看，A站的平均粒度分布较B站而言，相对平缓且各粒级沙尘颗粒物分布范围更广。粒度参数之间具有一定的相关性，颗粒物的平均粒径变细，分选逐渐变好，偏度趋于正偏。峰态二者趋于平缓变化。这主要是受风选作用的影响，在风选作用下存在两种分选情况，一是风作用下细颗粒积累，粒径变细，分选变好；二是风力将较细颗粒全部吹走，只留下较粗的颗粒，导致分选变好［22，23］。

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Characteristics of Grain Sizes for Samples of Different Grades Transporting Sedimentin the Ground Layer Du ring the Cou rse of Different Underlying Surface in the Tak limakan Desert

KANG Yong-de1，2，YANG Xing-hua2，HEQing2，ALI·Mam tim in2，HUOWen2，YANG Fan2

（1.CollegeofGeographicalScienceand Tourism，XinjiangNormalUniversity，Urumqi，Xinjiang，830054，China; 2.Institute ofDesertM eteorology，CMA，Urumqi，Xinjiang，830002，China）

During the processofa dustweather in the Taklimakan deserthinterland,two differentkindsofunderlying surface are selected,thatare flat sand dune tops and smooth ground,6 differentheight levels of sediments are collected to do statisticalanalysis on the particle size.The results are:the particle size of the sand distributed on the top of the sand dune and smooth ground both show normal distributions,and the peak valuemainly concentrated in the 90-125μm zone of very fine sand,and each account for 53.24%and 60.23%;The next are fine sand and coarse silt,and they account for 40%;the remaining partaccounts forabout10%.Skewnessvalueson top of the sand dunesaremostly negative,particle size distribution form is right-skewed;Skewness valueson the smooth ground are mostly positive,particle size distribution form is left-skewed.Alongwith the increase ofaltitude,the average particle size becomes smaller.The distribution of average particle size at the top of flat sand dune is relatively flat and the distribution ofsand particlesatdifferent levels ismorewider.

Taklimakan desert;Underlying；Gradient;Characteristicsofgrain size

P913.3

A

1008-9659（2016）04-001-06

2016-10-09

国家自然科学基金资助（41375163）。

康永德（1989-），男，甘肃张掖人，硕士研究生，主要从事资源开发与环境灾害方向的研究。

*［通讯作者］何 清（1965-），男，新疆乌鲁木齐人，研究员，博、硕士生导师，主要从事沙漠气象方向的研究。