河北昌黎海岸沙丘粒度参数特征的风沙环境意义

2020-04-18李志星李志忠靳建辉徐晓琳张文静

海南师范大学学报（自然科学版） 2020年1期

李志星，李志忠，3*，靳建辉，3，白利，程延，徐晓琳，张文静

（1.湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，福建福州 350007；2.福建师范大学地理科学学学院，福建福州 350007；3.福建师范大学地理研究所，福建福州 350007；4.广西百色学院旅游管理学院，广西百色 533099）

海岸沙丘广泛分布于具有充足沙源供给、强劲向岸风和低平滨海平原的沙质海岸带，其形成和演化与区域海平面、气候条件变化等因素密切相关，是古海岸线位置和全球气候变化的重要信息载体[1-3]。构成海岸沙丘的风成沙是记录海岸环境演变的常见沉积类型之一，风成沙的粒度特征是直接反映海岸带风力性质的代用指标。海岸风沙沉积在揭示海岸带的风力作用变化历史、海岸沙丘的形成与演化方面具有重要意义[4]。

前人对海岸沙丘的形态类型、风沙粒度特征、沉积构造、发育模式及动态变化等方面进行了大量研究[5-11]。在海岸风沙粒度特征方面，国外学者如Bigarella指出当海滩沙较粗且分选较差时，相邻的沙丘沙通常更细且分选好，反之，相邻沙丘沙与海滩沙粒度参数无明显差异[12]；Abuodha对肯尼亚马林迪海岸的现代沙丘沙与海滩沙的粒度组成与分布进行分析后发现，沉积物具有自海向陆逐渐细化的趋势[13]；Saye等对英国Spurn 半岛的沙丘进行研究后发现，风沙沉积的粗细会影响沙丘的发育规模与堆积潜力[14]；Ahlbrandt 还对464个内陆沙丘沙与海滩沙的粒度参数进行对比分析，发现内陆沙丘沙分选性更差，认为这主要是由沉积物来源及搬运距离的差异导致[15]。国内学者周莉曾利用粒度参数对山东半岛的浅滩沙、沙丘沙及河口沙进行了沉积环境的判别[16]；吴正对华南海岸沙丘沙进行粒度分析后指出，现代风成沙主要由中、细沙组成，较海滩沙细且分选好[17]；董玉祥对比分析了国内外海岸风成沙的粒度参数，指出海岸风成沙的粒度参数特征主要取决于其发育条件和演化过程[18]。

河北省昌黎县位于东亚温带季风区，其东部沿海发育着中国海岸带规模最大的沙丘群[19]。近三十余年来，前人对昌黎海岸沙丘沙粒度特征进行了大量研究。高善明、傅启龙等将沙丘沙与海滩沙进行对比后认为，海岸沙丘沙继承了海滩沙的特征，反映海岸沙丘沙主要由滨海沉积改造而成[20-21]；李从先等结合钻探和天然剖面调查资料研究发现，海岸沙丘沉积以中细沙为主，分选优良，各类沙丘沙样及同一沙丘的不同部位沙样粒度差异不甚明显[22]。王颖等研究发现，海岸沙丘丘顶为分选良好的细沙，丘顶至坡脚存在粗颗粒成份增高的趋势[23]。祈兴芬、马骏在对横向沙丘沙进行粒度分析后均发现，同一沙丘不同部位沙粒的粒度特征存在差异[24-25]。董玉祥等对新月形沙丘与横向沙脊的表面粒度分异特征进行了分析，将海岸沙丘表层粒度分布模式归纳为沙丘顶部沙物质最粗的横向沙脊粒度分布模式和自沙脊两侧坡脚向脊顶粒径变细、分选变好的新型沙丘粒度分布模式，认为这两种粒度分布模式是风向变化、风力差异及沙丘形态等因素综合作用的结果[26-27]。而河北昌黎海岸沙丘分布区海岸风沙沉积记录的海岸带风动力变化历史过程尚不清楚。本文拟通过系统采集河北昌黎海岸沙丘表层沙样进行粒度分析，对比前人的粒度研究成果，进一步阐明研究区现代海岸风沙动力特征，分析近30 a来研究区表层沙样的粒度参数变化及其成因，继而以人工探坑剖面的OSL年代为时间标尺，以风成沙的粒度参数作为过去风力变化的代用指标，提取海岸带风力变化序列信息，通过邻近区域典型记录的对比分析，重建研究区海岸风沙活动演变序列。

1 研究区概况

河北省昌黎县东部的黄金海岸（见图1-a）是中国第一个国家级海洋自然保护区[9]，属于渤海西部典型的沙质海岸带，地势低平，沿岸海滩宽阔，海滩沙主要源自南侧多沙性河流——滦河[24]。如图1（b）所示，在丰富的沙源供给与强劲向岸风的共同作用下，发育了规模较大、形态多样的海岸沙丘，这些海岸沙丘整体平行于岸线分布；毗邻海滩的一列较为高大的沙丘即横向沙脊，为海岸主沙丘，展布方向为NNE-SSW，沿岸延绵不断，高度为30～40 m。沙脊两坡呈显著不对称，迎风坡较背风坡缓且长（见图1-c）。横向沙脊向陆一侧至七里海澙湖之间发育着新月形沙丘、沙丘链、海岸沙席等海岸沙丘类型，向七里海澙湖沼泽湿地方向沙丘高度逐渐降低。这里地下水位接近地表，地表植被生长较好，新月形沙丘链和沙席多呈半固定或固定状态。

研究区属暖温带半湿润大陆性季风气候，受东亚季风控制，风向存在季节变化。冬季受蒙古高原冷高压控制，西北风受地转偏向力作用于渤海西岸形成干寒强劲的东北风；夏季受太平洋副热带高压控制，盛行东南风，带来大量水汽，形成湿热少风的气候环境[8]。在东亚季风和局地海陆风的共同影响下，全年以东北向的向岸风与西南向的离岸风为主，其中以东北风为优势风或强风向。根据1980—2010年观测资料，平均风速为2.58 m/s，春季最大，冬季次之，夏季最低；全年极大风速出现在12 月，最高达22.5 m/s。年平均气温11.8 ℃左右；年平均降水量600.0 mm左右，主要集中于夏季。冬季大风少雨的气候特征有利于风沙搬运[28]。

图1 研究区位置及采样地点（a、b据文献[21]修改）Figure 1 Geographical location of the study area and sampling locations（a、b modified based on reference[21]）

2 材料与方法

2.1 样品采集

野外采集样品包括两部分，一是海滩沙、横向沙丘沙及丘间地等不同地貌单元的表层沙样，二是在横向沙脊顶部和丘间地人工探坑的剖面沙样。

（1）表层沙样

沿课题组早期的探地雷达探测剖面GPR04所在位置，自海向陆，在潮间带和海岸前丘迎风坡坡脚处，采集3组6个海滩表层沙样。在横向沙脊上由迎风坡坡脚、迎风坡上部、丘顶，到背风坡上部、背风坡坡脚等间距20 m采集表层沙样，依次编号为CLCDG2-0、CLCDG2-1、CLCDG2-2、CLCDG2-3、CLCDG2-4、CLCDG2-5、CLCDG2-6、CLCDG2-7，共计8个样。在丘间地采集CLW1、CLW2-1、CLW2-2、CLW3-1和CLW3-2共5个丘间地表层沙样。

（2）剖面沙样

在横向沙脊丘顶两侧的CLCDG2-4和CLCDG2-5两个表层沙样采样点上，人工开挖深度1 m左右的探坑，探坑编号分别为CLCDO2-4和CLCDO2-5，等间隔10 cm共采集10个样品，样品自上而下进行编号。丘间地人工探坑剖面位于距离横向沙脊西部、背风坡坡脚约400 m左右的位置，即丘间地表层沙样CLW3-2采集点处，深度约1 m，自上而下间隔2 cm采样，50个样品按顺序编号，即CLW3-2（01）、CLW3-2（02）、CLW3-2（03）……CLW3-2（50）。

2.2 粒度测试

据文献[29]对样品进行前处理，采用英国Mastersizer 2000 型激光粒度仪（粒径测量范围为0.02～2000 μm）进行测试。粒级标准采用国际通用的乌登-温特沃思等比制（Udden Wentworth grade scale）Φ值粒级标准[30-31]。选用精确度高、物理意义明确的Folk-Ward公式[4]，使用图解法进行粒度参数的计算[32-33]。

3 结果与分析

3.1 粒度组成特征

3.1.1 表层沙样的粒度组成

研究区海滩沙、横向沙脊沙丘沙和丘间地表层沙样总体上以中沙和细沙组分占优势，这两种组分的含量达90%以上，此外有少量的粗沙和极细沙组分（见图2-a）。三者沙样的优势粒度组分又存在较明显的差异：横向沙脊沙样的中沙和细沙平均含量分别为66.87%和30.84%，两种粒度组分平均含量相差较大；海滩沙样的中沙和细沙平均含量分别为41.28%和58.24%，细沙组分含量相对较高；丘间地沙样的中沙和细沙平均含量分别为49.54%和48.43%，两个粒度组分平均含量相差不大。细沙含量有自沙丘顶部向两侧坡脚明显减少的趋势，在迎风坡由39.82%减少为坡脚的20.79%，在背风坡减少到坡脚的21.43%。中沙与粗沙含量则有自沙丘顶部向两侧坡脚逐渐增加的趋势，其中中沙含量由65.95%分别增加到70.74%和76.32%，粗沙含量则由0.47%分别增加到2.26%和8.47%。

3.1.2 探坑剖面沙样的粒度组成

横向沙脊上部探坑剖面CLCLO2-5 的沙样以中沙和细沙为主（见图2-b），中沙含量最高（51.05%～77.63%），平均含量为64.79%；其次为细沙（20.26%～48.79%），平均含量为34.14%；粗沙平均含量为1.05%；极细沙平均含量为0.014%。

在深度0～20 cm、40～50 cm、90～100 cm处，中沙和粗沙含量高于剖面的平均含量，分别达到68.51%和1.45%；而相应深度的细沙和极细沙的含量较低，分别为30.04%和0.002%，因而沙样在这3 个深度范围内较粗。

图2 垂直岸线各地貌单元表层沙样(a)和丘顶剖面CLCDO2-5(b)沙样的粒级变化Figure 2 Variation of different grain size parameters of surface deposition perpendicular to the coast and deposition in the pit profile on the top of the sand dunes

横向沙脊西侧丘间地的风沙沉积粒度组成主要以中沙为主（见图3），含量为51.56%～81.31%，平均含量为67.30%；其次为细沙与粗沙，平均含量分别为19.00%和13.65%；而极细沙含量极少，为0.06%。各粒度组分在垂直方向上的变化比较明显，粗沙、中沙、细沙含量变化的标准差分别达到42.70%、30.75%、47.25%。尤其在34 cm、82 cm以及98 cm深度处，粗沙含量都出现峰值，而细沙含量较低。

图3 丘间地剖面（CLW3-2）风成沙不同粒级含量随深度变化的特征Figure 3 Variation of different grain size parameters with depth of the profile at the interdune trough (CLW3-2)

3.2 粒度参数特征

3.2.1 不同地貌单元表层沙样的粒度参数特征

海滩表层沙样的平均粒径（Mz）在1.75～2.17 φ范围内，均值为2.07 φ；分选系数（σ）为0.38～0.48，分选性好；峰度（KG）平均值为0.96，表现为中等峰态；偏度（SK）为-0.03～0.03，平均值为0.01，呈近对称分布。

横向沙脊表层沙样的平均粒径为1.73～1.99 φ，均值为1.88 φ；分选系数为0.36～0.45，平均值为0.39，分选性好；峰度平均值为0.97，表现为中等峰态；偏度平均值为0，呈近对称分布。

丘间地表层沙样的平均粒径为1.96～2.17 φ，均值为2.09 φ；分选系数为0.40～0.52，平均值为0.45，分选性好；峰度平均值为0.96，表现为中等峰态；偏度平均值为0.02，呈近对称分布。

不同地貌单元表层沙样粒度参数空间变化见图4a，以丘间地表层沙样的平均粒径最细，其次为海滩沙，横向沙脊沙最粗。分选程度以横向沙脊沙样最佳，中等峰态，海滩沙与丘间地表层沙略呈正偏。从横向沙脊不同部位沙样粒度参数的变化特点看，平均粒径呈现随沙丘高度增加而变小的趋势，即由迎风坡和背风坡坡脚的1.73 φ和1.79 φ增加到丘脊顶部的1.99 φ；由迎风坡向背风坡，沙样的分选系数逐渐减小，分选性变好；峰度变化标准差为0.03，呈中等峰态；偏度无明显变化，呈近对称分布。

3.2.2 剖面沙样的粒度参数特征

横向沙脊探坑CLCLO2-5剖面沙样粒度参数变化特点见图4b。在垂直方向上，剖面沙样的平均粒径为1.77～2.07 φ，平均值为1.92 φ；分选系数为0.36～0.41，平均值为0.37，分选性好；峰度为0.96～0.98，为中等峰态；偏度为0～0.01，呈近对称分布。

丘间地探坑剖面沙样粒度参数的变化特点见图5。在垂直方向上，沙样的平均粒径为1.19～2.07 φ，均值为1.65 φ；分选系数为0.34～0.59，均值为0.44，分选性好；峰度为0.92～0.98，均值为0.95，呈中等峰态；偏度为-0.01～0.04，均值为-0.01，呈近对称分布。从整体上看，各个粒度参数的变化范围均大于横向沙脊剖面。随剖面深度的变化，各个粒度参数存在显著的波动变化。

3.3 频率和概率曲线特征

所有沙样的粒级频率分布均呈现为单峰形态，中沙、细沙等优势粒度分布集中，说明沉积环境稳定，物质来源单一（见图6）。

图4 垂直岸线各地貌单元表层沙样（a）和丘顶剖面CLCLO2-5（b）沙样粒度参数的变化Figure 4 Variation of grain size parameters of surface deposition perpendicular to the coast and deposition in the pit profile on the top of the sand dunes

图5 丘间地剖面（CLW3-2）沙样粒度参数随深度变化特征Figure 5 Variation of grain size parameters with depth of the profile at the interdune trough (CLW3-2)

不同地貌单元表层沙样的频率曲线特点（见图6-a）。横向沙脊表层沙样的粒级频率曲线展开度狭窄，峰度较高，说明对沙丘沙的分选更强。从概率累积曲线特征看，所有表层沙样均以蠕移和跃移两种搬运方式为主，其中跃移组分占总体的90%以上，粒度为0～3.5 φ。横向沙脊表层沙样的概率曲线斜率显著高于海滩沙与丘间地沙样，其中跃移组分占总体的97%以上。

横向沙脊剖面沙样的粒级频率分布曲线展开度窄，峰值高，概率累积曲线显示跃移组分占比很高，占总体的97%以上，表现为典型的风成沉积特点（见图6-b）。

丘间地剖面中，沙样粒级频率分布曲线总体显示展开度较窄、峰值较高的特点（见图6-c），说明沙样分选性好，但随深度不同粒度分布区间存在差异，深度0～30 cm与71～100 cm的沙样总体较细，粒度区间分别为100～600 μm 及120～700 μm；深度31～70 cm 沙样总体较粗，粒度区间为140～850 μm。概率累积曲线显示沙样总体以跃移组分为主，占总体的90%以上。

不同深度丘间地剖面沙样的频率与概率累积分布曲线峰值变化较明显（见图6-d），34 cm与78 cm深处沙样展开度较宽，峰值较低，沙样分选性较差；而82 cm深处沙样展开度较窄，峰值较高，分选性较好，说明区域风力强度在过去存在显著的波动变化。

图6 研究区沙样的频率曲线与概率累积曲线特征Figure 6 The frequency curves and cumulative probability curves of samples in study area

4 讨论

4.1 沙质沉积参数特征指示的动力成因

董玉祥[34]曾研究分析了中国温带海岸现代风成沙的粒度特征并对其粒度参数范围作出了界定，指出中国温带海岸现代风成沙的平均粒径为0.21～4.14 φ，标准偏差为0.26～2.57，偏度为-0.48～0.65，峰度为0.80～3.09。从河北昌黎海岸风沙沉积的粒度参数来看，沙丘沙整体以中、细沙为主，平均粒径均值为1.88 φ，属中沙；标准偏差均值为0.39，分选好；偏度值为0，呈近对称分布，峰度平均值为0.97，表现为中等峰态，各项粒度参数值均位于中国温带海岸现代风成沙粒度特征范围内，与Pye、Bigarella等以及吴正早期所描述的海岸风成沙粒度参数特征大体吻合[1，12，17]。

对比傅启龙等、祈兴芬、董玉祥、姜峰前期对昌黎海岸风沙沉积粒度特征的研究结果[21，24，34，35]（见表1），可以发现所有结果均显示风成沙的分选性优于海滩沙，说明风成沙受风力的分选作用较强。而本文所得沙丘沙的粒度参数结果同样显示出其分选性优于海滩沙的特点，表明研究区海岸沙丘沙具典型的风成沙特征。

表1 不同研究者粒度参数分析结果对比Table 1 Comparison of grain size parameter analysis results by different researchers

同时，从频率曲线和概率累积曲线来看，沙丘沙较之于海滩沙，频率曲线呈现出更为窄而尖锐的单峰形态，且概率累积曲线的斜率更大，跃移组分含量占绝对优势，表明沙丘沙样以风力搬运作用为主。因此，本文采集的海岸沙丘沙样品为典型的风成沙。

4.2 探坑剖面记录的风力强弱变化

风积物粒度参数随时间的峰谷波动变化是重建过去风沙环境变迁历史的重要信息来源，而建立风沙沉积剖面的时间标尺是有效提取风积物古气候信息的基本前提。

根据姜峰在横向沙脊丘顶与中上部1 m深度探坑底部采集沙样获得的（13±3）a和（37±8）a两个OSL年龄结果[35]可知，研究区横向沙脊上部1 m深度探坑底部的OSL年龄一般为25 a左右，横向沙脊迎风坡脚出露最老沙层年龄为（184±16）a。另据王小乐等在渤海北部盘锦海岸沙丘深3 m 的探坑剖面底部沙样获得的（120±6）a OSL年龄[36]，并参考横向沙丘丘间地的风沙过程和沉积速率变化特点[37]，初步推断研究区丘间地深度1 m的人工探坑剖面是大约200 a以来的风沙沉积。

因此，综合前期OSL测年结果和丘间地风沙沉积速率建立时间标尺，以探坑剖面风沙平均粒径作为过去风力强弱变化的主要替代指标，根据其峰值谷值的波动变化特点，可将研究区近200 a来的风沙活动划分为3个阶段（见图7）。

阶段I：年代约为1760—1820 AD，深度71～100 cm。此段平均粒径为1.19～1.92 φ，均值为1.60 φ；分选系数为0.35～0.55，均值为0.46，分选性较好；偏度均值为-0.02，为近对称分布；峰度为0.93～0.97，平均值为0.95，属于中等峰态。该时期海岸风力总体上较弱。此时西北、华北黄土分布区沙尘天气频率[38]和北方降尘频率[39]均指示冬季风强度处于较弱的状态，大体上与竺可桢划分的第二个暖期（1720—1830 AD）[40]相对应。此段个别深度的样品，如76～84 cm（即1800 AD左右），平均粒径较大，分选性较差，可能与当时研究区的局部水文地理环境有关。据昌黎县志记载，这一时期洪水多发，滦河多次决口。洪水泛滥使滦河含有大量粗沙，因此供给了较多的粗颗粒沙源。

阶段II：年代约为1821—1900 AD，深度31～70 cm。此段平均粒径为1.32～1.76 φ，均值为1.48 φ，低于剖面整体平均粒径的均值0.17 φ，沙样颗粒较粗，分选系数平均值为0.40，偏度均值为-0.02，峰度平均值为0.96，较剖面整体而言，分选程度更好，略呈负偏，粒径分布更为集中。总体上指示区域冬季风较为强盛，风沙活动较为活跃，与竺可桢划分的第三个冷期（1840—1890 AD）相对应。此时西北和华北地区也都存在有关沙尘暴频发的记录。在《清史稿·灾异志》中，“大风折木，晦冥”“昏尘蔽天”“黑风昼晦”等有关沙尘天气的描述在1830—1910 AD多次出现，说明该时段气候较为干冷，易发生沙尘暴。同时，内蒙古岱海于19世纪后期因降水量少、蒸发量加剧，出现了湖泊水位下降的现象[41]；日本鸟取的海岸沙丘在1840 AD左右也存在明显的陆向加积过程[42]，反映该时段大陆冷高压气团十分强盛。

阶段III：年代约为1901 AD至今，深度0～30 cm。此段平均粒径均值为1.94 φ，分选系数均值为0.45 φ，峰态均值为0.95，偏度均值为0.01，除峰态与剖面均值相同外，平均粒径偏细，偏度略呈正偏，分选性好，说明冬季风活动较弱。最近20 a风力强弱变化状况以横向沙丘上部探坑剖面记录较好（见图2b、图4b）。将底部有OSL定年的探坑剖面（编号为CLCDO2-5）沙样的平均粒径变化与东亚冬季风指数[43]和河西走廊沙尘暴频率变化曲线[44]进行对比，结果见图7。近20 a间的风力强弱存在年际尺度的波动变化：61～100 cm深度范围内（1988—1998 AD），沙粒平均粒径呈现出逐年减小的趋势，而同时段东亚冬季风指数变化曲线显示东亚冬季风指数降低，滑动平均以负相位为主，河西走廊沙尘暴频率也整体呈现降低的趋势，均反映了冬季风的减弱趋势；31～60 cm 深度范围内（1999—2004 AD），风成沙平均粒径有所增加，东亚冬季风指数呈正相位，河西走廊沙尘暴频率也有所上升，均指示该时段冬季风由弱转强；深度0～30 cm深度范围内（2005 AD至今），沙粒的平均粒径逐渐变细，与东亚冬季风指数与河西走廊沙尘暴频率所反映的冬季风弱化现象相一致。