浑善达克沙地风成沙粒度空间分布与风况关系研究

胡慧芳，刘 琦，马永桃，王嵩松，裴碧炫，杨惠琳，张晓微

(太原师范学院 地理科学学院，山西 晋中 030619)

1 引言

土地沙漠化是土地退化的主要类型之一，目前已成为世界面临的主要生态环境问题[1,2]。而粒度作为沉积物的重要结构特征，是风沙地貌研究的重要内容，其形成受到沙源物质、搬运条件、自然环境等多方面因素的影响[3,4]。粒度特征在反映风力对物质的搬运、分选、记录风力强度方面具有优势，对体现风沙地貌、地形的形成及其他障碍物对风沙流运移过程的改变具有重要意义[3,4]。

我国是世界上沙漠化最严重的国家之一，甚至已经达到了制约我国经济发展的程度，对提高我国国民经济水平和社会生活质量形成了极大阻碍，已成为中华民族的心腹之患[5]。近几十年来，在经济发展、人口增长、畜牧业发展以及新农田开垦的压力下，强化了对草场的利用，特别是长期盲目开垦，大规模毁草造田令浑善达克沙地生态平衡遭到破坏、生态环境严重退化，出现了大面积的草场退化和土地沙化现象[6]。

在干旱半干旱地区，随着社会经济的进一步发展，土地沙漠化问题越来越严重，已经成为影响全球环境的重大问题之一，因此吸引了很多国内外学者的密切关注。比如外国学者Tyson，Bakhit，Sanders，Jaskolla和Okin以及国内学者胡日娜、王涛、任孝宗等前后对国内外沙漠化地区进行了各方面的探究[7～14]。

浑善达克沙地作为我国四大沙地之一，多年来受自然和人为因素的影响，土地沙漠化速率不断加快，因此有不少国内学者从各个方面对其进行了研究，比如王小平等[15]为了研究浑善达克沙地粒度组成和环境之间的关系，采用湿测法对研究区的周边以及腹地质量磁化率进行研究来得到结论；张洪等[16]通过激光粒度分析仪和粒度参数计算公式进行了分析，得出粒度旋回及其气候变化特征的结论；刘树林等[17]经过一定数量的遥感解译和实地调查，采用2003～2006年的数据对浑善达克沙地的土壤粒度组成和土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)含量进行了分析；董玉祥等[18]通过综合分析历史气候以及地面剖层，最后得出气候因素主导的结论；刘德松等[19]通过对降水、湿度、云量、风速等因素进行研究对比计算，表明浑善达克地区的各气象因子变化与人类行为有很大关系，也初步探寻到了沙漠化的规律；任孝宗等[20,21]通过实地采样和对比分析，分析了浑善达克沙地东部地区天然水体的水化学组成及其控制因素和地下水的补给机制。从研究的方向来看，已有的研究主要集中在环境、气候、沙漠化演进和水资源等方面，对风成沙粒度组成的空间分布研究还较少。因此，本文通过已有数据和资料，分析了研究区不同粒度空间分布特征和极大风速风向特征，希望为浑善达克沙地的风沙治理提供建议。

2 研究区概况

浑善达克沙地处于我国内蒙古地区的中部，是我国四大沙地之一，主体地理位置在42°～45°N、112°～118°E之间，东西跨度约450 km，南北跨度约50～300 km，整体地势南高北低，地面起伏小，平均海拔1300 m，隶属于锡林郭勒盟和赤峰市，包括二连浩特市、锡林浩特市、阿巴嘎旗、克什克腾旗、太仆寺旗、多伦县、镶黄旗、正镶白旗、苏尼特右旗、苏尼特左旗和正蓝旗。气候属于中温带地区的干旱半干旱大陆性季风区，年降水量为200～400 mm，由东南向西北方向递减。沙地内由草甸、疏林、灌丛、草原、固定沙丘、半固定沙丘、流动沙丘和半流动沙丘组成，沙丘形态包括新月形、链状等，由于受冬季风影响强烈，多为西北―东南走向。沙地边缘区由剥蚀产生的低地和丘陵交错分布。研究区相对于内蒙古其它地区而言，与首都北京的距离最近，可以说浑善达克沙地的环境状况直接影响着北京(图1)。

图1 浑善达克沙地采样点分布

3 研究方法

风况数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn)的中国地面国际交换站气候资料年值数据集，包括研究区周边阿巴嘎旗气象站、二连浩特气象站、多伦气象站、锡林浩特气象站和化德气象站5个气象站1980～2019年30年风况数据(累年年极大风速和累年年极大风速的风向)。风成沙沉积物数据分为两部分，一部分为实地采集，一部分为公开发表的风成沙粒度数据[17]。

风成沙沉积物使用振筛仪进行分级处理，为了保证取样的均匀，多次搅拌后进行分次随机取样，每个样品称取40 g左右，在振筛仪上进行15 min的筛分，依次对留在筛子上样品进行称重(重量值精确到0.001)。期间进行平行样的检测，保证仪器的精度。粒径按照2.0～0.5 mm、0.5～0.25 mm、0.25～0.10 mm、0.10～0.05 mm和<0.05 mm五个粒级划分，分别代表不同的风力状况。使用ArcGIS进行插值分析，绘制样品不同粒级空间分布图，使用Excel绘制极大风速风玫瑰图。

4 结果与分析

4.1 浑善达克沙地粒度组成总体特征

沙粒级配反映的是沉积物各粒度组成的粒径大小和含量百分比变化[22]。浑善达克沙地风成沙样品不同粒度组成(表1)表明，浑善达克沙地沉积物粒度组成范围比较广，包含粗沙、中沙、细沙、极细沙和粉沙多个粒级。从表1、图2来看浑善达克沙地的主要沉积物为细沙和中沙，两者含量之和达到75%以上。其中细沙含量的范围为1.32%～79.43%，平均值45.67%；中沙含量的范围为10.65%～43.84%,平均值29.43%。其他粒级含量按粗沙、极细沙和粉沙的顺序依次减少，平均值分别为19.20%、5.53%和0.17%，变化范围为0.07%～85.97%、1.36%～13.04%和0.00%～0.64%。不同样品同一粒级的变异系数大表明研究区内的沉积物粒度组成在空间上存在很大差异(表1)，这一点从浑善达克沙地不同粒度组成空间分布图也能看到(图3)。

图2 研究区样品各粒级组成汇总

表1 研究区各样品不同粒度组成

浑善达克沙地风成沙沉积物粒度组成包含多个粒级，这与多方面因素有关：①浑善达克沙地表层的固定、半固定的沙丘以及人口增加带来土地退化，为研究区提供充足了沙源物质；②据研究表明浑善达克沙地春秋多大风，8级以上风一年可达60～80次，年平均风速为4～5 m/s,这为吹动风蚀和沙尘暴提供了动力因子[23,24]。

4.2 浑善达克沙地粒度组成空间分布特征

浑善达克沙地各粒级粒度组成空间分布图(图3)表明，研究区内风沙沉积物各粒级占比情况在空间分布上存在很大差异。其中粗沙含量高的部分出现在浑善达克沙地中、西部地区，整体上表现为自西向东含量减少的趋势，这可能与浑善达克沙地西部地区多沙丘可以提供沙源物质有关(图3a)。中沙和细沙是风沙运动中主要的跃移物质，也是浑善达克沙地的主要沉积物[25]。中沙含量高的部分主要集中在浑善达克沙地西部地区，整体上表现为东少西多(图3b)。细沙含量在空间分布上呈现出与粗沙相反的情况，即在浑善达克沙地中东部地区含量较高，西部较少，整体上由东向西递减(图3c)。可能是中心腹地距离较远且多沙丘，粒径较小的细沙组分通过分选到达土壤质地较为均一的中心地区。极细沙的分布呈现出波动变化的趋势，在西部地区含量较高(图3d)。粉沙是尘暴中可远离搬运的组分，在浑善达克沙地各个地区含量都比较低，整体表现为西部地区含量高，东部地区含量低，自东向西逐步减少(图3e)[26]。从沙源物质来看，极细沙和粉沙为碎屑物质，而浑善达克沙地内部多沙丘，可能是大颗粒的残留物质，即使在风力作用下也会有部分小粒径的沙停留在原地或者以缓慢的形式进行移动。

图3a-e为研究区各粒级组成插值分析图、图3f为研究区样点各粒级含量分布图图3 研究区各粒级组分空间分布

图3f为研究区内风沙沉积物采样点各粒级含量分布图，与图3a-e的样条插值结果相一致，说明使用样条插值对现有风成沙沉积物数据来分析浑善达克沙地周边沉积物各粒级的分布情况存在合理性。

4.3 浑善达克沙地粒度的空间分布与风况关系分析

风向是影响物质搬运、堆积的重要因素之一，对塑造沙地形态有着重大作用。通过分析研究区的5个站点数据以及各站点的极大风速风玫瑰图(图4)，表明研究区内各站点的极大风速风向是较为统一的，可看出浑善达克沙地的主要风向为西风，但具体从各个站点来看由稍有区别。如多伦县、阿巴嘎旗、二连浩特就是西风所占比例大，锡林浩特以西南风为主，而化德站则是西北风为主。从浑善达克沙地所处地理位置来看，表明研究区是受冬季西伯利亚冷高压(西北风强烈)的影响。

图4 研究区各站点极大风速风向玫瑰图 (单位：%)

将图4研究区各站点极大风速风玫瑰图与研究区各粒级组分空间分布图(图3)相结合，可以看到浑善达克沙地的风成沉积物整体上呈现出自西向东粒径变细的趋势，即粗沙、中沙西部含量高，细沙东部含量高。有研究表明浑善达克沙地沉积物的中值粒径以及分选性沿着盛行风的方向变细变好，这一说法与本文的研究结果一致[25]。

冬季风来临时，浑善达克沙地受盛行西风影响，区域内沙丘被吹蚀，为就地起沙提供沙源物质[27]。不同粒度的风沙物质移动受到极大风速风向的影响，加速了浑善达克沙地的土地沙漠化速率，严重影响当地的自然环境甚至首都北京的发展，不利于研究区和首都的绿色可持续发展。

5 结论

本文中的风成沉积物粒度数据和30年风况数据，通过Excel进行整理、归纳，同时使用ArcGIS、Excel等制图软件绘制浑善达克沙地不同粒度组成的空间分布图以及多年极大风速风向图表，以下结论。

(1)浑善达克沙地沉积物包括多个粒级，表明由多种沉积环境影响而形成，主要粒级为中沙和细沙，其次为粗沙和极细沙，粉沙含量最低。

(2)从粒度组成空间分布特征方面来看，研究区各采样点粗沙、中沙和粉沙部分在中西部地区含量大，细沙部分在中东部地区含量大，极细沙含量在整个研究区呈波动变化。整体表现为沉积物粒径自西向东变细。

(3)浑善达克沙地极大风速风向整体以西风为主，不同站点风向存在具体差别，其中多伦站、阿巴嘎站和二连浩特站以西风为主，锡林浩特站以西南风为主，化德站以西北风为主。主要原因是研究区距离冬季风源地近，受西伯利亚高压影响较大。极大风速风向为西风与研究区风沙沉积物整体自西向东沉积物粒径变小的结论，暗示了该区风成沙粒度组成空间分布与风速风向有一定的联系。