新疆艾比湖流域抛物线沙丘表层沉积物粒度特征研究

中文摘要：水分、植被条件较好的半干旱、半湿润的沙质草原环境，以及沙质海岸、湖岸和干旱沙漠边缘是抛物线形沙丘主要分布的区域。本文通过对艾比湖流域分布的抛物线沙丘表层5cm沉积物样品粒度特征分析，结合样区植被、风动力等条件初步获取抛物线沙丘表面沉积物粒度特征信息。
（1）对220个采集自艾比湖流域抛物线沙丘表层沉积物样品粒度粒径分析表明：粒径分布在0.399μm～2116.54μm之间，存在>2000μm的颗粒，沉积物平均粒径分布在-0.223～7.244Ф（6.595～1166.757μm），主要以细砂（26.902%）、中砂（22.346%）、粗砂（18.434%）、极细砂（11.628%）、极粗砂（11.541%）五个粒级为主，粒组以砂为主。
（2）艾比湖抛物线沙丘表层沉积物整体粒度参数特征：平均粒径均值为1.853Ф（μm），属于中砂范围。分选系数均值为1.372Ф，属于分选较差。偏态值范围从负偏到极正偏都存在，均值为0.192Ф为正偏。峰态值有宽有窄，均值为1.147属于窄峰态。
（3）抛物线沙丘表层不同地貌部位粒度特征分析表明：细砂、中砂和极细砂、极粗砂、极细砂五个粒级在不同地貌部位沉积物样品的粒级组成中都是最多的，各部位沉积物以都是以砂为主。粒级粒径含量按照1Ф（500μm）为界限标准划分为粗细粒分布特征为：北翼翼角粗粒成分最高，而两翼间地细粒含量最高。在两翼粗粒成分翼中（35.62%，43.59%）的沉积物粒径明显大于翼角（29.67%，28.15%）；粗粒成分从两翼间地至坡顶逐渐升高，但是从坡顶至背风坡坡底呈现逐渐降低，细粒成分则相反，即背风坡要比迎风坡粗粒含量高。
（4）抛物线沙丘表面不同部位粒度参数特征：平均粒径北翼翼中1.380Ф（422.123μm）最粗，两翼间地的平均粒径最细为2.435Ф（223.423μm），从两翼间地至丘顶平均粒径不断增大，从坡顶到背风坡坡脚逐渐变小；抛物线沙丘表层沉积物各个部位都属于分选较差，最差的是两翼丘间地（1.667Ф），背风坡坡中的分选最好（1.193Ф），背风坡比迎风坡分选略好；沉积物的频率曲线偏态分布在0.122～0.242Ф全部都属于正偏；抛物线沙丘表面峰态值分布在0.993～1.373Ф之间，属于中等到窄宽度峰态之间，背风坡比迎风坡偏态值小。
（5）由平均粒径、分选系数、偏态和峰态4个参数六个二元关系散点图相关性可知：平均粒径与分选系数、平均粒径与峰态、分选系数与峰态呈现显著地正相关，其余相关度不高。
（6）通过样方植被调查和研究区内风况数据处理研究表明：流域内抛物线沙丘表层沉积物粒度分布受植被数量、盖度、生长状况和风力风向的共同影响。
关键词：抛物线沙丘；粒度特征；艾比湖流域
1 绪论
1.1 选题依据和意义
本文依托于导师国家自然科学基金项目，即《艾比湖流域抛物线沙丘形成演化研究》（项目编号41161004，2012-2015年）研究课题。本论文主要是借鉴导师科研专题的部分内容对抛物线沙丘表层沉积物特征进行研究。
抛物线沙丘也称为抛物线形沙丘，英文Parabolic dune。吴正等[1]（1981）根据形态——成因原则，按照沙丘形态和风力作用的方向之间的关系区分为横向沙丘、纵向沙垄和多方向风下作用的沙丘三大基本类型。抛物线形沙丘是横向沙丘的一种，其表现形态为迎风坡普遍凹进，背风坡则呈现凸出，两个翼角通常指向迎风方向，平面轮廓表现为抛物线状。沙丘高一般可达几米，翼角延伸长达几十米至几百米。大量研究表明抛物线沙丘受到季节性变化的起沙风的风况、沙源丰富程度的高低、植被的覆盖状况大小、降水和气温等综合作用相互影响。
艾比湖是准噶尔盆地西南缘最低洼地和水盐汇集中心，位于该流域的中部偏北，平面上呈现豆状[2],走向北西——南东,长约35-50km,宽约14-20km，它不但是为数不多的荒漠物种集中分布区的中国内陆荒漠区，同时也是影响准噶尔盆地关键生态环境变化的指征地区。围绕着艾比湖的荒漠化、沙漠化问题自建国以来进行了大量的持续科学研究[3-9]。艾比湖流域分布着大量发育成熟的新月形沙丘、灌丛沙堆、纵向沙垄以及抛物线沙丘。对该流域沙丘的研究有利于探究该区域沙尘天气、沙漠化的成因，可以为该流域更准确的提出沙漠化防治规划与保护对策。
在内陆干旱、半干旱地区分布的抛物线沙丘对沙漠化进程有十分重要的影响。气候变化和人类活动对抛物线沙丘的形态以及演变过程的影响十分密切。抛物线沙丘原生形态的改变反映了沙漠化程度的加剧，因此对抛物线沙丘表层土壤粒度的研究可以进一步解释全球持续不断升温情况下，造成的地貌响应，以及土地沙漠化的正逆过程。近年来抛物线形沙丘的形态特征、形成机制等研究对风沙地貌研究有重要的价值，同时对全球沙漠化监测、治理有着十分重要的意义。
由此可见，对于抛物线沙丘的研究具有十分重要意义。但是就目前研究状况而言多数国内外学者的研究区域都集中在海岸地区、荒漠地区，对于内陆封闭湖泊地区分布的抛物线沙丘研究较少。对于分布于新疆艾比湖流域东南缘的抛物线沙丘表层沉积物进行研究，主要是因为该流域发育的抛物线沙丘典型，但是相关的研究很少。土壤粒度是沉积物的重要划分标准之一，沉积物粒度特征包含大量的环境、沉积信息。本文主要是通过实地调查研究、样方采样、室内试验相结合的方法，对艾比湖流域抛物线沙丘表层沉积物粒度特征进行提取分析，意在能够初步获取沉积物粒度特征分布信息，提供一定基础研究资料给今后的抛物线沙丘研究。
1.2 抛物线沙丘国内外研究进展
1.2.1 抛物线沙丘的分布
水分、植被条件较好的半干旱、半湿润的沙质草原环境，以及沙质海岸、湖岸和干旱沙漠边缘是抛物线形沙丘主要的分布区。世界上面积最大的抛物线形沙丘分布在南亚印度和巴基斯坦的塔尔沙漠。抛物线沙丘也常见于温带和湿润赤道的海岸带[10]，在澳大利亚、阿拉伯半岛、加拿大[11]、巴西[12]、荷兰[13]、丹麦[10]、以色列[14]、英国北威尔士[15]、西班牙[16]、美国[17]、瑞典等地都有分布。我国海岸地区分布的抛物线沙丘以山东半岛北岸牟平县外蹦—文登市北海林场—威海市双岛林场附近、粤东惠来和海南岛东北部文昌沿岸的抛物线沙丘最为典型[18]。此外在古尔班通古特沙漠西南部、毛乌素沙地和浑善达克（小腾格里）沙地、库布齐沙漠东南缘和新疆伊犁地区塔克尔莫乎尔沙漠[19]都有抛物线沙丘分布。
1.2.2 抛物线沙丘的分类
沙丘形态的复杂程度大小、相邻沙丘之间的关系、沙丘横断面的形状、沙丘表面生长植被的覆盖状况以及沙丘表面活动性是抛物线形沙丘分类的主要依据。McKee[20] 将一般沙丘沙丘分为三类：简单沙丘、复合沙丘和综合沙丘，由于该分类原则较全面完整而常被研究者采用。抛物线沙丘根据长宽比例被归入复合沙丘。
Wolfe和David[21]根据沙丘形态、发生环境、起源分为开放型、封闭型、未填充—部分填充—填充型、合并型以及叠覆型。Rust[22]根据按植被覆盖程度或活动性分为完全植被覆盖（固定）、部分植被覆盖（半固定或半流动）和完全裸露（流动）3种类型。阎娜、哈斯等[23]认为根据沙丘形态复杂程度或空间组合将抛物线形沙丘可分为三大类，即简单型、复合型和复杂型。其中，简单型按照不同长宽比分为反新月形、半轮生形、舌状和发卡形；复合型由相邻的抛物线形沙丘连接或叠加形成，按照平面形态分为嵌套形、耙状、掌状和叠覆状；复杂型是由抛物线形沙丘与其他类型沙丘组合而成。
1.2.3 抛物线沙丘的形态特征
抛物线沙丘是一种形态特征与新月形沙丘恰好相反，两翼丘臂指向上风方向，平面形态呈“U”形或“V”形的典型固定半固定沙丘。我国温带海岸抛物线沙丘的形态特征主要是：长至数百米的两翼丘臂,十数米至几百米的两丘臂间距, 数米至数十米的沙丘高度。董玉祥[24]认为海岸抛物线沙丘其位置、基本形态与规模等相对较为稳定，时常呈现多个相连成抛物线沙丘链。在海岸区沙丘平面图形多似马蹄形，原因是海岸植物固定了抛物线沙丘的两翼形成的,使其呈现出平缓而凹进的迎风坡, 坡陡而凸出的背风坡。
傅命佐、徐孝诗等[25]通过研究发现在黄、渤海海岸滩脊阶地和滩脊平原上广泛分布抛物线沙丘是该地海岸沙丘的主要类型。在冀东滦河口——洋河口和秦皇岛湾的抛物线沙丘中单个沙丘的脊线呈向西南或西凸出的马蹄形,西南坡——西坡陡而凸,东北坡——东坡平缓而凹进,沙丘和沙丘链总体向西南或西移动。山东半岛北——西北岸和辽东半岛西北岸滩脊阶地上沙丘脊线呈马蹄形, 是由北向和西北向强风作用下形成的，两条丘臂相对较长,指向北或西北方向。
陈秀玲,李志忠等[26]对位于新疆伊犁塔克尔莫乎尔沙漠抛物线沙丘运用3S技术在对设置样方内的典型沙丘进行测量和统计分析，通过沙丘形态特征显示,在该地区分布着多个发育阶段的抛物线沙丘，其中发育不成熟尚处在幼年期的沙丘大多位于沙漠南部，而发育较成熟时间较长的沙丘分布在该沙漠的北部和中部地区。所通过研究沙丘的平面形态发现该地区抛物线沙丘多呈现U形，其开口偏向西或西北来风方向，两翼丘臂也指向西或西北方向，沙丘顶部顺风向东凸出,丘间地上发育着风蚀洼地，整个沙丘的大致走向与当地盛行风向保持一致；在纵剖面上,弧顶沙丘坡度呈现迎风坡较缓、背风坡较陡。张萍、哈斯等[27]研究库布齐沙漠南缘抛物线形沙丘, 发现该地区沙丘形态特征清晰,平面形态为典型的U形抛物线形沙丘。沙丘整体走向呈WNW-ESE向,可划分为前段弧顶段、两翼及其间平坦区三部分。但由于丘间地同时存在大量油蒿灌丛使得该地抛物线沙丘两翼间未形成以往研究描述的风蚀坑。
结论
本文通过对艾比湖流域抛物线沙丘实地采样、调研，对流域内样区内分布的抛物线沙丘及丘间地表层5cm沉积物样品粒度特征分析，结合流域样区植被、风动力等条件初步获取抛物线沙丘表面沉积物粒度特征。
（1）对艾比湖流域抛物线沙丘样区表层330个沉积物样品分析粒径分布在0.399μm～2116.54μm之间，在粒径分析中经筛析法分析存在>2000μm的沉积物颗粒，根据伍登—温德华—Ф值标准粒径分布范围很广包含：从粘土到极细砾12个粒径粒级级别。
（2）对艾比湖流域抛物线沙丘表层220个沉积物样品粒度粒径分析表明：沉积物平均粒径分布在-0.223～7.244Ф（6.595～1166.757μm），主要以细砂（26.902%）、中砂（22.346%）、粗砂（18.434%）、极细砂（11.628%）、极粗砂（11.541%）五个粒级为主，粒组以砂为主。
（3）对比抛物线沙丘丘间地和沙丘表面粒径组成发现，粒径粒级含量总体分布趋势基本一致，但在丘间地极粗砂（5.593%）较表层（11.541%）有明显降低，使得丘间地总体砂粒组含量降低至82.830%比表面（90.850%）有较大幅度下降，即丘间地粒径比沙丘表面更细组分含量更高。
（4）艾比湖抛物线沙丘表层220个沉积物整体粒度参数特征：平均粒径分布范围-0.223～7.244Ф（6.595～1166.757μm），平均值为1.853Ф（μm），属于中砂范围。分选系数分布在0.452～2.806Ф之间，平均分选系数值为1.372Ф，属于分选较差。偏态值分布在-0.246～0.686Ф之间，范围从负偏到极正偏都存在，偏态的平均值为0.192Ф为正偏。峰态值分布在0.632～2.681Ф之间，范围从很宽到很窄都有分布，峰态的平均值为1.147属于窄峰态。中值粒径平均值为1.702Ф（μm），分布在-0.231～7.260之间，中值粒径均值向中值较粗的方向偏移。