科尔沁沙地响水河河岸沙丘粒度特征

杜会石，马 南，陈智文*

(吉林师范大学 旅游与地理科学学院，吉林 四平 136000)

风水交互作用(Aeolian-fluvial interaction)是干旱半干旱区地貌景观的重要外营力[1].河流通过其动力和形态要素等控制着沙丘的发育、格局及其变化,风成沙丘通过移动和表面沙物质输移将改变河流水文状况和河床形态特征，河流水文和河床形态变化又将影响风沙地貌的发育演化[2]．沙区河流两侧沙丘在形态、规模和格局等方面，相互之间以及其他未受河流影响区域之间存在明显差别．因此，研究河岸沙丘对深入理解风水交互作用和风沙地貌演化具有重要意义．沙丘沉积物是风沙地貌发育的物质基础，同时记录着沙丘地表演化过程及其沉积环境[3]．沉积物特征、风沙地貌形态及其地表过程是风沙地貌学三大研究内容，而粒度组成特征是沉积物分析的重要手段之一，其参数变化可反映区域风况、沙源物质组成、距离沙源远近、沙丘表面动力过程、侵蚀堆积格局与植被覆盖状况等[4]．目前，对沙丘粒度特征已开展大量研究，如内陆沙漠的新月形沙丘[5]、抛物线形沙丘[6]、横向沙丘[7]、线性沙丘[8]、金字塔沙丘[9]和海岸沙丘[10]等，并总结了不同类型沙丘表层粒度分布模式．但针对内陆河岸沙丘的研究仍较为薄弱，因此，亟需开展河岸沙丘沉积物粒度特征、沙物质来源与形成机理等研究，以深入理解河岸沙丘的地表演化过程．

科尔沁沙地位于大兴安岭和燕山山脉东延相交地带，风沙地貌主要分布在西拉木伦河及其支流教来河、响水河、老哈河的两岸，沙地面积64 387.22 km2，风沙覆盖面积37 381.00 km2．纵观全球范围，该区河岸沙丘无论在发育的规模上，还是类型的多样性上，都具有典型性，因而学者们将科尔沁沙地作为研究河岸沙丘的理想区域[11]．该区河岸沙丘发育在河谷环境，并叠加于河流地貌之上，受风水交互作用[12]，其发育的规模和类型与河道演变、河谷形态、风信状况等因素密切相关[13]．河岸沙丘形成机理是风沙地貌学亟待解决的关键科学问题之一，研究者多从地层学、沉积学、年代学等方面开展相关研究[14-15].2007年，韩广等通过在西辽河流域野外调研，总结了河岸沙丘的形成过程与影响因素[11]．2016年，王勇等通过采集科尔沁沙地响水河两侧近岸沙丘沉积物样品，分析了沙丘粒度分布特征及其沙源问题[16]．但在风成分异作用下，沉积物粒度特征会不断发生变化，并呈现时空差异特征，但是，从该区河岸沙丘带尺度来看，区域不同、距离河流远近不同，河岸沙丘表面物质的平均粒径、分选差异等统计特征尚无详细报道．鉴于此，文中以科尔沁沙地西部响水河河岸沙丘为研究对象，顺风向系统采集沙丘不同地貌部位表层沉积物，分析粒度分布特征，揭示科尔沁沙地河岸沙丘表层沉积物粒度组成的空间变化，以进一步理解河岸沙丘的形成演化规律，研究对恢复区域风成环境、探讨河岸沙丘局地沙物质来源具有重要意义．

1 研究区概况

研究区位于科尔沁沙地西部响水河东岸，119°18′04″～119°23′11″E，43°06′39″～ 43°08′09″N，行政区划上隶属内蒙古翁牛特旗．属温带半干旱大陆性季风气候，据最近气象站(翁牛特旗气象站，距该区约30 km)统计数据(数据统计时间范围为1981—2010年，来源于中国气象数据网http://data.cma.cn/)，该区年均气温6.7 ℃，年均降水量340.5 mm，无霜期平均150 d，年均风速2.9 m·s-1，冬季多西北风，春季多西南风，8级以上大风日数25～40 d．该区地带性土壤为棕壤和栗钙土，非地带性土壤有风沙土和草甸土．植被以地榆(Sanguisordaofficinalis)、小黄柳(Salixflavida)、沙蓬(Agriophyllumarenarium)、差巴嘎蒿(Artemisiahalodendron)、小叶锦鸡儿(CaraganamicrophyllaLam.)、白草(Pennisetumflaecidum)为主．该区河岸沙丘展布在河流两侧，河岸沙带宽约8 km,并以下风向发育类型和规模最为典型，沙丘类型以新月形沙丘及沙丘链为主．

2 研究方法

风成过程主要影响沙丘表层分选，故样品只采集0～2 cm深度，采样面积0.2 m×0.2 m.考虑河流对其下风向沙丘的作用，样品从响水河东岸边滩开始，顺风向(沿NE—SW方向[17])系统选取特征断面，并沿断面依次在河流边滩、沙丘迎风坡、丘顶、背风坡、丘间地取样，最终采样至河岸沙丘带的外缘，即本底为灌草丛沙丘地位置(图1).样品按自然数编号，同时利用Leica GS14 RTKGPS记录取样点位，以计算其与河流距离．采样时间为2016年7月19—20日，各样品重500～1 000 g，共采集样品52个．室内除去有机质、碳酸盐和铁氧化物，以Malvern Master Size 2000型激光粒度仪对样品进行粒度分析，仪器测量范围为0.02～2 000 μm，并以体积百分比记录．对于大于2 mm砾石样品，通过筛分法确定砾石的质量百分数，对原始公式进行校正．粒度参数采用Folk 和 Ward公式进行计算[18]，包括平均粒径zM(Mean grain size)、标准偏差dS(Standard deviation)、偏度SK(Skewness)、峰度KG(Kurtosis)．

图1 采样点分布

3 结果与分析

3.1 河岸沙丘沉积物沙粒级配特征

3.1.1 沙粒级配总体特征 沙粒级配可直观反映风成沙的主要粒径组以及不同粒径组沙粒的相对含量，科尔沁河岸沙丘表层沉积物以中沙和细沙为主，约占总含量的82.00%，其中，细沙含量18.56%～64.41%，平均含量为43.83%；中沙含量14.57%～53.35%，平均含量为38.57%．粗沙、极细沙、粉沙平均含量分别为5.59%,8.31%和3.39%；粘土含量0～4.34%，均值为0.31%，平均占比最小(图2)．沙粒级配无砾石和极粗沙．

3.1.2 沙丘各地貌部位沙粒级配特征 河岸沙丘地貌系统中，仅丘顶沙粒的中沙含量占比最高，其余地貌部位均以细沙为主(表1)．由迎风坡到丘顶，粗沙、中沙含量增加，细沙含量减少；由丘顶到背风坡，粗沙、中沙、极细沙含量减少，而细沙含量增加，其增幅为19.09%．古土壤层除细沙和中沙占比较高外，粉沙含量也较高，达18.97%．河流边滩以中沙和细沙为主，约占总含量的88.39%，其细沙含量高于古土壤层和灌草丛沙丘地．而灌草丛沙丘地除细沙和中沙含量较高外，极细沙含量高达17.06%．

图2 河岸沙丘表层沉积物粒级组成

3.1.3 沙丘与河岸距离关联的沙粒级配特征 沿区域主风向，沙丘距河岸由近到远，其表层(沙丘迎风坡、丘顶和背风坡粒度组成平均值)优势粒级的中沙、细沙总体含量随其距离河流的增加(表2)，呈现M形变化趋势，谷值位于公路(乌金线)两侧近2 km缓冲区的灌草丛沙丘带附近，体现了丘间地植被带对风沙输移的影响．而粉沙含量除近岸较高外，总体表现为距离河流增加而呈增加趋势．

表1 沉积物粒度组成(%)

表2 沙丘与河岸距离关联的沙粒级配特征

3.2 河岸沙丘沉积物粒度参数特征

3.2.1 粒度参数总体特征 沙丘粒度分布模式可通过平均粒径和分选系数来反映，科尔沁河岸沙丘表层沉积物平均粒径在0.09～0.34 mm，均值为0.22 mm，属中等分选．频率曲线近对称且为单峰，偏度为0.22～0.63，均值为0.09；峰度为0.88～1.60，均值为1.01，多为常峰态．该区域河岸沙丘表层沙粒细于各主要沙漠，但分选性明显差于其他主要沙漠(表3)．

表3 不同沙漠/沙地横向沙丘粒度参数对比[9]

3.2.2 沙丘各地貌部位粒度参数特征 科尔沁沙地河岸沙丘由迎风坡至丘顶再到背风坡，平均粒径逐渐变细(表4)，迎风坡和背风坡分选较好，丘顶分选中等，与该区已有研究一致[14]．古土壤层出露处平均粒径均值最高，为0.12 mm，分选较差；河流边滩平均粒径大于沙丘各地貌部位，分选较好，但粒径小于丘间地和灌草丛沙丘地．

表4 沉积物粒度参数

3.2.3 沙丘与河岸距离关联的粒度参数特征 沙丘粒度参数随距河岸远近呈现一定变化规律(表5)．沙丘平均粒度随其距离河岸增加，呈现M形变化规律，中间的谷值出现在乌金线西侧沙丘．距离河岸最近和最远的沙丘平均粒径较为接近，分别为0.27 mm和0.28 mm，分选中等．这种变化规律的主要原因为公路(乌金线)两侧沙丘发育的沙源不同.公路的上风向，沙丘发育的沙源主要由河流边滩及陡岸提供；而其下风向则多为本地起沙，主要是发育的风蚀坑吹蚀物提供．

表5 沙丘与河岸距离关联的粒度参数特征

4 结论与讨论

文中从粒度组成角度讨论了科尔沁沙地河岸沙丘的沉积物特征，沙丘表面沉积物平均粒径在0.09～0.34 mm，分选程度较好至中等，属于中沙到细沙粒级，中沙和细沙含量合计约占沙物质的82.00%，基本不含极粗沙河砾石组份．从河岸沙带区域尺度来看，新月形沙丘链沙物质粒度特征主要受控于沙源区物质粒度组成和风况．韩广等对科尔沁沙地河流研究发现，河流下风向河谷陡坡(凹岸)遭风蚀变平，成为沙丘发育的沙源[11]；而王勇等通过分析河岸沙丘粒度，认为科尔沁沙地响水河东岸河谷陡坡是沙丘发育的沙物质基础[16]．此外，李森等对雅鲁藏布江河谷沙丘研究发现，风成沙与河流相沙具有同源性，前者主要是从后者分选出来的[19]；Muhs等对美国西南部莫哈韦沙漠和索诺兰沙漠地区罗拉多河两岸及河床的样品进行分析，得出河流是河东岸沙丘沉积物来源的结论[20]．目前，普遍认可的河岸沙丘发育模式为，在枯水期河流边滩的冲积砂被风吹蚀并在河流阶地堆积，为其下风向河岸沙丘进一步发育提供沙源[21]．当单一沙源供给时，沙物质的粒度特征在空间上表现为沿主导风向存在粒径变细、分选变好的趋势．但科尔沁沙地响水河河岸沙丘带粒度参数特征表明，除了物源和环流等宏观因素外，还存有其他微观因素控制沙粒的分选过程，这在巴丹吉林沙漠也有所体现[22]．

河岸沙丘粒度分布特征，除受控于物源和环流状况外，植被覆盖也起着重要作用，致使在河岸沙带尺度上，因距离河流远近不同，沙丘粒度参数呈现一定变化规律．沙丘表层沉积物粒度分布差异，是风力对地表可蚀物质的不同搬运和堆积过程的体现，气流携沙能力的改变造成沉积物分选和粒度变化．对单体沙丘而言，由迎风坡坡脚至丘顶，气流加速，气流施加于丘表沙粒的剪切力增大，风沙流携沙能力增加，加速气流作用于运移沙粒之上，进而改变其跃移速度和轨迹长度[22]；气流在丘顶及临近丘顶的背风侧发生分离，剪切力迅速减少，风沙流过饱和并发生最大沉积，导致丘顶沙粒粒径变细且分选变好[23]．但在野外环境，影响沙丘表层沉积物粒度分布的因素还包括沙丘自身形态和植被覆盖等．科尔沁沙地河岸沙带中，植被对沙地表沙粒的“遮蔽”和对运移沙粒的“捕获固定”作用明显[22]，较宽的丘间地植被带同样对沙丘表层沉积物的粒度分布有重要影响，这也决定了植被带下风侧沙丘表层沉积物粒度特征．