沙丘形态及其表沙粒度特征对风况和地表植被变化的响应示意图

hjh2004 2022-09-23 发布于福建

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超越躺卷的地理教育生活

姓名：黄东涛

地区：广东汕头 职业：高中地理教师

工作邮箱：huangdongtao.scnu@foxmail.com

研究方向：地理教育、教育心理、考试评价

加微备注：姓名+工作/学习单位

沙丘源区粒度特征是影响其表沙粒度特征的重要因素。随着沙源在时空上的变化，沙丘表沙粒度特征也会发生变化。发育于黑河流域下游的河岸沙丘粒度特征表明，沙丘平均粒度沿着河流的流向呈现逐渐变小的特征。另外，来自腾格里沙漠东南缘原始横向沙丘与人工平整后新生横向沙丘的粒度参数对比研究表明，新生沙丘的平均粒度要略大于原始沙丘的平均粒度。尽管沙源粒度特征决定了下风向沙丘的平均粒度，但在风力的持续作用下，沙丘表沙粒度特征仍受控于其表面的风蚀/沉积过程。

在不受地表植被影响的条件下，沙丘迎风坡形态及其表面气流之间的相互作用可表现为摩阻风速的加速/减速对沙丘表面侵蚀/沉积过程的调节，进而改变沙丘表面的粒度特征分布。野外测量和室内实验模拟结果表明，携沙能力在沙丘迎风坡的变化，造成其下部受风蚀作用呈现凹形，而上部受沉积作用呈现凸形。近地表风速的变化能影响沙丘迎风坡表面侵蚀/沉积的作用区域，当风速刚好高于临界起沙风速时，沙丘顶端处于风蚀的作用区域；而风速远大于临界起沙风速时，沙丘顶端却处于风积的作用区域，进而增加沙丘的高度。风蚀作用在迎风坡下部的作用增大了较粗沙颗粒被搬运的概率，导致表沙细化，分选变好；相反，上部风蚀作用的减弱与沉积作用的增强导致表沙粗化，分选变差。随着沙丘高度的增加，气流越过沙丘顶部发生分离，风速下降致使沙颗粒沉积在沙丘背风侧，持续的沉积过程导致崩塌过程的发生，随之形成沙丘落沙坡，同时也导致表沙粒度特征由顶部至落沙坡底部由小变大的趋势。以上前人的研究成果有助于理解和解释不同沙丘形态、粒度特征与外界条件之间的相互关系。

沙丘迎风坡对近地表风速的加速作用，造成起沙风的携沙能力由沙丘迎风坡底部向顶部逐渐增强，携带粒径较大颗粒的比例逐渐增大，致使遗留在沙丘表面的沙颗粒平均粒径呈现逐渐变小的趋势（图5A）。然而，我们在野外观察发现新月形沙丘的迎风坡中部区域出现了平均粒径较小且分选较差的沙样（图4A3，图4A4），其中细沙（125—250μm）含量在迎风坡中部达到最大（图4A6），而并非前人认为的平均粒径最小值出现在沙丘顶部或落沙坡中部。为了解释这一分异，Zhang等通过计算不同沙颗粒粒径输沙率发现，近年来风速的持续下降增加了搬运细沙的能力，相对减弱了搬运中沙的能力，造成沙丘迎风坡顶部被搬运细沙的含量大于中部，因此致使最小平均粒径出现在迎风坡中部而并非沙丘顶部或落沙坡中部的现象（图5B）。但近期关于季节性风况对沙丘表沙粒度特征分布的研究结果表明，受夏季反向风风蚀作用的影响，沙丘落沙坡顶部的细沙被搬运并沉积在了迎风坡的中上部，致使其平均粒径出现了最小的现象（图5D)。以上两种不同观点均注意到沙丘表沙粒度特征主要受风况变化的影响，这种差异可能来自于表沙样品的采集时间，前人同样也注意到沙丘表沙粒度特征的短暂性，认为其特征与最近一次风况有着密切的关系，因此在研究沙丘表沙粒度特征对外界条件的响应时，需注意样品的采集时间及其对应的风况和地表植被覆盖情况。

在新月形沙丘向抛物线形沙丘转变的过程中，沙丘迎风坡输沙量减少导致落沙坡面沉积速率降低。当沙丘落沙坡侧的沉积速率低于地表植被的生长速率时，植被将逐渐覆盖落沙坡并进一步阻止落沙坡面的沉积过程和沙丘的移动，沙丘顶部植被的出现，致使沙丘迎风坡处于风蚀的作用之下，其形态逐渐由原来的凸形变为凹形（图2D，图2E）。地表植被的出现限制了沙丘上风向潜在沙源的输入和供应，致使沙丘表沙粒度特征由原来的开放式沙源控制模式转变为封闭式搬运分选模式。而在不受地表植被影响的情况下，沙丘表沙粒度特征与上风向沙源的粒度特征有着密切的联系，一旦地表植被出现，原有的潜在沙源被切断，而沙丘表面仍经历着近地表起沙风的风蚀和搬运作用。另外，植被作为地表粗糙单元对近地表风速的降低，导致携带较大颗粒的能力降低，最终引起抛物线型沙丘表沙呈现平均粒径逐渐变大，而分选逐渐变好的趋势。沙丘表面的粗化进一步降低了表面的输沙过程，从而显著加快沙丘的形态转变。同时，沙丘落沙坡面覆盖的植被不仅阻挡了崩塌作用引起的粒度粗化，而且捕获较小沙颗粒（<63μm)，因此粒度在沙丘的背风侧呈现突然的变小和分选变差的趋势（图4B3，图4B4，图5C）。

当季节性风况作用于新月形或横向形沙丘时，其顶部往往会出现沙丘脊线随季节性风况摆动的现象，这是春夏季节盛行的西北、东南风周期性作用于沙丘顶部的结果。当夏季反向风作用于沙丘背风坡时，因落沙坡较大坡度（约30°）对近地表风速的加速效应，加强了沙丘背风坡上部的风蚀作用，由于迎风坡坡度较缓（10°—12°），越过丘顶的加速气流迅速分离，导致风蚀的沙粒被搬运并立即沉积到沙丘的迎风坡中上部，形成反向落沙坡，沙丘脊线也反向移动。由于夏季盛行风向（南东南）与春季盛行风向（西北）夹角小于180°，且夏季盛行风输沙能力明显小于春季盛行风，从而导致反向落沙坡形态呈现不对称结构。我们的分析结果同样也显示，较小坡度、较粗平均粒径和较好分选均出现在沙丘顶部区域（图4C2—C4），指示夏季反向风的风蚀作用集中在顶部区域，而较粗平均粒径表明夏季反向风携带走了更多的较细沙颗粒。越过丘顶的气流在迎风坡上部的迅速分离降低了风速，同时也减少了携沙和风蚀的能力，细沙颗粒迅速沉积下来，相对应的分选也逐渐变差。因此，反向沙丘在沙丘顶部区域的平均粒径呈现由细变粗，分选逐渐变好的趋势（图4C3—C4，图5D）。