何晨晨， 吳盈盈， 田永勝， 馬 瑞， 王振亭

（1.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，沙漠與沙漠化重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

河西走廊毗鄰騰格里、巴丹吉林和庫姆塔格三大沙漠，飽受風(fēng)沙危害，對中國北方生態(tài)安全屏障建設(shè)至關(guān)重要。走廊東端的民勤地區(qū)已有六十余年治沙歷史，雖然取得了舉世矚目的成績［1］，但是土地荒漠化形勢依然嚴(yán)峻。綠洲外圍水資源匱乏，風(fēng)力強(qiáng)勁，極易發(fā)生風(fēng)蝕荒漠化。以呈半環(huán)狀包圍著民勤綠洲的連古城國家級自然保護(hù)區(qū)為例，其總面積的98.41%屬于風(fēng)蝕荒漠化土地［2］。了解風(fēng)沙地貌形成與運動規(guī)律是科學(xué)開展風(fēng)沙工程設(shè)計與施工的重要前提。民勤綠洲外圍上風(fēng)向區(qū)域內(nèi)的風(fēng)沙地貌以固定和半固定的灌叢沙丘為主，新月形沙丘與沙丘鏈次之，小型風(fēng)蝕坑偶有分布。流動沙丘在自身不斷移動的同時，亦為其附近的風(fēng)沙活動提供物質(zhì)來源，對綠洲存在與發(fā)展的現(xiàn)實威脅最大。

在眾多沙丘類型中，新月形沙丘的研究程度較高［3］。早期野外觀測主要以文字描述為主［4］，其工作量大、耗費時間長、形態(tài)特征描述不夠準(zhǔn)確。后來，插釬法、重復(fù)測量和航片分析等傳統(tǒng)監(jiān)測方法得到廣泛應(yīng)用［5-6］。目前，遙感影像、GIS、全站儀、實時動態(tài)差分GPS、三維激光掃描儀、無人機(jī)傾斜攝影測量等各種先進(jìn)技術(shù)被應(yīng)用于沙丘形態(tài)特征測量［7-9］，為深入探索沙丘形態(tài)動力學(xué)過程提供了寶貴資料。新月形沙丘的形態(tài)參數(shù)包括沙丘高度、寬度、迎風(fēng)坡長度、落沙坡長度、迎風(fēng)坡坡度、兩翼長度、開展度和對稱度等［10］。各參數(shù)之間的關(guān)系包括沙丘寬度與高度、迎風(fēng)坡坡長與寬度、兩翼長度與寬度、落沙坡傾角與高度、底面積與周長或體積等。其中，沙丘寬度和高度之間的關(guān)系研究最為廣泛。由大量實測數(shù)據(jù)得出的一個經(jīng)驗關(guān)系是沙丘寬度與高度正相關(guān)［11］，可用線性關(guān)系描述［10-12］。按照新月形沙丘的迎風(fēng)坡長與寬度的比值，將其形態(tài)分為肥的、矮胖的、標(biāo)準(zhǔn)的、苗條的［13-14］。按獸角形態(tài)將其分為線性的、串珠狀的、打結(jié)的［15］。除了形態(tài)特征，沙丘的演變過程和移動速率是另一個研究重點。沙丘是風(fēng)力、沙粒和下墊面三者相互作用的產(chǎn)物［16］，其形態(tài)演變和移動速率受沙源豐富程度、風(fēng)速、風(fēng)向、地形、植被等多種因素影響，不同地區(qū)的風(fēng)沙運移特征有著不同的表現(xiàn)形式，看似普遍的經(jīng)驗和理論關(guān)系往往存在很大的區(qū)域差異。

河西走廊綠洲邊圍2006 年與2014—2015 年兩個時段的遙感影像顯示［2］，民勤地區(qū)的新月形沙丘移動最快。本研究擬在前人工作的基礎(chǔ)上，利用野外實地測量和高分辨率遙感影像分析沙丘形態(tài)特征和移動速率，給出民勤綠洲上風(fēng)向邊緣區(qū)域內(nèi)新月形沙丘形態(tài)參數(shù)之間及其與移動速率的定量關(guān)系，探討該地區(qū)多年防風(fēng)固沙工程的實際效果。本研究不僅直接服務(wù)于當(dāng)?shù)氐姆里L(fēng)固沙與生態(tài)建設(shè)，而且對河西走廊其他地區(qū)相關(guān)工作具有重要參考價值與借鑒意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省民勤縣城西北約30 km范圍內(nèi)，主體南起紅崖山水庫北緣，北至萊菔山腳下（102°45′～103°50′E，38°25′～38°50′N），如圖1 所示。該地區(qū)屬溫帶干旱荒漠性氣候，常年干燥、降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、風(fēng)大沙多。年均降水量116.2 mm［17］，氣溫7.8 ℃，年內(nèi)風(fēng)沙日數(shù)139 d，8 級以上大風(fēng)29 d。區(qū)域地形平坦，無地表徑流，風(fēng)向單一，植被稀疏，零星分布有梭梭、沙拐棗、灌叢白刺等植物。土地利用類型以沙地為主，林地占一定比例，耕地和草地零星分布。土壤類型以荒漠土為主。風(fēng)蝕荒漠化土地既有歷史時期自然形成［18］，也有最近幾十年開墾后又棄耕退化。較為開闊的前后灘地是新月形沙丘及沙丘鏈存在所必須的環(huán)境條件，同時，該區(qū)位于巴丹吉林沙漠盛行風(fēng)的下風(fēng)向，沙源供應(yīng)較為充足。因此，新月形沙丘及沙丘鏈?zhǔn)潜緟^(qū)的主要沙丘類型［19］。該區(qū)域歷來是當(dāng)?shù)胤里L(fēng)固沙的重中之重。目前，治沙措施以大面積植樹造林和圍欄封育為主，已在鄉(xiāng)道兩側(cè)3～5 km內(nèi)及綠洲邊緣部分地區(qū)形成了面積不等的防風(fēng)固沙人工梭梭林。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Map of the research area

1.2 研究方法

1.2.1 沙丘形態(tài)參數(shù) 野外實地測量和高分遙感影像分析是獲取沙丘形態(tài)參數(shù)的主要方法。新月形沙丘高度和寬度等形態(tài)參數(shù)利用NTS-352 型全站儀直接測得。測量對象主要為形態(tài)完整、輪廓顯著、相對獨立的新月形沙丘。野外測量采用局部坐標(biāo)系，落沙坡最高點與地面的垂直距離作為沙丘高度；在兩翼之間任選一條平行于主風(fēng)向的直線，兩個翼角與其水平距離之和即為沙丘寬度。先后兩次測量沙丘形態(tài)的時間為2006 年3 月與2022 年7月，沙丘個數(shù)分別為27 和25 個。時隔16 a，第一次測量的沙丘［20］大多難以確定其具體位置。相較于上次測量，第二次的空間范圍更大，基本覆蓋了整個研究區(qū)。

1.2.2 遙感影像來源與分析 高分遙感影像數(shù)據(jù)購自高分辨率對地觀測系統(tǒng)甘肅數(shù)據(jù)與應(yīng)用中心。其中，2013年11月9日和2014年4月21日影像為高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)，其空間分辨率為2 m；2015年8月21日、2016年5月23日、2017年11月21日、2018年7 月21 日和2019 年10 月7 日的空間分辨率為0.81 m 的高分二號影像；2020 年8 月5 日、2021 年8 月9日和2022年5月23日為高分六號影像，其空間分辨率2 m。各時段影像預(yù)處理包括：遙感影像經(jīng)正射校正、融合、鑲嵌、幾何校正。鑲嵌處理過程需要注意選擇合適的重采樣方法，幾何校正利用了地面控制點和幾何校正數(shù)學(xué)模型來矯正非系統(tǒng)因素產(chǎn)生的誤差。完成以上步驟后，利用ArcGIS軟件從中提取流動新月形沙丘底面的輪廓線，最后計算沙丘寬度和底面質(zhì)心位置。該地區(qū)新月形沙丘形態(tài)處于不斷變化之中，難以選定輪廓線上的某個或某幾個特征點代表沙丘位置。因此，以底面質(zhì)心位置計算其年際移動距離。以遙感影像測量的沙丘主要位于薛百鎮(zhèn)和大壩鎮(zhèn)以西，僅有3 個沙丘位于綠洲北緣的萊菔山下，具體位置見圖1。

影像分析采用整體坐標(biāo)系，具體做法如下：（1）按以直代曲方法量測出每個沙丘底面輪廓處若干點在WGS-84 坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，計算其在三維直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；（2）利用最小二乘法擬合出包含所有沙丘底面輪廓點的最優(yōu)平面；（3）在最優(yōu)平面上任選一點為坐標(biāo)原點，以主風(fēng)向為x方向，建立平面直角坐標(biāo)系，并將所有測量點向該坐標(biāo)系投影。以投影后的輪廓線計算沙丘寬度與質(zhì)心位置。其中，確定質(zhì)心坐標(biāo)時的底面面積和一階矩由梯形法計算。因為研究區(qū)范圍不大且地形非常平坦，這種影像分析方法能夠比較準(zhǔn)確地提取到沙丘底面輪廓。對于沙丘迎風(fēng)坡長度和兩翼寬度等形態(tài)參數(shù)，野外實測與遙感影像量測結(jié)果之間的相對誤差小于5%。

類似于前期探索［20］，仍然利用全站儀數(shù)據(jù)擬合新月形沙丘的形態(tài)參數(shù)關(guān)系。沙丘移動的具體規(guī)律則在理論推導(dǎo)基礎(chǔ)上，由遙感影像數(shù)據(jù)最終確定。野外測量的新月形沙丘既有已被人工林固定的，也有完全流動的，遙感影像上量測的則均為流動沙丘。

1.2.3 風(fēng)況特征 民勤氣象站2013—2021 年逐小時風(fēng)速數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/），用于風(fēng)況特征分析。輸沙勢常用于評估風(fēng)況特征與潛在輸沙強(qiáng)度，其計算公式為［21］：

DP=U2(U-Ut)t

式中：DP為輸沙勢，矢量單位為VU；U和Ut分別為10 m 高度的風(fēng)速和起動風(fēng)速，Ut取值為6 m·s-1；t為起沙風(fēng)作用的時間，一般用頻率表示。風(fēng)能環(huán)境評價包括總輸沙勢（DP）、合成輸沙勢（RDP）、合成輸沙方向（RDD）和方向變率（RDP/DP）。根據(jù)矢量合成法則，對16個方位的輸沙勢合成得到合成輸沙勢和合成輸沙方向，而合成輸沙勢與輸沙勢之比為方向變率。根據(jù)輸沙勢的大小，將風(fēng)能環(huán)境［21］劃分為低能（DP＜200）、中能（200≤DP≤400）和高能環(huán)境（DP＞400）。根據(jù)方向變率，風(fēng)能環(huán)境劃分為高變率（RDP/DP＜0.3）、中等變率（0.3≤RDP/DP≤0.8）和低變率（RDP/DP＞0.8）。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)況特征

輸沙勢是反映一個區(qū)域風(fēng)沙活動強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一［22］。民勤地區(qū)2013—2021 年輸沙玫瑰圖如圖2 所示。年起沙風(fēng)主要來自于西西北和西北風(fēng)，歷年合成輸沙方向介于120°～135°，總體搬運方向為ESE～SE，風(fēng)況分布為窄單峰型。2013—2021年輸沙勢依次為40 VU、34 VU、34 VU、26 VU、25 VU、20 VU、20 VU、15 VU和35 VU，年際間輸沙勢雖有變化，但差異較小，風(fēng)能環(huán)境基本穩(wěn)定。多年平均輸沙勢為27.7 VU。根據(jù)風(fēng)能環(huán)境劃分標(biāo)準(zhǔn)［21］，該地區(qū)屬于低風(fēng)能環(huán)境（DP＜200）。另外，該區(qū)域合成輸沙勢與輸沙勢呈現(xiàn)出同樣的年際變化，變化趨勢基本一致。在2013—2020年間呈不斷下降趨勢，2021 年出現(xiàn)上升（圖3a）。合成輸沙方向和方向變率處于不斷波動狀態(tài)（圖3b），多年平均方向變率為0.84，屬于低變率，表明該地區(qū)風(fēng)向較為單一。但是，2013年、2014年、2019年方向變率小于0.8，屬于中等變率。因此，研究區(qū)總體輸沙勢較小，部分年份風(fēng)向變化較大，新月形沙丘的移動主要受西西北和西北風(fēng)的影響。

圖2 2013—2021年民勤站輸沙勢玫瑰圖Fig.2 Rose of drift potential at Minqin station from 2013 to 2021

圖3 2013—2021年民勤站風(fēng)能環(huán)境變化Fig.3 The variations in the wind energy at Minqin station from 2013 to 2021

2.2 高度-寬度關(guān)系

新月形沙丘高度與寬度數(shù)據(jù)可用正比例函數(shù)［20］或冪函數(shù)［23］擬合。為了方便，進(jìn)行正比例擬合，結(jié)果見圖4。總體上看，雖然兩次測量時隔16 a，但是形態(tài)參數(shù)關(guān)系基本沒有變化，沙丘寬高比約為16。前人大量工作表明其值一般在8～18之間［24］，本研究符合這一規(guī)律。多年保持常數(shù)值，說明寬高比是新月形沙丘的特征參數(shù)。沙丘形態(tài)特征受風(fēng)況、沙源和地形等因素影響。對于同一區(qū)域，上述風(fēng)況特征表明多年輸沙勢變化不大，屬于低風(fēng)能環(huán)境。多年平均方向變率屬于低變率，風(fēng)向較為單一。在無人為干擾的情況下，新月形沙丘的參數(shù)關(guān)系也應(yīng)無明顯變化。

圖4 新月形沙丘高度與寬度呈正比例關(guān)系Fig.4 Proportional relationship between height and width of barchans

2022 年實測數(shù)據(jù)略顯分散，主要原因有二：第一，部分沙丘迎風(fēng)坡上的人工梭梭林影響了其形態(tài)-動力學(xué)過程。一般而言，氣流在沙丘迎風(fēng)坡加速，繞過沙丘頂部在背風(fēng)坡形成回流，迎風(fēng)坡氣流加速和背風(fēng)坡回流會影響沙丘的侵蝕速率，從而影響沙丘的寬度、高度等形態(tài)參數(shù)。對于不同寬高比的沙丘，這一過程也會有所變化。沙丘寬高比越小，氣流在迎風(fēng)坡加速越快，背風(fēng)坡回流區(qū)長度和強(qiáng)度均會增大［25］。地表植被覆蓋會引起下墊面粗糙度改變，地表抗風(fēng)蝕能力增強(qiáng)，從而影響沙丘近地面流場分布。在2022年測量的部分沙丘中，迎風(fēng)坡存在的人工植被會減弱氣流在迎風(fēng)坡的加速作用，同時沙丘背風(fēng)坡回流區(qū)范圍更大。流場的這種變化會使得沙丘高度快速增長，以及背風(fēng)坡沙塵堆積［26］。植被冠層攔截懸浮在空中的沙塵，使得沙丘上風(fēng)向沙源供應(yīng)不足，導(dǎo)致其形態(tài)發(fā)生變化。同時，迎風(fēng)坡植被阻擋會使氣流向沙丘的兩翼繞流，風(fēng)沙流會將部分沙粒帶向沙丘兩翼，導(dǎo)致沙丘寬度發(fā)生變化。若沙丘兩翼附近存在其他沙丘，氣流流過沙丘會產(chǎn)生加速效應(yīng)，這種加速效應(yīng)會加快兩翼的侵蝕速率。

第二，不同區(qū)域的風(fēng)力狀況和地表條件略有差別。民勤綠洲外圍的新月形沙丘主要分布在前后平坦的砂礫質(zhì)灘地上。其位于巴丹吉林沙漠的下風(fēng)向，沙源供應(yīng)充足。但由于不同區(qū)域地表起伏程度有所差異，導(dǎo)致沙丘丘間地不同位置風(fēng)沙流存在明顯差異。不同風(fēng)力作用下，距離沙源越近，輸沙率越大，隨著遠(yuǎn)離沙源，輸沙率減?。?7］。新月形沙丘近地表風(fēng)速和輸沙率研究顯示，由于氣流在迎風(fēng)坡的加速作用，迎風(fēng)坡風(fēng)速比來流風(fēng)速增加25%，沙丘翼角到頂部輸沙率增加了1 倍，不斷增加的輸沙率反映風(fēng)力侵蝕的增加［28］。2022 年測量沙丘寬度和高度總體上相較于2006 年更大，即2022 年多為體積更大的新月形沙丘。沙丘迎風(fēng)坡氣流的加速作用更強(qiáng)，丘頂?shù)娘L(fēng)力侵蝕作用更大，沙丘的沙源豐富度和地表條件也更加復(fù)雜多樣。

2.3 移動速率

2.3.1 單個沙丘移動軌跡與形態(tài)變化 沙丘的移動速率可以估算沙物質(zhì)的輸移量，為防風(fēng)固沙實踐提供指導(dǎo)。在風(fēng)力作用下，沙丘往往通過迎風(fēng)坡侵蝕與背風(fēng)坡堆積而發(fā)生移動。雖然寬高比保持不變，但單個沙丘的形態(tài)在移動過程中卻是不斷變化的。在傳統(tǒng)的風(fēng)沙地貌研究中，往往以輪廓線上某個點或某幾個特征點的平均移動距離表示整個沙丘的移動。當(dāng)形態(tài)變化較大時，誤差很大。因此，以底面質(zhì)心標(biāo)識沙丘位置是更合理的做法。

圖5給出了位于102.99°E，38.79°N和102.83°E，38.68°N兩個沙丘的底面輪廓在2013—2022年間的變化情況。圖5a中沙丘高度為9.3 m，兩翼寬度分別為89 m和76 m。以2013年為參考，底面輪廓變化能夠反映沙丘詳細(xì)的年際移動過程?？傮w上，沙丘形態(tài)維持較為完整，側(cè)向位移微小，新月形形狀明顯。底面質(zhì)心變化反映出沙丘整體移動緩慢。沙丘年際間的形態(tài)變化主要在迎風(fēng)坡基線、脊線和翼角處比較明顯。沙丘迎風(fēng)坡基線和脊線所代表的沙丘整體上沿主風(fēng)向移動，但2020 年和2021 年出現(xiàn)反向移動。沙丘移動方式包含前進(jìn)式、搖擺式和擺動前進(jìn)式［29］。當(dāng)沙源供應(yīng)不足時，風(fēng)沙流變?yōu)椴伙柡惋L(fēng)沙流，以及常年多個風(fēng)向的出現(xiàn)會導(dǎo)致新月形沙丘的反向發(fā)展。圖5b 中沙丘的兩翼寬度約為60 m 和40 m。沙丘的底面輪廓反映出其形態(tài)變化很劇烈，各形態(tài)參數(shù)變化大，沙丘整體沿主風(fēng)向快速前移。在2013—2022年間，沙丘沿主風(fēng)向主要做前進(jìn)式移動，少數(shù)年份存在反向移動。在反向風(fēng)風(fēng)蝕的作用下，沙丘落沙坡頂部會出現(xiàn)反向堆積和脊線反向移動的現(xiàn)象，從而促進(jìn)了沙丘的反向發(fā)育。根據(jù)移動速率，流動沙丘可分為四類［30］：慢速（年平均移動距離＜1 m）、中等速度（年平均移動距離＜1～5 m）、快速（年平均移動距離＜5～10 m）、極快速（年平均移動距離＞10 m 以上）。上述高大沙丘年均移動距離小于3 m，屬于中等速度；低矮沙丘，沙丘年均移動距離大于10 m 以上，屬于極快速移動。沙丘移動速率與沙丘的體型有關(guān)，體型越大，移動速率越小。

圖5 單個沙丘的移動軌跡與形態(tài)變化Fig.5 Trajectory and morphological variation of individual barchans

圖5中的質(zhì)心軌跡顯示兩個沙丘均存在顯著的反向移動。而當(dāng)主風(fēng)向和次風(fēng)向大致相反時，才會出現(xiàn)這種運動。常兆豐等［31］對甘肅河西綠洲邊緣新月形沙丘分析發(fā)現(xiàn)，單一主風(fēng)向是維持新月形沙丘形態(tài)的關(guān)鍵因素，促使沙丘頂點和沙脊線重合；而反向風(fēng)促使沙丘頂點與沙脊線分離。對民勤沙區(qū)風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析顯示［32］，起沙風(fēng)主要為春季的西北風(fēng)，其次為夏季的東南風(fēng)。反向風(fēng)除了導(dǎo)致新月形沙丘的這種整體反向移動外，還改變了脊線處的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)并造成丘頂與脊線相對位置的變化［33］。沙丘移動主要受風(fēng)速和風(fēng)向等因素的影響。結(jié)合風(fēng)況分析，研究時段輸沙勢總體較小，屬于低風(fēng)能環(huán)境。單個沙丘移動軌跡反映出沙丘總體向前移動，但2014年沙丘出現(xiàn)明顯的反向移動（圖5b），2014年方向變率為0.75，屬于中等變率，說明風(fēng)向變化較大，風(fēng)向多變是沙丘反向移動的重要因素。由于民勤地區(qū)常年受西北風(fēng)控制，東風(fēng)、東南風(fēng)較弱，難以完全抵償西北風(fēng)產(chǎn)生的作用。即使年內(nèi)風(fēng)向變率較大，但年輸沙勢較小不足以使沙丘發(fā)生反向移動。因此，沙丘年際間的反向移動可能是強(qiáng)沙塵暴事件所致。以2007 年3 月27 日一場強(qiáng)沙塵暴為例［34］，在強(qiáng)沙塵暴事件前后，對圖5a 沙丘監(jiān)測發(fā)現(xiàn)：脊線高度減?。?5±5）cm，長度增加（7.00±2.00）m；移動距離（21±5）cm，沙丘體積減?。?.1±2.0）×103m3。這說明強(qiáng)沙塵暴事件對沙丘的移動速率和形態(tài)特征有重要的影響，也是導(dǎo)致沙丘反向移動的重要原因。此外，低矮沙丘底面輪廓的面積隨著時間推移不斷縮小，這表明在移動過程中體積在減小，沙丘向著縮小的趨勢發(fā)展。而高大沙丘保持相對穩(wěn)定，造成這一結(jié)果的原因與沙丘自身的體積大小有關(guān)。

2.3.2 移動速率與形態(tài)參數(shù)關(guān)系 當(dāng)沙丘形態(tài)和來流情況保持不變時，可由質(zhì)量守恒定律導(dǎo)出移動速度與沙丘高度成反比的理論關(guān)系［35-36］，有時，新月形沙丘在幾個月內(nèi)的總體移動幾乎完全由一兩場強(qiáng)沙塵暴造成。同時，反向風(fēng)的存在及遙感影像成像時間的年度差異也為確定沙丘沿主風(fēng)向的移動速率帶來不小困難。為了減少逐年計算帶來的不確定性，本文以2013 年質(zhì)心位置為參考點，由2014—2022年間質(zhì)心移動的最大距離計算9 a間的平均移動速率，沙丘寬度取為10次影像分析的平均值。圖6 給出了年移動速率隨沙丘寬度的變化情況，沙丘寬度范圍在45～300 m，移動速率在1～16 m·a-1。其中，快速移動沙丘占52.63%，極快速移動沙丘占15.79%，中等移動速度沙丘占31.58%。因此，該區(qū)域沙丘主要以快速移動沙丘為主，移動速率大于5 m·a-1。

沙丘移動速率與寬度之間建立關(guān)系之后，對研究區(qū)風(fēng)況和沙丘寬度的測量就可以快速估計沙丘的移動速率。通過寬度反映沙丘的移動速率大大降低了研究的難度。同一風(fēng)力條件下，沙丘的移動速率不同。這表明風(fēng)況對沙丘移動速率的影響被其他因素削弱，導(dǎo)致移動速率差異［37］。前文已證實沙丘寬高比保持常數(shù)的經(jīng)驗關(guān)系。因此，移動速率應(yīng)該反比于沙丘寬度。由最小二乘法得到的擬合優(yōu)度為0.83，比例常數(shù)為718.52 m2·a-1。對沙丘的移動方向［38］、移動距離［39］、移動速率［40］研究發(fā)現(xiàn)，新月形沙丘的移動速率與高度、寬度均成反比，與本文結(jié)果一致。同時，沙丘移動速率和寬度的比值變化還表明，隨著寬度增大，沙丘移動速率的變化趨于平緩。沙丘寬度由50 m 增加到150 m，移動速率的變化范圍在3～16 m·a-1；而沙丘寬度由200 m增加到300 m，沙丘移動速率的變化范圍在2～7 m·a-1。這說明沙丘達(dá)到一定的寬度后，移動速率變化的波動范圍更小，同一風(fēng)況下，沙丘更趨于穩(wěn)定。對獨立的新月形沙丘，沙丘寬度與移動速率之間存在的反比關(guān)系，可以用不同寬度沙丘之間的沙粒質(zhì)量差異來解釋。沙丘的移動是沙粒從迎風(fēng)坡侵蝕重新分布到背風(fēng)坡的過程。寬度更大的沙丘需要更長的時間來重建和平衡這一過程，因此移動速率更慢［41］。這一過程可能導(dǎo)致沙丘在移動過程中形態(tài)特征發(fā)生變化。沙丘動力學(xué)模型研究表明，恒定沙源條件下，在風(fēng)沙流中不同大小的新月形沙丘可能處于不同的不平衡狀態(tài)［42］。結(jié)合單個沙丘多年移動軌跡的變化以及沙丘移動速率與寬度的關(guān)系可知，沙丘寬度不但反映移動速率的快慢，而且由于移動速率之間的差異，不同寬度的沙丘形態(tài)向不同方向發(fā)育。隨著時間推移，寬大沙丘形態(tài)基本保持不變或者變大，而窄小沙丘傾向于縮小或者消失。

3 討論

3.1 風(fēng)況

風(fēng)況是影響沙丘形態(tài)發(fā)育的重要動力因素，風(fēng)速和風(fēng)向決定沙丘的高度、寬度、體積和移動速率等。沙丘形態(tài)演化和移動不僅受大氣環(huán)流的控制，同時受局地氣流的影響［43］。宏觀上，區(qū)域風(fēng)況受大氣環(huán)流的控制，已有研究對風(fēng)況和不同類型的沙丘建立聯(lián)系。窄單峰型與新月形沙丘相聯(lián)系，雙峰型通常與線形沙丘相聯(lián)系，而復(fù)合型則與星狀沙丘相聯(lián)系［44］。在沙源和風(fēng)向變率均低的地區(qū)會形成新月形沙丘，沙源的增加導(dǎo)致新月形沙丘合并成橫向沙丘，而風(fēng)向變率的增加導(dǎo)致雙向風(fēng)環(huán)境下線狀沙丘的形成。研究區(qū)風(fēng)況特征顯示年起沙風(fēng)主要來自于西西北和西北風(fēng)，風(fēng)況分布為窄單峰型，多年風(fēng)向變率為低變率，風(fēng)向較為單一，有利于新月形沙丘的形成和演化。因此，沙丘寬高比常年保持常數(shù)值（圖4）。沙丘不僅對區(qū)域風(fēng)況做出響應(yīng)，沙丘局部也會產(chǎn)生復(fù)雜的二次流動。沙丘背風(fēng)坡可形成分離流、重附未偏向流、重附偏向流和反向流［45］。沙粒從迎風(fēng)坡被侵蝕并在背風(fēng)坡沉積時，沙丘向下風(fēng)向移動。沙丘移動是風(fēng)沙量從迎風(fēng)坡重新分布到背風(fēng)坡的結(jié)果。有研究認(rèn)為這一過程處于平衡狀態(tài)，也有認(rèn)為是非平衡狀態(tài)。對兩個典型沙丘的移動軌跡分析，高大沙丘多年形態(tài)維持穩(wěn)定，移動速率緩慢（圖5a）。沙粒被侵蝕后重新分布可以認(rèn)為是平衡狀態(tài)。相對低矮沙丘形態(tài)變化劇烈，沙丘底面輪廓不斷減小反映出沙丘體積在減少（圖5b），這表明沙丘在移動過程中侵蝕量大于堆積量，使得沙丘不斷縮小，移動過程可以認(rèn)為是非平衡狀態(tài)，沙丘最終可能會縮小或者消失。因此，區(qū)域大氣環(huán)流和沙丘局部產(chǎn)生的二次流動共同塑造沙丘的形態(tài)，影響沙丘移動。

3.2 植被

隨著民勤綠洲防風(fēng)固沙工程的實施［1］，沙面固定限制了風(fēng)沙流的沙源供應(yīng)，改變了地表下墊面的性質(zhì)。防沙固沙工程主要是通過植物（或生物）措施、機(jī)械措施、化學(xué)措施等降低沙源供應(yīng)、改變下墊面性質(zhì)達(dá)到阻沙、固沙和輸沙的目的。主要影響因素包括沙粒粒度變化、水分含量、粘合劑、植被種類、植物結(jié)構(gòu)、形態(tài)和密度，以及其他表面粗糙度。植被作為沙源供給和風(fēng)沙運輸?shù)闹饕拗埔蛩?，本研究區(qū)人工植被是影響沙丘形態(tài)和移動的主要因素，是沙丘寬高比分散的原因之一。沙生植物具有發(fā)達(dá)的根系，能固結(jié)周圍的沙粒，植被腐爛后有利于有機(jī)質(zhì)的聚集，促進(jìn)沙的成土作用和固定，同時改變土壤化學(xué)性質(zhì)［46-47］和粒度分布［48］；同時植物冠層能降低近地表風(fēng)沙運輸?shù)挠行?。對裸露沙丘和植被覆蓋沙丘監(jiān)測發(fā)現(xiàn)［49］，植被覆蓋沙丘的移動速率與高度的相關(guān)性比裸露沙丘更差。與裸露沙丘相比，固定沙丘的兩翼、迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡、丘頂?shù)囊苿铀俣却嬖诓町?。植被蓋度增加，地表輸沙能力和沙源供應(yīng)受到限制，新月形沙丘會逐漸向拋物線形沙丘轉(zhuǎn)變［50］。地表植被覆蓋率僅為15%時，大部分沙粒運輸?shù)玫揭种疲?1］。植物冠層對風(fēng)沙流的影響取決于植物密度、形狀或形態(tài)、分布和高度［52］，群落高大、枝葉密集的植物種固沙能力更強(qiáng)。對不同類型植被覆蓋下沙丘表面沉積物粒度分析［53］，地表沉積物細(xì)組分含量與植物冠幅、枝高和分枝數(shù)成正相關(guān)。在低密度的情況下，單個灌木形成的湍流和渦旋脫落又加強(qiáng)了地表的風(fēng)沙侵蝕［54］。植物高度增加，導(dǎo)致沙丘高度增加，沙丘長度減少［55］。研究區(qū)流動沙丘各參數(shù)間表現(xiàn)出良好的相關(guān)性，沙丘體積越大，移動速率越慢。同時移動速率反比于沙丘寬度（圖6），沙丘總體上向東南方向移動，這些結(jié)論與前人研究基本一致［56］。不同之處在于部分新月形沙丘存在人工梭梭林，導(dǎo)致參數(shù)間的相關(guān)性有所減弱，沙丘寬高比分散。植被對沙丘形態(tài)特征和移動速率［57］、近地面流場［58-59］、沙丘表層粒度分布［60］等方面影響深遠(yuǎn)。植被可以增加地表粗糙度，攔截氣流中攜帶的沙物質(zhì)，影響沙粒在植物附近沉積［61］。同時，植物削弱了近地面風(fēng)速，減少被吹揚搬運沙粒的數(shù)量，這都會導(dǎo)致沙源供應(yīng)不足，從而影響沙丘的形態(tài)。

圖6 新月形沙丘移動速率反比于寬度Fig.6 Inversely-proportional relationship between migration speed and width of barchans

4 結(jié)論

通過野外實地測量與高分遙感影像分析方法，探討了民勤綠洲外圍上風(fēng)向區(qū)域內(nèi)人工林固定和完全流動性新月形沙丘的形態(tài)特征與移動速率，本文得出以下幾點結(jié)論：

（1）2006—2022 年間，沙丘寬高比保持常數(shù)值16。2022年沙丘寬高比數(shù)據(jù)分散的原因，一是部分沙丘迎風(fēng)坡上的人工梭梭林影響了其形態(tài)-動力學(xué)過程；二是測量的不同區(qū)域風(fēng)力狀況和地表條件不同。大沙丘迎風(fēng)坡氣流的加速作用更強(qiáng)，丘頂?shù)娘L(fēng)力侵蝕作用更大，沙丘的沙源豐富度和地表條件也更加復(fù)雜多樣。

（2）高大沙丘年移動速度緩慢，年均移動距離小于3 m，屬于中等移動速度，其形態(tài)基本保持不變；低矮沙丘快速移動，年均移動距離大于10 m，屬于極快速移動速度。

（3）沙丘順風(fēng)向的年移動速率反比于其寬度，比例常數(shù)為718.52 m2·a-1。該區(qū)域內(nèi)快速移動沙丘占52.63%，極快速占15.79%，中等移動速度占31.58%。

（4）大沙丘多年形狀維持穩(wěn)定，沙粒在迎風(fēng)坡侵蝕并在背風(fēng)坡沉積的過程相對穩(wěn)定，沙丘移動緩慢。小沙丘形態(tài)變化劇烈，移動快速，移動過程中沙丘發(fā)育有進(jìn)一步減小的趨勢。