古尔班通古特沙漠风沙地貌研究进展评述

古尔班通古特沙漠是中国最大的固定、半固定沙漠,也是中国境内受西风环流影响最明显的沙漠之一.本文简介古尔班通古特沙漠风沙地貌的研究历史,综述区域风况和输沙势特征、主要沙丘类型分布格局、风沙物质来源、沙丘粒度特征、沙漠环境演变和纵向沙垄发育模式以及现代沙丘动态变化等方面的研究进展,指出研究中存在的问题并展望未来研究方向.     

古尔班通古特沙漠风沙活动特征与线形工程安全研究

古尔班通古特沙漠是我国第二大沙漠，沙丘类型以固定和半固定纵向沙垄为主。垄间和坡中下部沙面较为稳定，仅在沙垄顶部存在10—40m宽度不等的流动带，风沙活动规律独特。近年来在沙漠腹地修筑的公路、引水渠等线形工程，不可避免地造成沙垄切剖和保护层破环，所引发的工程安全问题引起了人们的普遍关注。通过风况分析和实地观测，对沙漠腹地风沙活动特征进行了初步研究，同时对线形工程风沙危害进行监测，在此基础上提出现有防护体系存在的主要问题与对策。     

放牧对古尔班通古特沙漠南部 沙垄地表性质的影响

分别于2002 年和2005 年对古尔班通古特沙漠南部的同一条半固定沙垄, 进行了放牧前后的地表覆盖(包括植物和生物结皮)、沙面活动强度和土壤理化性质的系统监测和研究。 主要结论如下: 2002 年, 自然沙垄80%以上的地表被植物和生物结皮所覆盖, 除沙垄顶部外, 其他部位基本处于稳定状态。2005 年受放牧干扰的影响, 生物结皮破损率达到80%以上, 同期植物覆盖不及2002 年的1/5, 特别是短命植物变化最明显。2005 年输沙势只有2002 年的1/3, 但沙面活动强度是2002 年的2.6 倍, 活动区域也从垄顶部扩展至整个沙垄表面。 放牧后地表组成物中的中沙含量增加了13.9%, 而细沙和极细沙含量分别减少了7.4%和 8.0%, 沙垄各部位有机质含量在放牧后一个风季即下降了近1/2。可见, 放牧造成地表保护条件的多重损害, 使沙漠地表稳定性趋于丧失。其细粒物质及有机质的大量流失, 也将对我国温带荒漠生态系统的可持续发展产生重要影响。     

古尔班通古特沙漠腹地半固定沙垄顶部风沙运动规律

利用DETI可移动测风系统,结合多向集沙、阶梯式积沙和总体沙面活动强度观测,系统研究了古尔班通古特沙漠腹地半固定沙垄表面风沙运动规律。结果表明:沙漠腹地沙垄两坡和垄间多被植被与生物结皮覆盖,地表处于稳定状态,地表输沙主要集中于垄顶部至两坡上部。系统性天气条件下,气流以净风状态在迎风坡持续加速,至垄顶迎风侧边缘流速增至最大并开始起沙,风沙流越过垄顶后受植被阻挡和回旋涡流的双重影响,在垄顶背风侧上部急剧减速并发生沙物质沉积,此后气流速度又逐渐恢复。起沙风由沙垄两侧交替入射,不断将沙物质从垄顶一侧搬运到另一侧。流动带两侧沙面活动剧烈,流动带中部作为过沙床面,蚀积变化低于两侧。垄顶输沙量沿垂线方向呈指数分布,输沙率、各高度层输沙量以及沙物质输移高度都随着风速的增大而增大。垄顶部距地表6 cm和10 cm以内的输沙量分别占总输沙量的80%和90%。垄顶输沙势与实测输沙量之间具有良好的相关性,初步推测1VU的输沙风能在垄顶1 m的过沙宽度上可以产生25 kg的输沙。     

风向对半固定沙垄表面风速影响——以古尔班通古特沙漠为例

利用DETI可移动测风系统对古尔班通古特沙漠半固定沙垄表面风速进行实地观测,获取了主要风季不同风向条件下沙垄表面7个典型部位距离地表20 cm、40 cm、60 cm、100 cm和200 cm 5个高度的风速系列数据,系统研究风向对半固定沙垄表面坡面风速及风速廓线的影响。结果表明,迎风坡的气流加速和背风坡的风速降低现象在实际观测中得到证实,但受风向的影响甚大。垄顶风速放大率随入射角的增大呈指数关系递增,而背风坡风速占垄顶风速的比率则随入射角的增大呈线性关系递减。大角度入射气流速度变化主要受控于沙垄形态,小角度入射气流速度变化主要受控于地表植被状况。无论气流以何种角度入射,距沙垄表面20 cm高度气流的加速均较其他高度缓和。沙垄底部和坡中下部的风速廓线变化趋势基本一致,且呈较好的对数拟合关系;两坡中上部和垄顶部的对数拟合方程相关系数偏小;受回旋涡流的影响,风速廓线在背风坡上部有明显偏折,初步断定涡流中心在距地表40 cm左右的高度。     

塔克拉玛干沙漠腹地复合沙垄的流场和上覆沙丘组合及动态特征

复合沙垄是最大的沙丘地貌类型之一，表现为简单沙丘类型的垂直叠加和水平连接，在沙垄的高大地形影响下，沙垄不同部位形成不同的风沙环境特征。以塔克拉玛干沙漠腹地/复合沙垄为例，通过野外实地观测研究其流场和上覆沙丘组合特征。研究结果表明，复合沙垄的流场可分为沙垄迎风坡气流加速区、沙垄背风坡气流转向减速区、垄间粗沙平地气流风速风向恢复区和气流风速稳定区。受沙垄流场和地形的控制，沙垄上覆新月形沙丘链，垄间地分有简单新月形沙丘、沙堆、沙片、侵蚀地、简单线形沙丘。上覆沙丘分布特征表现为：垄间地上覆新月形沙丘疏密度较小，沙垄迎风坡和沙垄背风坡上覆新月形沙丘疏密度较大，而且超过1，说明沙垄迎背风坡上覆沙丘有叠置现象。沙垄上覆沙丘高度自沙垄迎风坡底部到顶部增高，背风坡上覆沙丘高度自沙垄顶部到背风坡底部减小，上覆沙丘在自身形态、地形和流场的共同影响下，存在相对运动，表现为分布进一步集中，因此沙垄有增高的趋势。     

古尔班通古特沙漠短命植物分布 及其沙面稳定意义

从植被稳定沙面的角度出发,通过2002年对古尔班通古特沙漠南部沙垄表面植物种类、高度和盖度等的系统监测,阐明短命植物在单个沙丘上的时空分布规律。并对气象资料和人类活动扰动沙面后短命植物的自然侵入等进行综合分析,探讨沙面稳定中短命植物的重要作用。研究区总计有45种植物,其中短命植物29种。4月初短命植物萌动出土,在两个月左右的时间完成整个生长发育过程。4、5、6三个月正是北疆沙漠风沙活动强盛期,大部分沙垄表面乔灌木和长营养期草本植物盖度不足10%,而短命植物盖度则分别达到13.9%、40.2% 和14.1%,是古尔班通古特沙漠植被稳定沙面的主要贡献者。对工程行为扰动沙面后的植物恢复调查显示,短命植物是首先入侵的先锋植物。     

古尔班通古特沙漠西南缘新月形沙丘内部沉积构造特征研究

沙丘内部沉积构造保存了沙丘动力演变过程的重要信息。以古尔班通古特沙漠西南缘固定、半固定新月形沙丘区为研究区域,利用探地雷达在春、秋两季对固定、半固定新月形沙丘内部构造进行探测,获取了不同规模形态的固定、半固定新月形沙丘深约8 m的内部构造图像信息。通过图像增益处理、解译和对比分析表明：（1） 古尔班通古特沙漠固定、半固定新月形沙丘共有5种沙丘内部构造雷达相,即高倾角斜层理、楔状交错层理、上凸形交错层理、低倾角-近水平层理和块状层理,其中前4种主要分布在3~5 m的浅层,而块状层理主要分布在4~5 m以下的深度。（2） 高倾角斜层理、楔状交错层理主要分布在高大新月形沙丘（链）的迎风坡上部和丘顶地带,前者为背风坡前积层埋藏而成,反映高大新月形沙丘迎风坡上部和丘顶风沙活动较频繁,沙丘“固身缩顶”后埋藏的前积纹层因风蚀而出露,后者为迎风坡风蚀坑和风蚀槽中由风沙流充填而成的构造或在丘顶风向的季节性变化形成的构造。（3） 与灌丛沙丘相关的上凸形交错层理广泛分布在新月形沙丘的迎风坡中下部,在背风坡也有局部出现,表明灌丛沙丘在沙丘表层的风沙过程中占有重要地位;而深部的块状层理可能是早期风积层受到强烈的生物扰动,原生层理消失而产生。（4） 以上沙丘内部构造的类型与组合分布特点,反映了研究区新月形沙丘总体上趋于稳定或衰退状态,这与现代沙丘“固身缩顶”的地貌变化特征相一致。例如,迎风坡中上部和丘顶常见风蚀槽,背风坡因坡度变缓、前积层发育趋缓,现代风沙活动主要集中于新月形沙丘的上部和丘顶等。由此可见,研究区固定、半固定新月形沙丘内部构造及其组合分布特征异于流动新月形沙丘,也与半个多世纪以来北疆沙漠气候变暖变湿、平均风速减弱、植被盖度增加的区域自然地理环境变化趋势有一定的吻合性。     

塔克拉玛干沙漠腹地复合沙垄间地新月形沙丘的逆向演变

通过对塔克拉玛干沙漠腹地复合沙垄间地新月形沙丘的形态变化、分布特征、移动特征进行测量,计算出沙丘移动输沙变化,证实该区存在新月形沙丘逆向演变。逆向演变过程的发生主要由于沙垄间地的高度不饱和风沙流和该区新月形沙丘较小的高度。高度不饱和风沙流形成于沙垄背风坡底到垄间地中部的加速过程和粗沙地表的作用,从沙垄底部到垄间地中部的粒度变化,风沙流垂直结构都有所反映。新月形沙丘为沙垄背风坡上覆沙丘脱离沙垄而成,高度在2m左右,该区次风向使新月形沙丘宽度减小以及粗沙地表在强弱风交替作用下增加沙丘移动过程中沙丘沙的滞留量都有利于沙丘逆向演变。     

古尔班通古特沙漠半固定沙垄表面风的脉动特征

利用DETI可移动测风系统,对古尔班通古特沙漠半固定沙垄进行实地观测,获取了主要风季沙垄表面7个典型部位200 cm高度的风向及距离地表20 cm、40 cm、60 cm、100 cm和200 cm 5个高度的风速系列数据。对风速和风向的脉动特征进行分析研究,发现凸起的沙垄不仅影响平均风速在沙垄表面的变化,亦对风速及风向脉动产生显著影响。结果表明,平均风速沿迎风坡逐渐增大,至垄顶达到最大,在背风坡中上部剧烈降低,随后又缓慢恢复。随着入射角的增大,平均风速在沙垄表面的变化幅度也在增大;绝对风速脉动具有与平均风速相同的变化趋势,且随距地表高度的增加绝对风速脉动值亦在增大;就相对风速脉动（阵性度值）而言,背风坡阵性度值要高于迎风坡,其中背风坡中上部是整个沙垄表面阵性度最高的部位,这与背风侧涡流的存在密切相关;沙垄背风坡风向脉动强度远比迎风坡大,随着入射角的减小,背风坡风向的偏转作用也在加强,而涡旋作用相对减弱。     

腾格里沙漠不同类型沙丘土壤水分含量与地形-植被因子关系研究

土壤水分是沙区主要的生态限制因子,其分布受气候、地形和植被等众多因素的影响。以腾格里沙漠沙坡头地区3种类型的沙丘（固定沙丘、半固定沙丘和流动沙丘）为研究对象,利用方差分析和冗余分析（RDA）等方法对沙丘不同部位和不同深度土壤水分的分布特征及其与地形-植被因子之间的关系进行了综合分析。结果表明：（1） 不同类型沙丘上0~300 cm的土壤水分随着深度的增加而增加,表层土壤水分的波动程度大于中层和深层。（2） 固定沙丘不同部位及不同深度的土壤水分之间没有明显的差异,半固定沙丘和流动沙丘迎风坡与丘底的土壤水分高于背风坡和丘顶。（3） 固定沙丘上的土壤水分受地形-植被因子的影响较半固定沙丘和流动沙丘小,影响固定沙丘土壤水分的主要因子有坡向、高差和灌木多度。（4） 地形-植被因子与研究区绝大多数半固定沙丘和流动沙丘的土壤水分均有负相关关系。研究揭示了腾格里沙漠土壤水分的分布规律及其与地形-植被因子的关系,对制定相应的防风固沙措施以及建立科学合理的植物固沙模式有积极的指导作用。     

腾格里沙漠东南缘不同固定程度沙地土壤表层水分时空变化遥感分析

土壤表层水分是固沙植被生长的主要水分来源,其时空变化格局决定了固沙植被的稳定性和演替方向。整合被动微波和光学数据的时空分辨率优势建立模型、反演土壤表层水分,可为不同固定程度沙地固沙植被稳定性评价提供科学依据。以腾格里沙漠东南缘为研究区,选取2003-2011年生长季(5-9月)AMSR-E土壤水分产品与MODIS数据,利用归一化植被指数NDVI、地表温度T_s,采用多元回归的方法,将空间分辨率为0.25°的AMSR-E土壤水分数据降尺度为每月的1 km平均表层土壤水分的时间序列数据,结合沙丘类型数据,分析了不同沙丘类型下土壤水分的时空异质性。结果表明:流动沙地的土壤水分空间分布与整个区域的差异性高于半固定沙地和固定沙地,而在极端干旱年份,研究区的整体分异不大,但同一类型间,固定沙丘空间差异明显高于半固定沙丘和固定沙丘;3种沙地类型表层土壤平均含水量在不同月份具有相似的变化规律,即土壤含水量5-9月呈抛物线形状,先下降后上升,7月达到最低,从同一月份不同沙地类型看,研究区表层土壤水分含量依次是固定沙地>半固定沙地>流动沙地;年际土壤水分在流动沙地和半固定沙地随降雨的变化而变化,而固定沙地基本不变。     

窟野河流域河岸沙丘地貌格局及变化

风水交互作用是黄土高原北部风蚀水蚀交错带特殊的侵蚀营力，并致该区土壤侵蚀强度加重。以毛乌素沙地窟野河流域作为研究区，基于影像解译及数理统计方法，研究河道与沙丘交互地貌过程。结果表明：（1）窟野河“三河夹沙”区沙地以河流为中心呈现出对称条带状格局分布，距离河流，依次呈现出流动沙丘、固定半固定沙丘、丘陵沟壑区的空间格局；（2）典型河段河道与沙丘空间格局呈现出河道穿越流动沙丘、河道两侧斑块状沙丘镶嵌分布、两河交汇处流动沙丘分布等3种格局；（3）河道弯曲系数与河道两侧沙丘活动性的变化之间呈现出一定的对应关系。     

半干旱区不同类型沙丘风沙流结构特征

采用两种阶梯式集沙仪和小型气象站于2017年4—5月对科尔沁沙地流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘0~75 cm气流层风沙流的总输沙量、输沙率、粒径组成分布和风蚀特征值进行了观测。结果表明：（1）随着高度增加,总输沙量下降,随着风速增加,总输沙量上升;92.20%~95.60%的输沙量发生在0~21 cm高度。（2）总输沙率（Q）流动沙丘>半固定沙丘>固定沙丘,将Q与地上200 cm风速进行函数拟合,流动沙丘幂函数最佳（R²=0.986）,半固定（R²=0.990）和固定沙丘（R²=0.956）指数函数最佳。（3）将各高度的输沙率与地上200 cm风速进行函数拟合,流动沙丘（R²≥0.905）和半固定沙丘（R²≥0.968）拟合度幂函数好于指数函数,固定沙丘（R²≥0.923）指数函数优于幂函数。（4）在一定高度下,3类沙丘输沙率均随着风速的增加而增加;在一定风速下,输沙率随着高度的增加而逐渐递减。（5）3类沙丘的特征值随着风速的增加呈现出逐渐递增的趋势;流动沙丘以λ>1为主,表现出持续侵蚀输送沙粒的能力;半固定沙丘当风速>9.0 m·s^-1时逐渐出现侵蚀状态;固定沙丘以λ<1为主,近地表风沙以堆积状态为主。（6）3类沙丘主要由粒径为0.1~0.25 mm的细沙构成,在0~30 cm高度,细沙占输沙量的50.09%~85.11%,在30~75 cm高度,细沙占输沙量的43.53%~75.53%。     

Effects of dune stabilization on vegetation characteristics and soil properties at multiple scales in Horqin Sandy Land, Northern China

Ecological patterns and processes in dune ecosystems have been a research focus in recent years, however information on how dune stabilization influences vegetation and soil at different spatial scales...     

古尔班通古特沙漠灌木冠幅预测模型

古尔班通古特沙漠是中国第二大沙漠,也是中国固定和半固定沙丘主要分布区,固沙灌木种较多。冠幅不仅是反映固沙灌木可视化的重要参数,也是反映沙漠植被生长情况的重要变量。以3种沙丘（固定沙丘、半固定沙丘和流动沙丘）上主要固沙灌木为研究对象,利用12种基础模型、BP（Backpropagation Neural Network）神经网络和支持向量机（Support Vector Machine,SVM）机器学习算法建立了基于固沙灌木株高和冠长率的冠幅预测模型,同时将两种机器学习算法拟合结果与基础模型进行比较,最终选出了适合研究区的冠幅预测模型。结果表明：（1）不同沙丘类型和不同灌木种类的最优冠幅预测模型不同,且固定沙丘和半固定沙丘模型优于流动沙丘。3种沙丘类型最优拟合为M2（Quadratic Model）模型;（2）白梭梭（Haloxylon persicum）在半固定沙丘和流动沙丘上拟合的最优模型分别为M2、M7（Gompertz）,沙拐枣（Calligonum mongolicum）最优模型为M2,蛇麻黄（Ephedra distachya）和油蒿（Artemisia ordosica）在半固定沙丘和流动沙丘上拟合较优模型分别为M2、M7。总体来说,基础模型M2和M7可以较好地预测不同类型的灌木冠幅值;（3）基于径向基（Radial Basis Function）核函数的支持向量回归机的冠幅预测模型明显优于BP神经网络模型。     

毛乌素沙地风沙土粒径分布特征及其影响因素

为揭示毛乌素沙地风沙土粒径分布特征，推测其影响因素，以毛乌素沙地流动、半固定和固定沙丘风沙土为研究对象，利用激光衍射技术分析其粒度组成，并计算粒度参数，解析粒配曲线，研究结果表明：（1） 毛乌素沙地风沙土优势粒径组为细砂，其平均体积含量约为29.89%～32.46%，不同类型沙丘无显著差异（P>0.05）；少数粒径组分为粗砂、黏粒和极粗砂，其中流动沙丘与半固定、固定沙丘黏粒与粗砂含量均无显著差异（P>0.05），从半固定到固定沙丘，黏粒含量显著增加（P<0.05），粗砂含量显著减小（P<0.05），从流动沙丘到固定沙丘，极粗砂含量显著减小（P<0.05）。（2） 毛乌素沙地风沙土平均粒径为3.35 Φ，粒度分布集中，分选性较差，偏度状况为正偏，尖窄峰态。在沙丘固定的过程中，平均粒径与标准偏差无显著变化（P>0.05），峰态显著变宽平（P<0.05），半固定沙丘偏态值与其他2种沙丘相比显著偏负（P<0.05）。（3） 流动、半固定与固定沙丘跃移组分的粒径区间分别为44～435 μm、63～500 μm和31～354 μm，风沙运动在半固定沙丘中最为强烈。毛乌素沙地风沙土优势粒径组分含量主要受物源影响，少数粒径组分含量主要受沙丘流动性影响，风沙运动强度随沙丘的固定呈先增大后减小的规律。     

草方格固沙带对垄间新月形沙丘形态和移动的影响

为了探讨草方格固沙带对沙丘形态和移动的影响,在塔克拉玛干沙漠腹地的塔中地区,2004年我们在垄间地设置了观测区,对区内新月形沙丘进行了动态测量。数据分析表明,草方格固沙带对垄间低矮新月形沙丘的逆向演变过程和移动扰动很大:在固沙带迎风边缘邻区,沙丘呈正向演变,沙丘移动速度下降;在固沙带内部沙丘呈逆向演变,移动速度加快,而且逆向演变速率大于自然沙面的沙丘。固沙带不能改变沙丘逆向演变的趋势,但从整体上来看,沙丘在固沙带边缘邻区的正向演变延缓了沙丘的逆向演变速率。固沙带对沙丘形态的影响源于削弱近地表风动力、固定沙面使风沙流趋于极度不饱和,而固沙带通过改变沙丘的形态和体积以及地表风沙流的饱和度进而影响沙丘的移动。