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2023 , Vol. 78 >Issue 7: 1809 - 1824

DOI: https://doi.org/10.11821/dlxb202307018

植被地理与地表过程

浑善达克沙地沉积物粒度特征及其指示意义

  • 俞鑫晨 , 1 ,
  • 李鸿威 , 1 ,
  • 杨小平 1 ,
  • 刘子亭 2 ,
  • 张德国 1 ,
  • 任孝宗 3
展开
  • 1.浙江大学地球科学学院，杭州 310058
  • 2.聊城大学地理与环境学院，聊城 252000
  • 3.太原师范学院地理科学学院，晋中 030619
李鸿威(1985-), 男, 河北围场人, 博士, 副教授, 硕士生导师, 主要从事古水文、荒漠化、干旱区环境变化研究。E-mail:

俞鑫晨(1997-), 男, 浙江海宁人, 硕士生, 主要从事干旱区地表过程研究。E-mail:

收稿日期: 2023-03-31

  修回日期: 2023-07-06

  网络出版日期: 2023-08-01

基金资助

国家自然科学基金项目(41871007)

国家自然科学基金项目(41501224)

科技部基础资源调查专项(2017FY101001)

收起

Grain size characteristics of sediments in the Hunshandake Sandy Land and its implications

  • YU Xinchen , 1 ,
  • LI Hongwei , 1 ,
  • YANG Xiaoping 1 ,
  • LIU Ziting 2 ,
  • ZHANG Deguo 1 ,
  • REN Xiaozong 3
Expand
  • 1. School of Earth Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
  • 2. School of Geography and Environment, Liaocheng University, Liaocheng 252000, Shandong, China
  • 3. School of Geography Science, Taiyuan Normal University, Jinzhong 030619, Shanxi, China

Received date: 2023-03-31

  Revised date: 2023-07-06

  Online published: 2023-08-01

Supported by

National Natural Science Foundation of China(41871007)

National Natural Science Foundation of China(41501224)

Special Funds from the Ministry of Science & Technology of China(2017FY101001)

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摘要

沙漠/沙地中沉积物的粒度是物源及各种地表过程长期作用的结果。研究沉积物粒度特征对认识沙漠/沙地形成演变和防沙治沙具有重要意义。本文对浑善达克沙地不同类型沉积物进行了详细采样，对其进行粒度和端元分析。结果表明，浑善达克沙地风成沙受风力分选作用影响，平均粒径和分选系数沿盛行风向存在显著变化趋势。偏度和峰度的空间格局较为复杂，可能与局地物源、沉积环境和植被覆盖等因素有关。端元分析结果显示，风成沙含有6个端元（EM），其中EM1与沙地西部湖相沉积露头有关；EM2来自松散的河湖相沉积物，在风力作用下呈现显著空间变化；EM3是风成沙的主要物质来源，与河流携带的碎屑物质有关；EM4可能来源于周围山体的冲洪积物；EM5和EM6粒度最粗，与间冰期河湖相沉积物中的粗粒组分相似。浑善达克沙地沉积物粒度特征表明，风成沙主要来自沙地附近不同时期的河湖相沉积物，远源贡献较少。沙地西部是风成沙的主要源区，在风力作用下较细组分的风成沙向沙地中东部运移，而沙地南缘和东缘河流也为其邻近区域贡献了沙源。本文研究说明，通过高密度采样并结合端元分析，沉积物粒度可解决地表过程复杂的沙漠地区风沙物源识别问题。

关键词： 风成沙; 粒度; 端元分析; 浑善达克

本文引用格式

俞鑫晨 , 李鸿威 , 杨小平 , 刘子亭 , 张德国 , 任孝宗 . 浑善达克沙地沉积物粒度特征及其指示意义[J]. 地理学报, 2023 , 78(7) : 1809 -1824 . DOI: 10.11821/dlxb202307018

Abstract

The grain size of sediments in sand seas is influenced by both sand provenance and various surface processes. This study collected 224 sedimentary samples from the Hunshandake Sandy Land including aeolian sand, fluvial and lacustrine sediments. Grain size measurement and end member analysis found that the mean grain size and sorting of aeolian sand generally decreased across the Hunshandake Sandy Land downwind in the SE direction. The spatial variations of skewness and kurtosis are more complex, indicating that the grain size parameters of aeolian sand are affected by the local provenance, depositional environment, and vegetation coverage. The end member analysis shows that the aeolian sand contains six end members (EM). EM1 is related to lacustrine outcrops in the western sandy land, while EM2 is likely to originate from loose fluvial and lacustrine sediments, controlled by both wind and topography. Fluvial deposits contribute to the widely distributed EM3, which is the dominant aeolian sand fraction found across the region. EM4 is predominantly found in the outer regions of the sand sea and closely associated with alluvial/fluvial deposits. EM5 and EM6 have the coarsest grain size and may originate from lacustrine/fluvial sediments that accumulated during past interglacials. Our findings suggest that the dune sand in Hunshandake mainly comes from the lacustrine/fluvial deposits around the sand sea, while the sand belt is unlikely to be a major source of dune sand. Aeolian sand with different sources is mixed in the western Hunshandake with fine fractions moved by the prevailing wind to the central and eastern parts of the sand sea. Rivers originating from the southern and eastern mountains also contribute aeolian sand to the adjacent areas. This study highlights the importance of extensive sampling combined with end member modeling for discriminating aeolian sand sources in desert areas.

Key words： aeolian sand; grain size; end member analysis; Hunshandake

1 引言

全球陆地有超过1/3的面积是干旱和半干旱区，这些广大的干旱、半干旱区是地球表层系统的重要组成部分，影响着全球气候、环境和人类生存[1-2]。沙漠/沙地是这些地区重要的地理单元，其形成是地貌、水文、气候及人类活动等多因素长期相互作用的结果，涉及多种地表过程[3-4]。沙漠地区环境敏感脆弱，是研究地表各圈层相互作用及人地关系的天然实验室[5⇓⇓-8]。风沙物源及地表过程研究对理解沙漠形成演化及沙区环境治理具有重要的科学价值和现实意义。
粒度是沙漠/沙地表层沉积物的基本特征，蕴含着地表过程信息[9⇓⇓⇓-13]。前人已成功利用风沙粒度特征对中国塔克拉玛干沙漠[14]、巴丹吉林沙漠[12,15]、腾格里沙漠[9]、毛乌素沙地[13]、库布齐沙漠[13]、黑河下游[16]和浑善达克沙地[17]等地区进行了物源示踪和沉积环境识别研究。端元分析是粒度研究的有效手段，可从粒度特征中提取出不同的沉积动力信息[18⇓⇓-21]，反映了沉积物物源和地表过程的变化[22⇓-24]，是区分物源的重要方法。对沙漠/沙地表层沉积物进行端元分析有助于解决此类地区物质来源多样、地表过程复杂的问题。
浑善达克沙地位于中国重点生态功能区的北方防沙带[25]，是京津风沙源治理工程的关键区域[26]。这一地区的风沙活动及荒漠化一直是学界研究的热点[27⇓⇓-30]。风沙物源及地表过程研究对防沙治沙至关重要。前人利用多种手段对浑善达克沙地物源进行了探讨。如谢静等[31]利用碎屑锆石U-Pb年龄和Hf同位素的方法研究认为，沙地风成沙来源于燕山褶皱带和中亚造山带；Yang等[32]基于风沙颗粒石英氧同位素的结果，指出沙地风成沙来自火成岩；Lü等[33]根据石英的释光信号灵敏度特征，认为沙地风成沙来源于周边造山带；Liu等[34]运用地貌学和地球化学的手段得出，沙地风成沙是周边山体基岩的碎屑物质混合而成。这些研究均指出沙地周边山体对物源的贡献，但样品数量普遍较少，代表性相对不足，也缺少详细的地表过程研究。基于此，本文通过对浑善达克沙地进行大范围、高密度的采样，详细研究不同类型沉积物粒度特征，探讨风沙物源和地表过程，进而为浑善达克沙地形成演化和风沙治理提供参考，并为其他沙漠的相关研究提供借鉴。

2 研究区概况

浑善达克沙地是中国东部四大沙地之一，位于内蒙古高原东部（图1）。该沙地在地势上总体自东南向西北倾斜，高程介于1000~1500 m，在116.5°E处地形轻微隆起（图 1a）。沙地南部靠近阴山、燕山山脉，北接锡林郭勒草原，东部邻近大兴安岭，西部有一条5~20 km宽的沙带一直延伸至蒙古国境内，总面积约29500 km2（图1）。浑善达克沙地地处温带大陆性气候区、东亚夏季风北缘，年均降水量自东南部的400 mm递减至西北部的150 mm左右（图2a）。受降水控制，浑善达克沙地植被覆盖度从东南部向西北部递减（图2a），植被从东南部的草甸和森林草原过渡到西北部的荒漠草原（图2c、2d）。浑善达克沙地以固定、半固定沙丘为主，含少量流动沙丘，沙地东部多固定沙丘，西部多半固定沙丘。沙丘类型主要有新月形沙丘、抛物线形沙丘、线性沙丘和格状沙丘等，沙丘高度从几米到30米不等[35]。输沙势玫瑰图显示，沙地内潜在输沙势基本>200 vu（Vector Unit，矢量单位），整体属于中风能搬运环境[36]。沙地的盛行风向为偏西风和西北风，受地形影响，沙丘在大兴安岭西麓形成爬坡沙丘（图2e）。研究区南部发育多条河流，大多自南向北流入沙地。在沙地东南缘和东部分别有滦河支流和西拉木伦河等少量外流河（图1a）。浑善达克沙地有着丰富而复杂的古水文活动历史。全新世中期，在湿润的气候条件下，沙地东部河湖相连，水文网密集[37]。晚更新世以来，沙地西部曾在末次间冰期和全新世中期发育过两次古大湖，其中，末次间冰期湖泊面积达15500 km2 [38]。此外，在沙地中西部分布着大量湖相沉积露头，疑为早、中更新世沉积（图1a）。水文活动所产生的河湖相沉积物为沙丘发育提供了物质基础，与沙地的形成演化有着密切联系[39]。
图1 浑善达克沙地地貌概况及采样点分布

注：图a为1981—2010年沙地周边二连浩特、朱日和、阿巴嘎旗、锡林浩特和多伦气象站输沙势玫瑰图，输沙势玫瑰图根据Fryberger等[36]的方法进行计算；风况数据来源为 https://www.ncei.noaa.gov/access/search/data-search/global-hourly；图b中橙色区域为沙漠，绿色区域为沙地，蓝线为400 mm年等降水线。

Fig. 1 Map showing regional geology and sampling locations of the Hunshandake Sandy Land

图2 浑善达克沙地气候与主要景观类型

注：降水数据来自国家地球系统科学数据中心(http://www.geodata.cn)；NDVI数据来自美国宇航局地球观测系统数据和信息系统(https://www.earthdata.nasa.gov)；照片c、f、g由俞鑫晨于2020年9月拍摄，照片d由俞鑫晨于2022年8月拍摄，照片e和h由李鸿威分别于2011年9月和2020年9月拍摄。

Fig. 2 Regional settings and examples of landscapes found in the Hunshandake Sandy Land

3 材料与方法

3.1 样品采集

通过对遥感影像和数字高程模型（DEM）的解译和分析，并结合野外考察，我们对浑善达克沙地不同沉积物进行了详细采样，采样点分布如图1a所示。样品包括：① 流动、固定和半固定沙丘以及平沙地等风成沙样品（图2f）179个（其中，浑善达克沙地西缘的沙带样品20个）；② 南部河流沉积物样品（图2g）17个；③ 湖相沉积物样品（图2h）28个（包括15个湖相露头沉积物和13个湖滨沉积物）。为了提高样品代表性，沙丘样品均采集于沙丘顶部，同时为了消除沙波纹对风成沙分选的影响[3]，样品采集均位于地表以下5~10 cm处。其余表层沉积物采样深度同样为5~10 cm，但对天然露头或沉积剖面中的湖相沉积物则在清理出新鲜面之后再采集样品，以上所有样品均采集500~1000 g。

3.2 粒度测量与分析

在进行粒度测量之前，对有机质较多、有次生矿物（碳酸盐）生成而固结的样品（主要为河湖相沉积物）进行前处理。前处理方法参考Konert等[40]。取5~10 g样品于烧杯中，在烧杯中加入去离子水润湿并置于电热板上加热，期间每次加入5 mL浓度为10%的双氧水，使其充分反应直至去除全部有机质；再加入5 mL浓度为10%的盐酸并蒸干数次，使其充分反应直至完全去除碳酸盐；将烧杯中的样品转移至50 ml离心管中，加入适量去离子水进行稀释，离心清洗3~4次直至溶液呈中性。将所有样品置于50°C烘箱中烘干以备用。为保证河湖相沉积物的粒度区间和风成沙大致相同，本文利用Retsch AS振动筛分仪对含有砾石的样品（主要为河流沉积物）进行过筛处理，选用1000 μm的筛盘进行筛分，取小于1000 μm的部分进行分析。
粒径测量选择Camsizer® X2粒度粒形分析仪，仪器采用动态图像分析法（ISO 13322-2）来表征沉积物的粒径，量程为0.8 μm~5 mm。Camsizer® X2利用LED频闪光源和2个高分辨率摄像机（基准镜头和变焦镜头）对颗粒进行拍摄并测量。为修正粗、细颗粒移动速度差异导致的粒度分布曲线偏差，在测试前需进行速率匹配，因此需将样品制备成相同的两份，一份用于速率匹配，一份用于正式测量。Camsizer® X2测量的粒径包括等效球径（Xarea）、最短轴（Xc min）和最长轴（XFe max），本文统一使用最短轴（Xc min）来表征粒径。粒径参数（平均粒径（Mz）、分选系数（σI）、偏度（SkI）和峰度（KG））使用Folk等[41]提出的计算方法，在Blott等[42]开发的GRADISTAT软件上完成。

3.3 粒度端元分离

端元分析是区分沉积物中不同组分的有效方法，在各类沉积物搬运机制及物源分析中已有广泛应用[24,43⇓ -45]。本文所采用的端元分析是基于Weltje等[18]的端元分析模型（EMMA）开发的AnalySize模型算法[21]。端元分离采用通用威布尔算法进行，该算法利用3个参数（形状、比例和位置）来控制分布，能使每个数据集分解出最优的端元组合。Van Hateren等[46]研究认为，在多个现有的端元分析模型之中，AnalySize能够更准确地提取混合样品中的端元组分。本文首先将沉积物分成4类，分别为浑善达克沙地风成沙和其3类潜在物源：西部沙带风成沙、河流沉积物和湖相沉积物（图1a），再利用AnalySize模型算法对4类沉积物分别进行端元分析。

4 结果与分析

4.1 沉积物粒度特征

如图3所示，不同沉积物的粒度特征存在较大差异。浑善达克沙地风成沙样品主要以单峰为主，峰形较窄（图3a~3c）；沙带风成沙、河流与湖相沉积物主要以双峰或多峰为主，峰形与前者相比更宽（图3d~3h）。表1汇总了浑善达克沙地不同沉积物的粒径参数特征。结果显示，河流沉积物最粗，平均粒径均值为433 μm（表1）。湖相沉积物的平均粒径均值存在较大差异，其中湖相沉积露头样品普遍较细，Mz均值为167 μm，且分布范围较集中，为112~257 μm；而湖滨沉积物较粗，Mz均值达407 μm，分布范围也是所有沉积物中最宽的，为158~670 μm（表1）。风成沙样品平均粒径分布范围与湖滨沉积物相近，但风成沙平均粒径的标准偏差显著小于湖滨沉积物（表1）。
图3 不同类型沉积物粒度分布曲线

注：黑色虚线为平均粒度曲线。

Fig. 3 The grain size distribution of different sediment types

不同沉积物的分选系数（σI）同样存在显著差异。沙地中部和东部的风成沙分选性最好，分选系数均低于1，其均值分别为0.52和0.54（表1）。沙地西部和沙带的沙丘风成沙分选系数明显高于中、东部，均值分别为0.70（范围为0.39~1.01）和0.78（范围为0.58~1.07）（表1）。河流、湖相沉积物（包括湖相沉积露头样品和湖滨沉积物样品）以及沙带平沙地样品分选性较差，分选系数均值分别为0.84、0.83、0.79和0.84，范围分别为0.48~1.20、0.43~1.25、0.44~1.40和0.52~1.13。湖相沉积物的偏度值变化较大，从极负偏（-0.35）到极正偏（0.54）都有分布（表1）。河流沉积物均为正偏，偏度均值为0.22，范围为0.05~0.58。风成沙偏度值范围也较大，为-0.24~0.54。湖相沉积物的峰度与偏度类似，范围较宽（0.79~1.93），从低峰态到特尖峰态均有分布。相对而言，其他类型沉积物的峰度值低得多，大多为低峰态或常峰态（表1）。
表1 浑善达克沙地沉积物粒径参数特征

Tab. 1 Characteristics of sediment grain size parameters in the Hunshandake Sandy Land

沉积物类型 采样位置 数量 统计参数 平均粒径Mz(μm) 分选系数σI(φ) 偏度SkI 峰度KG
风成沙
(沙带)		 沙丘 13 平均值 389 0.78 0.14 0.99
标准偏差 96 0.14 0.22 0.13
范围 265~625 0.58~1.07 -0.21~0.54 0.67~1.20
平沙地 7 平均值 284 0.84 0.06 1.01
标准偏差 69 0.23 0.15 0.15
范围 213~361 0.52~1.13 -0.10~0.35 0.84~1.32
风成沙
(西部)		 沙丘 49 平均值 327 0.70 0.10 1.01
标准偏差 78 0.17 0.15 0.10
范围 190~471 0.39~1.01 -0.24~0.41 0.79~1.25
风成沙
(中部)		 沙丘 48 平均值 251 0.52 0.06 1.00
标准偏差 74 0.15 0.09 0.04
范围 176~597 0.32~0.93 -0.11~0.34 0.90~1.11
风成沙
(东部)		 沙丘 62 平均值 242 0.54 0.08 1.01
标准偏差 50 0.14 0.11 0.07
范围 132~384 0.36~0.88 -0.15~0.46 0.79~1.14
河流
沉积物		 / 17 平均值 433 0.84 0.22 1.04
标准偏差 108 0.18 0.13 0.10
范围 206~640 0.48~1.20 0.05~0.58 0.92~1.28
湖相
沉积物		 湖相露头
沉积物		 15 平均值 167 0.83 0.06 1.15
标准偏差 44 0.24 0.22 0.30
范围 112~257 0.43~1.25 -0.35~0.54 0.92~1.93
湖滨
沉积物		 13 平均值 407 0.79 0.11 1.13
标准偏差 151 0.24 0.22 0.16
范围 158~670 0.44~1.40 -0.33~0.50 0.79~1.34
风成沙样品的部分粒径参数之间具有一定的相关性（图4a~4c）。分选系数和偏度均与平均粒径呈显著正相关（p < 0.001），但是峰度和平均粒径的相关性不显著（图4a~4c）。图4b显示，浑善达克沙地西部风成沙大部分都位于线性回归线之上，说明整体偏度值低于平均水平。
图4 浑善达克沙地风成沙粒度特征

注：插值方法为反距离加权法(Inverse distance weighting, IDW)；沙地西部MIS 5时期(末次间冰期)湖泊范围引自Li等[38]；沙地东部全新世中期湖泊范围引自Yang等[37]。

Fig. 4 Grain size characteristics of aeolian sand in the Hunshandake Sandy Land

4.2 风成沙粒径参数空间分布

浑善达克沙地风成沙粒径参数具有显著的区域差异（图4）。平均粒径总体上自西向东逐渐变小，最大值位于浑善达克沙地西部，最小值位于116°E附近的沙地中东部（图 4d）。西部风成沙的平均粒径变化幅度最大，接近200 μm（图4d）。除个别样品外，沙地中东部风成沙粒径整体较为均一（图4d）。风成沙分选系数的空间分布特征与平均粒径相似，沙地西部和沙带的风成沙分选性较差，自西向东分选性逐渐变好，但在沙地东缘又有变差趋势（图4e）。虽然风成沙的偏度和平均粒径有显著相关性，但在空间分布上二者有所不同，正偏样品主要位于沙地西北缘的湖相沉积露头和沙地东部全新世湖泊附近（图4f）。沙地中部风成沙的偏度大多接近正态分布（图4f）。风成沙的峰度沿盛行风向无显著变化趋势（图4g）。

4.3 沉积物粒度端元特征

在端元分析中，虽然高拟合优度（R2）、低端元自相关性（EM R2）和角度偏差是确定端元数量的主要依据，但并没有一个特定的数值标准来决定端元数量的设置。而端元数量设置不同会导致分析结果存在一定差异。为了降低端元数量设置带来的分析结果不确定性，我们对每一种沉积物选了数个候选端元数量进行分析，统计每个端元出现的频率及所占比例。根据不同沉积物的总体粒度特征（图3），本文分别选择3~6个、2~5个、2~5个和3~5个端元作为沙地风成沙、沙带风成沙、河流沉积物和湖相沉积物的潜在端元区间（图5）。
图5 浑善达克沙地不同类型沉积物粒度端元分析结果

注：端元分布曲线中的灰色线为样品粒度分布曲线。

Fig. 5 Grain size end member modelling results of different sediment types in the Hunshandake Sandy Land

浑善达克沙地风成沙在统计端元数区间内共出现11个端元，其中出现频率最高的端元有2个，峰值粒径分别是179 μm和247 μm，次高有3个，分别是129 μm、341 μm和471 μm（图5c）。风成沙样品中各端元的平均含量曲线有3个峰值，分别位于210 μm、400 μm和553 μm处（图 5c）。除最粗端元外，其余端元平均含量基本大于10%（图 5c）。如图5a、5b所示，浑善达克沙地风成沙在选择6个端元时，端元拟合优度（R2）大于0.99，端元自相关性较低（EM R2<0.12），且角度偏差已接近极小值。同时，6个端元也基本囊括了高频及高含量的端元（图5c），因此本文选择6个端元作为浑善达克沙地风成沙的潜在端元（图5d）。6个端元的峰值粒径分别为129 μm、179 μm、247 μm、341 μm、471 μm和764 μm。
沙带风成沙的总体粒度特征差异较大（图3d、3e），因此沙带风成沙也有多个端元。结果显示，沙带风成沙潜在端元区间内共有8个端元，其中峰值粒径为650 μm的端元出现频率最高，说明该端元几乎不受端元拟合数量变化的影响（图5g）。其次为峰值粒径分别是210 μm，400 μm和1054 μm的端元（图5g）。端元含量除最粗端元不足10%外，其余均较大（图5g）。当选择4个端元作为潜在端元数时，R2达到0.95，端元自相关性较低（EM R2<0.04），角度偏差小于10°，同时几乎涵盖所有高频端元（图5g）。因此，本文选择4个端元作为沙带风成沙的端元数，峰值粒径分别为210 μm、341 μm、650 μm和1054 μm。
如图5k所示，河流沉积物中出现频率最高的有4个端元，峰值粒径分别是247 μm、341 μm、553 μm和898 μm，端元含量比较高的峰值粒径为341 μm、471 μm 和650 μm。综合考虑，当河流沉积物端元数选择3个时，R2达到0.98以上，EM R2低于0.074，且角度偏差仅为6°左右（图5），3个端元的平均含量维持在一个较高水平（>20%），因此选择3个端元作为河流沙的端元数。
湖相沉积物的粒径范围分布最宽（表1），且湖相沉积露头样品和湖滨沉积物的粒度分布曲线差异较大（图3g、3h），因此湖相沉积物含有较多粒度端元。在所统计的端元模型中，湖相沉积物共出现了9个端元，其峰值粒径分别为129 μm、210 μm、247 μm、341 μm、400 μm、471 μm、553 μm、764 μm和898 μm（图5o）。频率最高的端元峰值粒径为129 μm，其次是247 μm（图5o）。湖相沉积物所有端元含量均大于10%，高含量端元峰值为129 μm、247 μm 和471 μm（图5o）。如图 5m、5n所示，当湖相沉积物端元数为4时R2在0.93以上，EM R2小于0.04，角度偏差小于10°，端元分解效果较好，因此选择4个作为湖相沉积物的端元数（图5p），峰值粒径分别为129 μm、247 μm、400 μm和764 μm。

5 讨论

5.1 风成沙粒径参数空间分布特征成因

研究区风成沙自西向东具有粒径变小、分选变好的总体趋势（图4），应是盛行西风、西北风（图1）长期作用的结果，这种现象在其他沙漠同样存在[14,47 -48]。同时也存在区域性特征，说明平均粒径和分选系数还可能与物源、植被覆盖、水文条件、局地地形等因素有关。总体上平均粒径最大的风成沙并非出现在最西端的沙带，而是位于沙地西部（图4d），这可能与物源变化有关。如图4d所示，沙地西部部分风成沙采样点紧邻MIS 5时期古湖湖滨，湖滨沉积物的粒度普遍较粗（图3h），在风力作用下搬运距离较近，所以湖滨附近的风成沙粒径较粗，并沿下风向逐渐变细。此外，西部风成沙的分选性较差，指示了西部风成沙的多源性（图4e）。风成沙平均粒径最小值位于沙地中、东部交界处，并且该处风成沙的分选性最好（图4d、4e），应是风力长距离搬运的结果，受局地物源影响较小。沙地东部虽然位于下风向，但是平均粒径并非最细，分选也较差，可能与地形有关。浑善达克沙地在116.5°E处存在南北走向高100余米的地形隆起，可能阻碍了部分风成沙自西向东运动（图1a）。此外，沙地东部邻近大兴安岭，在全新世中期发育有大量湖泊水系[37]，平均粒径变大和分选性变差，可能与近源贡献增多和水沙相互作用等地表过程变化有关。
沙地南北两侧边缘与腹地相比，也有风成沙粒径变粗、分选变差的现象，也应该是局地沙源与水沙相互作用的结果（图4d、4e）。沙地风成沙中平均粒径最大的样品出现在沙地中部北缘的两条河流交汇处（图4d）。除东南方向外，其余方向均被河流包围。浑善达克沙地盛行西风、西北风（图1a），河流阻断了上风向风沙的供应。因此，该地风成沙在风力的持续吹扬下细颗粒逐渐缺失，粗颗粒富集，使得该样品的平均粒径显著增大（图4d），加之河流沉积物的贡献，导致分选性变差（图4e）。
偏度表征沉积物粒度分布曲线的对称程度，通常反映的是曲线其中一侧尾部拉长的趋势[49-50]。偏度受物源、沉积环境、区域风场和植被覆盖等因素影响[3]。根据Folk等[41]的划分标准，研究区风成沙偏度总体呈现近对称或轻微正偏（图4f）。因为沙地盛行风向单一，植被覆盖低（图2a），沙丘顶部细颗粒易被吹蚀而形成轻微正偏。沙地西北缘和东部正偏明显（图4f），是因为西北缘风成沙靠近湖相沉积露头，该地风力强劲（图1a），细颗粒不易保留，同时又有局地湖相粗颗粒加入。形成原因类似的还有沙地中部北缘被河流包围的风成沙样品（图4f）。东部风成沙正偏同样与湖相沉积有关，该地位于全新世湖泊和大兴安岭山麓附近（图4f），易接受湖相或山地粗颗粒供应而形成正偏。
研究区风成沙的峰度整体上呈现常峰态特征，局部表现为尖峰态（图4g）。峰度变化的原因与其他粒径参数类似，受到物源、风况、沉积环境和植被覆盖度等因素的影响。浑善达克沙地西部风力较东部强劲（图1a），同时植被覆盖度更低（图2a），因此在风力的吹蚀下西部风成沙峰度值较高。

5.2 风成沙粒度端元空间分布的物源指示意义

天然沉积物的粒度分布曲线往往具有两个或多个峰[19]，这些峰与物质来源、搬运过程和沉积环境等因素有关[51-52]。粒度端元分离能够在数学方法的基础上将复杂的粒度特征进行符合沉积学意义的分离，并对单个粒度分布曲线物源、沉积环境和搬运动力进行分析。浑善达克沙地风成沙含有6个粒度端元，不同端元在空间上呈现显著的差异（图 6）。
图6 浑善达克沙地风成沙6个粒度端元空间分布特征

注：插值方法为反距离加权法（Inverse distance weighting, IDW）；沙地西部MIS 5时期（末次间冰期）湖泊范围引自Li等[38]；沙地东部全新世中期湖泊范围引自Yang等[37]。

Fig. 6 Spatial variations of grain size end members proportion of aeolian sand in the Hunshandake Sandy Land

沙地风成沙第一端元（EM1）的峰值粒径为129 μm，粒径范围大致在30~200 μm，大部分为细沙，主要以跃移或少量悬移的方式进行远距离搬运。在潜在物源中，湖相沉积物EM1端元与之具有相同的峰值和相似的分布形态（图5p），该端元在湖相沉积露头样品中的含量较高。表明风成沙EM1与湖相沉积露头可能有密切关系。风成沙EM1的含量在空间上具有西低东高的特征（图6a），可能是湖相沉积露头被剥蚀，并在盛行风向长期作用下被搬运的结果。
EM2组分在沙地风成沙中的平均含量达到30%左右。EM2组分在空间分布上呈现明显的向下风向含量增多的趋势，在沙地中、东部部分区域含量超过50%（图6b）。该组分的峰值粒径为179 μm，范围在50~300 μm左右，以跃移质颗粒为主（图5d）。该端元可能来自西部的河湖相沉积物，河流沉积物部分端元模型中存在这一端元（图5k），说明风成沙EM2组分与河流沉积物关联较大。与EM1组分不同，EM2组分在116.5°E附近含量达到峰值，表明该处隆起的地形已阻碍该组分的搬运（图6b）。
EM3组分在风成沙样品中平均含量最高，达到35%以上，是浑善达克沙地风成沙主要组分，东西向上的变化趋势较EM2弱（图6c）。该端元的峰值粒径为247 μm，粒度分布在100~400 μm左右，主要为跃移质颗粒。EM3和河流沉积物的EM1以及湖相沉积物的EM2峰值粒径相同（图5d、5l、5p），除了西部湖相沉积外，还可能与南部河流输送的近源碎屑物质有关，因此在空间上没有显著的东西向变化趋势（图6c）。位于沙地西部部分区域风成沙的EM3含量相对较低，可能与该区域风力强劲、植被覆盖度低导致风沙被运移有关。
EM4的峰值粒径为341 μm，粒度区间在100~600 μm，粒径相对较粗，含跃移质和部分蠕移质组分。EM4在风成沙中的平均含量约为20%（图5c）。潜在物源之一的西部沙带风成沙中也存在峰值为341 μm的端元，平均含量接近40%（图5g、5h），但浑善达克沙地风成沙的EM4可能并不完全来自沙带风成沙：① EM4的粒度较粗，大部分无法远距离搬运；② EM4相对含量呈现周围较高、沙地中部偏低的空间分布特征（图6d），如果来自于西部沙带应具有东西向的变化趋势。此外，河流沉积物中也发现峰值粒径为341 μm的端元，且含量达到40%（图5k），EM4可能与发源于沙地边缘山区的河流沉积物有关。沙地中部EM4含量较低，可能因为沙地腹地距离这些河流较远；同时，发源于沙地中部的高格斯台郭勒和努格斯郭勒两条河流可能阻碍了较粗颗粒的自西向东搬运。
EM5和EM6是浑善达克沙地风成沙中粒径最粗的两个端元（图5d），峰值粒径分别为471 μm和764 μm，端元粒级区间分别为110~900 μm和130~1400 μm（图5d），因此，这两个端元基本由局地沉积物组成。EM5端元含量高值主要集中在沙地西部MIS 5时期古湖湖滨、南部河流和东部全新世湖泊及河流附近。EM5与河流沉积物EM2端元峰值粒径相同，峰形相似（图5l）。湖相沉积物部分端元模型中也含峰值为471 μm的端元（图5p）。因此，风力只能近距离搬运这些粗粒河湖相物质。EM6的峰值粒径达764 μm，几乎只能“就地起沙”，EM6的含量高值基本位于MIS 5时期古湖岸线边缘（图6f），说明EM6为气候湿润期沉积的湖滨粗粒。沙地东部河流和全新世湖泊附近EM6含量较低，可能与全新世水文条件不如MIS 5时期有关。此外，也可能是东部风积作用更强，而风力的剥蚀搬运能力较弱，加之植被覆盖较好，无法将河湖相粗粒搬运至沙丘。

5.3 沉积物粒度特征对防沙治沙的启示

从全球范围来看，干旱区干涸的河道与湖盆等水文遗迹是风沙与粉尘的重要来源[53]，这些风沙与粉尘影响区域乃至全球的气候与环境[54]。浑善达克沙地地处京津上风向，距离北京直线距离仅300 km，是京津风沙源治理的重点地区。但从粒度测量结果来看，沙地风成沙粉沙组分含量极低，不太可能是粉尘的主要源区（图3a~3d）。相对而言，沙地西部河湖相沉积和沙带含有一定量的粉沙（图3e~3h），且这一地区植被覆盖较差，主要是荒漠草原，同时沙层覆盖较薄，风营力以风蚀作用为主，因而应该是粉尘的主要源区。在气候变暖与人类活动的影响下，沙地西部也是植被退化的主要地区[29]。加之沙地西部河湖相沉积广泛分布，为粉尘释放和风沙形成提供了充足的物源。因此，未来防沙治沙应特别注意和加强沙地西部，尤其是河湖相沉积分布地带的治理和保护。这些河湖相地层形成于不同时期，风沙治理的难度存在差异。一般而言，晚更新世以来的河湖相地层地势较低，风蚀较弱，恢复与保护植被的难度相对较小；更古老的湖相沉积物中碳酸盐含量较高，固结较硬，但由于地势较高（图2b、2h），风蚀作用较强，多数湖相沉积地层已被剥蚀为残丘并释放了大量风沙和粉尘，同时植被生长受抑制，风沙治理的挑战更大。

6 结论

浑善达克沙地不同类型沉积物的粒度分布曲线存在明显差异。通过高密度采样并进行空间插值，揭示了风成沙不同粒径参数的空间变化特征及其受控因素。风成沙的平均粒径和分选系数总体沿盛行风向逐渐变小，局地高值与物源、地形等变化有关。偏度受物源、植被覆盖和沉积环境等因素影响，也具有区域差异。峰度在空间上没有显著变化。
端元分析揭示了沙地风成沙的可能来源和地表过程。沙地风成沙的6个端元的来源存在差异：EM1来自沙地西部湖相沉积露头；EM2是沙地风成沙的主要组分之一，端元含量沿盛行风向显著增加，易受地形影响，很可能由沙地中西部河湖相沉积物组成；EM3是沙地风成沙的最大组分，可能由西部湖相沉积物和南部河流携带的碎屑物质共同组成；EM4含量在空间上呈周围高中间低的格局，应与沙地周边河流沉积物贡献有关；EM5和EM6主要分布在沙地西部，与间冰期河湖相沉积物中的粗粒组分相似。
浑善达克沙地风成沙粒度研究表明，不同组分的风沙来源和地表过程存在差异，是地形、气候、水文、地质演化历史等多种因素共同作用的结果。整体看来，沙带的远源输送对浑善达克沙地物源贡献较小，风成沙主要来自沙地附近不同时期的河湖沉积物。沙地西部是多种风沙物源的主要汇集区，在风力长期作用下，风成沙较细组分向沙地中东部运移，而沙地南缘和东缘的河流也为其邻近区域贡献了沙源。本文研究结果表明，对于地表过程复杂的沙漠地区，通过高密度采样并结合端元分析，沉积物粒度可有效识别风成沙的物源。本文对干旱区环境治理具有现实参考价值，浑善达克沙地风沙防治应特别注意西部河湖相沉积出露地区的保护。

：感谢Lydia Mackenzie在英文润色中给予的帮助。

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