宁夏河东沙地沙丘冻融过程的时空差异

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0041

摘要/Abstract

摘要：

中国的沙漠和沙地部分或全部分布在季节冻土区，研究沙丘的冻融过程是讨论季节冻结期间沙丘风蚀和形态演变规律的条件之一。以宁夏河东沙地流动沙丘和沙障固定沙丘为研究对象，通过野外观测和室内控制实验，分析了沙丘的冻融过程及其控制因素。结果显示：沙丘的冻结期在11月中旬至3月上旬，流动沙丘各地貌部位的冻结时长和冻结层厚度均存在较大差异（背风坡面>迎风坡面>丘顶），背风坡脚的冻深最大。在季节冻结期内沙丘表层始终不发生冻结，未冻层厚度的阈值约为10 cm且具有保护冻结层的作用，流动沙丘迎风坡中在未冻层风蚀后，地表冻结层融化再被风蚀，如此循环过程造成其冻结层厚度远小于沙障固定沙丘的冻结层厚度。流动沙丘丘顶和背风坡面的冻结层厚度分别受短时（32 h）和较长历时（15 d）平均气温的影响。野外观测和室内控制实验均证明水分含量低于1.6%的沙丘沙不发生冻结，冻结层硬度随含水率的增加呈幂函数递增（P<0.001），随温度降低呈缓慢递增。

关键词: 季节冻土, 冻结期, 沙丘冻结, 宁夏河东沙地

Abstract:

The deserts and sandy lands in China totally or partly located in seasonally frozen soil regions. The aim of this study on freeze-thaw processes of dunes was to further elucidate wind erosion and morphological evolution of dunes during seasonal freezing. The freeze-thaw processes and its controlling factors of mobile dunes and fixed dunes by barrier located in the East Desert of the Yellow River in Ningxia were analyzed through field observation and laboratory experiment. The results show： The freezing period of dunes was from mid-November to early March next year， there were distinct differences in freezing duration and thickness of frozen layers among geomorphic sites of mobile dunes （leeward slope > windward slope > top of dune）. During the seasonal freezing period， there was a surface unfrozen layer on dune which protected the frozen layer， and the thickness of it was about 10 cm. The frozen layer thickness of mobile dune was much smaller than that of fixed sand dune by barriers， which caused by the cyclic process of thawing and wind erosion on frozen layer surface in the windward slope of mobile dune. The thickness of frozen layer of dune top and leeward slope on mobile dune affected by short-term （32 h） and long-term （15 d） average temperature， respectively. The results from field observation and laboratory experiment indicated that the dune could not be frozen with sand moisture content under 1.6%； there was a power function relation between the hardness of frozen soil and moisture content （P<0.001）， and the hardness increased slowly with temperature decreasing.

Key words: seasonally frozen soil, freezing period, dune freezing, East Desert of the Yellow River in Ningxia

中图分类号:

S152.7

秦海琴, 张萍, 展秀丽, 火占华, 马娟利, 吴宏玥, 靳磊. 宁夏河东沙地沙丘冻融过程的时空差异[J]. 冰川冻土, 2020, 42(3): 909-918.

Haiqin QIN, Ping ZHANG, Xiuli ZHAN, Zhanhua HUO, Juanli MA, Hongyue WU, Lei JIN. Spatial and temporal differences of freeze-thaw processes on dunes in the East Desert of the Yellow River in Ningxia[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2020, 42(3): 909-918.

图/表 13

表1

图1

图2

表2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

图10

表3

参考文献 35

1	Qin Dahe. Glossary of cryospheric science［M］. Beijing： China Meteorological Press， 2016.
	秦大河. 冰冻圈科学词典［M］. 北京：气象出版社， 2016.
2	Zhang Feiyun， Guo Lingpeng， Hao Jiansheng， et al. Analyses on the characteristics of seasonally frozen ground under snow cover and forest/grassland in Kunes Valley， western Tianshan， Xinjiang［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2019， 41（2）： 316 - 323.
	张飞云，郭玲鹏，郝建盛，等. 新疆天山西部巩乃斯河谷积雪与森林/草地覆盖条件下季节冻土特征分析［J］. 冰川冻土， 2019， 41（2）： 316 - 323.
3	Hao Jiansheng， Zhang Feiyun， Huang Farong， et al. Altitudinal distribution pattern of seasonally frozen ground and its influencing factors in Ili［J/OL］. Journal of Glaciology and Geocryology ［2020-08-05］. .
	郝建盛，张飞云，黄法融，等. 新疆伊犁地区季节冻土沿海拔的分布规律及其影响因素［J/OL］. 冰川冻土［2020-08-05］. .
4	Wang Chenghai， Dong Wenjie， Wei Zhigang. The feature of seasonal frozen soil in Qinghai-Tibet Plateau［J］. Acta Geographica Sinica， 2011， 56（5）： 523 - 531.
	王澄海，董文杰，韦志刚. 青藏高原季节冻土年际变化的异常特征［J］. 地理学报， 2011， 56（5）： 523 - 531.
5	Chen Bo， Li Jianping. Characteristics of spatial and temporal variation of seasonal and short-term frozen soil in China in recent 50 years［J］. Chinese Journal of Atmospheric Sciences， 2008， 32（3）： 432 - 443.
	陈博，李建平. 近50年来中国季节冻土与短时冻土的时空变化特征［J］. 大气科学， 2008， 32（3）： 432 - 443.
6	Ren Jingquan， Liu Yuxi， Wang Dongni， et al. The change of frost depth of seasonally frozen soil and its response to climate change in Jilin Province［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2019， 41（5）： 1098 - 1106.
	任景全，刘玉汐，王冬妮，等. 吉林省季节冻土冻结深度变化及对气候的响应［J］. 冰川冻土， 2019， 41（5）： 1098 - 1106.
7	Wang Xiqiang， Chen Rensheng， Liu Guohua， et al. Spatial distributions and temporal variations of the near-surface soil freeze state across China under climate change［J］. Global and Planetary Change， 2019， 172： 150 - 158.
8	Musa A， Liu Ya， Wang Anzhi， et al. Characteristics of soil freeze-thaw cycles and their effects on water enrichment in the rhizosphere［J］. Geoderma， 2016， 264（11）： 132 - 139.
9	Ning Kai， Wang Nai’ang， Hu Wenfeng， et al. Characteristics of the seasonal frozen ground in Badain Jaran Desert［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2015， 37（5）： 1209 - 1216.
	宁凯，王乃昂，胡文峰，等. 巴丹吉林沙漠季节冻土特征［J］. 冰川冻土， 2015， 37（5）： 1209 - 1216.
10	Wang Xueqin， Zhang Yuanming， Jiang Jin， et al. Variation pattern of soil water content in longitudinal dune in the southern part of Gurbantünggüt Desert： how snow melt and frozen soil change affect the soil moisture［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2006， 28（2）： 262 - 268.
	王雪芹，张元明，蒋进，等. 古尔班通古特沙漠南部沙垄水分动态：兼论积雪融化和冻土变化对沙丘水分分异作用［J］. 冰川冻土， 2006， 28（2）： 262 - 268.
11	Wu Yiheng， Zhao Pengwu， Zhou Mei， et al. Freeze-thaw process of seasonal frozen soil and its responses to moisture and temperature［J］. Arid Zone Research， 2019， 36（6）： 1568 - 1575.
	乌艺恒，赵鹏武，周梅，等. 季节性冻土区土体冻融过程及其对水热因子的响应［J］. 干旱区研究， 2019， 36（6）： 1568 - 1575.
12	Xie Shengbo， Qu Jianjun. Effect of sand sediments accumulated in sand-control projects on the thermal regime of underlying permafrost and its mechanism［J］. Journal of the China Railway Society， 2013， 35（12）： 77 - 82.
	谢胜波，屈建军. 青藏铁路工程防沙产生的积沙对下伏冻土的热影响及机理［J］. 铁道学报， 2013， 35（12）： 77 - 82.
13	Thomas E B， Hugenholtz C H. Winter variability of aeolian sediment transport threshold on a cold-climate dune［J］. Geomorphology， 2012， 177/178： 38 - 50.
14	Han Lijian， Tsunekawa A， Tsub M. Effect of frozen ground on dust outbreaks in spring on the eastern Mongolian Plateau［J］. Geomorphology， 2011， 129（3/4）： 412 - 416.
15	Wang L， Shi Z H， Wu G L， et al. Freeze/thaw and soil moisture effects on wind erosion［J］. Geomorphology， 2014， 207： 141 - 148.
16	Wang Dayan， Ma Wei， Niu Yonghong， et al. Effects of cyclic freezing and thawing on mechanical properties of Qinghai-Tibet clay［J］. Cold Regions Science and Technology， 2007， 48（1）： 34 - 43.
17	Aoyama K， Ogawa S， Fukuda M. Temperature dependencies of mechanical properties of soils subjected to freezing and thawing［C］// Proceedings of the 4th International Symposium on Ground Freezing. Rotterdam， the Netherlands： A. A. PublishersBalkema， 1985： 217 - 222.
18	Liu Tiejun， Xu Xiangtian， Yang Jie. Experimental study on the effect of freezing-thawing cycles on wind erosion of black soil in Northeast China［J］. Cold Regions Science and Technology， 2017， 136： 1 - 8.
19	Zhan Xiuli， Han Lei， Lai Rongsheng. Seasonal variation and spatial distribution characteristics of soil water content in shallow aeolian sandy soil in east of Yellow River in Ningxia［J］. Journal of Arid Land Resources and Environment， 2016， 30（10）： 138 - 144.
	展秀丽，韩磊，赖荣生. 宁夏河东沙区浅层风沙土土壤含水量季节变化及空间分布特征［J］. 干旱区资源与环境， 2016， 30（10）： 138 - 144.
20	Ma Yuming， Yao Honglin. Observation of wind erosion status of sand dunes in Mu Us sandy land by French photoelectron collectors［J］. Journal of Desert Research， 2001， 21（）： 70 - 73.
	马玉明，姚洪林. 光电子集沙仪对毛乌素沙地沙丘蚀积过程的观测［J］. 中国沙漠， 2001， 21（）： 70 - 73.
21	Wang Shaoling， Zhao Lin， Li Shuxun. Interaction between permafrost and desertification on the Qinghai-Tibet Plateau［J］. Journal of Desert Research， 2002， 22（1）： 33 - 39.
	王绍令，赵林，李述训. 青藏高原沙漠化与冻土相互作用的研究［J］. 中国沙漠， 2002， 22（1）： 33 - 39.
22	Cai Diwen， Zhang Kecun， An Zhishan， et al. Coupled hydrothermal model of underlying permafrost influenced by sand accumulation［J］. Arid Land Geography， 2017， 40（3）： 523 - 532.
	蔡迪文，张克存，安志山，等. 积沙影响下伏冻土的水热耦合模型研究［J］. 干旱区地理， 2017， 40（3）： 523 - 532.
23	Xie Shengbo， Qu Jianjun， Zu Ruiping， et al. New discoveries on the effects of desertification on the ground temperature of permafrost and its significance to the Qinghai-Tibet Plateau［J］. Geography， 2012， 57（8）： 838 - 842.
24	Xie Shengbo， Qu Jianjun， Zu Ruiping， et al. Effect of sandy sediments produced by the mechanical control of sand deposition on the thermal regime of underlying permafrost along the Qinghai-Tibet Railway［J］. Land Degradation and Development， 2013， 24（5）： 453 - 462.
25	He Zhilin， Zu Ruiping， Zhang Kecun， et al. Laboratory experiment of the influence of aeolian sand accumulation on permafrost temperature［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2015， 37（1）： 156 - 161.
	贺志霖，俎瑞平，张克存，等. 风沙堆积对多年冻土温度影响的室内试验研究［J］. 冰川冻土， 2015， 37（1）： 156 - 161.
26	Liu Xinping， Zhang Tonghui， Zhao Halin， et al. Influence of dry sand bed thickness on soil moisture evaporation in mobile dune［J］. Arid Land Geography， 2006， 29（4）： 523 - 526.
	刘新平，张铜会，赵哈林，等. 流动沙丘干沙层厚度对土壤水分蒸发的影响［J］. 干旱区地理， 2006， 29（4）： 523 - 526.
27	Dijk D V， Law J. Sublimation and aeolian sand movement from a frozen surface： experimental results from Presqu’ile Beach， Ontario［J］. Geomorphology， 1995， 11（3）： 177 - 187.
28	Dijk D V， Law J. The rate of grain release by pore-ice sublimation in cold-aeolian environments［J］. Geografiska Annaler： Series A Physical Geography， 2003， 85（1）： 99 - 113.
29	Dai Licong， Ke Xun， Zhang Fawei， et al. Characteristics of hydro-thermal coupling during soil freezing-thawing process in seasonally frozen soil regions on the Tibetan Plateau［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2020， 42（2）： 390 - 398.
	戴黎聪，柯浔，张法伟，等. 青藏高原季节冻土区土壤冻融过程水热耦合特征［J］. 冰川冻土， 2020， 42（2）： 390 - 398.
30	Guo Hui， Li Dongliang， Zhang Qiang， et al. Interdecadal variability of seasonal frozen ground depth and its climatic reasons in Hexi Corridor of Gansu［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2005， 27（4）： 503 - 508.
	郭慧，李栋梁，张强，等. 甘肃河西季节冻结深度年代际变化特征及其气候成因分析［J］. 冰川冻土， 2005， 27（4）： 503 - 508.
31	Zhang Wei， Ji Ran. Response of maximum seasonally frozen depth and duration of soil frozen to climate change in Chaoyang Prefecture of Liaoning Province［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2018， 40（1）： 18 - 25.
	张威，纪然. 辽宁朝阳地区季节冻土最大冻土深度和持续冻结时间与气候变化的响应研究［J］. 冰川冻土， 2018， 40（1）： 18 - 25.
32	Li Lingping， Chen Ying， Li Wenli， et al. Influence of winter maximum frozen soil depth on sand-dust weather days over Shiyang River basin［J］. Chinese Journal of Soil Science， 2013， 44（5）： 1204 - 1209.
	李玲萍，陈英，李文莉，等. 石羊河流域冬季冻土对沙尘天气的影响分析［J］. 土壤通报， 2013， 44（5）： 1204 - 1209.
33	Jin Lili， He Qing， Li Zhenjie， et al. Temperature features of sand dune in hinter land of Taklimakan Desert［J］. Journal of Arid Meteorology， 2010， 28（2）： 134 - 141.
	金莉莉，何清，李振杰，等. 塔克拉玛干沙漠腹地沙丘温度特征浅析［J］. 干旱气象， 2010， 28（2）： 134 - 141.
34	Yaling Chou， Li Yong’e， Wang Lijie， et al. Effects of seasonal freezing and thawing on the hydrothermal changes of shallow soil in the western Weihe River basin［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2019， 41（4）： 926 - 936.
	丑亚玲，李永娥，王莉杰，等. 渭河流域西部季节冻融对浅层非饱和土壤水热变化的影响［J］. 冰川冻土， 2019， 41（4）： 926 - 936.
35	He Ruixia， Jin Huijun， Zhao Shuping， et al. Review of status and progress of the study in thermal conductivity of frozen soil［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2018， 40（1）： 116 - 126.
	何瑞霞，金会军，赵淑萍，等. 冻土导热系数研究现状及进展［J］. 冰川冻土， 2018， 40（1）： 116 - 126.

深度/cm	中沙（0.5 ~ 0.25 mm）	细沙（0.25 ~ 0.1 mm）	极细沙（0.1 ~ 0.05 mm）	粉沙（0.05 ~ 0.002 mm）
0 ~ 10	12.91	72.61	13.98	0.5
10 ~ 20	15.62	73.82	10.53	0
20 ~ 30	15.44	73.89	10.67	0
30 ~ 40	22.04	72.00	5.96	0

沙丘部位	冻结的初始日期	冻结的结束日期	冻结时长/d
迎风坡脚	11月下旬至12月上旬	2月中下旬	70 ~ 90
迎风坡中	11月中下旬	2月中下旬	80 ~ 95
丘顶	11月下旬至12月上旬	2月上中旬	60 ~ 85
背风坡中	11月中下旬	2月中下旬	90 ~ 100
背风坡脚	11月下旬	2月下旬至3月上旬	95 ~ 110

项目	西南侧迎风坡脚	迎风坡中	丘顶	东北侧背风坡脚
地温/℃	1	-2	-4	-3
含水率/%	0.38	0.46	0.55	1.29

[1]	赵容舟,梁二雷,姚晓亮,余帆. 冻融作用对不同初始状态基坑稳定性的影响研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1480-1488.
[2]	李根,李双洋,董长松,杨佳乐,姜琪. 高寒隧道保温结构的优化设计研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(2): 510-522.
[3]	崔宏环,刘卫涛,张立群. 季节冻土区水泥改良路基土的温缩性能研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(1): 204-213.
[4]	郝建盛,张飞云,黄法融,李兰海. 新疆伊犁地区季节冻土沿海拔的分布规律及其影响因素[J]. 冰川冻土, 2020, 42(4): 1179-1185.
[5]	黄旭斌,盛煜,黄龙,何彬彬,张玺彦. 季节冻土区扩底单桩受力性能研究进展与展望[J]. 冰川冻土, 2020, 42(4): 1220-1228.
[6]	王栋, 吴晓东, 魏献花, 吴通华, 赵林, 李韧, 胡国杰, 邹德富, 李旺平. 基于地理加权回归的青藏高原季节冻土区土壤有机碳空间分布研究[J]. 冰川冻土, 2020, 42(3): 1036-1045.
[7]	崔宏环, 王文涛, 杨兴然, 何静云, 王小敬, 金成勇. 季节冻土区正融粉质黏土强度影响因素敏感性分析[J]. 冰川冻土, 2020, 42(3): 899-908.
[8]	戴黎聪,柯浔,张法伟,杜岩功,李以康,郭小伟,李茜,林丽,曹广民. 青藏高原季节冻土区土壤冻融过程水热耦合特征[J]. 冰川冻土, 2020, 42(2): 390-398.
[9]	任景全,刘玉汐,王冬妮,王亮,孙月,郭春明,李琪. 吉林省季节冻土区年冻融指数的时空变化特征[J]. 冰川冻土, 2020, 42(2): 430-438.
[10]	郝君明,吴通华,李韧,吴晓东,谢昌卫,朱小凡,李旺平,邹德富,胡国杰,杜二计,刘广岳,乔永平. 青藏高原东北部青海玉树泥流滑坡特征和成因分析[J]. 冰川冻土, 2020, 42(2): 447-456.
[11]	张明礼, 岳国栋, 丑亚玲, 王得楷, 王斌, 周志雄. 河西走廊地区路基阴阳坡效应及合理高度分析[J]. 冰川冻土, 2019, 41(6): 1430-1440.
[12]	任景全, 刘玉汐, 王冬妮, 穆佳, 李兴阳, 崔佳龙, 郭春明. 吉林省季节冻土冻结深度变化及对气候的响应[J]. 冰川冻土, 2019, 41(5): 1098-1106.
[13]	丑亚玲, 李永娥, 王莉杰, 曹伟, 盛煜. 渭河流域西部季节冻融对浅层非饱和土壤水热变化的影响[J]. 冰川冻土, 2019, 41(4): 926-936.
[14]	苗祺, 牛富俊, 林战举, 罗京. 季节冻土区高铁路基冻胀研究进展及展望[J]. 冰川冻土, 2019, 41(3): 669-679.
[15]	张飞云, 郭玲鹏, 郝建盛, 杨涛. 新疆天山西部巩乃斯河谷积雪与森林/草地覆盖条件下季节冻土特征分析[J]. 冰川冻土, 2019, 41(2): 316-323.