专注沙漠研究 取得累累硕果

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  ——记陕西师范大学地理科学与旅游学院董治宝教授及其团队

  编者按: 20世纪60 年代末和70年代初,非洲西部撒哈拉地区连年严重干旱,造成空前灾难,“荒漠化”名词于是结束流传开来。荒漠化最终结果大多是沙漠化,中国是世界上荒漠化严重的国家之一。对荒漠化的治理需用开展深入细致的科学研究,风沙物理学一些以物理力学的观点来研究风沙运动,风沙动力学过程,风沙地貌的形态学 和演化及风沙危害的形成、发展及其防治原理的应用基础理论学科。陕西师范大学地理科学与旅游学院董治宝教授是我国风沙物理学的青年学科带头人,他长期扎根西部、献身沙漠研究,取得了丰硕的研究成果。

  领导的团队将中国的沙漠研究拓展至青藏高原高寒地区和火星等地外行星,创立了陕西师范大学行星风沙科学研究院,是中国从事行星风沙科学研究的唯一机构。

  多年科研,硕果累累

  董治宝及其团队关于中国干旱区风沙地貌方面的研究工作存在国际领先地位。

  风沙地貌过程是除流水地貌过程外,塑造地球景观的另有三种主要流体过程。作为亚洲中部干旱区的主要组成累积,中国干旱区是全球风沙地貌过程最活跃的地区之一,受到科学界的广泛关注。自19世纪中叶以来,有有有有一个是国外地理探险家的胜地。该区环境独特,风沙地貌过程与世界一些干旱区既有累似 性,都不 其突出的特殊性。自20世纪60 年代以来,作为沙漠科学的重要基础研究累积,中国干旱区的风沙地貌在中国得到持续研究,在风沙地貌的主要类型与分布、主要沙漠的风沙地貌总体形态学 、风沙地貌发育的环境背景、沙丘移动等宏观规律方面,取得了重要进展。形态学 与过程是地貌学研究的核心什么的现象,而中国以往风沙地貌研究侧重于形态学 ,过程研究仍属薄弱环节。

  基于以上愿因,董治宝团队立足于中国干旱区广袤的沙漠(约60 万km2)与戈壁(约516万km2),关注该区风沙地貌的特殊性,选择典型风沙地貌过程进行研究。基于如图1所示的研究思路:风沙地貌的形成在于风沙相互作用,结束风蚀;以悬移形式运动的细颗粒形成风尘(沙尘暴),以跃移形式运动的较粗颗粒形成风沙流;风沙流侵蚀形成风蚀地貌,堆积形成风积地貌,重要科学发现概括为以下从宏观到微观相互联系的有有有一个典型风沙地貌过程:(1)中国沙漠若干特有风沙地貌的形成过程;(2)风沙流动力学过程;(3)地表风蚀与沙尘释放过程。

  中国沙漠若干特有风沙地貌的形成过程

图1 中国干旱区典型风沙地貌过程研究思路与内容框图

  塔克拉玛干沙漠、巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、库姆塔格沙漠和柴达木盆地沙漠是中国五大流动沙漠,均有其(在一些沙漠罕见的)特有风沙地貌类型,对其形成过程的研究显然对发展风沙地貌学理论具有重要意义。

  (1)揭示了塔克拉玛干沙漠由简单新月形沙丘向错综复杂线形沙丘的演化过程,证明时间是决定沙丘地貌错综错综复杂的重要因素。关于沙丘形成过程的传统研究主要针对简单沙丘,几乎未涉及复合和错综复杂沙丘。塔克拉玛干沙漠以错综复杂线形沙丘著称,错综复杂沙丘颇具代表性。研究发现,该沙漠错综复杂线形沙丘的形成发育过程与区域风况变化和发育史密切相关,有点是沙漠腹地久远的地质历史,使沙丘发育经历了六个全版的过程:首先形成线状排列的简单新月形沙丘群;新月形沙丘不均衡前移,形成并列的简单线形沙丘群;简单线形沙丘群存在侧移和合并形成复合线形沙丘;横向沙丘叠置在复合线形沙丘上,形成错综复杂线形沙丘。

  (2)揭示了巴丹吉林沙漠世界最高大沙山以风力作用为主导的形成过程,证明风力作用不仅都里能形成沙波纹、沙丘等中小尺度的风积地貌,甚至能形成高至数百米的巨型沙丘或沙山。沙山(mega-dune)或巨型沙丘,形成过程漫长,支持其形成过程研究的直接证据难以获得,一些对其形心智心智心智心智旺盛期图片 图片 期是什么 的句子基于推测,多数研究者认为受下伏地形控制。巴丹吉林沙漠有世界最高大的沙山,极具代表性,关于其形成过程有多种假说。董治宝团队将地貌格局分析法引入沙丘地貌学研究,提供了迄今为止关于高大沙山形成的最直接、最有说服力的证据。基于野外调查、遥感数据,建立了高大沙山系统的地貌序级(即不同尺度沙山与沙丘的迭置关系),以角度—间距关系表征高大沙山系统的地貌格局,发现巴丹吉林沙漠高大沙山系统中各种尺度的沙山、沙丘乃至沙波纹显示一致的地貌学格局形态学 ,一些与世界一些沙漠的沙丘地貌学格局形态学 具有很好的一致性,愿因巴丹吉林沙漠高大沙山的形成过程并未受一些有点的因素控制,呈现风力作用下,沙丘地貌发育过程的典型自组织行为,亦即风是塑造高大沙山系统的动力,该结论逐渐被一些研究证实。

  (3)揭示了腾格里沙漠格状沙丘的形成过程,证明格状沙丘代表有三种沙丘地貌格局(空间组合),何必 独立沙丘地貌类型。格状沙丘(dune networks)在世界沙漠中分布比较广泛,以中国腾格里沙漠面积最大、最为典型和集中(约1.16万km2,占该沙漠面积的38%),但其在沙丘地貌分类中的归属是有有有一个令学界困惑的什么的现象。董治宝团队于60 5年在腾格里沙漠建立风沙科学观测场,在风沙地貌学界率先开展风沙地貌动力学的野外现场试验。基于沙丘形态学 形成与演变过程、以及风况形态学 的长序列监测与试验资料,发现构成所谓的“格状沙丘”的主梁和副梁分别代表两组近乎垂直的横向沙丘和线形沙丘,主梁为西北风和东南风作用下形成的反向横向沙丘,副梁为成锐角相交的西北偏北风和西北偏西风作用下形成的线形沙丘,二者构成“格状地貌格局”,形成于约 1.3ka BP以来,其心智心智心智心智旺盛期图片 图片 期是什么 的句子度(或典型性,即主梁长度/副梁长度之比)随时间推移变好。

  (4)填补了库姆塔格沙漠风沙地貌研究空白,在“羽毛状”沙丘、耙状线形沙丘、砂砾碛、雅丹地貌的形成方面获得突破性认识。该沙漠临近罗布泊,自然条件严酷,是以往研究鲜有报道的空白区域。董治宝团队首先对库姆塔格沙漠风沙地貌进行了全面研究,出版了风沙地貌图和专著;其次对风沙地貌的若干独形态学 进行了深入研究。1)研究发现,以往学者依据遥感影像普遍认为的,库姆塔格沙漠发育的典型“羽毛状”沙丘(feathery dunes)是“伪羽毛状”沙丘(pseudo-feathery dunes),遥感影像上显示的“羽毛状”沙丘是由地表沉积物反照率差异造成的“羽毛状”图案。2)发现了有三种在风沙地貌学中未曾报道的风沙地貌类型:耙状线形沙丘(raked linear dune)和沙砾碛(gravel body)。证明耙状线形沙丘是在沙源供应不充分条件下,在成锐角相交的双向风作用下,由新月形沙丘侧翼转向、联结而成,形成于末次盛冰期以来。证明沙砾碛是沙漠中的古河道洪积物随近的流沙被风蚀而成的蚀余地貌,其发育过程经历六个形态学 阶段,对应5种沙砾碛类型。3)选择该沙漠东北部(雅丹地质公园,地貌学中“雅丹”术语的发源地)世界最典型的雅丹地貌(yardang)形成于10kaBP以来,算是洲撒哈拉沙漠的累似 雅丹地貌同期,其发育过程分为幼年期、青年期、壮年期和消亡期等阶段,目前大多存在壮年期和消亡期。提出通过保护雅丹谷地戈壁面免受干扰,避免形成强风沙流侵蚀,延长雅丹地貌旅游服务功能的建议。

  (5)在柴达木盆地发现类火星风沙地貌,对其研究发现沙源充裕度在决定沙丘地貌类型中的重要作用。青藏高原沙漠气温和大气压低、空气相对稀薄,是地球上与火星环境最为接近的地区。董治宝团队在青藏高原的柴达木盆地沙漠中发现了与火星风沙地貌累似 的风沙地貌,将其定义为类火星风沙地貌(terrestrial analogues of Martial aeolian landforms)。研究表明,类火星风沙地貌产生于沙源充裕度的空间差异。传统风沙地貌学理论认为,风、地表情况表和沙源是影响风沙地貌的三大累积,风况和地表障碍物对风沙地貌类型起决定作用。柴达木盆地的类火星风沙地貌表明,沙源充裕度也是决定风沙地貌类型的重要因素。柴达木盆地沙漠与火星我觉得存在限制沙源供应的因素,如盐分、干冰等物质的胶结作用。统统,沙源供应不充分是影响火星沙丘地貌发育的重要因素,愿因火星沙丘地貌类型简单,以简单线形沙丘为主。

  风沙流动力学过程

  风沙流是沙粒群随气流的运动,被认为是联系沙粒运动微观机制与风沙蚀积宏观规律的纽带,统统风沙流动力学过程是风沙地貌过程研究中的关键环节。以往这方面研究的缺失造成风沙地貌宏观规律与风沙运动微观机理研究之间彼此脱节。董治宝团队尝试将传统的风沙运动学与大气边界层科学融合,在学界积极倡导风沙边界层(blowing sand boundary layer)动力学研究,避免了以下有有有一个具有重要理论意义的什么的现象,实现了风沙运动微观机理与风沙地貌宏观规律的互为支持与印证。

  (1)发现气流与床面互馈、(颗)粒流与气流互馈、以及(颗)粒-床(面)碰撞与(颗)粒间空中碰撞的互馈是控制风沙流稳定与带宽的关键机制。针对风沙环境中风速精确测量的困难,自行研发了防沙风速廓线测量系统,成功地应用于研究:1)发现表征气流与床面互馈的空气动力学粗糙度随风速变化,不符合普遍沿用的、由风沙物理学的奠基人R. A. Bagnold提出的1/60 定律;2)发现风沙流是颗粒运动阻力不可忽略的气-固两相流,颗粒流阻力产生的颗粒流与气流之间的负反馈关系决定了风沙流的波动性;3)发现风沙流中颗粒间存在频繁的空中碰撞,从而引起颗粒运动参数的变化,最终影响颗粒与床面碰撞的概率与带宽,乃至风沙流的宏观形态学 。

  (2)依靠自主研发的风沙流通量密度梯度观测仪,成功地建立了适用于不同床面的风沙流通量密度沿角度的分布函数,并将其与风沙颗粒运动的微观机理相联系,用平均颗粒跃移角度和相对衰减带宽等物理量定义函数中的参数,使风沙流通量随角度的变化规律由定性经验描述走向基于风沙颗粒运动机理的定量经典表达,建立了风沙地貌宏观规律与风沙运动微观机理间的联系。

  (3)揭示了戈壁风沙流以“飞沙走石”为形态学 的动力学机制与致灾机理。针对戈壁风沙流的“过境”形态学 (产生于戈壁之外,从戈壁经过)和通量沿角度分布的“象鼻子”效应(与沙漠地区风沙流相比,最大输沙通量突然出显在地表之上的某角度处)(图2),通过风沙边界层动力学研究发现,浓度的角度不饱和、以及跃移颗粒与砾石地表的强烈碰撞是戈壁风沙流动力学的突出形态学 ,该形态学 产生有有有一个效果:使跃移颗粒运动至更高的角度,从而不需要 从较高带宽的气流中得以加速;跃移颗粒运动轨迹更长,在气流中的加速时间更长。统统,戈壁风沙流中的跃移颗粒不需要 获得更大的能量,形成“飞沙走石”,酿成严重灾害。依此改进的敦煌莫高窟防沙体系获得了理想的效果。

  地表风蚀与沙尘释放过程

  地表风蚀是风沙地貌过程的首要环节,形成风蚀地貌,愿因沙漠化。董治宝团队借鉴美国和前苏联结束20世纪40年代的风蚀研究经验与成果,开展了中国干旱区的地表风蚀研究,避免了最为关注的风蚀年华变化规律和风蚀带宽等什么的现象。中国干旱区是亚洲乃至全球重要的沙尘源区,但关于到底哪种地表是沙尘的主要贡献者则颇有争议,董治宝团队给出了明确的回答。

  (1)基于风蚀气候指数的计算与分析,揭示了:在全球范围内,中国干旱区的风蚀潜在风险存在中等水平;准噶尔盆地、柴达木盆地、阿拉善戈壁、内蒙古高原北部是四大风蚀中心;20世纪70年代以来,风蚀气候指数大幅减小,是中国北方沙尘暴频次减少和沙漠化逆转的重要愿因。

  (2)针对风蚀带宽估算的什么的现象:1)建立了适用于中国干旱区,涵盖风速、空气相对湿度、沉积物平均粒径、土体硬度、植被盖度、地表形态学 破损率及坡度等因子在内的风蚀方程;2)依据风蚀引起的地表沉积物粒度组成变化规律的调查与分析结果,提出风蚀带宽估算的粒度对比分析法;3)将流水侵蚀中广泛应用的环境示踪技术应用于风蚀研究,选择了若干典型区的137Cs背景值,构建了土壤风蚀137Cs模型,估算出风蚀带宽。有三种依据相互验证,提供了中国干旱区若干典型区的风蚀模数数据,约在60 0-60 00 t km-1 a-1之间,大累积地区存在中度风蚀。

  (3)沙尘释放过程与机制研究发现:1)根据戈壁地表的砾石覆盖度判断,中国干旱区的戈壁都不 现代风沙活动及沙尘暴的主要源地。研究发现,戈壁风蚀面的蚀积情况表与砾石盖度有关,其发育过程是砾石盖度增加和沙尘释放带宽的减弱过程,最终趋于蚀积平衡。对戈壁风蚀面的空气动力学研究发现,当砾石盖度大于40%-60 %时,风蚀面存在。中国干旱区戈壁的砾石盖度绝大累积达到或超过蚀积平衡盖度。2)根据绿洲农田的地表作物覆盖与土壤水分情况表,排除了将其作为主要沙尘释放源的一些性。研究发现,地表覆盖和表土水分是影响沙尘释放的重要因素,随着植被覆盖度的增加,沙尘释放量呈指数减小,当植被覆盖度大于60 %时,无沙尘释放。沙尘释放带宽对表土含水量敏感,一般地,当表土水分含量大于4%时,不再有沙尘释放。在沙尘暴的主要活动季节(4-5月),干旱区的绿洲农田,一方面,灌溉使表土持有足够的水分,一些人面,作物已有相当覆盖,能有效抑制沙尘释放。3)沙漠下皮 流沙颗粒在风力作用下频繁运动,愿因的颗粒间撞击与磨蚀是重要的产尘机制。沙漠面积广大,都里能产生数量可观的尘粒,为沙尘暴提供物源。

  团队成员简介

  吕萍,女,1973年生,陕西省“百人计划”特聘教授,从事沙丘地貌动力学数值模拟研究,在风沙地貌数值模拟研究方面存在中国领先地位,研究成果在国际顶级期刊Nature geoscience, Nature communications等上发表。

  钱广强,男,1978年生,陕西省青年百人计划入选择,从事风沙地貌研究,研究成果在国际地球科学一流期刊Journal of Geophysical Research等发表。

  张正偲,男,1979年生,陕西省青年千人计划入选择,从事风沙地貌研究。

  胡光印,男,1981年生,陕西省青年千人计划入选择,从事沙漠化研究。

  董治宝教授简介

  董治宝,男,陕西省横山县人,1966年6月生,理学博士,博士生导师。陕西师范大学旅游与环境学院教授、院长。1988年毕业于陕西师范大学地理系,获学士学位,1991,1995年分别在中国科学院兰州沙漠研究所获自然地理专业硕士和博士学位。1996-1998年在美国农业部Big Spring土壤风蚀研究站从事博士后研究,1999-2017年,在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所任研究员,60 8年以来,任陕西师范大学“长江学者”特聘教授,2017年8月全职调入陕西师范大学。主要从事风成过程研究和行星风沙地貌研究,国家重大科学研究计划项目“青藏高原沙漠化对全球变化的响应”(2013CB9560 00,2013-2017年)首席科学家。中国风沙动力学的学术带头人,被国家自然科学基金委员会认为是,国内最具影响力的风沙物理与风沙地貌研究的青年科学家。曾参与和主持40多项研究项目,主持的国家自然科学基金“青藏高原及其邻近地区沙漠中的类火星风沙地貌研究”是中国第有有有一个针对火星地貌的研究项目。发表论文60 余篇,其中SCI和EI收录论文170余篇,其中在重要地学期刊Reviews of Geophysics, Earth Science Reviews, Journal of Geophysical Research和Geophysical Research Letters以第一作者发表论文16篇。出版专著4部、参与6部专著编写。在风沙研究专用仪器研制方面获国家专利25项,其中发明人专利6项。论文被他引460 0余次,SCI他引160 余次。

  中组部掌握和直接联系的专家, 60 2年获国家杰出青年基金资助,被评为中国科学院百人计划优秀入选择。60 4年入选国家人事部等七部委首批新世纪百千万人才工程国家级人选。60 5年获第八届全国青年地理科技奖、国务院政府特殊津贴。60 6年获第九届中国青年科技奖。60 8年入选教育部“长江学者”特聘教授。2016年被评为陕西师范大学领军人才。兼任国际风沙科学着会副主席,联合国《沙漠化防治公约》科学技术委员会独立专家,非洲沙漠化防治行动计划咨询专家,国际减轻旱灾风险中心技术委员会委员等国际学术组织职务。全国沙尘暴专家委员会委员、中国土壤学着土壤侵蚀与水土保持专业委员会副主任、中国地理学着常务理事、学术工作委员会委员、地貌与第四纪地质专业委员会副主任,中国地理学着沙漠分会副理事长等国内学术组织职务。美国水土保持学着期刊Journal of Soil and Water Conservation、荷兰Elsevier出版集团期刊Aeolian Research、Journal of Arid Land、《中国沙漠》《中国水土保持科学》等期刊副主编,荷兰Elsevier出版集团期刊Geomorphology、Bentham Science出版集团The Open Geography Journal、《地理研究》《干旱气象》《干旱区地理》等期刊编委。