土地沙漠化已成为当今人类共同面对的严重环境问题^[1]，丰富的可蚀性风蚀物质是造成沙漠化的主要原因之一。沙漠化发展程度与土壤物质含量变化之间存在良好的相关关系，除与沙粒含量呈正相关外，与其他多种物质 (如有机质，N、P养分，粉沙和黏粒含量等) 呈明显负相关^[2]。风沙物质在风力不断吹蚀下，发生移动、堆积，常形成沙丘^[3]。活动沙丘呈新月形、沙丘链及复合形等多种分布型式，植被覆盖度低于10%，土壤质地分选良好；半固定沙丘的特点为沙丘波状起伏，植被覆盖度10%~30%，表层局部出现结皮层或腐殖质层抑制细沙运动，但比较脆弱，一旦破坏，下层细沙重新起动，成为活动沙丘^[4]；固定沙丘植物覆盖度超过30%~50%，表面出现具有一定厚度的腐殖质层，有效地抑制风沙活动^[5]。玛多县内不同发育程度的沙丘的养分状况及微生物特征方面的研究表明，随着沙丘由活动向固定发展，有机质含量、土壤氮素和磷素含量、细菌总数以及微生物的生物多样性均呈递增趋势^[6]。

三江源高海拔区具有高原大陆性气候，年平均气温为-4.0~-6.0℃，日温差大；年降水量为250~350 mm，远小于年蒸发量；年平均风速为3.0~5.0 m/s，大风日数多^[7]。易蚀泥沙物质广泛分布于三江源区内高滩地、阶地和丘陵上，在风力作用下，易蚀颗粒广泛运动，造成沙漠化加剧^[8]。黄河源和长江源广泛分布着现代活动沙丘，更新世、全新世或更早地质时期内发育的半固定或固定沙丘，目前风沙活动最强烈，如通天河上游河道及昆仑山口的高原面上的活动沙丘，黄河源区古河道中的连片活动沙丘，以及星星海、日格错和扎陵湖滩上的连片沙丘；同时整个长江和黄河源区沙漠化草甸土和草原土的分布面积远比沙丘宽广，几乎包括了除沙丘和山地中心基岩部分以外的所有地区，物质组成均匀，以粉细砂为主^[9]。黄河源区贵南县境内风沙活动灾害也极为严重，活动沙丘正在吞噬着河谷平原和高山迎风坡上的草场^[5]。在部分被固定的风沙活动区，表层下普遍覆盖厚层的连片沙丘，年代以距今2 400至1 400年为主，主要是末次冰期最盛期风沙活动产物^[10]，这些区域沙漠化风险也极高。

以往关于土地沙漠化动态监测主要采用遥感数据解译，计算植被覆盖率、土壤湿度和地表蒸散发等，通过分析沙漠化对地表生物物理特征的影响，建立沙漠化过程与地表生物物理特征之间关系的遥感信息模型^{[5, 11]}。一般而言，可靠的遥感识别模型必须基于研究区域风沙物质及地表特性的系统研究。然而，目前针对三江源区风沙物质对沙漠化的作用的认识尚不足，更缺乏定量研究。本文通过对三江源多个典型风沙活动区不同沙漠化程度的样地，包括活动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘、草原土进行广泛采样，分析样地中沙土颗粒成分及与沙漠化程度间的关系，为三江源沙漠化治理提出理论依据。

1 研究区域及方法

2011—2014年连续4年对黄河源、长江源区不同沙漠化发展程度的地区进行调查采样，记录采样点GPS位置 (如图 1所示)，以及活动、半固定、固定沙丘的分布情况等基本信息。采用土壤采样器钻取样地内典型沙丘表面至一定深度50 cm的泥沙样本，分层分装在不同样本袋中，各沙样重约200 g。结合标准筛分法 (粒径>2 mm) 和激光粒度法 (粒径＜2 mm) 测量沙土样的全级配组成^[12]。采用X-射线衍射仪定量分析了沙土样的全岩矿物和黏土矿物组成，仪器稳定度为0.01%^[13]。

沙漠化程度一般分为轻度沙漠化 (具有固定沙丘地、半裸露沙砾地)，中度沙漠化 (具有半固定沙丘地、裸露沙砾地)，重度沙漠化 (具有活动沙丘地)3级^[14]。各种沙漠化指数被认为能够更加准确地反映区域土地沙漠化发展状况。Lancaster^[15]通过考虑沙漠区的气温、降水对植被变化的影响及风动力对风沙运动的作用，提出了沙丘流动性指数。另外，针对中国北方草原沙漠区域，已经提出了包含沙漠化面积和沙漠化程度信息的综合沙漠化指标 (aeolian desertification index, ADI)^[16]，在该指标的定义中，首先需给不同程度沙漠化土地面积赋予不同权重，进而计算ADI=(S_SL+2S_M+3S_S+4S_VS)/S_A，其中S_SL为轻度沙漠化土地面积，S_M为中度沙漠化土地面积，S_S为重度沙漠化土地面积，S_VS为严重沙漠化面积，S_A为研究区总土地面积。本文基于这一思想，以不同权重系数衡量不同沙漠化程度，提出地表风蚀风险指数 (desertification risk index，DRI)：

$\begin{align} & \text{DRI}=\text{ }{{R}_{\text{A}}}\times 1+{{R}_{\text{SF}}}\times 0.5+ \\ & {{R}_{\text{F}}}\times 0.25+{{R}_{\text{MS}}}\times 0. \\ \end{align}$

其中: R_A为活动沙丘面积占研究区域面积的百分比，活动沙丘所占比例越大，即重度沙漠化程度越高，其对应的沙漠化风险为重度，权重系数赋值1；类似地，半固定沙丘占研究区域面积的百分比R_SF越大，中度沙漠化程度越高，其对应的沙漠化风险为中度，权重系数赋值0.5；固定沙丘占研究区域面积的百分比R_F越大，轻度沙漠化程度越高，其对应的沙漠化风险为轻度，权重系数赋值0.25；一定时期内若无显著外界干扰，草原土占研究区域面积的百分比R_MS越大，发生沙漠化风险越低，因此其对应的沙漠化权重系数可赋极小值，本研究中调查的草地均为稳定型，发生风蚀的可能性极低，因此其沙漠化权重系数赋值0。该指数反映的是研究区域向沙漠化发展的风险，DRI越大，则研究区发生沙漠化的风险越高。

李艳富等^[17]对三江源地区各种类型的沉积物进行了粒径级配和矿物成分的广泛采样分析，揭示了风沙沉积物的鉴定特性：粒径组成非常接近，中值粒径为0.05~0.25 mm，分选系数为1.0~2.5；且矿物成分以石英为主。董治宝等^[14]对于三江源不同沙漠化程度土壤的粒度的研究也表明，沙漠化程度越严重，其中值粒径为0.125~0.25 mm的细沙组分的含量越高，且中、重度沙漠化区的细沙组分含量均超过60%。本研究中称这部分中值粒径在0.05~0.25 mm的最易蚀颗粒为“风动沙”，在前人研究的基础上进一步研究风动沙的典型特性及对区域沙漠化的影响。

2 结果

图 2比较了活动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘表层泥沙粒径级配，虚线方框中所标示的范围是风动沙的粒径范围。随着沙丘逐渐被固定下来，其中风动沙的百分含量从95%以上 (活动沙丘) 逐渐降低至70%以下 (固定沙丘)；细颗粒 (主要为粒径＜0.05 mm的粉沙和黏土) 百分含量从5%以下 (活动沙丘) 增加至20%以上 (固定沙丘)。细颗粒的增加，为沙丘表面植被发育提供了土壤条件，植被的发育又促进了沙丘的进一步稳定。

图 3—5给出了活动沙丘、半固定沙丘及固定沙丘的典型样点不同深度处粒径级配的比较，为进一步辨识沙丘的活动状态提供了帮助。如活动沙丘 (图 3) 的表层及深层 (深度尚浅于沙漠化之前的土壤面) 的泥沙的级配基本相同，说明沙丘依然处于风动沙活跃的状态，表面风动沙尚未开始土壤化。而半固定沙丘 (图 4) 的表层及深层的泥沙级配已经显示出差异：对于从活动状态逐渐进入半固定状态的沙丘 (图 4a)，表面泥沙中风动沙的含量略低于表面以下的泥沙；而对于从固定状态退化进入半固定状态的沙丘 (图 4b)，表面泥沙中风动沙的含量显著高于深层 (之前已固定的沙丘)。因此，可以通过比较沙丘不同深度处泥沙中风动沙含量的变化，来辨识研究区的风沙活动历史及现状和发展趋势。

对于固定沙丘 (图 5)，不同深度处泥沙级配显著不同，且其中的风动沙含量可能存在很大差异，但均低于60%。如图 5a所示的固定沙丘为人工混合片石、砾石所固定下来的沙丘，表层泥沙中风动沙的含量虽仍较高 (60%)，但深层大量粗颗粒片石、砾石，抑制了风沙活动，因此沙漠化风险不高。图 5b所示的沙丘为人工种草所固定下来的沙丘，表层和深层泥沙虽然主要由细颗粒组成，但其中风动沙含量均很低 (＜40%)。稳定生长的植被可增强土壤涵养水能力、促进细颗粒泥沙的风化和黏土矿物的形成，进一步降低该沙丘发生沙漠化的风险。

图 6比较了活动沙丘 (A)、半固定沙丘 (SF)、固定沙丘 (F) 的表层泥沙物质的矿物成分组成。随着沙丘被逐渐固定，泥沙中石英矿物的含量明显降低 (降低率可达20%)，钠长石含量略微降低，钾长石、方解石、角闪石变化不明显，造岩矿物总含量降低，黏土矿物含量明显增加 (增加率达10%)。在气候和生物共同作用下，随着沙丘被固定，其表层泥沙的不稳定的造岩矿物发生风化生成黏土矿物^[17]。此外，随着沙丘的固定，植被发育，表层物质材料中有机质含量也增加。可见，这些矿物成分及有机质含量的变化趋势也可以帮助辨识沙丘的发展趋势，为追踪三江源地区沙漠化演变进程提供依据。

针对上述调查的活动沙丘、半固定沙丘、河岸滩沉积物、固定沙丘及草原土的粒径级配组成，分析了各种类型沉积物中风动沙的百分含量，如图 7所示。活动沙丘及半固定沙丘中风动沙含量相对集中，普遍超过80%。而河岸滩沉积物、固定沙丘、草原土中风动沙含量差异较大，其中河岸滩沉积物中风动沙含量介于20%~80%，主要集中在50%~70%。固定沙丘中风动沙含量介于40%~85%，主要集中在70%~80%，草原土中风动沙含量最低 (10%~60%)，主要集中在30%~50%。图 7还包括了吴正^[18]对于塔克拉玛干沙漠地区的河流冲积物和活动或半固定沙丘中的风动沙 (粒径0.05~0.25 mm) 的百分含量的调查数据，基本与本文研究的结果一致：河流冲积物中风动沙含量差异大，介于10%~85%，主要集中在30%~80%；活动或半固定沙丘中风动沙含量普遍高于70%，平均在85%。

河岸滩的水相沉积物中含有的大量的风动沙级配范围的泥沙在风力作用下连续运动、聚集成活动沙丘。在各种自然和人工植被等修复作用下，活动沙丘可能逐渐被固定成半固定、固定沙丘，然而这些固定、半固定沙丘中风动沙的含量仍然很高 (80%左右)，在扰动下，这些风动沙可能再次被释放，造成沙漠化。只有当这些半固定和固定沙丘上发育完整的植被，风动沙逐渐风化形成草原土，风动沙含量降低至60%以下，形成稳定的草地，沙漠化才可能被控制住。

图 8进一步揭示了所调查的活动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘及草地样点的地表风蚀风险指数 (评价发生沙漠化风险高低) 与表层泥沙中风动沙含量的相关关系。从图 8可以看出，当样点中的风动沙含量低于60%时，样地沙漠化指数极低 (＜0.1)，样地发生沙漠化的风险极低；当样点中的风动沙含量高于60%时，样地沙漠化指数随着风动沙含量的增加呈抛物线增加，当风动沙含量超过80%时，沙漠化指数普遍超过0.5，甚至高达1.0，即表明该地区必然会发生沙漠化。而对于风动沙含量低于60%的草原区，沙漠化指数普遍为0，说明在草原不被破坏的情况下，该地区一般不会发生沙漠化。

以目前常用的沙漠化治理措施为例可进一步解释上述结果：如增加沙面及一定深度范围内的卵砾石含量，可实现风动沙含量的降低。另外，增加表层黏土颗粒含量，也可实现一定程度的风动沙含量的降低。从效果看，卵砾石等粗颗粒增加颗粒抗风蚀能力，即增加颗粒启动难度；黏土易形成结皮增加颗粒间的粘结力，也是增加风蚀阻力的一种措施。因此，图 8揭示的结果可解释为过多最易蚀性颗粒含量 (风动沙含量>60%) 时，沙丘抗风蚀能力低、颗粒易启动、沙漠化风险高。

以贵南木格滩 (海拔3 100~3 400 m，代表样点A1—A3)、共和县二塔拉沙漠 (海拔3 000 m，代表样点A10)、玛多鄂陵湖下游 (海拔高于4 200 m，代表样点F9) 为例 (见图 1中位置)：木格滩和二塔拉沙漠地区年平均气温为2.4℃，年平均降水量约400 mm，年平均蒸发量为1 500 mm^[5]，而玛多年平均气温为-4.1℃，年平均降水量为316 mm，年平均蒸发量为1 331 mm^[19]。从气候、降水条件及海拔高度看，木格滩和二塔拉的年均温度和降水均高于玛多，更利于植被发育和沙漠化控制，然而木格滩和二塔拉样地的沙漠化活动远远强于玛多样地 (图 8)，主要原因就是前两者的风动沙含量远高于后者 (图 4)。尤其是玛多样地表层以下20 cm含有大量砾石 (图 9c)，能够有效抑制下层大量可蚀性物质受风力侵蚀，抑制了该地区大规模的沙漠化的发展。

3 结论

通过对三江源不同沙漠化程度地区的广泛的泥沙样本粒径和矿物成分的分析，进一步明确了三江源的风动沙的粒径集中在0.05~0.25 mm，矿物成分以石英为主；且随着活动沙丘逐渐被固定为半固定、固定沙丘，造岩矿物减少，黏土矿物增加，有机质含量增加。受黄河源、长江源干冷气候条件的影响，植被发育困难，易被风沙活动摧毁，因此源区的沙漠化发展程度与沙漠化区域内风动沙含量密切相关。本文在已有研究的基础上，进一步提出适用于三江源地区的沙漠化风险指数，通过分析该指数与不同沙漠化程度的区域内的风动沙含量的变化关系，揭示了风动沙在沙漠化发展过程中的核心作用，也说明对三江源沙漠化区域的治理需降低区域内风动沙的含量。对于风动沙含量超过90%的地区，盲目的植被修复可能起不到控制沙漠化的作用。因为一旦表层植被破坏，沙丘中大量的风动沙可再次释放，沙漠化继续重演。因此，在风动沙含量极高的地区可通过降低泥沙中风动沙含量，如砾石固沙抵抗风力侵蚀，增加黏粒含量促进沙丘表面结皮等，抑制风动沙活动。在抑制风动沙活动的基础上，种植耐旱耐沙埋的草本植物，待植被稳定发展后，风沙活动才可能被有效控制。