沙丘按照風力作用的方向和形態之間的關係可分為橫向沙丘、縱向沙壟和金字塔形沙丘等。拋物線狀沙丘即是橫向沙丘的一種，其表現形態為迎風坡凹進，背風坡凸出，兩個翼角指向迎風方向，平面輪廓呈拋物線狀。
基本介紹
- 中文名：拋物線狀沙丘
- 外文名：parabolic dune
- 類型：橫向沙丘
- 特點：平面輪廓呈拋物線狀
概述,形態類型與分布,成因及影響因素,動力過程與移動,研究現狀與展望,
概述
沙丘按照風力作用的方向和形態之間的關係可分為橫向沙丘、縱向沙壟和金字塔形沙丘等。拋物線狀沙丘即是橫向沙丘的一種，其表現形態為迎風坡凹進，背風坡凸出，兩個翼角指向迎風方向，平面輪廓呈拋物線狀。沙丘形態的發育及演變受起沙風況的季節性變化、沙源的豐富程度、植被覆蓋狀況、降水以及氣溫等綜合作用的影響。同時，拋物線狀沙丘的形態及演變與氣候變化和人類活動的關係十分密切。因此，對拋物線狀沙丘發育和演變規律的研究，有助於了解全球變暖背景下的地貌回響和土地沙漠化正逆過程。
形態類型與分布
拋物線狀沙丘分類的主要依據包括沙丘形態的複雜程度、與相鄰沙丘的關係、橫斷面形狀、植被覆蓋狀況、沙丘表面活動性等，且幾乎是定性描述。根據沙丘形態複雜程度或空間組合可分為三大類，即簡單型、複合型和複雜型。其中，簡單型按照不同長寬比分為反新月形、半輪生形、舌狀和發卡形；複合型由相鄰的拋物線狀沙丘連線或疊加形成，按照平面形態分為嵌套形、耙狀、掌狀和疊覆狀；複雜型是由拋物線狀沙丘與其他類型沙丘組合而成。根據沙丘形態、發生環境、起源分為開放型、封閉型、未填充—部分填充—填充型、合併型以及疊覆型。按植被覆蓋程度或活動性分為完全植被覆蓋（固定）、部分植被覆蓋（半固定或半流動）和完全裸露（流動）3 種類型。根據海、湖岸等地的一些研究結果，完全裸露和部分植被覆蓋的拋物線狀沙丘都有不同程度的移動，且不同地區之間和同一地區不同時段之間移動速率相差較大。拋物線狀沙丘本身的形態類型複雜，同時它還可與新月形、橫向沙丘相互轉變。
拋物線狀沙丘主要分布於半乾旱、半濕潤的沙質草原環境，以及沙質海岸、湖岸和乾旱沙漠邊緣。廣泛分布於印度和巴基斯坦的塔爾沙漠、南非的喀拉哈里沙漠以及美國海岸，此外在澳大利亞、阿拉伯半島、加拿大、巴西、荷蘭、丹麥、以色列、英國北威爾斯、瑞典等地都有分布。在我國，拋物線狀沙丘主要分布在毛烏素、渾善達克、科爾沁和呼倫貝爾等內陸沙區，以及遼東半島西北岸、冀東灤河口至洋河口間海岸、山東半島北岸、華南沿海等海岸地區。最近的研究表明，在庫布齊沙漠東南緣和新疆伊犁地區也有分布。
成因及影響因素
由於拋物線狀沙丘形態類型複雜多樣，各地區沙丘形態之間差異較大，對其形態變化及其機理的個別研究，結果之間尚有不少爭議。拋物線狀沙丘的研究主要集中在海岸地區，研究內容主要有沙丘形態類型、移動速度、形成環境、植物種類和密度對沙物質運動和沉積的影響、沙源供應、地形對近地表風速和風向的影響、水分對輸沙率的影響等。此外，美國對一些湖岸進行了相關研究。在廣大內陸地區開展的研究很少，包括對美國西南部沙丘地和加拿大半濕潤草原沙丘形態、沉積特徵和形成環境的研究，以及對印度塔爾沙漠拋物線狀沙丘形態與分布特徵等的研究。國內對拋物線狀沙丘的研究還處於起步階段，多隻停留在遙感影像的識別上。
目前，拋物線狀沙丘的成因尚無定論，存在許多爭論。主要有3 種：①新月形沙丘移動到環境條件較好地區，由於兩翼離地下水位較近而易被植被固定、中間部分較難固定而繼續前移形成拋物線狀沙丘，如果兩個丘臂被拉伸近於平行，則沙丘外形呈U字型，又似髮夾，稱U形沙丘（U－shaped dune）或髮夾沙丘（hairpin dune）；②沙質海岸沙丘迎風坡遭受強烈侵蝕形成風蝕坑，沙粒在風蝕坑下風側沉積受植被作用而形成拋物線狀沙丘；③流動新月形或橫向沙丘經固定後，沙丘迎風坡遭受侵蝕，沙物質在丘頂和背風坡堆積生成拋物線狀沙丘。儘管上述3種成因類型都可能存在，但是目前還不明確它們相互之間在表面過程和形態等方面的差異，同時也不清楚從新月形沙丘或從風蝕坑坑後積沙演變成拋物線狀沙丘的過程及條件。目前普遍認為控制沙丘生成和移動速率的主要因素包括沙源、風況、降水和植被等，但是其中關鍵控制因素在各地有所不同。
植被的分布是控制拋物線狀沙丘侵蝕和沉積，影響其形成與發展的主要因素之一。地表植被的葉、芽等可以增大地面粗糙度，同時植物根系對表層土壤的固定作用、植物死亡後形成的腐殖質對表土性質的改良作用，可以增加土壤凝聚力和保水能力，從而影響局地流場和土壤抗蝕性；而植被阻滯所產生的積沙量的差異又可以反過來影響植物的種類和密度。Kumler對美國俄勒岡州海岸拋物線狀沙丘的植被演替進行研究，按照時間順序將沙丘上的植物群落分為零星分布的先鋒草本植物、一年生和多年生草本植物出現、灌木出現、大量灌木等9個階段。有些學者認為在半乾旱地區植被在拋物線狀沙丘的形成過程中起關鍵作用。在北威爾斯安格西島紐伯勒華倫沙區，通過插簽的方法，Ranwel 探討了植被與沙丘移動速率的關係以及沙丘移動對植被的影響。在以色列地中海沿岸，Tsoar 和Blumberg在對1944—1995 年12期航空影像分析的基礎上，提出新月形和橫向沙丘演變為拋物線狀沙丘的發展模式，認為植被蓋度和密度的增加是控制其發展過程的關鍵因素。Duran和Herrmann在分析美國新墨西哥州沙丘遙感影像的基礎上建立數值模型，提出植物生長與沙物質輸送關係的方程，預測植被增加使流動新月形沙丘固定從而轉變為拋物線狀沙丘的過程。Duran等在巴西東北海岸拋物線狀沙丘的研究中，觀測了不同活動程度沙丘的植被蓋度，並與遙感影像結合，模擬了沙丘形態和植被蓋度的變化過程。
有些學者認為風況是控制拋物線狀沙丘形態最主要的因素。早在20世紀50 年代就有學者將拋物線狀沙丘的發展分為4個階段，在Bagnold方程的基礎上提出改進，並通過英國和丹麥海岸拋物線狀沙丘進行驗證，證明風的矢量和與拋物線狀沙丘的方向有很大的相關性，是決定拋物線狀沙丘中軸方向的決定因素。但有學者認為該方法將不同方向的風的權重視為相同存在缺陷，提出向岸風比離岸風對於沙丘形態的演變具有更為重要的作用，應具有相對較大的權重，並通過澳大利亞塔斯馬尼亞州國王島海岸沙丘的觀測進行驗證。事實上，不同地區局地風況主要包括方向和強度決定了沙物質輸送的方向和數量，而它們也受到沙丘形態以及植物種類和密度的影響。在丹麥海岸沙丘的研究中，Anthonsen等基於GIS對遙感影像的處理，結合氣象數據，分析了沙丘形態以及風況和植被蓋度隨時間的變化，並探討了沙丘形態和演變的控制因子，認為風況和植被蓋度是新月形沙丘演變為拋物線狀沙丘的主要控制因素。在阿拉斯加州南部楚加奇山南側塔納河谷沙丘帶，Wiles 等通過樹輪和放射性碳同位素定年的方法，測得沙丘的移動速率為1～3m·a-1，且與丹麥海岸拋物線狀沙丘類似，即拋物線狀沙丘的形態演變趨勢與風能的減弱和植被蓋度的增加相一致。
此外，溫度、降雨和風的季節性變化對沙物質輸送、沉積以及植被的生長都具有重要影響。在密西根湖岸，Hansen等對風蝕坑向拋物線狀沙丘的演變過程進行了研究，在對丘表風況以及背風坡的沉積長達20個月觀測的基礎上，揭示了風況的季節性變化對拋物線狀沙丘動力學、植被和沉積的影響。土壤水分在拋物線狀沙丘的形成中具有重要的作用。由於水分存在對沙粒的凝聚力，從而阻礙了沙粒的運動。儘管裸露的沙丘具有明顯的同質性，水分在活動沙丘各部位分布也通常是不均一的。在輸沙過程中，鬆散乾燥的沙粒比潮濕黏著的沙粒更易運動，導致沙丘侵蝕量和堆積量空間分布的不同。冬季，坡度的局部差異產生地表凍結以及沉積物的重新分配，影響了沙粒輸送的空間和時間格局；夏季，降雨量的增加促進植被的生長、增大了地面粗糙度，從而減緩沙粒的運動。在荷蘭海岸，Arens 等通過移去固定拋物線狀沙丘表面植被和土壤的實驗，探討了沙丘發育的條件，證明了沙丘的活動與風況具有密切的聯繫，但是顯著受到降水的影響。Forman和Pierson對美國愛達荷蛇形河流平原的拋物線狀沙丘研究，認為拋物線沙形丘的形成主要與春季降雨量相關。Arens等對荷蘭海岸的拋物線狀沙丘研究認為，風況與沙丘的活動性相關，但這種相關受降雨影響，在強風作用下沙丘的移動速率並不大。在新墨西哥白沙沙區，Langford等通過對貫穿於“新月形沙丘———新月形拋物線狀沙丘過渡帶———拋物線狀沙丘”樣線上6個觀測點沉積物和地下水鹽度的調查，發現新月形沙丘形成於侵蝕較嚴重接近含鹽較高的地下水位處，而拋物線狀沙丘形成於淡水透鏡體上，證實了沙丘的形態不僅與淺層地下水位高度有關，還與地下水鹽度有很大的關係。Catto 等對加拿大愛德華太子島東北海岸拋物線狀沙丘的研究表明，短、中期的氣候變化可以加速沙丘的演變，此外人類的活動更加速了這一過程，認為沙源供應是沙丘形態和演變最重要的決定因素。
沙丘的形成和演變受到沙源供應、粒度分布、風況（風能、風速、風向）、局部地形、植被蓋度等的影響，且這些因子間相互依賴和制約，很難判定某個因子是決定沙丘形態的最為關鍵的因子。因此，有些研究試圖綜合考慮植被、風對沙粒輸送和沉積的影響。此外，一些研究考慮了季節變化的影響。國外對拋物線狀沙丘的研究多關注海岸沙丘風蝕坑下風側拋物線形積沙帶。對風蝕坑形成過程的研究，主要集中在形態的變化，主要通過航拍照片、地形調查和侵蝕釺等進行。Gares和Nordstrom通過對位於美國新澤西州沙灘島州立公園的3個風蝕坑長達10a的地形測量和對其中兩個風蝕坑風沙過程為期4周的野外試驗，建立了風蝕坑不同發育階段地表風沙過程與其形態演變之間的關係，提出了風蝕坑的循環發展模式。Byrne在休倫湖岸風蝕坑的研究中對沙物質輸送的季節性變化進行了探討。通過對氣流場的研究，地形誘導產生的風的轉向、加速、紊流、流動分離的重要性以及它們對沙物質輸送和沉積的影響得到證明。Hesp在對風蝕坑的文獻進行綜述的基礎上，提出了風蝕坑的形成、動態和發展的模型。
動力過程與移動
沙丘表面沉積物的輸送和沙丘形態的演變是風在時間和空間尺度上綜合作用的結果。由於大氣邊界層與地表的相互作用，產生能量的消耗（即摩擦熱）和沉積物的重新分配。不同地區拋物線狀沙丘移動速率差別很大。一般，在高風能單一風向條件下，拋物線狀沙丘移動速率較快；反之，在低風能多風向條件下其移動速率較慢。測量沙丘移動速率的方法有很多，包括打樁、對連續航空影像的對比分析、對風蝕坑內生長樹木年輪的測量、對沙埋有機物進行碳的放射性同位素測年，隨著科技的發展又出現了差分GPS、全站儀等先進的測量工具以及高解析度航空相片等大大增加了數據的精準度。許多學者利用不同的方法對拋物線狀沙丘的移動速率進行了觀測。在北威爾斯安格爾西島，Ranwell通過打樁的方法，測得紐伯勒華倫沙區拋物線狀沙丘3a內移動的速率為1．5～6．7m·a-1。在澳大利亞北昆士蘭，Pye通過航空影像分析，測得貝德福德角海岸拋物線狀沙丘最大的平均移動速率為4．8m·a-1。在加拿大薩斯喀徹溫省大沙山地區，Wolfe和Lemmen通過測量沙丘滑落面的方法，測得拋物線狀沙丘3a內移動速率為0．75～4．75m·a-1，發現沙丘運動具有很大的季節性，最大移動速率發生在秋季。在薩斯喀徹溫省蘇厄德沙山地區，Baas基於雷射斷代學的方法，測得拋物線狀沙丘移動速率為2．5～4m·a-1，平均速率為2．2m·a-1。在以色列地中海沿岸，Tsoar和Blumberg通過對1944—1995年12期航空影像的分析，測得隨著植被蓋度的增加沙丘移動速率從3．4m·s-1降低到1．9m·s-1，新月形沙丘最終演變為拋物線狀沙丘。在阿拉斯加州南部楚加奇山南側塔納河谷沙丘帶，Wiles等通過樹輪和放射性碳同位素定年的方法，測得沙丘在1790年到1960年間的移動速率為3m·a-1，1970年到1995年的移動速率為1m·a-1。在北威爾斯，Bailey 和Bristow通過遙感影像分析，計算了阿伯弗勞沙區距海岸不同位置複雜、複合拋物線狀沙丘的移動速率為0～3．6m·a-1，並採用沙脊線和線性擬合線方法測得拋物線狀沙丘的移動方向分別為29°和23°，平均移動速率分別為1．3m·a-1和1m·a-1。
對於拋物線狀沙丘的形態演變過程，目前尚無定論。Finnigan等通過拋物線狀沙丘模型風洞實驗，證實了氣流分離在決定沙丘遷移方向中所起到的重要作用。在對蘇格蘭的拋物線狀沙丘的研究中，Robertson－Rintoul 利用風速計、風向標和煙霧罐對沙丘的氣流分布進行了研究，鑑別出沙丘迎風坡和背風坡的脊部流、封閉渦流，以及沿翼運動的螺旋渦流。在加拿大英屬哥倫比亞地區格雷厄姆島東北海岸，Anderson和Walker 通過對後濱海邊低沙丘風蝕坑拋物線狀沙丘複雜系統（325×30m）氣流、沙物質輸送、植被密度、地表高程變化的觀測，指出植被和地形對氣流和沉積物性質、輸移具有重要的影響，並受季節變化的控制。Baas 通過計算機建立CA擴展模型（extended cellular automa－tion model），模擬了複雜系統下（考慮植被因子）拋物線狀沙丘的蝕積和演變過程，證明垂直方向的紊流可能是沙丘發展演變中最為關鍵的影響因子。在新墨西哥州白沙區，Ghrefat 等利用AVIRIS數據研究了丘脊和丘間沙粒粒徑和分選性的變化，探討了沉積物的輸送、沙丘的遷移以及固定過程。在加拿大薩斯喀徹溫省大棒沙山，Hugenholtz 等利用插釺法對拋物線狀沙丘蝕積兩年觀測的基礎上探討了內陸沙丘風沙沉積物輸移的空間和時間變化模式，通過對沙物質輸送和氣象因子的相關分析，結果表明地表狀況如植被蓋度、地表濕度、地表凍結等可以緩解溫度和降水對沉積物輸移的影響，且風況作為沙物質運動的驅動力在任何地表條件下與沉積物輸移都有很好的相關性。在以色列南部海岸，Ardon等通過遙感測量和對拋物線狀沙丘上30個灌叢沙堆動力過程的監測，提出灌叢沙堆最先固定在蝕積平衡的沙丘脊線處，其阻沙作用是促使新月形沙丘轉變為拋物線狀沙丘的決定因素，但還受到風況和人類活動的影響。
研究現狀與展望
儘管國內外對拋物線狀沙丘的研究取得了一定的進展，但是仍然存在許多問題：
1）不同類型的拋物線狀沙丘的形態劃分缺乏有效的、量化的和指標體系，大多是對其平面形狀的描述或根據單一因子表現的差異性而劃分。
2）拋物線狀沙丘的成因存在很大爭議。由於各地區環境條件差異較大，拋物線狀沙丘形態複雜，其形成原因或表現形式可能不同。
3）形態和沉積物的輸送研究被相互隔離。形態的演變多通過簡單的對形態因子數據的統計結果描述而得到，而沉積物的輸送多通過測量地表的動力過程獲得，而形態的演變和沉積物的輸送是緊密聯繫的。
4）流場的野外觀測與室內風洞模擬缺乏有效的結合，因此沙丘形態變化和流場分布之間的關係很難上升到具有預測意義的理論高度。
5）各環境因子在沙丘形態演變中的作用尚未綜合有效地闡述。大多研究僅對單一因子或某幾個因子在形態演變中的作用進行探討，各環境因子的綜合作用以及各因子之間的關係尚缺乏有效的分析。
6）在區域上，我國拋物線狀沙丘研究程度較低，除了一些定性描述的研究外，還沒有從地貌學角度進行實驗觀測；同時，我國拋物線狀沙丘主要集中在內陸，與國外廣泛研究的海岸拋物線狀沙丘相比存在較大差異，對其形態分類、演變發育過程及成因亟待探討。
