冻融环境下高寒草甸风蚀坑的形成与演化过程

Freezing-thaw blowouts are typical wind erosive landforms on the Qinghai-Tibet Plateau, which have close contacting with the permafrost degradation and climatic change. It is the product under the coupling function of freezing-thaw and wind erosion, and have been considered as the direct earth-surface responses of regional aeolian activity to climate change. Dune field destabilization and desertification in the alpine regions, in many cases, probably starts with blowout development, however our knowledge of how this occurs, the controls exerted factors such as freezing-thaw, wind velocities, vegetation cover, sediment supply and animal/human disturbance is exceptionally poor. Research on freezing-thaw blowout evolution and morphodynamics is very limited. This proposal for funding would take the aeolian and permafrost physics as theory guidance, based on detailed survey of the form, distribution and initiation conditions of freezing-thaw, using ultrasonic anemometers, surface shear stress sensors and 3D laser scanner teckniques to measure the secondary air flow pattern, surface shear stress, aeolian sand erosion，dynamic evolvement process and wind erosibility in field and laboratory, to investigate the form and spatial divergence of blowouts and its associated relations to all kinds of permafrost degradation phenomenon. The relationship between its initiation, spatiotemporal evolution and freezing-thaw process would be discussed through the above examination, and the physics of desertification mechanism would also be revealed in theory. This research will provides foundation parameter to forecast sand activity on plateau and its response to climatic change.

冻融风蚀坑是发育在青藏高原上与冻土退化和气候变化有密切联系的一类典型风蚀地貌，是冻融和风力耦合作用下的产物，它的出现往往是区域风沙活动响应于气候变化的最直接地面反应，被视为高寒地区沙漠化的前奏，但目前对其形成与演化过程的研究程度还很低。本项目以风沙物理学和冻土物理学为理论指导，拟采用野外观测和室内模拟及遥感反演相结合的手段，在对冻融风蚀坑的形态、分布和发育环境进行详细调查的基础上，利用超声风速仪、地表剪切仪和三维激光扫描仪等先进的流场和地形测量技术，对风蚀坑表面的次生流场、剪切力分布、风沙蚀积和动态演变过程及抗风蚀能力进行系统的野外定位观测和室内模拟。以查明冻融风蚀坑的形态和空间分异规律及与各种冻土现象的伴生关系，探讨冻融条件下风蚀坑的形成机理及与局地地形、微地貌、地层结构等自然环境要素之间的内在联系，从理论上揭示高原沙漠化的物理过程和驱动机制。

风蚀坑作为古沙丘活化的一种重要表现形式，是青藏高原东北部干草原与荒漠草原地带沙漠化发展的主要驱动力之一，却鲜有文献对其形态演化过程及动力学机制做过系统研究。本项目四年执行期内，项目组通过收集研究区气象资料，采用野外考察、原位定位监测、室内实验、分析以及影像解译等技术手段，对青藏高原东北缘玛多、共和和玛曲地区风蚀坑的分布、形态、沉积特征以及诱因和动态演变过程进行了定量研究，并对高寒草甸风蚀坑的治理提出了建议和决策。主要结论如下：受西风带的影响，研究区风向以偏西北风为主，占所有起沙风的70%以上，40年以来，气温上升明显，风速下降，但降水变化幅度不大；青藏高原东北部地区风蚀坑主要分布在共和盆地、若尔盖盆地、黄河源玛多、长江源那曲、祁连山南麓疏勒河源头等5个区域；青藏高原高寒干旱区的风蚀坑要远远大于世界其它地区发育的风蚀坑，最大可达十余万平方米，按照形态特征可分为小型风蚀坑（风蚀斑）、典型风蚀坑以及复合风蚀坑三大类。风蚀坑长度与宽度之间呈高度线性正相关，且走向与起沙风主风向以及合成输沙势方向保持一致。随着风蚀坑的发展，其走向会越来愈加集中，积沙体与坑体的面积比逐渐减小，而风蚀坑的长宽比则会逐渐增大。研究区大部分风蚀坑表现出了扩张趋势，且边缘扩张主要由陡坎坍塌引起，是冻融、风蚀、水蚀以及人类活动等多种营力共同作用的结果。坑体溯源侵蚀现象显著，年最大坍塌幅度超过6m。东北侧坡壁的坍塌扩展也比较明显，年均扩张速率接近1m。小型和中型风蚀坑整体受到了侵蚀，而大型风蚀坑内部总体维持蚀积平衡，风蚀坑在不同时期内扩张速率的变化趋势并不一致，在其历史演化过程中，相邻风蚀坑很有可能发生频繁的融合以及吞噬过程；气候以及人类活动是风蚀坑形成的原始驱动力，二次流在大型风蚀坑的形态塑造和演化过程中扮演了重要的角色，存在明显的形态-流场反馈作用。根据风蚀密度，共和盆地塔拉滩地区划分为轻度风蚀区、中度风蚀区、核心风蚀区、风蚀-风积过渡区以及流动沙丘区这五个区域，应根据不同区域的风蚀坑发展模式和形态特征，有针对性地部署防沙治沙策略，抑制风蚀坑的形成与扩张，掐断沙质沉积物释放源头，控制草场沙漠化的蔓延。