《科技创新与品牌》杂志社创新成果 Achievements

大漠风沙路 ——记陕西师范大学董治宝团队风沙地貌研究

董治宝教授团队成员.jpg

董治宝教授团队成员


中国敦煌的雅丹地貌、美国拉森火山国家公园的彩色沙丘、加拿大亚伯拉罕湖的冰泡……大自然的鬼斧神工,远超出人类的想象力。

这些奇妙的地貌、景观,经历了怎样的孕育、转化才得以形成,又曾经、正在或即将对人类的生产、生活产生怎样的影响,吸引了世界各国无数科学家潜心探索。董治宝就是一位探究风沙地貌的科学家。

董治宝,现为陕西师范大学地理科学与旅游学院院长,多年从事风沙物理及风沙地貌研究,是我国沙漠化动力学机制研究的学科带头人。

需要指出的是,他所开展的研究,并非多见的风沙地貌形态研究,而是我国比较薄弱的风沙地貌过程研究——

风力多大时,沙粒才会发生移动?

沙粒如何移动成为沙丘,又因何、如何发生变化?

为什么中国五大流动沙漠均呈现出特有风沙地貌,是如何形成?

又为什么青藏高原柴达木盆地沙漠中会出现类火星风沙地貌?

…………

围绕典型风沙地貌过程研究这一核心,董治宝走遍了中国五大流动沙漠——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,与风沙为伴30余年,日夜坚守,只为了更懂那一簇簇沙粒塑造的神奇世界,为了从根源上解决防沙治沙难题。


笃志风沙,过程至上

在尚不知雾霾为何物的上世纪90年代末,每年冬春季节,北方的人们最担心的天气问题是沙尘暴。一旦大风起,便是尘土漫天,黄沙蔽日。

尽管经过多年防沙治沙工程建设,近年恶劣沙尘天气变少,但不可否认,我国仍然存在比较严重的土地沙漠化问题。这些问题仍然影响着我国北方地区的生态环境,以及相关地区居民的生产生活。

防沙治沙是一个长期而艰巨的过程。董治宝介绍,中国干旱区是全球风沙地貌过程最活跃的地区之一,其环境独特,与世界其他干旱区相比,具有典型的特殊性,受到科学界长期而广泛的关注,自19世纪中叶起,便是国外地理探险家的胜地。

我国现有的风沙科学研究体系主要是在沙漠地区资源的改造利用、国民经济重大工程建设中的沙害防治及沙漠化治理的实践中建立起来的,所以服务于防沙治沙的特色非常明显。实用性强,是我国沙漠科学的优势,相对来说,风沙科学基础理论研究则比较薄弱。

在我国,针对干旱区风沙地貌的研究,自20世纪50年代开始,就属于风沙科学基础研究的重要部分。多年来,“我国在风沙地貌的主要类型与分布、主要沙漠的风沙地貌总体特征、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。”这些成果大多属于风沙地貌的形态研究范畴,而地貌学研究的核心问题,除了形态,还有过程。不得不承认,长期以来,我国在风沙地貌过程研究方面仍比较欠缺。

董治宝曾经和正在做的,就是钻研每一片沙漠的不同,探究中国沙漠与世界上其他沙漠的不同的、独特的地貌形成过程,以弥补中国以往风沙地貌过程研究的薄弱环节。

沙漠有何不同,不全都是沙子吗?

在普通人看来确实如此,但在董治宝这个内行看来,世界上每一片沙漠都是不同的,每一片沙漠都有其他沙漠所没有的“典型性”和“独特性”。

董治宝介绍,在干旱的气候条件下,风是沙漠地表形态塑造的主要动力,但并不是所有的风都与沙漠地表形态的发育有关,只有能把沙子吹扬搬运的风,才能对沙漠地表形态的塑造起显著作用。这种含有沙子运动的气流,被称为风沙流。“风沙地貌的形成在于风沙相互作用,始于风蚀;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。”

这些都是沙漠的“大相似”,也是研究每一片沙漠所遵循的基本思路。立足“大相似”,寻源“小不同”。董治宝带领团队深入中国五大流动沙漠——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,分别对其特有风沙地貌形成过程、风沙流动力学过程、地表风蚀与沙尘释放过程等进行了综合研究,并取得了让业界与世人惊叹的系统性研究成果。

董治宝教授和他的风洞实验室.jpg

董治宝教授和他的风洞实验室


扎根大漠,寻源“小不同”

要发现每个沙漠之间的“小不同”并不难,但要揭示这些“小不同”的独特形成过程却非易事。

在中国,董治宝和他的团队面对的,是干旱区约60万km2的沙漠与约57万km2的戈壁。茫茫大漠、漫漫黄沙,何所踪,何处寻。而这也正董治宝团队的强悍之处,他们在那片广袤无垠的天地里,用时间与汗水为中国五大流动沙漠写下了不同的注脚。

● 塔克拉玛干沙漠——复杂线行沙丘

塔克拉玛干沙漠以复杂线行沙丘著称。以往研究多偏重简单沙丘,关于复杂沙丘如何形成研究并不多。

董治宝通过研究发现,塔克拉玛干沙漠复杂线形沙丘的形成发育,与区域风况变化和发育史密切相关,特别是沙漠腹地久远的地质历史,使沙丘发育经历了四个完整的过程——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;简单线形沙丘群发生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,形成复杂线形沙丘。而在这一演化过程中,时间是决定沙丘地貌复杂性的重要因素。

● 巴丹吉林沙漠——高大沙山

巴丹吉林沙漠有世界上最高大的沙山,极具代表性,关于其形成过程有多种假说。但多年来,由于支持其形成过程研究的直接证据难以获得,很多假说便一直停留在假说阶段。

董治宝团队创新性地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。

在长期野外调查与海量遥感数据的基础上,他们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,并以高度—间距关系表征高大沙山系统的地貌格局,最终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特征,且与世界其他沙漠的沙丘地貌学格局特征具有很好的一致性。

这意味着,巴丹吉林沙漠高大沙山的形成过程并未受其他特别因素控制,完全呈现于风力作用下,属于沙丘地貌发育过程的典型自组织行为,即风是塑造高大沙山系统的动力。该结论逐渐被其他研究证实。

● 腾格里沙漠——格状沙丘

格状沙丘如何形成发育,到底归属于哪一类沙丘地貌,是一个困扰学界多年的难题。

传统沙丘地貌学理论认为,横向沙丘形成于单向风况,线形沙丘形成于双向风况。但董治宝通过实地观测与深入研究发现,事实并非如此。

2005年,董治宝带领团队在格状沙丘最为典型和集中的腾格里沙漠扎下了根。他们在那里建立了风沙科学观测场,率先在风沙地貌学界开展风沙地貌动力学的野外现场试验。

通过长期试验与观测,基于沙丘形态形成与演变过程、以及风况特征的长序列监测与试验资料,他们发现,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,且其成熟度(或典型性,即主梁长度/副梁长度之比)随时间推移变好。”董治宝解释。

这一研究不仅揭示了腾格里沙漠格状沙丘的形成过程,同时证明,格状沙丘代表一种沙丘地貌格局(空间组合),并非独立的沙丘地貌类型。

● 库姆塔格沙漠——“伪羽毛状”沙丘

这是一项填补空白的研究。

库姆塔格沙漠临近罗布泊,自然条件严酷,此前鲜有研究报道。在此项研究之前,人们通过遥感影像进行判断,认为库姆塔格沙漠发育了典型的“羽毛状”沙丘(feathery dunes)。

董治宝教授在楼兰古城.jpg

董治宝教授在楼兰古城


而董治宝团队深入沙漠之中,实地对库姆塔格沙漠风沙地貌进行了全面研究,发现那些遥感影像上的“羽毛状”沙丘,其实是由地表沉积物反照率差异造成的“羽毛状”图案,是“伪羽毛状”沙丘(pseudo-feathery dunes)。

同时,他们还在库姆塔格沙漠发现了两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),并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;而沙砾碛,则是沙漠中的古河道洪积物周围的流沙被风蚀而成的蚀余地貌,经历了五个特征阶段与类型才最终发育完成。

最具有现实指导意义的,是他们还确定,位于库姆塔格沙漠东北部的世界上最典型的雅丹地貌形成于10kaBP以来,与非洲撒哈拉沙漠的类似雅丹地貌同期,目前大多处于壮年期和消亡期。依此研究,董治宝提出了延长雅丹地貌旅游服务功能的建议,以保护雅丹谷地戈壁面免受干扰,进而避免形成强风沙流侵蚀。

● 柴达木盆地沙漠——类火星风沙地貌

线形沙丘是地球和火星分布最广泛的风沙地貌类型之一,学术界对其形成过程的争论也最多,有10种假说之多。

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。董治宝选择柴达木盆地作为线形沙丘的研究之地。

在这里,他们发现了与火星风沙地貌相似的风沙地貌,并将其定义为类火星风沙地貌(terrestrial analogues of Martial aeolian landforms)。

通过对柴达木盆地察尔汗盐湖4个线形沙丘断面开展详细的沉积学和年代学研究、分析,他们发现冷干气候是柴达木盆地线形沙丘地貌发育的重要条件。

同时,他们发现,类火星风沙地貌产生于沙源丰富度的空间差异。沙源供应不充分是影响火星沙丘地貌发育的重要因素,导致火星沙丘地貌类型简单,以简单线形沙丘为主。

这一系列研究成果的取得,对发展我国风沙地貌学理论具有重要意义,使中国风沙地貌理论研究达到国际先进水平。

董治宝教授(左三)带领团队在阿尔金山考察.JPG

董治宝教授(左三)带领团队在阿尔金山考察


始于热爱,忠于坚守

30多年来,董治宝的视线从未离开大西北。

除了围绕中国五大流动沙漠进行风沙地貌过程研究,他还投入了大量精力在青藏高原的沙漠化研究。

董治宝带领团队研究青藏高原沙漠化的格局与过程,探索其驱动机制,在理解沙漠化对气候变化的响应机理基础上,模拟未来不同气候变化情境下沙漠化的发展趋势,为适应气候变化的战略决策提供了科学依据。这一研究,同样取得了不俗的成果。

那一项项调查观测项目与模拟实验的开展,一个个指征体系和沙漠化物质基础图的建立,一个个评价指标与模型的建立,都让我们更加清楚地了解青藏高原在过去30年经历了什么,发生了什么,也能够更客观、准确地预估不同气候变化情景下青藏高原的沙漠化趋势。

30多年来,董治宝发表论文460余篇,其中SCI169篇、EI85篇;出版专著5部、参编专著7部,论著被他引6507次、SCI他引2770次;获国家专利32件,其中发明专利6件;获国家科技进步二等奖和甘肃省自然科学一等奖各1项,其他科技奖励5项,以及中国青年科技奖等荣誉称号。

凭借扎实的研究成果,与在国际沙漠化动力学研究领域中学术论文高发表率、高引用率,董治宝逐渐成长为中国沙漠化动力学机制研究的学科带头人,并被国家自然科学基金委员会评价为国内最具实力的风沙物理与风沙地貌学者。

在国际上,董治宝也同样形成了较为广泛的影响力。他是国际风沙科学学会的发起人之一,并任首届副主席。他还兼任联合国《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。

而这一切,都始于董治宝对西北这片土地的热爱。

董治宝教授1.JPG


董治宝是地道西北人,生于陕西省横山县,求学于陕西师范大学、中科院兰州沙漠研究所,大漠风沙便是他学习和研究的主题。

上世纪末,他曾作为访问学者赴美国农业部大斯普林土壤风蚀研究站,专门从事风沙物理学研究。两年时间里,他不仅带回先进的研究方法与经验,还建立了广阔的研究视野与前瞻性的研究思路。

回国后,董治宝长期就职于位于兰州的中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,一干就是18年。直到2017年9月,他才调回母校,任陕西师范大学地理科学与旅游学院院长。

生于斯,长于斯,奉献于斯。青藏高原的寒风铭记了他的汗水,大漠的沙丘留下了他的足迹。而在明天,在未来,董治宝仍将一往无前!