蕪湖市春夏季大氣干降塵的粒徑特征及其環(huán)境意義

楊立輝，顧李穎，蘇 優(yōu)

（1.安徽師范大學(xué)國(guó)土資源與旅游學(xué)院，安徽 蕪湖241003；2.安徽省自然災(zāi)害過(guò)程與防控研究省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖241003）

大氣降塵是指自然降落于地表的空氣顆粒物。大氣降塵作為一種物質(zhì)與能量傳輸?shù)闹匾浇?，是氣候變化研究的重要組成部分，其不但可以直接或者間接地對(duì)氣候系統(tǒng)施加影響，而且對(duì)氣候變化的響應(yīng)也極為敏感［1-4］。春季是中國(guó)沙塵暴頻發(fā)季節(jié)，沙塵可以被輸送到長(zhǎng)江中下游地區(qū)，隨雨水降落地表，形成大氣降塵。統(tǒng)計(jì)顯示，每年由我國(guó)西北及內(nèi)蒙古、蒙古國(guó)等地的沙塵越過(guò)秦嶺抵達(dá)長(zhǎng)江中下游地區(qū)所形成的浮塵天氣在5d以上［5］，并且在上海的大氣濕降塵中含有較多來(lái)自西北干旱、半干旱區(qū)遠(yuǎn)源輸入的顆粒物［6］。蕪湖位于長(zhǎng)江下游地區(qū)，其大氣降塵的來(lái)源及其動(dòng)力特征尚未見(jiàn)詳細(xì)報(bào)道。

1 樣品采集和分析方法

1.1 樣品采集

采樣點(diǎn)位于安徽省蕪湖市安徽師范大學(xué)校園內(nèi)，采樣點(diǎn)在距離地面12m高的樓頂，周圍有高層樓房施工，無(wú)大型工廠及煙囪。使用乙二醇（C2H6O2）水溶液進(jìn)行濕法收集，乙二醇的加入量為60～80mL，根據(jù)不同季節(jié)的蒸發(fā)量與降水量，酌情加蒸餾水50～200mL。

1.2 分析方法

用美國(guó)貝克曼公司生產(chǎn)的LS200激光粒度分析儀測(cè)量，測(cè)量區(qū)間為0.4～2 000μm。前處理為：將收集到的樣品稱取2～3g放入燒杯內(nèi)，加入10mL濃度為10%的雙氧水（H2O2）煮沸，使其充分反應(yīng)除掉有機(jī)質(zhì)。然后冷卻再加入10mL濃度為10%的鹽酸（HCl）煮沸除掉碳酸鹽，冷卻后再注入蒸餾水靜置24h。用注射器抽出上層蒸餾水，加入10mL濃度為0.05mol／L的六偏磷酸鈉作為分散劑，用超聲波振蕩10min后上機(jī)測(cè)量。粒度參數(shù)計(jì)算參考國(guó)家海洋局編寫(xiě)的《海洋地質(zhì)調(diào)查技術(shù)規(guī)范》［7］，規(guī)定粒度參數(shù)的矩法數(shù)學(xué)計(jì)算公式。計(jì)算公式如下：

xi為粒級(jí)組中值（φ），fi為頻率百分?jǐn)?shù)，Mz為平均值，Sd為分選系數(shù)，Sk為偏度，Ku代表尖度。

2 結(jié)果與討論

2.1 降塵的粒度特征

粒度分析結(jié)果見(jiàn)表1。從表1中看出，春夏季大氣降塵以小于50μm為主，除6月份外，都達(dá)到了70%以上。其中10～50μm顆粒含量都在50%左右，與馬蘭黃土、下蜀黃土和宣城網(wǎng)紋紅土較為接近；小于10μm顆粒除4月份外均未超過(guò)30%，4月份含量高達(dá)37%，與馬蘭黃土接近；大于50μm顆粒含量較馬蘭黃土、下蜀黃土、宣城網(wǎng)紋紅土高得多，特別是馬蘭黃土、下蜀黃土、宣城網(wǎng)紋紅土幾乎不含大于100μm粒徑的顆粒，而蕪湖大氣降塵中含量較多。

表1 各月粒徑參數(shù)平均值

據(jù)風(fēng)洞研究成果［8］，一個(gè)顆粒被風(fēng)啟動(dòng)后，會(huì)以蠕移、躍移和懸移3種形式移動(dòng)，其中懸移搬運(yùn)距離最遠(yuǎn)。50～10μm是懸移搬運(yùn)的“基本粒組”，主要以短期懸浮形式移動(dòng)，搬運(yùn)距離較短。在中性大氣的中等風(fēng)暴里，20μm的顆粒不可能遷移到離源區(qū)30km以外的地方，而小于10μm的顆粒則可以長(zhǎng)期懸浮狀態(tài)被搬運(yùn)到數(shù)千千米之外的其他地區(qū)。

被啟動(dòng)的顆粒在移動(dòng)一定距離后，在合適的條件下發(fā)生沉降。粗?；覊m（約＞20μm）主要通過(guò)重力作用或者顆粒與粗糙的、濕性的或帶相反電荷的地表碰撞而被俘獲。細(xì)?；覊m（約＜20μm）主要以2種形式發(fā)生沉降，一是顆粒通過(guò)相互碰撞和吸附或者靜電吸附等作用形成大顆粒后通過(guò)重力沉降，該形式的主要影響因素是粉塵顆粒在空間的濃度；二是由降水直接把顆粒從大氣懸浮態(tài)中淋洗下來(lái)［9］。由于本次實(shí)驗(yàn)樣品采用干法收集，排除降水及地面因素的影響，本次實(shí)驗(yàn)樣品可視為重力沉降灰塵。因此推斷，在蕪湖大氣降塵中占大多數(shù)的大于10μm組分應(yīng)當(dāng)來(lái)自蕪湖周邊地區(qū)，在風(fēng)力作用下，通過(guò)蠕移、躍移和短期懸移方式移動(dòng)，并在重力作用下沉降；小于10 μm的顆粒其來(lái)源與下屬黃土、馬蘭黃土相似，為一種搬運(yùn)距離和搬運(yùn)高度相對(duì)較大的常態(tài)粉塵物質(zhì)；對(duì)于蕪湖4月份大氣降塵中小于10μm顆粒組分的大幅增加，則是因?yàn)榇髿庵?0μm顆粒的濃度增加。在周圍環(huán)境及氣候條件未發(fā)生重大變化的前提下，高濃度的細(xì)粒濃度的增加只能由其他風(fēng)塵源地輸送而來(lái)。北方沙塵暴研究表明，4月份為我國(guó)沙塵暴高發(fā)月份，北方沙塵有能力通過(guò)風(fēng)力到達(dá)長(zhǎng)江下游的蕪湖并逐漸沉積。強(qiáng)風(fēng)吹起西部和北部荒漠地區(qū)的沙塵，有時(shí)可進(jìn)入3 500m的高空，達(dá)到西風(fēng)急流帶。在3 500～7 000m高空，西風(fēng)急流在青藏高原以北的一支，從西北沙漠、戈壁地區(qū)偏向東南，攜帶這些高空粉塵向東南搬運(yùn)，并主要在黃土高原一帶（東南邊界最遠(yuǎn)可達(dá)長(zhǎng)江下游）飄落下來(lái)，形成揚(yáng)沙降塵的天氣現(xiàn)象。張德二等通過(guò)對(duì)歷史資料的細(xì)致梳理發(fā)現(xiàn)，歷史時(shí)期中國(guó)東部沙塵天氣記錄的南界大致沿長(zhǎng)江流域南側(cè)分布，最南位置可達(dá)到23.5°N，北方干旱時(shí)段，沙塵南界在28°N，在濕潤(rùn)期北移到31°N沿長(zhǎng)江一線甚至更北［10］，臺(tái)灣大鬼湖的沉積物中也保留有源自大陸的沙塵記錄［11］。

此外，長(zhǎng)江中下游地區(qū)廣泛分布的第四紀(jì)網(wǎng)紋紅土，其成因一直有水成和風(fēng)成之爭(zhēng)，較多的研究支持其風(fēng)成成因并且認(rèn)為其物源區(qū)與北方典型黃土相似，本次研究也佐證了，長(zhǎng)江中下游地區(qū)第四紀(jì)網(wǎng)紋紅土風(fēng)成成因的可能性。

平均粒度（Mz）在29.17%～58.85%之間，4月份最小，均大于馬蘭黃土、下蜀黃土、宣城網(wǎng)紋紅土，這一指數(shù)表示樣品平均粒度的大小，反映搬運(yùn)介質(zhì)的平均動(dòng)能；分選系數(shù)（Sd）用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，是分選性的指標(biāo)，用來(lái)區(qū)分沉積物顆粒大小的均勻程度，數(shù)據(jù)越小，代表粒度分布越集中，分選越好。蕪湖大氣降塵在1.94%～2.04%之間，馬蘭黃土最高為2.96，反映了馬蘭黃土距離源區(qū)較近，分選較差。下蜀黃土與宣城網(wǎng)紋紅土則與蕪湖大氣降塵較為接近；偏度（Sk）是用來(lái)表示沉積物粒度頻率曲線對(duì)稱性的參數(shù)，反映了蕪湖大氣降塵較馬蘭黃土、下蜀黃土、宣城網(wǎng)紋紅土粒度分布更加不對(duì)稱；尖度或峰度（Ku）是刻畫(huà)數(shù)據(jù)在平均粒度兩側(cè)集中程度的參數(shù)，蕪湖大氣降塵的峰態(tài)較網(wǎng)紋紅土窄，說(shuō)明樣品粒度分布集中，也說(shuō)明至少有一部分沉積顆粒物是未經(jīng)環(huán)境改造而直接進(jìn)入環(huán)境的。

2.2 降塵的粒度頻率分布曲線

粒度模擬研究表明，單峰的頻率曲線通常出現(xiàn)在只有單一碎屑物質(zhì)來(lái)源、而且經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)距離搬運(yùn)的沉積物中，多峰及過(guò)渡型的粒度分布是由2個(gè)或更多粒度“終極成分分布型”疊加而成［12］。在頻率分布曲線圖（圖1）上，蕪湖大氣降塵，主要呈現(xiàn)多峰分布，其粒度分布第一眾數(shù)不突出、正偏態(tài)、有一較長(zhǎng)的細(xì)尾為特征，且粒度集中在粗粒端。這種特征說(shuō)明粉塵在沉積之前，未經(jīng)過(guò)充分混合分選較差。但從頻率曲線不難看出，由眾數(shù)值向兩端粒度變化速度不同。由眾數(shù)值向粗粒端，粒徑迅速減小，曲線平滑而陡峭；由眾數(shù)值向著細(xì)粒端，粒徑的減小速度緩慢。在細(xì)粒部分出現(xiàn)了一個(gè)明顯的平臺(tái)。這可能是大氣降塵中一種常態(tài)化的遠(yuǎn)源高空沉積。比較而言，三、四月份的頻率累計(jì)曲線上，第一眾數(shù)較其他月份小。另外，大氣降塵通常粒徑在350μm以下，而蕪湖市大氣降塵卻包含了小部分的350μm以上的組分，說(shuō)明人類的生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)大氣降塵有著很重要的影響。

圖1 不同月份之間粒徑頻率分布對(duì)比圖

2.3 粒度結(jié)構(gòu)參數(shù)散點(diǎn)圖

在粒度研究中經(jīng)常采用結(jié)構(gòu)參數(shù)散點(diǎn)圖來(lái)區(qū)分不同成因的沉積物以及它們形成或搬運(yùn)時(shí)的不同沉積環(huán)境類型。結(jié)構(gòu)參數(shù)散點(diǎn)圖有平均粒徑對(duì)分選系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差，平均粒徑對(duì)偏度，平均粒徑對(duì)峰態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)偏度，標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)峰態(tài)，偏度對(duì)峰態(tài)等。從蕪湖大氣降塵粒度結(jié)構(gòu)參數(shù)散點(diǎn)圖（圖2）可以看出，4月及部分3、5月份的粒度參數(shù)與其他月份的粒度參數(shù)并有明顯界限，而又與其他月份發(fā)生相對(duì)分離。這說(shuō)明4月及部分3、5月份的大氣降塵的沉積動(dòng)力類型是一致的，均為粉塵沉積，而4月及部分3、5月份的降塵來(lái)源與其他月份有差異。

圖2 蕪湖市大氣降塵粒度結(jié)構(gòu)參數(shù)散點(diǎn)圖

3 結(jié)論

綜上所述，研究區(qū)域的大氣降塵粒度變化規(guī)律及環(huán)境意義可概括為：

（1）以4月份為代表的春季大氣降塵的粒度組成特征與其他月份有顯著差異，表現(xiàn)為細(xì)粒組分的突然增加及粒度結(jié)構(gòu)散點(diǎn)圖的分離。究其原因，可能為北方沙塵天氣下，揚(yáng)塵中的細(xì)粒組分通過(guò)西風(fēng)急流被輸送到遠(yuǎn)在長(zhǎng)江下游地區(qū)的蕪湖，導(dǎo)致蕪湖大氣中粒徑＜20μm灰塵顆粒含量增加，由布朗運(yùn)動(dòng)、層流剪切、紊流運(yùn)動(dòng)或通過(guò)雙極性靜電荷出現(xiàn)而發(fā)生碰撞和聚合而被沉積。

（2）蕪湖大氣降塵中以本地塵源為主。表現(xiàn)為粗粒徑含量多，分選差，其中躍移或短時(shí)懸浮＞20μm顆粒物占到了總含量的46.74%～78.31%，除4月份外，均超過(guò)50%。

（3）蕪湖大氣降塵的粒度中粗粒含量較高。大氣降塵通常粒徑在350μm以下，而蕪湖市大氣降塵卻包含了小部分的350μm以上的組分，說(shuō)明人類的生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)大氣降塵有著很重要的影響。

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