渾善達克沙地大氣降塵顆粒物特征研究

閆德仁，黃海廣，薛博

內蒙古林業(yè)科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010010

沙漠是近地層沙塵物質的重要來源之一，而近地層水平輸送的沙塵物質隨高度的變化特征和不同高度處的垂直沉降量直接影響著沙塵的輸送過程。國外關于近地層沙塵釋放、輸送和沉降的研究較多，并在近地層沙塵濃度、水平通量和降塵量等研究方面取得了一定進展（Gillette et al.，1997；Shao et al.，1997；Offer et al.，2004；Goossens et al.，2001；Zobeck et al.，2006）。中國也進行了有關城市大氣降塵特征的諸多研究。劉新春等（2017）研究了沙漠腹地沙塵天氣過程垂直剖面沙塵顆粒的分布及水溶性離子組分特征，表明粗顆粒（≥63 μm）組分中主要水溶性離子質量分數(shù)明顯高于細顆粒（＜63 μm）組分，受沙壟顆粒物影響，細顆粒組分水溶性離子的垂直分布整體規(guī)律性較好，粗顆粒組分波動性較大；邱雪等（2015）研究發(fā)現(xiàn)2011—2013年間西北干旱區(qū)PM10濃度存在明顯的區(qū)域差異；王明仕等（2014）研究中國大氣降塵量的地域性分布特征及影響因素，表明降塵量整體分布為北方高于南方，西部多于東部，并且華北平原地區(qū)、內蒙古高原地區(qū)和準噶爾盆地等降塵量相對偏高；玉

散·吐拉甫等（2017）研究了城市沙塵期間PM2.5中金屬元素含量的變化，表明PM2.5質量濃度季節(jié)性特征表現(xiàn)為春季＞夏季＞秋季＞冬季，且PM2.5質量濃度與風速和溫度呈正相關，沙塵天氣PM2.5中金屬元素質量濃度明顯高于非沙塵天氣；李思思等

（2017）研究了沙塵天氣期間氣溶膠顆粒的化學組分、粒徑分布和來源，認為張家口市沙塵顆粒來自新疆、蒙古、內蒙古等地區(qū)的沙塵運輸；師華定等（2014）研究了沙塵與大霧天氣對北京、天津、石家莊城區(qū)空氣質量的影響，表明沙塵對其空氣質量影響較大，大霧天氣影響較小。此外，中國近些年也在不同沙漠地區(qū)開展了沙塵水平通量和降塵量

方面的相關研究。例如，張正偲等（2010）利用沙塵水平通量采集器和降塵測量器對近地層不同高

度水平運動的沙塵和降塵進行了觀測，表明沙塵的水平通量和降塵量均隨高度的增加而減小；張錦春等（2008）借助近地面沙塵暴監(jiān)測系統(tǒng)分析了民勤沙塵源區(qū)近地面降塵分布特征，表明最大降塵出現(xiàn)在近地面1 m處，并且降塵受下墊面條件影響較大；羅鳳敏等（2016）研究了烏蘭布和沙漠東北緣近地層風速和降塵量特征，認為過渡帶和綠洲內近地層沙塵水平通量和降塵量均隨著高度增加而減少。然而，上述觀測研究主要是針對某次沙塵天氣事件進行的具體測定，并未對全年連續(xù)的沙塵積累量進行分析，因此，利用其測定的數(shù)據(jù)推算全年沙塵量存在較大偏差。

渾善達克沙地作為京津風沙源工程建設的核心地區(qū)，經過多年治理取得了明顯成效。例如，2002—2016年間，渾善達克沙地多倫縣浮塵、揚沙、沙塵暴的發(fā)生次數(shù)明顯減少，植被年平均蓋度總體呈增加趨勢（閆婷等，2017）。本研究依托內蒙古多倫渾善達克沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，在野外開放環(huán)境下，采集固沙植被區(qū)全年連續(xù)沉積的沙塵積累量數(shù)據(jù)，開展了近地面大氣降塵分布以及不同植被攔截降塵等方面的初步觀測研究，對評價渾善達克沙地防沙治沙技術措施取得的凈化空氣環(huán)境成效具有重要指導意義。

1 研究地概況

研究地位于內蒙古多倫渾善達克沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，即渾善達克沙地多倫縣南沙口國營林場。地理坐標為 116°29′33.28″E，42°08′37.85″N，海拔 1277 m。研究地屬中溫帶半干旱向半濕潤過渡區(qū)的大陸性氣候。年平均氣溫1.6 ℃，年極端最高氣溫 35.4 ℃，年極端最低氣溫-39.8 ℃；≥10 ℃有效積溫1970 ℃，無霜期95 d。年降水量386.2 mm，年平均相對濕度62%；年平均蒸發(fā)量1761.0 mm。年平均風速3.6 m?s-1，年大風日數(shù)69.8 d，最大風速24 m?s-1。盛行西北風、西南風和西風。年日照數(shù)3142.7 h，年太陽總輻射量5899 MJ?m-2。地帶性土壤類型為栗鈣土。天然植被主要建群種和優(yōu)勢植物有羊草（Leymus chinensis）、大針茅（Stipa grandis）、克氏針茅（Stipa sareptana）、糙隱子草（Cleistogenes squarrosa）、冰草（Agropyron cristatum）、百里香（Thymus mongolicus）等。

圖1 水平沙塵量變化Fig. 1 The change of horizontal capture dust weigh

2 材料與方法

本觀測研究主要利用沙塵水平通量采集器和垂直降塵缸對近地層不同高度水平運動的沙塵量和垂直降塵量進行了定位觀測，2015年6月上旬安置2套設備（2次重復），于2016年6月上旬集中采集1次累計沙塵樣品。同時，分別在沒有地表風蝕危害的榆樹（Ulmus pumila）林地、天然草地、樟子松（Pinus sylvestnis var. mongolica）人工林地和楊樹（Populus）人工林地設置3套降塵缸（3次重復），定期收集大氣降塵量，于2016年6月上旬集中采集1次累計沙塵樣品。

在25 m×25 m氣象觀測場（固定沙地）內，在3 m高的沙塵通量架上安置沙塵水平通量采集器，采集器安置高度分別為離近地面 50、100、150和200 cm處，水平通量采集器口徑為2 cm×5 cm；垂直降塵缸安裝高度分別為50、100和200 cm，降塵缸內徑為16 cm，高30 cm。同時，分別在4種植被類型內安置同樣規(guī)格的降塵缸，每種植被類型設置3次重復，降塵缸上口距地面高度為50 cm。

設備安置1年后，采集樣本，帶回室內烘干，稱重，并折算成單位重量。同時，用烘干樣本進行沙塵顆粒粒徑的測定，以每個樣品的平均值作為分析數(shù)據(jù)。測定儀器為 CLY-2000型激光顆粒分析儀。

運用Excel 2003軟件進行數(shù)據(jù)處理分析。

3 結果與分析

3.1 不同高度沙塵通量的變化

近地層沙塵在輸送過程中，大顆粒物質在重力或降水等因素作用下沉降，小顆粒物質則在風力作用下到達更遠的地方。由圖1、圖2可知，無論是垂直通量還是水平通量，降塵量（x）隨高度（y）增加均呈顯著減少趨勢。其中，水平沙塵通量隨高度增加的指數(shù)關系為y=424.77e-0.3083x（R2=0.8897）（圖 1），垂直降塵量隨高度增加的指數(shù)關系為y=2536.2e-1.3531x（R2=0.9176）（圖2）。這種變化關系和張正偲等（2010）在騰格里沙漠東南緣的觀測結果相吻合。

圖2 垂直降落的沙塵量變化Fig. 2 The change of vertical capture dust weigh

由圖1可知，在50 cm高度范圍內，水平沙塵量為 327.1 mg?m-2?h-1，100 cm 高度為 196.3 mg?m-2?h-1，150 cm 高度為 199.6 mg?m-2?h-1，200 cm高度為 116.4 mg?m-2?h-1。其中，50 cm 高處水平沙塵通量占200 cm高度范圍內總沙塵量的38.96%，而200 cm高處只占13.87%，100 cm和150 cm高處分別占23.39%和23.78%。說明大氣中沙塵主要分布在近地表范圍，這和張正偲等（2010）在騰格里沙漠東南緣的研究結論相一致，即“沙塵水平通量在20 m以下隨高度的增加而迅速降低，變化比較有規(guī)律；但在20 m以上，其隨高度增加變化不顯著，表現(xiàn)為無規(guī)律性”。

此外，結合圖1和圖2可知，在100 cm高度范圍內，相同高度下垂直降塵量明顯高于水平沙塵量。50 cm和100 cm高度垂直降塵量分別比水平沙塵量高36.9%和27.4%，而200 cm高度垂直降塵量則比水平沙塵量低235.99%，說明垂直降塵量主要來源于近地表風沙流，而100 cm以上高度的沙塵主要以懸移質形式存在，且不易因沙塵本身的重力作用而沉降。這與張錦春等（2008）在民勤的觀測結果表明一致，即“最大降塵發(fā)生在近地面1 m處，占25 m范圍內降塵總量的10.7%”。

3.2 不同高度水平降塵顆粒組成特征

粒徑對沙塵輸送具有重要影響，不同粒徑顆粒物在大氣中的輸送方式和輸送距離各不相同。通常，大于500 μm顆粒物以蠕移方式在地表輸送，70～500 μm顆粒物以躍移方式在近地層一定距離范圍內輸送，小于70 μm顆粒物以懸移方式在空氣中輸送，而10 μm以下的顆粒物隨著人體呼吸進入人體內，因此又被稱為大氣可吸入顆粒物。

由圖3可知，在200 cm高度范圍內，水平沙塵顆粒粒徑主要集中在2 μm以下，平均占沙塵總量的77.26%。其中，50 cm高度2 μm以下顆粒物占降塵總量的72.47%，100、150和200 cm高度分別占92.31%、60.61%和98.75%。10 μm以下顆粒物平均占降塵總量 95.45%，其中，50、100、150和 200 cm高度分別占 94.14%、100%、87.66%和100%。由此說明，隨著高度增加，水平沙塵中的極細顆粒物含量總體呈增加趨勢，而這種近地表沙塵一旦吸入人體，即可對呼吸道造成危害。因為10 μm以下的顆粒物可被人體吸入鼻腔，7 μm以下的可進入咽喉，小于2.5 μm的則可深入肺泡并沉積其中，進而進入血液循環(huán)，從生理、化學和微生物角度影響肺部健康，導致與心、肺功能障礙有關的疾病。但是，如果從沙漠生物結皮的生態(tài)作用看，這種極細顆粒物沉積有利于生物結皮的形成，并對改善流動風沙土理化性質具有重要作用。

圖3 水平沙塵顆粒物粒徑變化Fig. 3 The change of horizontal capture dust particle size

3.3 不同高度垂直降塵顆粒特征

近地層沙塵在輸送過程中，大顆粒物質在重力或風速變化等因素作用下沉降。張錦春等（2008）在民勤的觀測結果表明，垂直降塵量均隨沙塵持續(xù)時間增長而增大，但不同高度的降塵增量不同。

渾善達克沙地多倫縣大氣垂直降塵也有類似變化規(guī)律（圖2），即在50 cm高度范圍內大氣降塵量為 518.6 mg?m-2?h-1，100 cm 高度為 270.6 mg?m-2?h-1，200 cm 高度為 34.6 mg?m-2?h-1，而到 400 cm高度大氣降塵量只有0.23 mg?m-2?h-1，反映出近地表垂直降塵對增加風沙土細顆粒物具有重要影響。由圖 4可知，大氣垂直降塵中顆粒物粒徑以100～250 μm 為主，平均占總顆粒物的 74.9%，150～200 μm顆粒物含量平均占總顆粒物的53.2%，而小于 50 μm 顆粒物含量平均僅占總顆粒物的1.08%，說明大氣垂直降塵顆粒物明顯粗于相應高度水平降塵顆粒物（圖3）。

圖4 垂直降塵顆粒物粒徑變化Fig. 4 The change of vertical capture dust particle size

同樣地，從不同高度大氣垂直降塵顆粒物粒徑變化看，隨著高度增加，200 μm及以下顆粒物含量呈降低趨勢，而200 μm以上顆粒物含量則呈增加趨勢，反映出大氣垂直降塵中顆粒物粒徑大小受到不同高度氣流運動狀態(tài)變化的影響。例如，50 cm高度，100 μm及以下顆粒物含量占比為3.21%，100 m高度為1.19%，200 cm高度為0.60%；200 μm及以下顆粒物在50、100、200 cm高處的含量占比分別為68.2%、53.2%和43.2%。50 cm高度大于200 μm顆粒物含量為31.85%，100 m高度為46.83%，200 cm高度為56.81%，表明相對粗的大氣顆粒物一旦進入風沙流的懸移質就很容易降落到地表，而更細顆粒物則被輸送到更遠的距離。

3.4 不同植被大氣降塵顆粒特征

榆樹林地年降塵量平均為 1.29 mg?m-2?h-1，天然草地平均為 0.75 mg?m-2?h-1，樟子松人工林地平均為3.05 mg?m-2?h-1， 楊 樹 人 工 林 地 平 均 為 1.62 mg?m-2?h-1，說明高大喬木樹種更有利于攔截大氣降塵，這是因為高大喬木在降低風速方面的效果比低矮草本植物更顯著。不同植被所攔截的大氣降塵顆粒粒徑特征如圖5所示。

圖5 不同植被降塵顆粒物粒徑變化Fig. 5 The change of capture dust particle size in difference plant kinds

由圖 5可知，天然草地所攔截的大氣降塵顆粒物中，細顆粒成分含量高于其他3個喬木樹種。天然草地降塵顆粒物粒徑主要分布在 50～150 μm之間，其中，50～100 μm 顆粒物含量占比為26.55%，100～150 μm顆粒物含量占比為50.47%。其他 3個喬木樹種降塵顆粒物粒徑主要分布在150～250 μm 之間，其中，榆樹林地 150～200 μm顆粒物含量占比為41.87%，200～250 μm顆粒物含量占比為 32.34%；楊樹林地分別為 28.68%和49.95%，樟子松林地分別為31.33%和14.21%。由此表明，在風沙地區(qū)，喬木樹種更多的是攔截近地表降塵中的粗顆粒物，并導致平均降塵量高于天然草地。劉艷萍等（2003）研究認為，防護林體系的建立改變了下墊面的狀況，增加了地表粗糙度，降低了風速，同時也改變了林內的氣象條件，從而達到在一定影響范圍內抑制降塵飄移的效果,。

4 討論

沙漠是近地層沙塵物質的重要來源之一，而近地層水平輸送的沙塵物質隨高度的變化特征和不同高度處的垂直沉降量直接影響著沙塵的輸送過程。渾善達克沙地作為京津主要沙塵源地區(qū)之一，其沙塵粒徑大小及其垂直分布特征對沙塵輸送具有重要影響，并且不同粒徑顆粒物在大氣中的輸送方式和輸送距離也不盡相同?？涤赖碌龋?017）利用集沙儀測量了沙塵水平通量變化，表明全自動集沙儀在5 cm高度上的平均集沙效率為94.3%；觀測期間不同沙塵天氣過程的沙塵輸送量存在顯著差異，發(fā)現(xiàn)隨著風速的增加，輸沙率大致呈增大趨勢，但其中有部分天氣時段輸沙率隨風速的變化規(guī)律不一致。楊興華等（2013）利用BSNE集沙儀對沙塵暴天氣過程中近地表2 m內不同高度沙塵水平通量進行了觀測，表明沙塵物質的水平通量隨高度的增加而減小，與高度的關系可用冪函數(shù)關系表示，約66%的沙塵在地表50 cm高度范圍內傳輸；80%的沙塵在地表100 cm高度范圍內傳輸。本研究結果表明，垂直降塵量或水平沙塵量變化趨勢隨高度增加而減小，并呈指數(shù)關系變化，這種變化規(guī)律和國內其他地區(qū)的研究結論基本吻合（張正偲等 2010；張錦春等，2008）。

然而，由于沙塵采集時間長度的不同，降塵量或水平沙塵量具體數(shù)值的差異明顯。例如，張宏升等（2007）研究了渾善達克沙地地區(qū)不同沙塵天氣條件下沙塵濃度通量、沙塵輸送特征，表明隨著沙塵天氣經歷起沙、平衡、沉降的演變過程，沙塵通量數(shù)值呈現(xiàn)以正值為主，非沙塵天氣、揚沙天氣和沙塵暴天氣過程的沙塵通量分別是18 mg?m-2?h-1、108 mg?m-2?h-1和 7200～1080 mg?m-2?h-1之間，并且由于受到空氣動力學和沙塵顆粒大小影響，沙塵天氣過程開始時，3 m高度處沙塵濃度高于15 m高度處濃度；隨著風速的減小，3 m高度處的沙塵氣溶膠質量濃度低于15 m高度處濃度。本研究中，水平沙塵通量平均為 209.85 mg?m-2?h-1，垂直降塵量平均為 274.6 mg?m-2?h-1。沙塵顆粒物大小除與沙源區(qū)土壤顆粒有關外，不同高度沙塵顆粒物大小分布與風速變化也有密切關系，風速越大，大顆粒物越容易進入到大氣，且攜帶的大顆粒物也容易上升到更高的空間。

本研究結果同樣說明，不同高度沙塵顆粒物粒徑存在明顯差異。在200 cm高度范圍內，水平沙塵顆粒集中在 2 μm 以下，平均占降塵總量的77.26%，且極細顆粒物含量總體呈增加趨勢，而垂直降塵顆粒集中在100～250 μm范圍內，平均占總顆粒物組成的74.9%，而150～200 μm顆粒物平均占總顆粒物組成的53.2%，說明相同高度范圍內，垂直降塵顆粒相對粗顆粒含量遠遠大于水平沙塵顆粒，或者說，水平移動的沙塵顆粒物更細，而且隨著高度增加，其顆粒物更細，也就意味著其傳播的距離更遠，對下風向地區(qū)空氣質量的影響也越大。所以，防沙治沙的主要作用之一就是要減少地表沙塵物質進入大氣，或通過構建合理的喬-灌-草空間結構攔截大氣中的沙塵，對改善區(qū)域環(huán)境質量具有現(xiàn)實意義。

陳新闖等（2016）觀測了烏蘭布和沙漠不同下墊面冬季沙塵通量的垂直分布，表明近地表 0～100 cm高度內冬季輸沙量表現(xiàn)為流動沙丘＞梭梭固定沙丘＞白刺半固定沙丘，并且在低風速下，地表風沙流以蠕移為主，但當風速達到一定閥值，風沙流中細沙物質所占比重增加。事實上，本研究中不同植被攔截的大氣降塵量的差異也印證了這樣的判斷，即喬木樹種在降低風速方面的效果比低矮草本植物顯著，更有利于攔截大氣降塵，盡管喬木樹種在近地表所攔截的顆粒物相對較粗，但在一定影響范圍內抑制降塵飄移的效果是明顯的。

5 結論

在渾善達克沙地南緣多倫縣固沙植被區(qū)，大氣降塵量隨高度增加而減少。在200 cm高度范圍內，水平沙塵通量平均為 209.85 mg?m-2?h-1，垂直降塵量平均為 274.6 mg?m-2?h-1，且垂直降塵顆粒物粒徑粗于相應高度水平沙塵顆粒物粒徑。水平沙塵粒徑集中在2 μm以下，且隨著高度增加，其極細顆粒物含量總體呈增加趨勢；垂直降塵粒徑集中在100～250 μm范圍內，且隨高度增加，200μm及以下顆粒物含量呈降低趨勢，而200 μm以上顆粒物含量則呈增加趨勢，反映出垂直降塵中顆粒物粒徑大小受不同高度氣流運動狀態(tài)變化的影響不同。

不同植被類型內大氣降塵量及其顆粒物粒徑分布特征不同。喬木林地降塵量高于天然草地，且降塵中顆粒物粒徑相對較粗。天然草地降塵粒徑集中分布在50～150 μm范圍內，而榆樹、楊樹和樟子松林地降塵粒徑集中分布在 150～250 μm范圍內。

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