塔里木盆地南緣策勒綠洲荒漠大氣降塵特征

徐立帥，鄭 偉，鄭新倩，賀 鵬，劉立文

（1.山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，山西 太谷030801；2.塔中氣象站，新疆 塔中841000；3.新疆農(nóng)業(yè)氣象臺，新疆 烏魯木齊830002）

綠洲是干旱區(qū)人類生產(chǎn)和生活最為重要的場所，由于靠近沙塵源區(qū)、風沙活動頻繁，導致綠洲面臨嚴重的沙塵危害，尤其大量沙塵的沉降產(chǎn)生一系列環(huán)境效應。降塵可以為土壤輸入大量的細顆粒物質(zhì)和營養(yǎng)元素，促進土壤發(fā)育[1-3]；又可通過鹽分、重金屬、病原體等輸入引起土壤鹽漬化、污染水體[4，5]。降塵沉降到植物葉片會影響植物的光合作用、呼吸和蒸騰等生理、生化過程，進而造成糧食減產(chǎn)[6-8]。此外，降塵是綠洲沉積物的重要來源，記錄了綠洲形成及演化過程中的環(huán)境變化信息[9]。而且，沙塵懸浮在大氣中時增加了氣溶膠光學厚度，提高了可吸入顆粒物（PM10）和總懸浮顆粒物（TSP）濃度，導致環(huán)境質(zhì)量下降[10，11]；長期暴露于這樣的環(huán)境中更易患呼吸系統(tǒng)疾病，導致人體上呼吸道和眼睛產(chǎn)生急性刺激性癥狀[12-14]。因此，綠洲大氣降塵的研究對改善綠洲環(huán)境質(zhì)量、規(guī)避沙塵危害有重要意義。

綠洲及周圍荒漠區(qū)的大氣降塵受廣泛關(guān)注。已有研究發(fā)現(xiàn)塔里木盆地南緣策勒綠洲降塵是戈壁的3倍，綠洲內(nèi)部較小的風速和較高的濕度可能是影響降塵的主要因素[15]。塔里木盆地北緣輪臺綠洲的觀測也發(fā)現(xiàn)綠洲內(nèi)部降塵量大于周圍荒漠區(qū)，除了較高的植被蓋度，綠洲內(nèi)部人為源可能也會影響降塵量[16]。萬的軍等對策勒綠洲塵暴降塵、浮塵降塵的對比研究指出綠洲粗糙下墊面機械阻擋作用、綠洲小氣候效應和人為源都可能影響降塵[17，18]。但綠洲并非均質(zhì)的，綠洲內(nèi)部不僅有農(nóng)田還有縣城、城鎮(zhèn)等人口密集區(qū)，綠洲外部還存在戈壁、過渡帶、沙漠等不同類型的下墊面。不同下墊面如何導致了綠洲內(nèi)外降塵存在差異，又如何影響不同粒徑的粉塵沉降？這還需更多的野外觀測進行研究。因此，本研究選擇塔里木盆地南緣策勒綠洲及周圍荒漠區(qū)為研究對象，觀測戈壁、綠洲—沙漠過渡帶、綠洲內(nèi)部農(nóng)田和縣城4種不同下墊面降塵，探討不同下墊面對降塵空間分布和機械組成的影響。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

策勒綠洲（80°43′E～80°53′E，36°57′N～37°05′N）位于塔里木盆地南緣，中昆侖山北麓。地處亞歐大陸腹地，為暖溫帶荒漠氣候。年平均降水量35.1 mm，年潛在蒸發(fā)量近2600 mm，干燥度為20.8；極端最高溫為41.9℃，極端最低溫為-23.9℃[19，20]。該區(qū)風沙災害嚴重，沙塵天氣主要發(fā)生在春、夏兩季，起沙風主要為偏西風[21，22]。多年平均沙塵暴日數(shù)為25.2 d，最高年份高達59 d，此外年浮塵日數(shù)超過200 d[23，24]。

1.2 研究方法

本研究選擇戈壁、綠洲-沙漠過渡帶（簡稱過渡帶）、綠洲內(nèi)部農(nóng)田和縣城4種不同下墊面進行大氣降塵觀測，觀測點位置如圖1所示。戈壁觀測點位于綠洲南緣，距縣城約12 km，地表基本沒有植被覆蓋。過渡帶的降塵觀測點距綠洲西邊界約100 m，該區(qū)主要植被為駱駝刺（Alhagi sparsifolia Shap）和花花柴（Karelinia caspia），植被高度基本都＜1 m，植被蓋度為67%[25]。綠洲內(nèi)部農(nóng)田觀測點位于綠洲中部略偏北的位置，綠洲農(nóng)田周邊為窄林帶小網(wǎng)格的高大防護體系，主要由新疆楊（Populusalbavar.pyramidalis Bunge）組成，植被蓋度超過80% 。防護體系內(nèi)部種植棉花、紅棗等經(jīng)濟作物。縣城觀測點位于策勒縣氣象局房頂，地處縣城中心區(qū)域，人類活動較多。

圖1 策勒綠洲及周圍荒漠區(qū)4個不同下墊面大氣降塵觀測點

策勒綠洲南緣戈壁粒度特征未見詳細報道，但陳渭南對塔南沖積平原和戈壁的調(diào)查結(jié)果顯示大于2 mm的組分含量為26.68% ，＜50 μm粒徑含量不足40% ，平均粒徑為520 μm[26]。綠洲西緣過渡帶表層物質(zhì)粒徑分布范圍為0.3～200 μm，以細沙和極細沙為主，呈雙峰分布具有很好的分選性，主峰眾數(shù)為67 μm，小于20 μm的組分出現(xiàn)一個平緩的細峰[27]。沿綠洲主風向從過渡帶到綠洲表土平均粒徑呈減小趨勢，到邊緣農(nóng)田區(qū)平均粒徑下降到83 μm[28]。綠洲內(nèi)部縣城基本沒有裸露土壤，主要是硬化后的道路、廣場等。因此除大氣降塵被擾動后的二次釋放，其本身不會產(chǎn)生風蝕。可見，戈壁的表土粒徑最粗，其次為過渡帶，綠洲內(nèi)部表土粒徑最小。

降塵桶是用PVC管自制的，內(nèi)經(jīng)15.5 cm，高30 cm，底部用塑料袋包裹用于收集大氣降塵。降塵桶固定在距地面4 m的高度以避免就地起塵的影響。其中戈壁和過渡帶是用木樁固定，綠洲內(nèi)部農(nóng)田區(qū)和縣城兩個觀測點用1 m高的支架將降塵桶固定在約3 m高度的房頂。為保證收集足夠降塵量，每個點安放兩個降塵桶。每次采樣時用軟毛刷將降塵筒內(nèi)的粉塵全部清掃到底部的塑料帶內(nèi)并做好標記，之后安放好降塵桶繼續(xù)采樣。樣品帶回實驗室后剔除植物殘體等雜質(zhì)進行稱重，計算采樣時間段內(nèi)每個點的單位面積降塵量（g·m-2）。稱重后的樣品不經(jīng)任何預處理直接用Mastersizer 2000進行粒度測量，粒度參數(shù)由GRADISTAT軟件計算并根據(jù)Folk-Ward標準統(tǒng)計了平均粒徑、分選性、偏態(tài)和峰態(tài)4個參數(shù)[29]。2013年3月7日—2014年3月10日共收集了5次大氣降塵樣品，收集時間分別為2013年3月7日—4月5日、4月6日—6月5日、6月6日—9月4日、9月5日—11月16日、11月17日—2014年3月10日。為便于記錄將這5個時間段分別標記為P1、P2、P3、P4和P5，其中P2～P5時段內(nèi)降塵量累加代表了年累積降塵量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同下墊面降塵量特征

不同下墊面降塵量變化如圖2所示，降塵量從大到小順序基本是縣城＞農(nóng)田＞過渡帶＞戈壁。受采樣時間的影響，不同下墊面降塵量差異較大。戈壁相對于其它3種下墊面近乎裸露，可以忽略植被蓋度及人類活動的影響。以戈壁降塵量為參照可以看出，P5期間戈壁降塵量最小，其次為P1、P4、P3和P2，不同時間戈壁降塵量的變化基本對應策勒地區(qū)沙塵天氣的變化。P1時期不同下墊面降塵量差異最大，過渡帶、農(nóng)田和縣城降塵量分別是戈壁的4.0倍、6.6倍和10.0倍。P2和P5時期不同下墊面降塵量差異有所減小，過渡帶降塵量基本是戈壁的2倍，農(nóng)田降塵量超過戈壁的5倍，縣城降塵量約是戈壁的8倍。P2和P4時期不同下墊面降塵量進一步減小，過渡帶降塵量基本是戈壁的1倍，農(nóng)田降塵量超過戈壁的2倍，縣城降塵量約是戈壁的3倍。年累積降塵量中過渡帶、農(nóng)田和縣城分別是戈壁的1.4倍、3.4倍和4.9倍。從觀測結(jié)果可以看出，下墊面植被蓋度越大，風速越小的區(qū)域降塵量越大，且不同下墊面降塵量之間的差異不是簡單的線性關(guān)系。

圖3 不同下墊面降塵粒度分布曲線

圖2 不同下墊面降塵量差異

2.2 不同下墊面降塵粒度特征

4種不同下墊面降塵粒度分布曲線基本呈雙峰分布（圖3），第一主峰主要分布范圍為20～200 μm，第二主峰分布范圍為4～20 μm。但是，P1（春季降塵）中戈壁和過渡帶降塵為單峰分布，且基本未出現(xiàn)小于20 μm的粉塵沉降，其他4個時期降塵均為雙峰，且不同下墊面粒徑分布范圍基本一致。此外，P5不同下墊面降塵眾數(shù)粒徑差異最大，戈壁降塵眾數(shù)粒徑最大，其次為過渡帶，綠洲內(nèi)部農(nóng)田和縣城眾數(shù)粒徑相同。而P2、P3和P4不同下墊面降塵眾數(shù)粒徑相同，P1不同下墊面眾數(shù)粒徑略有差異。不同下墊面降塵粒度參數(shù)在5個時間段內(nèi)也表現(xiàn)出不同的特征（表1）。P1和P5這2個時段分別位于春季和冬季，戈壁降塵平均粒徑明顯大于其他3個下墊面，分選性好于其他3個下墊面。而P2、P3和P4時段位于夏季和秋季，戈壁降塵平均粒徑反而小于其他3個下墊面，但不同下墊面降塵分選性一樣。峰態(tài)和偏度變化沒有明顯的規(guī)律性，總體上降塵粒度曲線表現(xiàn)出細偏和變窄的趨勢。

表1 不同下墊面降塵粒度參數(shù)特征

3 討論

3.1 下墊面對降塵量影響

下墊面對降塵的影響不可忽視，尤其地表植被對風速的削弱可直接促進大氣降塵。研究發(fā)現(xiàn)防護林庇護區(qū)降塵量大于外部，且強沙塵暴和風蝕季節(jié)最為顯著，體現(xiàn)出機械阻擋作用對沙塵沉降的促進作用[30]。民勤綠洲的降塵觀測發(fā)現(xiàn)從荒漠區(qū)穿過綠邊緣進入綠洲內(nèi)部降塵量呈先下降后增加趨勢，且綠洲防護體系不僅影響降塵量，還改變了降塵垂向分布特征，綠洲內(nèi)部降塵垂向分布轉(zhuǎn)折點與防護林高度一致[31]。策勒地區(qū)的將觀測發(fā)現(xiàn)植被蓋度是影響降塵量的關(guān)鍵因素。戈壁幾乎呈裸露狀態(tài)，可以忽略植被對風速的削弱作用。過渡帶植被蓋度達到67% ，觀測點周圍主要為駱駝刺灌叢，高度基本都在1 m以下。綠洲內(nèi)部為窄林帶小網(wǎng)格的防護體系，高度約20 m?？h城密集建筑物也增加了地表粗糙度，削弱風速。此外，綠洲摩阻風度和空氣動力學粗糙度分別為0.81 m·s-1和310.8 mm，過渡帶為0.61 m·s-1和39.51 mm，綠洲風蝕潛力明顯小于過渡帶，且對風速有很強的削弱作用[32]。策勒綠洲風速觀測發(fā)現(xiàn)2 m高度上綠洲內(nèi)部平均風速比過渡帶小約1 m·s-1且植被生長季節(jié)風速差異大于冬季[33]，而綠洲和戈壁11.6 m高度觀測發(fā)現(xiàn)綠洲比戈壁風速小3.6 m·s-1，且綠洲下墊還影響了風向變化[34]。從戈壁到過渡帶再到綠洲內(nèi)部風速逐漸減弱，而沙塵在輸送過程中風速減弱會大量沉降，因此導致降塵量從戈壁、過渡帶到綠洲內(nèi)部呈增加趨勢，即粗糙度越大，降塵量越大。

縣城降塵量大于綠洲農(nóng)田區(qū)，有兩個方面的因素值得考慮：一是縣城位于綠洲內(nèi)部，受防護林帶和高大建筑共同影響，風速削弱有利于沙塵沉降；二是縣城區(qū)域不可避免的會受人類活動等影響，粉塵的二次釋放可能也會導致降塵量偏大。而且，策勒綠洲主要受偏西風影響，農(nóng)田觀測點相對于縣城觀測點更靠近綠洲西緣。以上多方面因素的綜合作用可能導致縣城區(qū)降塵量最大。綠洲小氣候?qū)祲m的作用是不容忽視的[18]，但小氣候不是穩(wěn)定存在的，受季節(jié)和強天氣過程的影響。研究表明綠洲小氣候主要出現(xiàn)在夏季靜穩(wěn)天氣，冬季和秋季可以忽略小氣候的影響，強沙塵天氣也會破壞綠洲小氣候[33，35-37]。夏季和秋季浮塵天氣綠洲小氣候?qū)祲m的影響最大。植被生長季節(jié)對應小氣候顯著期，下墊面的機械阻擋作用更強。冬季植被進入休眠期，下墊面機械阻擋作用減弱，小氣候此時也不明顯。這些因素的共同作用可能導致了不同下墊面降塵量差異呈非線性關(guān)系。

3.2 下墊面對降塵粒度影響

4種下墊面降塵基本均呈雙峰分布，粒徑分布范圍也一致，但平均粒徑、分選性、偏態(tài)和峰態(tài)存在差異（表1）。風力條件是影響粒度的主要因素，風速較大時沙塵不易沉降，尤其長期懸浮于大氣中的細顆粒沙塵甚至不會沉降[17]。戈壁植被蓋度小、風速大，降塵平均粒徑應大于綠洲內(nèi)部。但本研究發(fā)現(xiàn)P1和P5兩個時期戈壁降塵平均粒徑的確大于綠洲內(nèi)部，戈壁降塵細顆粒沙塵含量小于其他3個下墊面。但是，P2、P3和P4時期戈壁降塵平均粒徑又明顯小于綠洲內(nèi)部，這與先前的推測矛盾。戈壁與其他3種下墊面相比除粗糙度差別外，溫度和濕度也存在差異。綠洲在P2、P3和P4時段內(nèi)冷島和濕島效應非常顯著[33]。綠洲小氣候?qū)е戮G洲內(nèi)部出現(xiàn)大范圍的下沉氣流；且綠洲內(nèi)部相對濕度高，粉塵顆粒吸濕增重，這兩個因素與重力共同作用可以促進沙塵沉降[18]。因此綠洲小氣候效應的季節(jié)變化可能導致小氣候作用期綠洲降塵平均粒徑大于戈壁，冬季小氣候作用不明顯時綠洲降塵平均粒徑小于戈壁。當然，不能排除戈壁受塵卷風等局地因素影響，導致與綠洲內(nèi)部降塵存在粒徑差異。沙塵天氣降塵的空間分布范圍相對于綠洲來說是一個大尺度，本研究關(guān)注的是在這種大尺度降塵事件中不同下墊面對降塵的影響，下墊面表土性質(zhì)差異、局地小尺度的塵卷風等事件暫不列入考慮范圍。

本研究發(fā)現(xiàn)，P2、P3和P4時期戈壁降塵呈明顯的雙峰分布，其他3個下墊面降塵雙峰分布不明顯。戈壁降塵可以代表自然狀態(tài)下大氣降塵，其他3個下墊面降塵受到了機械阻擋和小氣候效應影響。戈壁與其他3個下墊面粒度差異可以反映機械阻擋和小氣候效應對不同粒徑粉塵沉降的影響。P1和P5這2個時期可以忽略小氣候效應影響，戈壁與其他3個下墊面降塵差異可認為是機械阻擋作用影響的，戈壁降塵＜50 μm的粉塵含量小于其他3個下墊面（圖3）。因此可推斷機械阻擋作用主要促進了＜50 μm的粉塵沉降。P2、P3和P4時期，其他3個下墊面降塵受機械阻擋和小氣候效應共同影響，戈壁降塵中20～100 μm的粉塵含量要低于其他3個下墊面，而4～20 μm的粉塵含量明顯大于其他3個下墊面（圖3b～3d）。據(jù)此可以推斷小氣候效應主要是促進了20～100 μm的沙塵沉降。

4 結(jié)論

本研究對塔里木盆地南緣策勒地區(qū)戈壁、綠洲—沙漠過渡帶、綠洲內(nèi)部農(nóng)田和縣城4種不同下墊面進行了大氣降塵觀測，分析了降塵量和粒度的變化特征，探討了粗糙下墊面和綠洲小氣候?qū)祲m的影響，主要結(jié)論如下：

（1）戈壁、過渡帶、綠洲農(nóng)田和縣城4種下墊面年降塵量分別為554.23、761.75、1 867.46 g· m-2和2 688.14 g·m-2，下墊面植被蓋度和粗糙度越大，降塵量越大；不同季節(jié)四種下墊面降塵量并非呈線性關(guān)系，縣城降塵量是農(nóng)田的1.47倍左右，波動較小，但與戈壁和過渡帶的降塵量差異隨季節(jié)變化波動較大。

（2）不同季節(jié)4種下墊面降塵粒徑分布存在明顯差異，夏季和秋季4種下墊面降塵眾數(shù)粒徑約79.62 μm，冬季和春季農(nóng)田和縣城降塵眾數(shù)粒徑下降到70.96 μm，戈壁冬季降塵眾數(shù)粒徑達到89.34 μm；4種下墊面平均粒徑、分選性、偏態(tài)和峰態(tài)變化沒有明顯規(guī)律性。

（3）不同下墊面降塵粒度曲線差異明顯，戈壁降塵呈明顯的雙峰分布，綠洲內(nèi)部農(nóng)田和縣城雙峰分布不明顯；冬季和春季農(nóng)田和縣城降塵粒度分布曲線峰值明顯低于戈壁和過渡，而夏季和秋季4種下墊面的峰值變化也無規(guī)律性。

（4）粗糙下墊面的機械阻擋和綠洲小氣候的共同作用影響降塵的時空分布。不同下墊面降塵量季節(jié)差異表明植被蓋度和小氣候的季節(jié)變化可能導致不同下墊面降塵量呈非線性關(guān)系。據(jù)粒度參數(shù)和粒度分布曲線的變化可以推測粗糙下墊面的機械阻擋作用主要促進了＜50 μm的粉塵沉降，小氣候效應主要促進了20～100 μm的粉塵沉降。受觀測手段和取樣精度影響，目前還不能定量區(qū)分機械阻擋作用和小氣候作用對降塵的貢獻率，兩種作用對不同粒徑降塵的影響還需更多的研究來證實。