沙塵天氣及沙塵氣溶膠影響的研究進展

張寶林

（內蒙古師范大學化學與環(huán)境科學學院，呼和浩特 010020）

0　引言

沙塵為一種懸浮在空氣中的氣溶膠，是來自地球組成礦物的釋放、傳輸和運移[1]。非洲撒哈拉和薩赫爾地區(qū)、亞洲的戈壁、塔克拉瑪干和巴丹吉林沙漠、美國大平原、美洲中部、南美和澳大利亞中部、南非和中東地區(qū)為世界主要的沙塵源[2]。世界沙塵的50%～75%來源于撒哈拉和薩赫爾地區(qū)[3]，該地區(qū)終年釋放沙塵，影響中東、歐洲、加勒比海和美洲等地區(qū)；撒哈拉沙漠和阿拉伯半島的沙塵也可能越過天山山脈影響到日本[4]。源自中國和蒙古的亞洲沙塵是全球沙塵的第二大貢獻者，其30%沉降在沙漠地區(qū)，20%傳輸?shù)街袊箨懙貐^(qū)，剩余的50%降落到太平洋甚至更遠的地區(qū)[5]。在盛行西風的驅動下，亞洲沙塵可以影響到韓國、日本、太平洋島嶼，甚至可以跨過太平洋，到達美國、加拿大、法國的阿爾卑斯山，甚至是北極[6-7]。亞洲沙塵對人口占全球60%的亞洲地區(qū)的生產、環(huán)境、經濟和人類健康有重大影響；由于在全球氣溶膠中的重要性，亞洲沙塵已經引起廣泛的關注，成為研究的熱點[6,8-11]。由此可見，沙塵是重大的跨區(qū)域環(huán)境問題[12]，引起了全球關注。

沙塵不僅塵源廣闊，且其影響不是一個簡單的區(qū)域環(huán)境問題，是一個需要在全球尺度上思考和理解的天氣現(xiàn)象。本文從大氣環(huán)境、氣象、生態(tài)系統(tǒng)、社會經濟活動以及人類健康與文明等多角度出發(fā)，提供了沙塵天氣及沙塵氣溶膠影響的全方面認識，以期為相關研究提供思路和參考。

1　沙塵天氣和沙塵氣溶膠的氣候效應

沙塵對氣候的影響主要包括直接效應和間接效應，與沙塵效應相關的“陽傘效應”、“冰核效應”、“酸雨中和效應”和“鐵假說”等研究均引起了人們的高度重視。沙塵直接效應是沙塵通過對輻射的影響改變地－氣系統(tǒng)的輻射平衡；而間接影響研究主要集中于由于沙塵改變云物理相關過程以及通過與碳循環(huán)間的交互作用機制等對氣候變化產生的影響。

沙塵顆?？梢宰鳛橛甑蔚哪Y核[13]，并使云中水汽在較高溫度下發(fā)生凍結[14-17]，但是也可能抑制降水的形成[14,18-21]，大氣中塵埃物質增加可導致云層中小水滴數(shù)量增加，使得云團變亮而減少抵達地面的太陽輻射，而且由于小水滴碰撞機會減少而抑制降水的發(fā)生。在東亞地區(qū)，衛(wèi)星遙感證明云滴大小和沙塵氣溶膠光學厚度顯著負相關，Twomey效應明顯[20]。另外，大氣中滯留的沙塵可能增加大氣穩(wěn)定度，導致降水減少，驅使干旱和沙漠化加劇[21]。由于沙塵呈堿性，堿性離子濃度較高，可以中和降水的酸度[22]。在日本的觀測除了證明沙塵作為過冷卻云的凍結核，對形成降水起重要作用外，也已確認沙塵冰晶核帶有堿性，對防止日本酸雨的產生起著積極作用[23]。在甘肅民勤20年的觀測也表明沙塵天氣在一定程度上中和了降水的酸性，使降水的pH趨于增大[24]。

沙塵的輻射強迫依賴于沙塵粒子的顏色、大小和化學成分[25]，沙塵的凈輻射強迫還存在爭議。沙塵可以通過對太陽輻射和地表長波輻射的散射和吸收改變地球的輻射狀況和大氣熱力狀況[26-31]，直接影響到氣候變化和水分循環(huán)，影響全球氣候[13]。沙塵的產生、運輸和沉降在冰期—間冰期時間尺度上受氣候變化的影響[32]，但研究表明隨著南極冰期溫度的降低，沙塵通量和溫度相關性增強是由于南極和低緯度氣候的漸進耦合，冰期沙塵通量的增長是由于冰期水文循環(huán)的減緩導致南美洲沙塵源活動增強以及對流層頂部沙塵滯留時間的增長[33]。沙塵暴過后在大氣中繼續(xù)滯留的沙塵粒子的長期氣候效應意義可能更為深遠[34]，且在不同地區(qū)的氣候效應不同，在沙漠地區(qū)導致地氣系統(tǒng)加熱[35]，而在低地表反照率的濕潤地區(qū)冷卻地氣系統(tǒng)[36]。沙塵誘導的區(qū)域性溫暖化可能在全新世的氣候突變中扮演重要角色[37]。研究表明，冰期－間冰期之間大氣中CO2含量近一半的變化，是由于塵埃沉積通量變化所導致的南大洋海洋生產力變化引起的[38]。極地冰芯中沙塵的分析表明沙塵既是氣候的產物，又通過海洋“生物泵”對氣候起著控制作用[38]。沙塵輸送的Fe(Ⅱ)為大洋表層水帶去可供生物吸收的營養(yǎng)元素，使表層生物二甲基硫排放增加[39]，鐵和硫的相互耦合及其正反饋過程可能是影響全球氣候變化的重要機制之一[39]。

2　對生態(tài)系統(tǒng)的影響

沙塵雖然可能造成多種危害，但對自然生態(tài)系統(tǒng)也具有不可或缺的作用，是生物地球化學循環(huán)中的重要一環(huán)，尤其沙塵沉降在土壤、森林和海洋等生態(tài)系統(tǒng)生產力提高方面發(fā)揮著重要的“肥料效應”，在人類文明在地球上出現(xiàn)前后都起到過積極的作用。

2.1　對陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響

風沙活動能局部改變地表形態(tài)，形成各種風沙地貌，并造成風沙危害。在春季即使在沙漠化程度較輕，植被蓋度較大的固定、半固定沙丘上，有限的植被高度尚不足以完全防止風蝕[40]。沙塵活動引起的營養(yǎng)物質再分配對生態(tài)環(huán)境有重要影響[41]，王訓明等較好地總結了風沙活動對陸地生態(tài)系統(tǒng)影響[42]。在沙塵源區(qū)，躍移顆粒掩埋植被，侵蝕植被根部、磨蝕葉片，抑制植物生長甚至導致植被凋亡[43]，部分以懸移形式搬運的細顆粒也可能被植株株冠俘獲，形成“養(yǎng)分肥島”[44]。由于細顆粒物質和養(yǎng)分的不斷損失，風沙源區(qū)地表粗化、養(yǎng)分減少和土壤持水能力下降[45]，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)植物種群退化及生物多樣性減少[46]。沙塵活動可使植被群落及生態(tài)系統(tǒng)結構發(fā)生變化[47]，蠕移和躍移使植物群落在景觀上表現(xiàn)為點狀或斑塊狀空間格局[48]，懸移導致土壤物質在景觀尺度上表現(xiàn)為連續(xù)的面狀分異[49]。沙塵顆粒物所含的營養(yǎng)物質對陸地生態(tài)系統(tǒng)有深遠影響，可提供植被所需的基礎養(yǎng)分[50]，改變土壤的酸堿性和理化性質[51]，以及為微生物生長提供碳基質等[52]，從而影響生態(tài)系統(tǒng)及地表生物地球化學循環(huán)過程。沙塵對沉降區(qū)的土壤形成與發(fā)育、養(yǎng)分輸入[42,53]均有重要影響，但目前尚缺乏對陸地沉降區(qū)生態(tài)系統(tǒng)影響的系統(tǒng)研究[42]。

2.2　對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響

目前，沙塵對海洋生態(tài)系統(tǒng)影響的研究比較成熟。每年通過大氣輸入海洋的沙塵達450 Tg，其中北大西洋43%，南大西洋4%，北太平洋15%，南太平洋6%，印度洋25%，南大洋6%[54]。沙塵影響表層水化學，影響海洋環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)，沉降于大洋中的塵埃對海洋浮游植物生產力具有重要影響[54-59]，提供了生物地球化學循環(huán)中的重要元素，尤其是氮[58]、磷[57]、鐵[60-61]，F(xiàn)e(Ⅱ)為大洋表層水帶去可供生物吸收的營養(yǎng)元素。通過大氣粉塵提供給遠洋的鐵主要來自于世界各地的沙漠地區(qū)，鐵的減少導致海洋初級生產力降低[62-63]。在亞洲沙塵的高發(fā)期之后，在北太平洋觀測到海洋初級生產力的增長[61,64]，黃海浮游植物的爆發(fā)[65]。此外，研究表明沙塵也會從大陸攜帶氮、磷到加勒比海和亞馬孫流域[25]。

除了增肥海洋，影響開闊海域浮游生物的種群結構、植物群落初級生產力以及固碳能力之外，沙塵也可能具有負面效應。如前所述，沙塵顆?？赡軘y帶有害物質和微生物，對陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)產生不利影響?？茖W家已經證明塵羽也攜帶細菌、真菌和病毒等微生物，它們中的大多數(shù)是植物的致病菌。例如，加勒比海扇的一種傳染病就是由于來自非洲陸地的真菌Aspergillus sedowii引起的[66]。

3　對工農業(yè)生產和社會經濟的影響

3.1　對工業(yè)生產活動的影響

風沙通過吹蝕、沖移、破壞和埋壓等危害交通線路，磨損鋼軌[67]，破壞道路、建筑物和機械，影響交通系統(tǒng)。蘭新線新疆段和烏吉線多次因沙塵天氣造成客車、貨車遲發(fā)、晚點和停運[35]，蘭州和敦煌等地機場也因沙塵天氣多次關閉[67]。強沙塵暴和特強沙塵暴往往攜帶砂礫，狂風能刮翻車輛。沙塵天氣降低能見度[68]，可能引發(fā)交通事故；沙塵會引起航空器飛行員眩暈，造成安全隱患[69]。沙塵影響無線電波的傳播[70]，伴隨強沙塵暴和特強沙塵暴的狂風能刮斷電桿，破壞通訊系統(tǒng)。沙塵顆粒也會使輸電線路導線電暈放電強度明顯增強，電暈損失增大[71]。強沙塵暴和特強沙塵暴破壞各種工農業(yè)設施[67]，對工農業(yè)生產產生重大影響，如降低太陽能裝置的工作效率[69]，損壞風力發(fā)電機[72]。

3.2　對農業(yè)生產活動的影響

據(jù)估計，全球每年進入大氣中的沙塵氣溶膠約有1000～3000 Tg[73]，其中大約有800 Tg來自中國沙漠地區(qū)[5]。強沙塵天氣攜帶走土壤營養(yǎng)（如磷[74]），降低土壤肥力和水分保持能力，在春天吹跑種子，掩埋農田，以埋壓、風蝕和割打等方式危害農業(yè)生產[67]，破壞和降低農業(yè)生產力。如1934年5月9日1200萬噸塵土下降到芝加哥[75]；1952年4月9日甘肅永昌縣境內被流沙掩埋農田8000多畝（1畝≈666.7 m2）；1953年4月7日甘肅民勤昌寧等8鄉(xiāng)3360畝農田遭沙埋[35]；1983年2月發(fā)生于墨爾本的沙塵暴刮走了維多利亞耕地25萬噸表層土壤[76]；1993年5月5日的沙塵暴在河西走廊使一些農田風蝕深度10～50 cm，平均風蝕量近70 m3/畝，大量肥沃土壤被刮走[67]；2000年春季內蒙古有23.4萬畝農作物因沙塵暴受災[72]。此外，沙塵攜帶的有害物質和微生物，也可能給農業(yè)生產帶來不利影響，如加勒比地區(qū)甘蔗銹病是由來自亞洲和非洲的稱為Puccinia melanocephala的真菌引起的，動物口蹄疫也可能由大氣傳播[66]。強沙塵暴和特強沙塵暴還會破壞各種農業(yè)設施[67]，如1961年5月31日—6月1日，新疆下馬崖等地40多孔坎兒井被沙填埋[35]，2000年春季內蒙古423眼人畜飲水井被風沙淤埋[72]。強風還會造成牲畜傷亡，如2000年春季內蒙古因沙塵暴影響，10471頭（只）牲畜死亡，14940頭（只）牲畜丟失[72]。

3.3　對社會經濟的影響

沙塵天氣，尤其是沙塵暴，會損壞房屋、影響公路、鐵路和民航運輸，破壞工農業(yè)生產設施，強風還會造成人畜傷亡，造成巨大的經濟損失。1988—1992年，西藏的貢嘎機場因風沙天氣每年民航運輸直接經濟損失達72萬元；1979年4月10日，沙塵暴使新疆南疆鐵路中斷行車20天，直接經濟損失2000余萬元；1993年5月5—6日，4個省（區(qū)）72個旗（縣）1200萬人口受到沙塵暴襲擊，毀壞房屋，傷亡人、畜，直接經濟損失7.25億元[67]。2000年春季，內蒙古因沙塵暴造成的直接經濟損失高達8569萬元，其中農業(yè)損失7740萬元[72]。馬國霞等采用虛擬市場評價法對2005年中國北方沙塵暴造成的經濟損失進行了估算，內蒙古損失最大，達56.9億元[77]。

4　對大氣環(huán)境質量的影響

沙塵使大氣中顆粒物濃度急劇增加（TSP、PM2.5、PM10濃度升高[78-79]），能見度降低，氣溶膠光學厚度增大，大氣環(huán)境質量下降[80]，沙塵下落形成的大氣降塵是近期中國很多城市發(fā)生霧和霾的主要元兇[81]?？諝赓|量監(jiān)測表明沙塵天氣對城市大氣環(huán)境質量產生不利影響，沙塵天氣過程使中國北方城市PM2.5和PM10質量濃度分別增加7.5%～1141.2%和344.0%～2562.1%[82]。沙塵天氣發(fā)生時PM10是呼和浩特[83]、北京[84]、上海[85]、西安[86]、蘭州[87]等地的主要污染物。此外，無論是從沙塵源地還是在輸送途徑中獲得，沙塵顆粒攜帶重金屬（如砷[88]、鎘、鋁和鉛[89]）[90]、放射性同位素（如钚[91]、銫-137[92]）、有毒化學物質（如殺蟲劑、除草劑[93-94]）、硫酸鹽[95]、硝酸鹽、有機復合物、真菌、細菌[96-99]或者病毒，影響大氣環(huán)境質量。但是，沙塵天氣也具有清除SO2、NO2、CO等污染物作用。大風沙塵天氣使這些污染物濃度大幅度下降，對當?shù)厝藶樵此欧盼廴疚锞哂星宄饔?，因為伴隨沙塵天氣的大風等氣象條件有利于SO2和NO2的擴散[82]，但也有研究表明沙塵對CO、SO2和NO2質量濃度影響不大[84,87,100]，且對O3的影響還不甚明朗[82]。

5　對人體健康和人類文明的影響

5.1　對人體健康的影響

沙塵污染是城市居民呼吸道感染的主要環(huán)境誘因[101]，對暴露人群健康十分不利[102-103]。沙塵對人類健康的影響表現(xiàn)在多個方面，如對細胞膜和DNA的破壞[104]、肺部感染（礦物沙塵和有機物質結合[105]）、過敏性反應（沙塵顆粒上附有細菌和真菌孢子[3]）和呼吸系統(tǒng)疾病[66,93,106]。因為PM10等顆粒物易被人體吸入，長期暴露于沙塵環(huán)境使接觸人群呼吸、循環(huán)等系統(tǒng)患病率顯著增高[107]，如非職業(yè)性塵肺病[75,108]。Kwon等[109]認為在美國風蝕沙塵中的粒徑較大的顆粒與死亡率無關，因為粒徑較小的顆粒（如空氣動力學粒徑＜2.5 μm，PM2.5）更可能在肺的肺泡區(qū)沉積，它們的排出比呼吸系統(tǒng)中的其他粒子更慢。在韓國進行的相似研究表明亞洲沙塵和死亡風險的相關性較弱，但是沙塵事件與由于心腦血管和呼吸系統(tǒng)疾病引起的死亡的關聯(lián)性較強[109]。除大風和塵埃顆粒外，沙塵細顆粒易吸附有害氣體、重金屬[88-90,110-111]、放射性同位素[91-92]、具“三致效應”的有毒化學物質[93-94]及病原微生物[96-97,112-114]等，刺激和腐蝕呼吸道，影響淋巴結、巨噬細胞的功能，使免疫力下降，增加對細菌感染的敏感性。細小的粒子與較粗大的顆粒相比還含有較高濃度的硫酸鹽[95]、硝酸鹽、有機復合物以及容易進行生物轉化的金屬。沙塵落在人體皮膚上，可能阻塞皮脂腺和汗腺，引起皮炎；落入眼中，導致結膜炎。沙塵影響紫外線的殺菌作用，使空氣負氧離子減少，使對天氣變化敏感的人感到神經緊張和疲勞；沙塵使能見度降低，使人產生壓抑和疲倦的感覺。除此之外，沙塵可能在沿海區(qū)域引發(fā)有毒性藻類的爆發(fā)，人們通過消費受到污染的海產品而影響到人類的健康[3]。強沙塵暴和特強沙塵暴時因天黑迷路，強風裹挾，易造成人身傷亡[35]。如1993年5月5—6日，使4×105km2范圍內的4個省（區(qū)）72個旗（縣）1200萬人口受到襲擊，造成85人死亡，264人受傷，31人失蹤[67]。

5.2　對人類文明的影響

沙塵活動的強弱既受氣候、環(huán)境變化的影響，也與人類活動密切相關。距今3000多年以前，我國史書上就有關于沙塵天氣的記載，史書中浮塵常記作“雨土”“黃砂”等，關于沙塵暴的記錄有“飛沙如雨”“塵沙漲天”和“黃霧四塞”等[67]。中國西北地區(qū)的沙塵暴對古代文明產生過重大影響，如樓蘭、尼雅文明的消失[67]；曾經輝煌的美索不達米亞文明也被沙塵所掩埋。19世紀中葉，美國鼓勵向半干旱的西部大草原移民開荒，以發(fā)展西部并解決就業(yè)問題，大面積不宜農作的天然草原被開墾，過度墾牧造成土地大面積沙化，1934年5月12日發(fā)生了震驚世界的“黑風暴”事件。研究表明19世紀30—40年代美國南部大平原的沙塵暴與大蕭條之間有著密切的聯(lián)系[75]。與此相似，20世紀30年代加拿大以及60年代的前蘇聯(lián)部分地區(qū)沙塵肆虐也是無視生態(tài)的大規(guī)模開發(fā)造成的[115]。1954—1965年，蘇聯(lián)因開墾哈薩克斯坦、西伯利亞的4000萬 hm2“處女地”引發(fā)的災難，連鄰國羅馬尼亞、匈牙利和南斯拉夫也都塵土迷漫。此外，秘魯南部冰芯中以公元920和600年為中心的兩段130年的沙塵記錄也可能與前印加王國農業(yè)生產活動有關[116]。因此，對資源的過度追求而缺乏生態(tài)意識，可能會造成環(huán)境災難和文明的衰退。

當然，沙塵對于人類的影響也具有兩面性，因為沙塵對人類的繁衍生息也做出過重大貢獻。例如，黃土高原的“風成說”認為作為中華文明搖籃的黃土高原就是250萬年來由沙塵堆積形成的。

6　結語

綜上對國內外沙塵效應研究的回顧和分析，可以看出，沙塵天氣及沙塵氣溶膠不僅造成沙塵源區(qū)的生態(tài)破壞、引發(fā)沉降區(qū)的環(huán)境污染，還影響著氣象、工農業(yè)和海洋生產、大洲的形成、動植物的生存，甚至是人體健康與人類文明。目前，在沙塵對海洋生態(tài)系統(tǒng)和人類健康的影響以及沙塵活動與氣候變化關系等方面取得了長足進展，而對陸地生態(tài)系統(tǒng)影響的機理性研究較少，對氣象影響的機理性研究還不夠深入和精細化，同時，亟需開展沙塵對霧和霾天氣的影響以及沙塵載帶污染物效應等方面的研究。

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