塔克拉瑪干沙漠土壤粒度分布特征及其對粉塵釋放的影響

楊興華，康永德，周成龍，霍 文，楊 帆，潘紅林，孟 露，何 清

塔克拉瑪干沙漠土壤粒度分布特征及其對粉塵釋放的影響

楊興華1，康永德1，周成龍1，霍 文1，楊 帆1，潘紅林1，孟 露1，何 清2※

（1. 中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，烏魯木齊 830002；2. 新疆氣象局，烏魯木齊 830002）

塔克拉瑪干沙漠是中國西北的重要粉塵源區(qū)，研究區(qū)域粒度分布特征及粉塵釋放量有助于評估區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量及其氣候效應(yīng)?；诖?，按照空間分布特征及下墊面類型（農(nóng)田、沙丘、荒漠）環(huán)塔克拉瑪干沙漠采集地表土壤樣品138個，利用Mastersizer2000激光粒度儀分析土壤粒度組成，利用DPM模型計算粉塵釋放通量，以期揭示塔克拉瑪干沙漠地表土壤微團(tuán)粒粒度分布特征及其對粉塵釋放通量的影響，研究結(jié)果表明：1）138個樣品中流動沙丘和沙壟的粉砂和黏粒含量累計之和最少，約占10%～18%左右，屬于砂質(zhì)土和砂壤質(zhì)土。農(nóng)田（綠洲、林帶區(qū)）樣品多為草甸土，粉砂和黏粒累計含量約占50%～80%，戈壁（荒漠區(qū)）樣品中粉砂和黏粒的含量差異較大，砂質(zhì)土和砂壤土的粉砂和黏粒的含量累計之和約占20%～30%。2）地表土壤微團(tuán)粒中粒徑較小的是細(xì)砂和粉細(xì)砂，可用3個對數(shù)正態(tài)分布群體表示，即：粉細(xì)砂群體、細(xì)砂群體、粗砂群體，中值粒徑依次為90、225、500，標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1.02、1.53、1.08，各占比例約為30%、49%、21%。3）塔克拉瑪干沙漠粉細(xì)砂和細(xì)砂的粉塵釋放量最大，中砂粗砂次之，極粗砂最少，其最大差值的數(shù)量級為10-2g/(m2·s)。研究結(jié)果可以較好地反映不同下墊面粉塵釋放差異，對定量評估區(qū)域乃至全疆的粉塵釋放量等具有重要意義。

粉塵；粒度；侵蝕；土壤；釋放

0 引 言

粉塵作為地球氣候系統(tǒng)中的重要因子，其產(chǎn)生和傳輸對氣候、生態(tài)系統(tǒng)及人類活動都有著重要的影響。干旱半干旱區(qū)分布著塔克拉瑪干沙漠等一系列沙漠戈壁區(qū)，是地球上最重要的粉塵釋放源區(qū)之一[1]，對其內(nèi)風(fēng)蝕物釋放的粉塵進(jìn)行研究，在反演塔克拉瑪干沙漠粉塵源區(qū)的沙塵暴歷史和作為粉塵遠(yuǎn)程傳輸有著獨特的優(yōu)勢。

已有的觀測和數(shù)值模擬研究顯示，粉塵循環(huán)過程受控于大氣環(huán)流、地形、地貌和下墊面特征等諸多因子[2]，粉塵的釋放對下風(fēng)向地區(qū)的空氣質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境有很大的影響[3]。國內(nèi)外學(xué)者在此研究領(lǐng)域也取得了一系列代表性成果[4-7]。車慧正等[8]模擬了中國沙漠地區(qū)不同下墊面的粉塵釋放通量，梅凡民等[9]研究了毛烏素沙地裸露沙質(zhì)地表的粉塵釋放通量。地表特征，植被蓋度、土壤黏土含量、土壤含水量等均影響粉塵的釋放過程[10]。人類活動大大加劇了土地荒漠化過程[11]，不僅改變土壤表層原始結(jié)構(gòu)，還破壞顆粒間的結(jié)合強(qiáng)度。在地表土壤破壞的條件下[12]，沙塵才得以脫離，形成粉塵釋放源，產(chǎn)生更多的易釋放粉塵通量[13]。粒度特征蘊(yùn)含豐富的地表過程信息，常被用來反映土壤風(fēng)蝕、沙丘形態(tài)及沙塵暴等[14-15]。土壤風(fēng)蝕形成的沉積物也含有不同粒級的粉塵物質(zhì)[16]，粒度分析不僅是認(rèn)識風(fēng)成沉積物的基礎(chǔ)，也是研究風(fēng)沙地貌演變的基本手段[17]。Robert等[18-19]對沙丘不同下墊面的粒度特征進(jìn)行了詳細(xì)探討，也有學(xué)者對農(nóng)田等不同地表形態(tài)風(fēng)蝕物的粒度特征進(jìn)行了研究[20]。利用粒度分布特征，還可通過風(fēng)蝕區(qū)可蝕性與非可蝕性顆粒的相對含量變化來估算區(qū)域的粉塵釋放通量[21]。王仁德等[22]基于粒度組成變化，提出了一種估算粉塵釋放量的新方法。不同下墊面的粉塵釋放量約差10倍左右[23]。粉塵輸送再搬運(yùn)對粒度組成有非常重要的影響，美國科羅拉多東部粉塵大約只有30%的顆粒粒徑小于8m[24]，說明距離粉塵源區(qū)更近，分別由砂黃土（眾數(shù)粒徑63m）、粉砂黃土（眾數(shù)粒徑37m）和黏粒黃土（眾數(shù)粒徑22m）3個組分構(gòu)成，粒度較粗地反映了粉塵釋放過程中躍移和懸移局地搬運(yùn)的組分，黏粒代表了由大氣背景粉塵和由遠(yuǎn)源提供的塵暴細(xì)顆粒，從側(cè)面反映出粒度風(fēng)塵物質(zhì)對局地大氣粉塵載荷具有明顯貢獻(xiàn)。

因土壤風(fēng)蝕而產(chǎn)生粉塵釋放及塔克拉瑪干沙漠粒度特征的研究成果已較多，但對粉塵釋放通量定量估算及粒度特征對粉塵釋放的相關(guān)影響機(jī)制仍然不清楚[25-26]。為此，本研究收集了塔克拉瑪干沙漠及周邊區(qū)域不同下墊面的土壤樣品138個，對其進(jìn)行分析，探討各個下墊面的粒度參數(shù)及分布特征，闡明粒度與粉塵釋放通量間的關(guān)系，認(rèn)清不同土壤質(zhì)地和地表類型下粉塵釋放的物理過程，為解釋不同下墊面粉塵釋放形成的過程提供理論支撐，同時為該區(qū)風(fēng)沙災(zāi)害防治及環(huán)境保護(hù)提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

塔克拉瑪干沙漠地處塔里木盆地中心（83°39′E，38°58′N），東西長1 200 km左右，南北寬600 km左右，面積約34萬km2，是世界第二大流動性沙漠。主要以流動沙丘為主，占沙漠總面積的84%，地表由流沙覆蓋，植被覆蓋率極低且種類貧乏，群落結(jié)構(gòu)簡單。地貌以沙丘地貌為主，沙丘地貌表現(xiàn)為一系列線狀的高大復(fù)合型縱向沙壟與壟間地相間分布，沙壟走向為NNE-SSW或EN-SW方向，相對高度為40～50 m。壟間平坦低地寬1～3 km，長2～5 km。高大沙壟的前緣分布有低矮的新月形沙丘和沙丘鏈[27]。根據(jù)塔中氣象站多年整編觀測資料顯示，塔中地區(qū)年平均蒸發(fā)量達(dá)3 800 mm，而年平均降水量僅26 mm[28]；大風(fēng)和沙塵是這里的主要天氣現(xiàn)象，年平均沙塵暴天數(shù)為16 d[29]，年平均沙塵指數(shù)高達(dá)235[30]。

2 資料與方法

2.1 樣品采集與測試

于2015年3月至4月，環(huán)塔克拉瑪干沙漠腹地及周邊農(nóng)田、林帶區(qū)采取表土樣品138個，位置如圖1所示。這些樣品是不同類型的地表物質(zhì)在特定氣象條件和植被覆蓋下，逐步發(fā)展為表土風(fēng)蝕和粉塵釋放的潛在來源物質(zhì)。不管從樣品空間采集范圍，還是地貌組成類型及地表物質(zhì)的成份來看，138個樣品基本能夠代表塔里木盆地主要風(fēng)蝕狀況和粉塵釋放源區(qū)的表土特征，具有典型性和代表性。138個樣品的采集區(qū)域按照空間分布特征及下墊面類型劃分為農(nóng)田和林帶區(qū)（主要為草甸土和鹽土，18個樣品）、沙丘和沙壟區(qū)（主要為風(fēng)沙土，93個樣品）、荒漠和戈壁區(qū)（主要為灰棕漠土，27個樣品），需要說明的是由于沙丘和丘間地可能具有不同物質(zhì)來源，所以在考慮沙樣物源取樣時對沙丘和丘間地分別進(jìn)行取樣，即采樣部位選擇在沙丘頂部、起伏沙丘的上部、起伏沙丘的下部，平坦沙地等采集。借助Udden-Wentworth粒級劃分原則[31]對138個不同下墊面沙樣的粒級百分含量進(jìn)行統(tǒng)計分析。為保證樣品粒徑均在Mastersizer2000激光粒度分析儀（0.02～2 000m）量程之內(nèi)，各種下墊面的樣品采集均刮去表層2～3 mm的浮土（主要是剔除表層粒徑大于2 mm的土樣，以免造成測量誤差），用小鐵鏟垂直入土到需要深度，由上而下每5 cm采集1個樣品，采集3組，確保同一深度和土質(zhì)質(zhì)量的一致性，將其中的雜物去除，石礫、根系等物全部篩出，在塑料自封袋上注明日期、編號、采樣地點、采樣深度、土樣名稱等，帶回中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所樹木年輪重點實驗室測試。

粒度測試在Mastersizer2000激光粒度分析儀（0.02～2000m）上進(jìn)行[31]。在上機(jī)測試前，將采集的樣品在自然條件下風(fēng)干，每個樣品取約0.5 g放入燒杯，加入10 mL濃度為30%的H2O2煮沸約30 min，去除有機(jī)質(zhì)，然后加入10 mL濃度為10%的稀HCL，去除碳酸鹽，再加入蒸餾水燒至滿杯，靜置24 h后用醫(yī)用針管抽取上層水，加濃度為0.05 mol/L的NaPio6約10 mL做分散劑，在超聲波振蕩器上振蕩10 min左右。為保證所有顆粒均在儀器量程范圍之內(nèi)，將樣品中大于2 mm的礫石篩除，需要說明的是，剔除2 mm的礫石后，沙粒中仍保留2 mm的礫石，在同一測試標(biāo)準(zhǔn)下最大限度地保留了樣品的粒級分布特征。此外，2 mm的礫石幾乎不可能被風(fēng)力搬運(yùn)，只能由水動力長距離搬運(yùn)，如果沙漠沉積物中含有該粒級，則可以直接判為由于洪水搬運(yùn)所致，因此，剔除2 mm的礫石對本文分析結(jié)果影響不大。對每一份樣品重復(fù)測試3次，相對誤差小于2%，并取3次測試結(jié)果的平均值作為該樣品的粒級數(shù)據(jù)。采用對數(shù)正態(tài)分布模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合[32]，根據(jù)實測數(shù)據(jù)通過調(diào)整對數(shù)正態(tài)分布的統(tǒng)計參數(shù)，用實測數(shù)據(jù)來擬合對數(shù)正態(tài)曲線，以最小二乘法中的最小殘差檢驗擬合效果。簡言之，把任何土壤微團(tuán)粒粒度分布均可表示為幾個對數(shù)正態(tài)分布的組合，各個對數(shù)正態(tài)分布可以用中值粒徑、標(biāo)準(zhǔn)偏差及各自在對數(shù)正態(tài)分布中所占的比例等參數(shù)描述，通過調(diào)整這3個參數(shù)保證每個粒級的擬合結(jié)果與實測結(jié)果殘差最小，效果最優(yōu)，擬合方程見文獻(xiàn)[33]。

2.2 摩阻風(fēng)速的計算

每年的2－7月是沙塵暴發(fā)生較為集中的月份，本研究選取塔克拉瑪干沙漠腹地的肖塘和塔中兩地進(jìn)行粗糙度及摩阻風(fēng)速的觀測，采用CR1000-2M型數(shù)據(jù)采集器，收集0.5、1、2、4、10 m處的風(fēng)速，頻率為30 min一組，每分鐘得到超過20%以上的數(shù)據(jù)稱為分鐘值，每分鐘少于50%的數(shù)據(jù)時，記錄為缺測。由于0.5和1 m兩層風(fēng)速數(shù)據(jù)不完整，將其剔除，因此文中主要用2、4和10 m 3層的風(fēng)速數(shù)據(jù)。

粗糙度的大小反映了土壤氣流接近地表降低的快慢程度，是指風(fēng)速等于零的某一幾何高度隨地表粗糙程度變化的常數(shù)，和空氣的層結(jié)情況有關(guān)。對于固定的地研究區(qū)而言，若其他性質(zhì)一定的情況下，粗糙度0通常可以假設(shè)是一個常數(shù)[34-35]。它可以直接通過對數(shù)公式計算得出，即已知2個高度的風(fēng)速，可以根據(jù)：

式中1、u2為高度1、2處的風(fēng)速。根據(jù)試驗測得試驗區(qū)2個不同高度的數(shù)據(jù)代入式，計算得出該區(qū)域粗糙度。

風(fēng)是沙子發(fā)生運(yùn)動的動力因素，風(fēng)沙運(yùn)動是一種貼近地面的氣流對沙粒搬運(yùn)的現(xiàn)象，近地面風(fēng)的運(yùn)動遵循的對數(shù)規(guī)律分布

式中u為摩阻風(fēng)速，m/s；為馮卡門常數(shù)，通常取0.4。

摩阻風(fēng)速的平均值為2、4、10 m三個高度摩阻風(fēng)速計算值的平均。

根據(jù)公式可計算出粗糙度和摩阻風(fēng)速，得出各級顆粒的運(yùn)動軌跡，進(jìn)而分析不同土壤粒徑的運(yùn)動。

2.3 粉塵釋放通量計算

本文用DPM模型[36]來計算塔克拉瑪干沙漠的粉塵釋放通量（式3）。DPM模型主要由躍移通量方程與粉塵釋放通量方程組成，粉塵釋放通量和躍移通量跟顆粒動能能量成正比，粉塵釋放過程可簡化為微團(tuán)粒在風(fēng)力作用下發(fā)生躍移，躍移過程中由此產(chǎn)生顆粒碰撞，碰撞時消耗各自的動能，有動能的大小決定粉塵釋放的多少。躍移通量方程在此不再展開說明，粉塵釋放通量方程表達(dá)式為

3 結(jié)果與分析

3.1 不同下墊面土壤粒度特征

如圖2所示，沙粒的級配含量可以直接反映土壤風(fēng)蝕物的主要粒徑組以及不同粒徑組沙粒的相對含量。沙粒級配不但與自身沙源有關(guān)，也與風(fēng)蝕顆粒物活動中的搬運(yùn)與堆積過程密切相關(guān)。因研究區(qū)常年風(fēng)沙活動比較強(qiáng)烈，導(dǎo)致沙樣沉積物經(jīng)歷了長期的風(fēng)選過程，因此所有樣品中流動沙丘和沙壟的粉砂與黏粒含量累計之和最少，約占10%～18%左右，屬于砂質(zhì)土和砂壤質(zhì)土。樣品編號為35～90之間的優(yōu)勢粒級是粉砂和黏粒，二者百分含量介于50%～80%之間，這部分樣品主要是綠洲、農(nóng)田、林帶區(qū)域采集的樣品，多屬于草甸土，其實質(zhì)還是風(fēng)蝕物中的壤土和黏壤土及粉壤土的組合。樣品編號為90～125之間的樣品粒級差異較大，這是因為采集區(qū)是戈壁和荒漠區(qū)，優(yōu)勢粒級呈現(xiàn)“兩極分化”現(xiàn)象，質(zhì)地屬于砂質(zhì)沙土、砂質(zhì)沙壤土等。其余樣品則為大眾分布，即砂質(zhì)土和砂壤土的粉粒和黏粒的含量累計之和介于20%～30%之間。壤砂土，粉砂與黏粒的含量之和約占63%。

由此推斷，沙粒的主要成分為砂質(zhì)土、壤砂土、砂質(zhì)沙土及砂壤土，砂壤土的微團(tuán)粒以粉砂為主，然后為沙粒，黏粒占比最小。表土中粉壤土、黏壤土的主要成份為粉砂和黏粒。從上述樣品的組成來看，基本可以代表塔里木盆地主要的土壤質(zhì)地類型。通過上述分析看出，不同比例含量的沙粒粒級在地表以不同的方式被輸送，粉砂和黏粒一般以懸移的方式運(yùn)動，細(xì)砂和中砂主要以躍移的方式進(jìn)行運(yùn)動，粒徑較大的粗砂和極粗砂則以蠕移方式運(yùn)動。

圖2 土壤樣品百分含量

圖3 粒度參數(shù)間的相關(guān)性

受風(fēng)況、沙源條件和下墊面狀況的影響，粒度參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系比較復(fù)雜。即使在同一沙漠內(nèi)，不同區(qū)域、不同沙丘類型的沙丘粒度參數(shù)之間的關(guān)系也不盡相同[37]。但對于本文研究的138個樣品而言，如圖3a圖3d所示，除圖3d偏度與標(biāo)準(zhǔn)偏差，圖3b標(biāo)準(zhǔn)偏差與中值粒徑它們之間相關(guān)性較差外，其余所有的粒度參數(shù)之間均有明顯相關(guān)性。平均粒徑與標(biāo)準(zhǔn)偏差呈正相關(guān)關(guān)系（圖3c），相關(guān)系數(shù)2=0.44顯著性水平<0.001。平均粒徑與分選系數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)一步說明了沉積物搬運(yùn)距離越遠(yuǎn)，平均粒徑越小，分選越好。偏度隨平均粒徑變細(xì)而趨于正偏。中值粒徑與平均粒徑的相關(guān)性較好，2=0.43，顯著性水平<0.001。偏度與標(biāo)準(zhǔn)偏差，標(biāo)準(zhǔn)偏差與中值粒徑，二者之間相關(guān)性不明顯。

3.2 粒度分布的對數(shù)正態(tài)模型擬合

通過分析采樣區(qū)3種下墊面的粒徑組成，發(fā)現(xiàn)樣品模擬值和實測值的微團(tuán)粒粒度分布曲線基本吻合，由此說明，138個表土樣品的微團(tuán)粒的粒度分布可用對數(shù)正態(tài)分布模型表示（圖4）。不難發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田、沙丘、荒漠和戈壁所采集的樣品均可表示為1～3個對數(shù)正態(tài)分布群體（1～3代表農(nóng)田、沙丘、荒漠的對數(shù)正態(tài)分布群體個數(shù)）。符合單峰分布的對數(shù)正態(tài)模型，粒徑值依次為：80～150、190～225、200～500m。

從第四紀(jì)沉積學(xué)角度來看，在地質(zhì)演變過程中，土壤沙粒經(jīng)過風(fēng)力篩選和長期的風(fēng)蝕作用，使得沉積在地表的殘留物質(zhì)具有較好的分選性，因而，微團(tuán)粒粒度特征可以表示為1～3個對數(shù)正態(tài)群體的疊加，側(cè)面反映了該類風(fēng)蝕顆粒物的組成成分單一、分選較優(yōu)的特點，其特征在塔克拉瑪沙漠的粒度樣品中表現(xiàn)最為明顯。被河流沖刷、風(fēng)化剝蝕地帶的表土及農(nóng)田土壤，均存在可蝕性極粗砂粒、粗砂粒級的微團(tuán)粒，同時也包含在殘積物上發(fā)育的鈣質(zhì)土，經(jīng)過長時間風(fēng)蝕和水蝕后，遺留的粗砂、極粗砂顆粒，也有部分細(xì)顆粒因黏合而成的粉砂顆粒級的微團(tuán)粒。由此表明，上述土壤的微團(tuán)粒粒度分布可以用3個對數(shù)正態(tài)分布群體表示，如表1所示。

注：農(nóng)田1、2、3分別代表輪耕農(nóng)田區(qū)、林帶與農(nóng)田過渡帶區(qū)域、農(nóng)田風(fēng)蝕區(qū)采集的樣品；沙丘1、2、3分別代表沙丘頂部、沙壟區(qū)、平坦沙地采集的樣品；荒漠1、2分別代表植被稀少的荒漠區(qū)、基本無植被且板結(jié)的荒漠區(qū)采集的樣品。

表1 模擬的微團(tuán)粒粒度特征

借助對數(shù)正態(tài)分布模型對表土樣品的粒度參數(shù)進(jìn)行擬合，結(jié)果為粉細(xì)砂和中細(xì)砂及粗砂，可以表示為3個對數(shù)正態(tài)分布群體的組合，粒徑大小依次為90、225、500m，所屬樣品的標(biāo)準(zhǔn)偏差依次為1.02、1.53、1.08，上述對數(shù)正態(tài)分布群體在總體樣品中的占比為30%、49%、21%。

3.3 粒度分布特征及其對粉塵釋放通量的影響

圖5是不同樣品微團(tuán)粒粒度分布的概率。壤土、砂壤土、砂土、粉壤土的微團(tuán)粒粒度分布和農(nóng)田、沙丘、荒漠等下墊面的粒度分布相似（由3.2節(jié)研究結(jié)果可知），可由1～3個對數(shù)正態(tài)分布群體組成，即粉細(xì)砂、中砂和粗砂群體組成。每個對數(shù)正態(tài)分布群體都可用各自的粒度分布參數(shù)表示，如中值粒徑，標(biāo)準(zhǔn)偏差和百分含量來描述。其質(zhì)量中值粒徑依次為90、225、500m。雖然，壤土和粉壤土樣品也有3個對數(shù)正態(tài)群體組成，但其主要成份并非以砂粒為主，而是粉砂和砂粒的綜合為主。其次，砂壤土、砂土和粉壤土樣品在質(zhì)地上有很大差異，但是微團(tuán)粒粒度分布基本吻合，均可以表示為3個對數(shù)正態(tài)分布群體的組合，從側(cè)面反映出土壤微團(tuán)粒的粒度分布與土壤質(zhì)地并非嚴(yán)格對應(yīng)，即土壤質(zhì)地只是影響粉塵釋放的其中一個因素，不是決定性因素。綜上所述，塔克拉瑪干沙漠土壤風(fēng)蝕區(qū)的表土樣品微團(tuán)粒粒度分布為1～3個對數(shù)正態(tài)分布群體的組合。模擬的表土微團(tuán)粒粒度分布參數(shù)輸入DPM粉塵釋放模型便可模擬不同地表類型的粉塵釋放通量。

圖5 微團(tuán)粒粒度分布概率

由粉塵釋放方程可知，與其最為直接的參數(shù)之一是摩阻風(fēng)速（圖6），當(dāng)?shù)乇砟ψ栾L(fēng)速超過起動摩阻風(fēng)速時，便會發(fā)生土壤風(fēng)蝕，進(jìn)而引起粉塵釋放。因塔克拉瑪干沙漠環(huán)境惡劣，人為活動少，可視為無人為干擾條件下滿足模型的適用條件。隨著摩阻風(fēng)速的變化，粉塵釋放通量呈波動性變化，差異較為明顯，波動大小依次是細(xì)砂、粉細(xì)砂、粗砂和極粗砂，其中細(xì)砂和粉細(xì)砂的粉塵釋放通量差值約為10-2g/(m2·s)，中砂和粗砂次之。當(dāng)摩阻風(fēng)速為0.2 m/s時，粉塵釋放通量最大的為粉細(xì)砂，其次為細(xì)砂。當(dāng)摩阻風(fēng)速在0.4～1.0 m/s時，細(xì)砂的粉塵釋放量達(dá)到最大，粉細(xì)砂、中砂次之。由此得出，粉細(xì)砂和細(xì)砂的粉塵釋放量最大，中砂粗砂次之，極粗砂最少，其最大差值的數(shù)量級為10-2g/(m2·s)。由此可見，塔克拉瑪干沙漠地表土壤微團(tuán)粒度分布不同，其粉塵釋放通量的多寡也不同，進(jìn)而導(dǎo)致粉塵釋放通量呈現(xiàn)明顯的差異。

圖6 不同摩阻風(fēng)速下微團(tuán)粒粒度分布特征對粉塵釋放通量的影響

4 討 論

由于采集樣品數(shù)量的限制，樣品微團(tuán)粒粒度分布被表述為1～3個對數(shù)正態(tài)分布群體的組合，后續(xù)研究中可以將此特征化的微團(tuán)粒粒度分布更加精細(xì)化，推廣至更大的區(qū)域，這對大尺度的粉塵釋放研究能提供借鑒意義[26]。由于本文采用的描述表土微團(tuán)粒粒度分布參數(shù)的方法及采樣區(qū)域的差異，使得此次研究得出的粒度參數(shù)還有待今后繼續(xù)進(jìn)行試驗驗證，但是從描述的粒度參數(shù)的分布特征而言，它們是很相似的。即使取同一類型的土樣，因其二者的粒度分布不同，它們的粉塵釋放通量也會有明顯的差異，不能簡單的套用[38]。由此可看出，模擬西北干旱區(qū)半干旱區(qū)的粉塵釋放時，找出適合本地土壤微團(tuán)粒粒度分布參數(shù)是十分必要的。

不同的地表屬性也是粉塵釋放研究中的難點之一[39]。Sweeney等[40]對美國南部選取了8種代表性地表（戈壁、干鹽湖、遠(yuǎn)端沖積扇、干河床、沙丘等）對粉塵釋放通量進(jìn)行精細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，干河床和沖積扇等地表的粉塵釋放通量范圍在10-3～102mg/(m2·s)之間，沙丘的粉塵通量為10-3～10 mg/(m2·s)之間，鹽湖的粉塵通量大致范圍為10-4～10 mg/(m2·s)。

粉塵釋放機(jī)制方面，沙漠和農(nóng)田等區(qū)域是粉塵釋放的主要源區(qū)，但是在此類土壤中，粉沙和黏粒的含量相對偏低，長期的土壤風(fēng)蝕，粉塵顆粒因此而“耗盡”來抑制粉塵釋放通量的可能性比較小，這是因為大氣降塵中的粉沙和黏粒物質(zhì)可以形成新的粉塵釋放源；沙粒間的碰撞和磨蝕可以將粗粉砂變成細(xì)粉砂，然后為粉塵釋放補(bǔ)充，研究發(fā)現(xiàn)粉塵釋放后的30%會繼續(xù)重新降落到沙漠中[40]；還有就是風(fēng)成沙在風(fēng)蝕過程中被磨蝕也可釋放出粉塵粒子[30]以及沙漠地區(qū)本身就是粉塵釋放源區(qū)[41]。

盡管DPM模型也存在缺陷，但其優(yōu)點是輸入?yún)?shù)少，容易確定，同時盡可能考慮了地表特征和躍移及沖擊過程對粉塵釋放的影響，具備明確的物理機(jī)制。今后的研究中，借助風(fēng)洞試驗，測量風(fēng)蝕輸運(yùn)過程中粉塵的釋放規(guī)律和不同粒徑顆粒的空間運(yùn)動規(guī)律，進(jìn)而分析粉塵的質(zhì)量流量以及不同粒徑顆粒的空間運(yùn)動與地表顆粒組成之間的相互關(guān)系，提出新的更為完善的粉塵釋放模型。

5 結(jié) 論

1）塔克拉瑪干沙漠及周邊區(qū)域采集的138個樣品微團(tuán)粒粒度分布由1～3對數(shù)正態(tài)分布群體組合而成，依次是粉細(xì)砂群體、細(xì)砂群體、粗砂群體，其質(zhì)量中值和標(biāo)準(zhǔn)偏差及所占比重是模擬塔克拉瑪干沙漠不同下墊面粉塵釋放通量的關(guān)鍵參數(shù)。

2）模擬結(jié)果顯示，表土微團(tuán)粒粒度分布對粉塵釋放通量的影響較為顯著，差異明顯。尤其是粉細(xì)砂和細(xì)砂的粉塵釋放量最大，中砂粗沙次之，極粗砂最少，其最大差值的數(shù)量級為10-2g/(m2·s)。

3）表土微團(tuán)粒粒徑較小的是細(xì)砂和粉細(xì)砂，流動沙丘和沙壟的粉砂和黏粒含量累計之和最少，約占10%～18%左右；綠洲，農(nóng)田、林帶樣品中粉砂和黏粒累計含量約占50%～80%，砂質(zhì)土和砂壤土的粉砂和黏粒的含量累計之和約占20%～30%。氣象條件等因素相同的情況下，塔克拉瑪干沙漠沙丘和流沙覆蓋的農(nóng)田粉塵釋放通量大于荒漠和戈壁的粉塵釋放通量，表明沙丘及流沙覆蓋的農(nóng)田是粉塵釋放的主要源地。

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Characteristics of soil particle size distribution and its effect on dust emission in Taklimakan Desert

Yang Xinghua1, Kang Yongde1, Zhou Chenglong1, Huo Wen1, Yang Fan1, Pan Honglin1, Meng Lu1, He Qing2※

(1.830002,; 2.,830002,)

Transport of dust sand caused by wind erosion is a serious problem in many arid regions in the world, and it plays animportantrolein global biogeochemical cycle. The dust induced by transport of aeolian sand can affect atmospheric radiation balance, climate, environment, air quality and human health. It has hence attracted increased attention in various areas ranging fromgeomorphology and climatology to meteorology andecological-environmental science. In addition to its natural origin, dust could also be instigated by anthropogenesis activities due to desertification.However, the relative contribution of the two origins is still an issue remaining elusive. In addition, being able to accuratelyestimate the potential of a dust source is crucial to evaluating the influence of desertification andclimate change on dust flux. The Taklimakan desert(TD) is the second largest shifting sand desert in the world, with about 85% made up by shifting sand dunes.It is animportant source of the dusts seen in China. Understanding particle size distribution of the sand and dust emission is helpful to evaluate quality of the atmospheric environment and the consequence for climate at regional scale. We collected 138 samples from soil surface based on spatial distribution and types of thesurfaces including farmland, dune and desert. Particle sizesof each sample was analyzed using the Mastersizer 2000 laser particle size analyzer, and the associated dust release flux was calculated using the DPM model.The particle size distribution of the microaggregates in each sample was obtained to elucidate its potential influence on dust release flux. The results showed that: 1) The content of silt and clay in the 138 samples was least, accounting for 10% to 18% of the total particles inthe mobile sand dunes, and 20% to 30% of the total particles in the sand ridges (e.g., sandy soil and sandy-sandy loams). Most samples taken from farmland (e. g., oasis and forest belt) are meadow soil, with silt and clay content being 50%-80%, differing from the silt and clay content in samples taken from the Gobi (desert area). 2) Fine sand and silty-fine sand are the smaller particles in the surface soil and can be divided into three groups, eachdescribed by a lognormal distribution: silt-fine sand group, fine sand group and coarse sand group, with median particle size being 90, 225 and 500m, and the standard deviation being 1.02, 1.53 and 1.08, respectively, accounting for 30%, 49% and 21% respectively. 3) Emission of silt-fine sand and fine sand is most potential, followed by medium-coarse sand. The coarse sand is least to emit; the difference between the maximum and the minimum emission was in the order of 10-2g/(m2·s) in magnitude. The results reflect the difference in dust emission from different soil surfaces and they are greatlyimportant for quantitative assessment of dust emission in the studied region and beyond.

dust; grain; erosion; soils; emission

2019-03-03

2020-01-17

中國氣象沙漠科學(xué)基金“地表土壤粒徑譜對起沙通量模擬結(jié)果的影響”（sqj2018019），國家自然科學(xué)基金（41875019）資助

楊興華，副研究員，研究方向為風(fēng)沙物理。Email：yxhidm@126.com

何 清，研究員，博士，研究方向為沙漠氣象。Email：qinghe@idm.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.019

X169

A

1002-6819(2020)-05-0167-08

楊興華，康永德，周成龍，霍 文，楊 帆，潘紅林，孟 露，何 清. 塔克拉瑪干沙漠土壤粒度分布特征及其對粉塵釋放的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(5)：167－174. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.019 http://www.tcsae.org

Yang Xinghua, Kang Yongde, Zhou Chenglong, Huo Wen, Yang Fan, Pan Honglin, Meng Lu, He Qing. Characteristics of soil particle size distribution and its effect on dust emission in Taklimakan Desert[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(5): 167－174. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.019 http://www.tcsae.org