渾善達(dá)克沙地多倫生態(tài)站沙塵及顆粒物特征研究

曲娜　閆德仁　郭城峰

摘要 [目的]探討近地層大氣降塵量及其顆粒粒徑分布特征，對(duì)評(píng)價(jià)固沙植被生態(tài)功能具有重要意義。[方法]利用50 m沙塵觀測(cè)塔采集了渾善達(dá)克沙地多倫生態(tài)站不同高度水平沙塵量、垂直降塵量樣品，并利用稱(chēng)重法、激光顆粒分析儀和電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（PE ICP-OES）分別測(cè)定沙塵量、顆粒物粒徑和化學(xué)元素含量。[結(jié)果]水平沙塵通量年平均為16.99 mg/（m2·h），垂直降塵量平均為0.05 mg/（m2·h）;在相同高度下，水平沙塵量數(shù)值比垂直降塵量高1.30～24.49倍。水平沙塵中>20～50 μm粒徑顆粒物含量為50.41%，10 μm 粒徑以下顆粒物含量平均為9.09%，并隨高度增加>2～5和>5～10 μm粒徑顆粒物含量增加明顯;垂直降塵中>20～50和>50～100 μm 粒徑顆粒物含量分別為40.12%和30.02%，10 μm粒徑以下顆粒物含量平均為4.91%。除SiO2外，多倫生態(tài)站沙塵中Fe2O3、Al2O3、MnO、MgO、P2O5、CaO、TiO2含量分別比風(fēng)沙土中各元素含量增加5.44、0.97、6.91、6.95、4.12、2.30、2.26倍，比苔蘚生物結(jié)皮層各元素含量分別增加1.98、0.63、1.33、2.42、1.78、0.81和1.18倍。[結(jié)論]垂直降塵量或水平沙塵量隨高度增高而減小，并呈現(xiàn)出多項(xiàng)式或冪函數(shù)關(guān)系，并且沙塵中細(xì)顆粒物、化學(xué)元素含量顯著增加。

關(guān)鍵詞 水平沙塵通量;垂直降塵量;沙塵粒徑;元素含量;顆粒物;渾善達(dá)克沙地多倫生態(tài)站

中圖分類(lèi)號(hào) X 513文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 0517-6611（2020）16-0074-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.16.020

Study on Characteristics of Dust and Particulate Matter in Duolun Ecological Station of Hunshandake Sandy Land

QU Na1，YAN De-ren1， GUO Cheng-feng2

（1.Inner Mongolia Academy of Forestry Sciences， Hohhot，Inner Mongolia 010010;2.Hohhot Xincheng Forestry Bureau， Hohhot， Inner Mongolia 010051）

Abstract [Objective] The research aimed to discuss the atmospheric dustfall and particle size distribution characteristics of the near-surface layer， which was of great significance for evaluating the ecological function of sand-fixing vegetation. [Method]The sand dust and vertical dustfall samples of different heights in the Duolun ecological station of Hunshandake sandy land were collected by using the 50 m sand dust observation tower， and the amount of dust， particle size and chemical element content were determined by weighing method， laser particle analyzer and inductively coupled plasma optical emission spectrometer（PE ICP-OES）.[Result]The average annual horizontal dust flux was 16.99 mg/（m2·h），the vertical dustfall was 0.05 mg/（m2·h）.At the same height， the horizontal dust amount was 1.30-24.49 times higher than the vertical dustfall. The content of >20-50 μm particle size in horizontal dust was 50.41%， and the average particle content below 10 μm was 9.09%， and with the increase of height， the particle content of >2-5 μm and >5-10 μm particle size increased obviously.The particle contents of >20-50 μm and >50-100 μm of the vertical dustfall were 40.12% and 30.02%， respectively. The average particle content below 10 μm was 4.91%. Compared with the sandy soil，the content of Fe2O3，Al2O3，MnO，MgO，P2O5， CaO，TiO2 in sand dust of Duolun ecological station were increased by 5.44 times， 0.97 times， 6.91 times， 6.95 times，4.12 times，2.30 times，2.26 times，respectively， except for SiO2. Compared with the moss biological crust， the content of Fe2O3，Al2O3，MnO，MgO，P2O5， CaO，TiO2? in sand dust were increased by 1.98 times，0.63 times，1.33 times，2.42 times，1.78 times，0.81 times，1.18 times ， respectively， except for SiO2. [Conclusion]The amount of vertical dustfall or horizontal dust decreases with the increase of height， and presents a polynomial or power function relationship，and the content of fine particles and chemical elements in sand dust increases significantly.

Key words Horizontal dust fall;Vertical dust fall;Dust particle size;Element content;Particulate matter;Duolun ecological station of Hunshandake sandy land

基金項(xiàng)目 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31560239）;內(nèi)蒙古多倫渾善達(dá)克沙地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站項(xiàng)目（2018-LYPT-DW-012）。

作者簡(jiǎn)介 曲娜（1983—），女，滿(mǎn)族，內(nèi)蒙古赤峰人，助理研究員，碩士，從事沙漠治理研究。

收稿日期 2020-01-07

沙漠地區(qū)近地層水平輸送的沙塵物質(zhì)在不同高度處的垂直沉降量及其隨高度的變化特征直接影響著風(fēng)沙地區(qū)沙塵的輸送過(guò)程。國(guó)外在近地層沙塵濃度、水平通量和降塵量等方面取得明顯進(jìn)展[1-5]，而我國(guó)的研究主要包括沙塵天氣過(guò)程沙塵顆粒分布及水溶性離子組分特征、PM10濃度的區(qū)域差異、沙塵期間PM2.5中金屬元素含量、氣溶膠顆粒化學(xué)組分、粒徑分布以及我國(guó)大氣降塵量的地域性分布特征及影響因素等方面[6-14]。此外，張正偲等[15]利用50 m沙塵觀測(cè)塔按月取樣測(cè)定了水平沙塵通量和降塵量隨高度的變化特征;張錦春等[16] 在民勤沙塵源區(qū)借助近地面沙塵暴監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析了近地面降塵分布特征;羅鳳敏等[17]在烏蘭布和沙漠東北緣過(guò)渡帶和綠洲內(nèi)的研究結(jié)果表明，近地層沙塵水平通量和降塵量均隨著高度增加而減少。作為京津風(fēng)沙源工程建設(shè)的重點(diǎn)地區(qū)，經(jīng)過(guò)近20年治理渾善達(dá)克沙地生態(tài)環(huán)境取得了明顯成效[18]。閆德仁等[19]利用3 m沙塵通量架測(cè)定了多倫生態(tài)站大氣降塵量和顆粒物粒徑分布特征。筆者在此基礎(chǔ)上，2017—2018年利用50 m沙塵通量塔在野外開(kāi)放環(huán)境下開(kāi)展了渾善達(dá)克沙地多倫生態(tài)站固沙植被區(qū)全年連續(xù)沉積的沙塵積累量觀測(cè)研究，并對(duì)沙塵顆粒物特征進(jìn)行分析，以期對(duì)評(píng)價(jià)渾善達(dá)克沙地防沙治沙工程建設(shè)取得的生態(tài)環(huán)境成效起到指導(dǎo)作用。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究地位于內(nèi)蒙古多倫渾善達(dá)克沙地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，地理坐標(biāo)和自然條件特征與參考文獻(xiàn)[19]相同。

1.2 研究方法

在50 m沙塵通量塔（圖1）安裝水平沙塵通量采集器和垂直降塵缸，并對(duì)采集取回的沙塵顆粒物樣本進(jìn)行粒徑分析和元素組成含量的測(cè)定。同時(shí)，在沙塵通量塔安裝9套風(fēng)速儀，安裝高度分別為0.5、1.0、2.0、5.0、10.0、16.0、24.0、36.0和48.0 m。水平沙塵采集器和垂直降塵缸具體安裝高度分別為0.5、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、12.0、16.0、20.0、24.0、32.0、36.0、44.0、48.0和50.0 m。

水平沙塵通量采集器口徑為2 cm×5 cm，采集器具體規(guī)格特征見(jiàn)參考文獻(xiàn)[15]。垂直降塵缸為圓柱形平底不銹鋼管加工而成，內(nèi)徑為16 cm，高30 cm。

1.3 樣品采集及分析方法

2017年開(kāi)始采集沙塵。沙塵樣本沉積周期為2017年10月—2018年10月，即在2018年10月1次性取回不同高度處采集器和降塵缸內(nèi)的樣本，并帶回室內(nèi)烘干，稱(chēng)重，折算成單位重量。用CLY-2000型激光顆粒分析儀測(cè)定沙塵顆粒物粒徑，每次測(cè)定3個(gè)重復(fù)，每個(gè)樣品的平均值作為分析數(shù)據(jù)。此外，將全部沙塵樣品混合后，采用偏硼酸鋰熔融，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（PE ICP-OES）測(cè)定樣品中化學(xué)元素含量，并換算成氧化物含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 水平沙塵量變化

從圖2可以看出，50 m高度范圍內(nèi)水平沙塵通量（y）隨高度（x）增高表現(xiàn)出冪函數(shù)關(guān)系，即隨著高度增加采集器中收集到的水平沙塵量呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，與張正偲等[15]在騰格里沙漠東南緣的每月觀測(cè)結(jié)論為指數(shù)函數(shù)關(guān)系有所差異。導(dǎo)致這種差異的原因是否與研究區(qū)地表植被生長(zhǎng)狀況或連續(xù)觀測(cè)時(shí)間及取樣頻次有關(guān)目前還無(wú)法判定。

此外，從圖2還可以看出，0.5～50.0 m高度全年水平沙塵量總量合計(jì)為271.89 mg/（m2·h），而0.5 m高度全年水平沙塵量為43.37 mg/（m2·h），占全年總量的15.95%;1.0 m高度為26.67 mg/（m2·h），占全年總量的9.81%;20.0 m高度為16.21 mg/（m2·h），占全年總量的5.96%;50.0 m高度僅為8.02 mg/（m2·h），占全年總量的2.95%。也就是說(shuō)，水平沙塵量主要是在1.0 m以下的空間范圍內(nèi)，而距離地面越高，沙塵量也越少。

2.2 垂直降塵量變化

一般情況，由于不同高度處風(fēng)速高低的波動(dòng)變化，少部分相對(duì)大的顆粒物質(zhì)形成垂直降塵量。從圖3可以看出，垂直降塵量（y）隨高度（x）增高表現(xiàn)出多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系：y=0.000 9x2-0.022 9x+0.167 7（R2=0.877 5），而且，垂直降塵量主要發(fā)生在0.5～6.0 m，占0.5～50.0 m空間范圍總降塵量[0.91 mg/（m2·h）]的60.03%。其中，0.5 m高度垂直降塵量占總降塵量的16.77%;1.0 m高度占14.32%，2.0 m 高度占8.44%，4.0 m高度占11.07%，6.0 m高度占9.41%。

另外，從距離地面相同高度的水平沙塵量（圖2）和垂直降塵量（圖3）數(shù)據(jù)變化看，水平沙塵量比垂直降塵量高1.30～24.49倍，并且距離地面越高，增加倍數(shù)也越大。張正偲等[15]測(cè)定的結(jié)果也有相同的趨勢(shì)，說(shuō)明近地表風(fēng)沙流是垂直降塵量主要來(lái)源之一，而懸移質(zhì)形式存在的更細(xì)顆粒的沙塵則主要是以水平運(yùn)移形式向遠(yuǎn)處輸送。

2.3 水平沙塵顆粒物粒徑變化

從表1可以看出，在50 m高度范圍內(nèi)，水平沙塵的顆粒粒徑主要集中在>20～50 μm，其平均含量占50.41%，且在2～50 m高度，>20～50 μm顆粒物含量沒(méi)有明顯增加的趨勢(shì)，但在0.5 m高度，>100～200 μm顆粒物含量為21.18%，而>2～50 m高度平均為0.28%。此外，10 μm 以下顆粒物含量平均為9.09%，并隨著高度增加呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，特別是>2～5和>5～10 μm顆粒物含量增加明顯，表明隨著高度增加，水平沙塵中的細(xì)顆粒物含量總體呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。

2.4 垂直降塵顆粒物粒徑變化

從不同高度垂直降塵中顆粒物粒徑變化看（表2），顆粒粒徑主要集中在>20～50和>50～100 μm，其平均含量分別占40.12%和30.02%，而水平沙塵>20～50 μm顆粒含量平均為50.41%，>50～100 μm顆粒含量平均為19.49%。同樣，垂直降塵中10 μm以下顆粒物含量平均為4.91%，隨著高度增加，其含量并沒(méi)有表現(xiàn)出增加趨勢(shì)，表明垂直降塵中顆粒物粒徑相對(duì)粗一些，且垂直降塵中顆粒物受到不同高度氣流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的影響。

2.5 降塵顆粒物元素組成特征

隨著大氣降塵的落地，其全量化學(xué)元素參與物質(zhì)循環(huán)，進(jìn)一步影響到生物結(jié)皮層和風(fēng)沙土全量化學(xué)元素組成含量的變化，并通過(guò)物質(zhì)和能力交換為構(gòu)建相對(duì)穩(wěn)定的沙漠生態(tài)系統(tǒng)提供土壤物質(zhì)保證。從表3可以看出，渾善達(dá)克沙地多倫生態(tài)站大氣降塵的全量化學(xué)元素含量（SiO2除外）均比生物結(jié)皮層和風(fēng)沙土全量化學(xué)元素含量高。其中降塵顆粒物中Fe2O3、Al2O3、MnO、K2O、MgO、P2O5、CaO、TiO2元素含量比風(fēng)沙土中各元素含量分別增加5.44、0.97、6.91、0.21、6.95、4.12、2.30和2.26倍，降塵顆粒物中Fe2O3、Al2O3、MnO、MgO、P2O5、CaO、TiO2元素含量比苔蘚生物結(jié)皮層各元素含量分別增加1.98、0.63、1.33、2.42、1.78、0.81 和1.18倍。表明大氣降塵在對(duì)改善生物結(jié)皮層和風(fēng)沙土養(yǎng)分狀況方面具有突出貢獻(xiàn)。此外，降塵顆粒物中Fe2O3含量增加，隨著水平沙塵懸移質(zhì)的長(zhǎng)距離輸送對(duì)海洋生物繁殖具有重要意義。Jickells等[20]認(rèn)為來(lái)自大陸的含鐵沙塵能夠影響海洋中的生物地球化學(xué)過(guò)程，高會(huì)旺等[21]研究指出沙塵沉降是海洋營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和污染物質(zhì)的來(lái)源之一。Zhang等[22]研究發(fā)現(xiàn)我國(guó)塔克拉瑪干沙漠沙塵中鐵含量約60.0 g/kg，而巴丹吉林沙漠沙塵中鐵含量約40.0 g/kg;Formenti等[23]報(bào)道北非沙塵中鐵含量達(dá)109～127 g/kg，而該研究測(cè)定的沙塵中鐵含量約106 g/kg（Fe2O3含量為151.43 g/kg）。說(shuō)明不同地區(qū)沙塵中鐵含量差異顯著。

3 討論

沙塵粒徑大小及其垂直分布特征對(duì)沙塵輸送起著重要作用，并且不同粒徑顆粒物在大氣中輸送方式和輸送距離也不同。因此渾善達(dá)克沙地大氣降塵特征對(duì)京津地區(qū)環(huán)境質(zhì)量有著重要影響?？涤赖碌萚24]研究表明不同沙塵天氣過(guò)程的沙塵輸送量存在顯著差異，并隨著風(fēng)速的增加，輸沙率大致呈增大趨勢(shì)。楊興華等[25]測(cè)定了沙塵暴天氣過(guò)程中沙塵水平通量變化，表明2 m高度范圍沙塵水平通量與高度的關(guān)系為冪函數(shù)關(guān)系，并且約66%的沙塵在50 cm高度范圍內(nèi)傳輸，80%的沙塵在100 cm高度范圍內(nèi)傳輸。該研究結(jié)果表明，垂直降塵量或水平沙塵量變化趨勢(shì)隨高度增高而減小，并分別呈現(xiàn)出多項(xiàng)式或冪函數(shù)關(guān)系，這種變化規(guī)律與國(guó)內(nèi)其他地區(qū)的研究結(jié)論存在差異[15-16]，與筆者前期測(cè)定結(jié)果也存在差異[19]，導(dǎo)致這種差異的原因是否與研究區(qū)地表植被生長(zhǎng)狀況或連續(xù)觀測(cè)時(shí)間、取樣頻次以及觀測(cè)高度差異有關(guān)目前還無(wú)法判定。此外，由于沙塵采集時(shí)間長(zhǎng)度的不同，垂直降塵量或水平沙塵量差異明顯。如張宏升等[7]研究表明渾善達(dá)克沙地沙塵通量數(shù)值呈現(xiàn)正值為主，非沙塵天氣沙塵通量為18 mg/（m2·h），且沙塵天氣過(guò)程開(kāi)始時(shí)，15 m 高度處沙塵濃度低于3 m 高度處濃度，當(dāng)沙塵天氣過(guò)程中風(fēng)速減小時(shí)，沙塵氣溶膠濃度剛好相反。而該研究全年水平沙塵通量平均為16.99 mg/（m2·h），垂直降塵量平均為0.05 mg/（m2·h）。

風(fēng)沙流中顆粒物大小與沙源區(qū)土壤顆粒特征有密切關(guān)系，而不同粒徑沙塵顆粒物隨高度變化的分布特征與不同高度風(fēng)速變化也有密切關(guān)系。該研究結(jié)果表明不同高度沙塵顆粒物粒徑存在明顯差異。在0.5～50.0 m高度水平沙塵顆粒集中在>20～50 μm，平均占降塵總量的50.41%，10 μm以下顆粒物含量平均為9.09%，并隨著高度增加呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，特別是>2～5和>5～10 μm顆粒物含量增加明顯，表明隨著高度增加，水平沙塵中的細(xì)顆粒物含量總體呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)。而垂直降塵顆粒粒徑集中在>20～50和>50～100 μm，其平均含量分別占40.12%和30.02%，10 μm以下顆粒物含量平均為4.91%，隨著高度增加，其含量并沒(méi)有表現(xiàn)出增加趨勢(shì)，表明垂直降塵中顆粒物粒徑相對(duì)粗一些，這些顆粒物一旦降落到地表，并為生物結(jié)皮提供物質(zhì)條件。

4 結(jié)論

（1）利用50 m沙塵觀測(cè)塔收集365 d連續(xù)沉積的沙塵樣品，測(cè)定結(jié)果表明，水平沙塵通量或垂直降塵量均隨著距離地面高度的增加而降低;且在0.5～50.0 m高度，水平沙塵通量平均為16.99 mg/（m2·h），垂直降塵量平均為0.05 mg/（m2·h）;在相同高度下，水平沙塵量比垂直降塵量高1.30～24.49倍，且距離地面越高，增加倍數(shù)也越大。

（2）垂直降塵中顆粒物粒徑相對(duì)更粗。在50 m高度范圍內(nèi)，水平沙塵中>20～50 μm顆粒物含量為50.41%，10 μm以下顆粒物含量平均為9.09%;垂直降塵中>20～50和>50～100 μm顆粒物含量分別為40.12%和30.02%，10 μm以下顆粒物含量平均為4.91%。

（3）渾善達(dá)克沙地多倫生態(tài)站沙塵中全量化學(xué)元素含量（SiO2除外）平均比生物結(jié)皮層和風(fēng)沙土全量化學(xué)元素含量分別高0.63～2.42和0.21～6.95倍，特別是Fe2O3含量為151.43 g/kg，比國(guó)內(nèi)其他地區(qū)沙塵中鐵含量高近1倍。

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