托克遜縣典型防護(hù)林沙塵釋放特征研究

宋 敏，若山古麗·芒力克，阿麗亞·拜都熱拉，董中凱，木合塔爾·扎熱

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，烏魯木齊 830091）

沙塵暴是在強(qiáng)烈氣流運(yùn)動(dòng)下由地表風(fēng)蝕所產(chǎn)生的細(xì)顆粒物質(zhì)較大尺度的運(yùn)移過程。沙塵暴已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)的氣象災(zāi)害和生態(tài)環(huán)境問題，引起了世界各國的廣泛關(guān)注。頻繁的沙塵釋放過程導(dǎo)致大量的土壤細(xì)顆粒（＜100 μm）釋放，進(jìn)而會(huì)降低土壤的持水能力和營養(yǎng)物質(zhì)組分，加重土壤鹽漬化，污染環(huán)境和空氣質(zhì)量，損害人體健康［1-3］。

沙塵釋放過程也被稱為沙塵揚(yáng)析與輸送，是指地表沙塵物質(zhì)在風(fēng)力作用下脫離地表，進(jìn)入空氣的過程［2］。沙塵釋放過程的研究對(duì)估算沙塵釋放量、闡明沙塵暴發(fā)生機(jī)理以及制定防沙治沙措施具有重要的現(xiàn)實(shí)和理論意義［4］。沙漠和干旱地區(qū)的風(fēng)蝕以及隨風(fēng)起沙是中國空氣中的沙塵主要來源［5］。

研究表明，沙塵釋放是一個(gè)高度選擇性過程，沙塵釋放有利于植物生長，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)有貢獻(xiàn)，沙塵沉積會(huì)增加淡水生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分含量［6］。全球每年有2 000 t 的沙塵釋放到大氣中，其中1 500 t 會(huì)重新沉積于地表，其余的進(jìn)入海洋［7］，在此過程中，沙塵內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)是陸地和海洋系統(tǒng)重要的養(yǎng)分。

近年來，沙塵釋放直接或間接地影響著人類活動(dòng)，影響人類社會(huì)的環(huán)境以及社會(huì)活動(dòng)，催促人類去研究沙塵釋放。沙塵通量是沙塵釋放的重要研究內(nèi)容，開展對(duì)沙塵通量的研究，有利于提高對(duì)沙塵輸送、土壤風(fēng)蝕、風(fēng)沙災(zāi)害的認(rèn)識(shí)，為數(shù)值模擬模型提供參數(shù)［8-13］。

已有的技術(shù)手段暫不能直接觀測(cè)自然條件下的沙塵釋放過程，研究者經(jīng)常用測(cè)量地表上方粉塵濃度計(jì)算垂直通量，間接反映沙塵釋放情況［14，15］；流失通量由地表上方粉塵水平通過率與可蝕地表長度之比獲得。

國外已經(jīng)在近地層的水平通量研究方面取得了一定的成果［16，17］，中國學(xué)者也在輸沙通量、風(fēng)沙流通量廓線以及風(fēng)沙輸移路徑等方面取得了較大的研究進(jìn)展［18-23］。

通過研究摩阻起動(dòng)風(fēng)速和沙塵粒度分布［24］，通過測(cè)量沙塵釋放的濃度變化情況，計(jì)算沙塵釋放的流失通量，計(jì)算沙塵釋放的垂直通量和流失通量，進(jìn)一步分析二者與摩阻風(fēng)速之間的關(guān)系，為沙塵釋放的研究提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于吐魯番市托克遜縣南端，地理坐標(biāo)為88.639—88.650E，42.746—42.754N。因其特殊的地理位置及地形、地勢(shì)，托克遜形成了與鄰近地區(qū)迥異的氣候特征，屬于暖溫帶干旱荒漠氣候，夏季氣候炎熱、晝夜溫差大、多風(fēng)和沙塵暴、年均氣溫13.8 ℃、極端最高氣溫為48 ℃、年平均積溫在5 600 ℃以上、年光照率69%、年均降水7 mm［25］，托克遜以“風(fēng)城”而出名，每年大風(fēng)日數(shù)84 d，春夏季刮風(fēng)日數(shù)較多且集中。

土壤類型主要為礫質(zhì)棕漠土，土層較薄，地表多為礫石質(zhì)，易風(fēng)蝕［2］。本研究試驗(yàn)區(qū)如圖1 所示。

圖1 新疆托克遜縣研究區(qū)概況

1.2 研究方法

在研究區(qū)內(nèi)城郊防護(hù)林和農(nóng)田防護(hù)林分別選取1 塊地勢(shì)平坦的區(qū)域，分別測(cè)量1 次完整的風(fēng)蝕事件（城郊防護(hù)林風(fēng)蝕事件發(fā)生時(shí)間為6 月6 日8：25—11：35，農(nóng)田防護(hù)林風(fēng)蝕事件發(fā)生時(shí)間為6 月4 日19：05—21：33），測(cè)量其近地表風(fēng)速、風(fēng)沙流、沙塵濃度。城郊防護(hù)林靠近戈壁灘，除防護(hù)林外沒有其他樹種；農(nóng)田防護(hù)林靠近城區(qū)，附近有其他樹種（圖1）。

在測(cè)量時(shí)將風(fēng)速風(fēng)向儀、空氣質(zhì)量檢測(cè)儀、集沙儀沿垂直主風(fēng)向方向并排設(shè)置，同時(shí)測(cè)量。風(fēng)速傳感器共4 個(gè)，依次測(cè)量30、100、200、300 cm 高度處風(fēng)速，每30 s記錄1 次數(shù)據(jù)。

通過公式（1）計(jì)算摩阻風(fēng)速［26］。

式中，u*為摩阻風(fēng)速，m/s；U1和U2為不同高度的風(fēng)速；h1和h2為U1和U2對(duì)應(yīng)的高度。

風(fēng)蝕過程中，沙質(zhì)地表粒徑＜0.01 mm 的顆粒極易在沙塵過程中全部釋放，故用BR-HOL 空氣質(zhì)量檢測(cè)儀（博朗通醫(yī)療科技有限公司）測(cè)定100 與300 cm 高度處PM10的濃度變化，代表沙塵釋放過程中沙塵濃度變化，檢測(cè)儀每1 s記錄1 次數(shù)據(jù)。

集沙儀為QN-JSY 集沙儀，由10 個(gè)進(jìn)沙口及其支撐構(gòu)架組成。觀測(cè)期間收集3 組風(fēng)沙流，通過指數(shù)函數(shù)擬合輸沙量隨高度的變化，對(duì)高度積分并除以對(duì)應(yīng)收集時(shí)間，獲得輸沙率q來代表顆粒躍移強(qiáng)度，單位為g/m/min。PM10垂直通量的計(jì)算是基于湍流與分子擴(kuò)散原理推導(dǎo)而來，假設(shè)大氣邊界層流動(dòng)為中性，粉塵垂直濃度廓線為直線，其表達(dá)式簡(jiǎn)化如下。

式中，F(xiàn)V為垂直通量，mg/m2/s；k為馮卡曼常數(shù)，取0.4；u*為摩阻風(fēng)速，m/s；z1和z2為2 個(gè)不同的高度（1 m 和3 m）；c（z1）和c（z2）分別為100 和300 cm 高處的PM10濃度，mg/m3。

PM10流失通量的計(jì)算要明確侵蝕長度L（m）并排除外源粉塵的干擾。侵蝕長度是從儀器放置的位置沿發(fā)生風(fēng)蝕事件的主風(fēng)向開始測(cè)量空地的距離，直到防護(hù)林遮擋。

假設(shè)未風(fēng)蝕時(shí)大氣中PM10含量穩(wěn)定，即某高度水平通量E0不變，各高度背景值濃度c0具有水平均質(zhì)性，與風(fēng)速成反比，風(fēng)蝕事件中的PM10流失通量表達(dá)如下。

式中，F(xiàn)L為PM10流失通量，mg/m2/s；L為侵蝕長度，m；Zb為實(shí)測(cè)PM10濃度c到達(dá)背景值時(shí)的高度，m，即就地起塵影響到濃度垂直分布的最大高度，該高度處c－c0=0；E0為未風(fēng)蝕時(shí)某高度的PM10水平通量，mg/m2/s，近似為定值；u為對(duì)應(yīng)高度的風(fēng)速。

垂直通量和流失通量是反映沙塵釋放的2 個(gè)參數(shù)，垂直通量是從分子濃度在大氣中的湍流擴(kuò)散考慮，由粉塵濃度垂直廓線估計(jì)而得；流失通量的定義為單位時(shí)間里單位面積內(nèi)粉塵損失量，更接近粉塵釋放量的定義。二者相較而言，垂直通量的公式更加簡(jiǎn)潔、所需參數(shù)少、適用于多種情況，故應(yīng)用更多。故在現(xiàn)有研究中，更多地用垂直通量作為反應(yīng)沙塵釋放特征的參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 PM10濃度在風(fēng)蝕事件中的變化

6 月6 日8：25—11：35，城郊防護(hù)林在風(fēng)蝕事件發(fā)生期間，在去除外源粉塵干擾后，100 cm 高度PM10的平均濃度為0.013 4 mg/m3，最大值為0.025 mg/m3；300 cm 高度處PM10的平均濃度為0.010 2 mg/m3，最大值為0.019 mg/m3。2 個(gè)高度的PM10濃度變化情況趨勢(shì)大致相似，與摩阻風(fēng)速、輸沙率的變化大致相同，而且100 cm 處PM10的變化強(qiáng)于300 cm 處PM10的變化。隨著高度的增加，由風(fēng)蝕造成的地表沙塵釋放量逐漸降低，直至與背景值相近。8：25—9：00，平均摩阻風(fēng)速并未達(dá)到臨界起沙摩阻風(fēng)速，有少數(shù)的風(fēng)速達(dá)到臨界起沙摩阻風(fēng)速，連續(xù)的風(fēng)蝕事件還未開始，在此時(shí)間段內(nèi)，PM10的變化值也不大。9：00—10：33，摩阻風(fēng)速開始上升，達(dá)到臨界起沙風(fēng)速，100 與300 cm 處PM10濃度也開始上升，達(dá)到相對(duì)高度。10：33 以后，風(fēng)沙流減弱，摩阻風(fēng)速開始下降，2 個(gè)高度的PM10濃度也開始下降，最終接近背景值（圖2、圖3）。

圖2 城郊防護(hù)林風(fēng)蝕事件中摩阻風(fēng)速及輸沙率隨時(shí)間的變化

圖3 城郊防護(hù)林風(fēng)蝕事件中100 與300 cm 處PM10濃度隨時(shí)間的變化

6 月4 日19：05—21：33，農(nóng)田防護(hù)林在風(fēng)蝕事件發(fā)生期間，在去除外源粉塵干擾后，100 cm 處PM10的平均濃度為0.008 4 mg/m3，最大值為0.016 mg/m3；300 cm 處PM10的平均濃度為0.006 4 mg/m3，最大值為0.013 mg/m3。2 個(gè)高度的PM10濃度變化情況趨勢(shì)大致相似，與摩阻風(fēng)速、輸沙率的變化大致相同，而且100 cm 處PM10的變化情況強(qiáng)于300 cm 處PM10的變化情況。隨著高度的增加，由于風(fēng)蝕造成的地表沙塵釋放情況在逐漸降低，直至濃度逐漸降低至與背景值相近。19：05—19：40，平均摩阻風(fēng)速并未達(dá)到臨界起沙摩阻風(fēng)速，有少數(shù)風(fēng)速達(dá)到臨界起沙摩阻風(fēng)速，連續(xù)的風(fēng)蝕事件還未開始，在此時(shí)間段內(nèi)，PM10的變化值也不大。19：40—20：50，摩阻風(fēng)速開始上升，達(dá)到臨界起沙風(fēng)速，100 與300 cm 處PM10濃度也開始上升，達(dá)到相對(duì)高度。10：33 以后，風(fēng)沙流減弱，摩阻風(fēng)速開始下降，2 個(gè)高度處PM10濃度也開始下降，最終接近背景值（圖4、圖5）。

圖4 農(nóng)田防護(hù)林風(fēng)蝕事件中摩阻風(fēng)速、輸沙率隨時(shí)間的變化

圖5 農(nóng)田防護(hù)林風(fēng)蝕事件中100 cm 與300 cm 高度處PM10濃度隨時(shí)間的變化

從對(duì)城郊防護(hù)林和農(nóng)田防護(hù)林2 次風(fēng)蝕事件可以得出，在摩阻風(fēng)速還未穩(wěn)定達(dá)到臨界起沙風(fēng)速前，PM10的濃度變化波動(dòng)不大，偶有起伏是由于風(fēng)蝕事件剛剛發(fā)生外源粉塵產(chǎn)生的干擾。隨著高度的增高，沙塵釋放對(duì)PM10濃度的影響降低，在沙塵釋放影響不到的高度，測(cè)量所得PM10的濃度等同于該處PM10濃度的背景值。在穩(wěn)定達(dá)到臨界起沙風(fēng)速后，100 與300 cm 處PM10濃度波動(dòng)趨勢(shì)一致，300 cm 處PM10的濃度較100 cm 處有明顯降低，表明風(fēng)蝕事件對(duì)沙塵釋放產(chǎn)生的影響隨著高度增長而減低，這與前人的觀測(cè)結(jié)果一致［27］。

2.2 PM10垂直通量與流失通量

利用公式（1）、公式（2）計(jì)算風(fēng)蝕事件PM10的垂直通量與流失通量，對(duì)比分析二者之間的關(guān)系，分析城郊防護(hù)林和農(nóng)田防護(hù)林的垂直通量、流失通量與摩阻風(fēng)速之間的關(guān)系（圖6、圖7），二者PM10的垂直通量、流失通量和摩阻風(fēng)速、輸沙率的關(guān)系。PM10垂直通量和流失通量與輸沙率呈線性關(guān)系，與摩阻風(fēng)速呈冪函數(shù)關(guān)系，通過圖像關(guān)系可以得出，在輸沙率、摩阻風(fēng)速較小時(shí)，垂直通量和流失通量相差較小，隨著摩阻風(fēng)速的增大，垂直通量的增量逐漸超過流失通量。

圖6 城郊防護(hù)林摩阻風(fēng)速對(duì)PM10垂直通量和流失通量的影響

圖7 農(nóng)田防護(hù)林摩阻風(fēng)速對(duì)PM10垂直通量和流失通量的影響

由圖8、圖9 可知，輸沙率與2 個(gè)反映粉塵釋放的參數(shù)線性正相關(guān)，進(jìn)一步證實(shí)風(fēng)蝕過程土壤顆粒與團(tuán)聚體的躍移運(yùn)動(dòng)是地表粉塵釋放的最主要物理機(jī)制。但同時(shí)有試驗(yàn)反映，釋放通量與風(fēng)沙流強(qiáng)度呈冪函數(shù)［28］或?qū)?shù)關(guān)系［29］，造成這種差異的原因與試驗(yàn)地的土壤性質(zhì)有關(guān)。

圖8 城郊防護(hù)林輸沙率和通量的關(guān)系

圖9 農(nóng)田防護(hù)林輸沙率和通量的關(guān)系

沙塵釋放強(qiáng)度的大小受風(fēng)速、土壤含水量、不可蝕性顆粒含量等多種因素的影響，本研究只考慮了風(fēng)速對(duì)沙塵釋放強(qiáng)度的影響。從對(duì)摩阻風(fēng)速的分析可知，城郊防護(hù)林的風(fēng)速從波動(dòng)幅度、持續(xù)時(shí)間上均要強(qiáng)于農(nóng)田防護(hù)林。

2.3 躍移顆粒的轟擊效率

風(fēng)蝕事件中躍移顆粒對(duì)地表土壤的擊濺和磨蝕，是引發(fā)地表粉塵釋放的主要物理過程。轟擊效率α 是研究粉塵釋放的重要參數(shù)，一般定義為粉塵釋放通量與輸沙率之比，單位為m-1，粉塵釋放通量往往采用垂直通量或流失通量。根據(jù)擬合公式可得，農(nóng)田防護(hù)林α=3.965×10-7-2.499 1×10-5/q和α=1.347×10-7-1.742×10-5/q；城郊防護(hù)林α=9.578×10-7-7.854 8×10-5/q和α=6.647×10-7-6.129 8×10-5/q。根據(jù)觀測(cè)期間輸沙率q為10-1～10-2g/m/min，可以得出托克遜典型防護(hù)林土壤躍移顆粒的轟擊效率α 數(shù)量級(jí)為10-7m-1。目前普遍接受的轟擊效率參考值為10-5~10-2m-1，但針對(duì)的是PM20，且該數(shù)值土壤之間差異較大［30］，針對(duì)PM10所計(jì)算的轟擊效率應(yīng)該低于這個(gè)范圍。

3 結(jié)論

城郊防護(hù)林PM10的背景濃度高于農(nóng)田防護(hù)林的背景濃度，這與二者所處的位置有一定關(guān)系，城郊防護(hù)林附近為戈壁灘，農(nóng)田防護(hù)林附近樹木較多，這對(duì)沙塵釋放的強(qiáng)度也造成了一定影響。

在發(fā)生風(fēng)蝕事件過程中，防護(hù)林近地表各高度PM10濃度的變化情況與摩阻風(fēng)速的變化趨勢(shì)相同。隨著高度的增加，沙塵釋放對(duì)PM10濃度的影響降低，在沙塵釋放影響不到的高度，測(cè)量所得PM10的濃度等同于該高度處PM10濃度的背景值。

沙塵釋放的垂直通量和流失通量具有一致性，反映了地表沙塵釋放的特征，且與摩阻風(fēng)速呈冪函數(shù)關(guān)系，與輸沙率呈線性關(guān)系。

試驗(yàn)區(qū)，土壤躍移轟擊效率數(shù)量級(jí)為10-7m-1，低于目前針對(duì)PM20轟擊效率參考值范圍約2個(gè)量級(jí)。