北京一次沙尘天气研究综述

2012-09-08杨传成沈得秀许洪泰王津津

中国水土保持 2012年5期

杨传成，沈得秀，许洪泰，王津津

(1.山东省工程地震研究中心，山东济南 250021;2.地震动力学国家重点实验室，北京 100029)

水利部水土流失普查结果表明，北方地区扬尘和沙尘暴频繁发生的直接原因是气候异常，干旱少雨［1］。沙尘暴是一种加速土地荒漠化的重要过程，是土地荒漠化发展到一定程度的具体表现。近些年来，不同学科的专家分别从各自学科的角度对沙尘天气的发生条件、沙尘源地、移动路径、传送机制、气候效应、发展趋势等进行了分析，并对影响沙尘天气的气候背景及其对全球气候变化的影响进行了研究。由于降尘极易沉降，所以它所携带的污染物极易造成近源污染，降尘的最终污染对象是土壤、水体，因此开展降尘的研究和控制对大气、土壤、水体环境保护均具有重要的意义［2－3］。

本文以北京2006年的一次沙尘天气为研究对象，介绍有关研究者对该次沙尘暴的研究成果，旨在促进我国沙尘暴研究与防治的深入开展。

1 降尘的粒度特征

粒度分布及分选性是搬运能力的度量尺度，是判断沉积时自然地理环境及动力条件的良好标志。北京2006年4月16日降尘的粒度较粗，组分比较均一。

粒度和含量测量结果表明，粒径＜75 μm的粉尘颗粒(颗粒直径＜75 μm的为粉尘)占96%，多数样品的中值粒径在19～21 μm之间，平均为20.1 μm。众数粒径变化也不大，多在30～40 μm之间，其他粒径粉尘的颗粒(75 μm＜直径＜154 μm)只占4%［4－5］。由降尘概率累积曲线研究知道降尘为双峰型分布。电镜扫描结果表明，降尘颗粒的分选度和磨圆度均差，颗粒组合结构极不均匀，其颗粒的组合结构、分选度和磨圆度的特征与盐湖沉积物相似，与沙地沙粒绝然不同［5］，与洛川黄土及洛川古土壤采集样品的统计结果也有一定的区别(表1)［4］。

表1 降尘与洛川黄土－古土壤的粒度对比

2 降尘的磁学特征

磁化率是黄土研究的基本指标之一，它反映了黄土成土作用的强弱，是夏季风强度的替代性指标。60个降尘样品磁化率平均值为1.111×10－6m3/kg，整个磁化率频率呈一对数正态分布，其中45个样品磁化率值在 9.5 ×10－7～1.15 ×10－6m3/kg范围内［6］。降尘磁化率较高是现代降尘磁化率的普遍特点。该次降尘磁化率值相对于黄土层(斋堂马兰L)较高的特征具有普遍性。河北北部农田区、阴山北麓农牧区和内蒙古中部平原区及阿拉善的表土磁化率与此次沙尘暴磁化率的平均值较为接近。

3 14C年龄和10Be分布特征

放射性碳(14C)测年方法是W.F.Libby于1946年创建的，是迄今为止国内外在第四纪地质、新构造、活动构造及考古学研究中应用最广泛、最可靠的放射性同位素测年方法。黑炭是生物量不完全燃烧遗留下的碳，它可以在源区地层中保存下来。此次降尘中含有黑炭，黑炭含量变化范围为1.00% ～1.44%。北京降尘样品黑炭14C年龄大致可分为两个区间:距今4 200～5 200年和距今3 000～4 000年。干旱半干旱区风力活动强烈，西北广阔的荒漠沙地、黄土高原以及内陆干涸湖盆都极易遭受风力侵蚀。上述两区间14C年龄特点反映了此次北京降尘至少有两大物质源区，前者为强侵蚀区，后者为次强侵蚀区。降尘样品黑炭的14C年龄各不相同，这一特点可能反映了降尘来自源区不同地点或同一地点不同地层深度［7］。

放射性同位素10Be主要由宇宙射线与大气中的N和O原子核反应而产生，并通过降水携带到地表进入表生环境系统。由于10Be半衰期长达1.5 Ma，因此它不但具有示踪环境变化的能力，而且具有地质定年的潜力。中国北方风成黄土和红黏土中的10Be已成为研究粉尘的沉积和风化作用以及古气候和古环境变化的有效工具［3］。大气中生成的10Be被气溶胶吸附，随降尘或降水沉降到地表，与气团运动及粉尘传输过程密切相关，是降尘过程极好的示踪剂。北京降尘10Be浓度变化范围为1.69×108～2.07 ×108原子/g，平均值为 1.82 ×108原子/g。已有的研究表明，黄土10Be浓度变化范围为1.4×108～2.8×108原子/g，古土壤的浓度比黄土高2～3倍，其变化范围为2.7×108～4.5×108原子/g。从该结果来看，北京降尘10Be浓度与黄土接近，此次北京降尘物质也许主要来自于黄土物质［8］。

4 释光特征

释光测年方法的基础是晶体矿物对核辐射剂量的响应，以晶体矿物吸收的核辐射能(以释光形式表现)作为计时器，已被广泛应用于考古、第四纪沉积物的年代测定中。自20世纪60年代初人们利用热释光技术对焙烧过的物质或沉积物进行测年，1985年Huntley等提出光释光测年技术后，释光测年技术发展迅速。对2006年4月16日北京降尘样品的释光实验研究表明，其IRSL信号极弱，［post－IR］OSL信号较强且以石英贡献为主(图1)，对石英纯度检验可以测出较为明显的110℃热释光峰(图2)。利用SAR法获得多个测片的等效剂量值均呈明显的不对称分布，推测可能与样品部分晒退、颗粒来源、实验测量方法流程等有关。释光信号特征可能反映了降尘源区来自不同地点或同一地点的不同地层深度［9］。

5 地球化学特征

与黄土相比北京降尘具有一定的差异，表现为北京降尘中Mg、Na相对富集，Ca明显亏损并含有较高的烧失量，降尘CIA值较低，表明降尘源区化学风化程度较弱，处于化学风化的初始阶段，降尘ΣREE显著高于黄土，同时轻、重稀土分馏程度也较黄土高(表2)。此外，降尘中S、Cl的含量与干涸盐湖相近，表明其物质可能来源于干涸盐湖，而不可能来源于荒漠沙地和表土［10］。

表2 北京两次降尘样品与马兰黄土地球化学数据对比

6 沙尘暴危害

沙尘暴是一种风与沙相互作用的灾害性天气现象，它的形成与地球温室效应、厄尔尼诺现象、森林锐减、植被破坏、物种灭绝、气候异常等因素有着密切的关系［2］。由其造成的危害主要表现为:

(1)沙尘暴不仅可以改变土壤的组成和性质，而且还会影响植物的生长、产量和品质。

(2)沙尘暴带来大量的悬浮颗粒物污染空气后，直接影响人体健康，引发疾病。此外，悬浮颗粒能够反射太阳辐射从而降低大气温度。随着悬浮颗粒大幅度削弱太阳辐射(约10%)，地球水循环的速度可能会变慢，使降水量减少;悬浮颗粒还可抑制云的形成，使云的降水率降低，减少地球上的水资源量。

(3)沙尘暴还会对交通、通信、文物保护等诸多方面造成较大影响。有关专家用扫描电镜统计了5 000个粉尘表面形态，发现棱角、次棱角状细小沙粒占到83%，这种棱角状高硬度石英颗粒随气流四处运动，不仅对壁画、彩塑进行磨蚀，而且能侵入壁画、彩塑的颜料缝隙中使之龟裂［11］。

7 降尘源区及输入途径

根据气象卫星沙尘监测图分析，造成北京地区春季沙尘天气的沙尘源地大致有三个:一个起源于蒙古国的南部和东南部地区，进人内蒙古后继续加强，影响北京地区;一个起源于我国内蒙古地区，经河北省西部后不断增强，影响北京地区;另一个起源于北京地区的西北部，影响北京东部地区。内蒙古浑善达克沙地和河北省西北部，是北京和国内沙尘天气的主要沙尘源地。

众多的研究结果表明，进入北京地区的沙尘移动主要有3条路径:第一条从北路二连浩特、浑善达克沙地西部、朱日和地区开始，经四子王旗、化德、张北、张家口、宣化等地到达北京;第二条从西北路内蒙古的阿拉善的中蒙边境、乌拉特、河西走廊等地区开始，经贺兰山地区、毛乌素沙地或乌兰布和沙漠、呼和浩特、大同、张家口等地到达北京;第三条从西路哈密或芒崖开始，经河西走廊、银川或西安、大同或太原等地到达北京［12］。

8 防治沙尘暴的对策

认识沙尘暴与土壤侵蚀的关系，对科学治理沙尘暴至关重要。在建设生态文明社会的今天，搞好以水土保持为中心的生态建设是摆在我们面前的紧迫任务［1］。有关资料显示，我国大部分草地已经或正在退化，其中中度退化以上的草地面积达1.3亿hm2，占我国草地总面积的1/3。我国沙化土地面积168.9万km2，占国土总面积的17.6%，形成一条西起塔里木盆地、东至松嫩平原西部，东西长4 500 km、南北宽600 km的风沙带。

保护生态、改善人类赖以生存的环境是当代人肩负的重要历史使命。历史的经验告诉我们，要治理和改善生态环境就要增加科技投入，大力实施退耕还林(草)，同时通过法制、制度建设，为防沙治沙、防治土地荒漠化筑起一道绿色的法制屏障。近年来，为改善我国北方地区沙源地的生态环境，国家对该区的生态环境进行了积极治理，针对不同地区土地沙化的现状及危害程度、发展趋势以及国民经济发展对生态建设的要求，提出了明确的治理目标，并开展了国家级重点工程、区域性工程和地方示范工程等多项工程建设。国家级重点工程包括环北京地区防沙治沙工程，其范围包括浑善达克沙地、科尔沁沙地西部、阴山以北、河北坝上和京津周围地区，“三北”防护林四期工程、区域性工程包括拉萨及周边地区防沙治沙工程、黄河故道治理工程等［2］。

要治理好北京地区的沙尘暴，必须用最适合当地环境的植物种群对尘源区进行“地毯式”的覆盖，使之形成土生土长的、多样性的植被覆盖。按照土地利用类型因地制宜地进行综合防治，是防止土地进一步沙化、荒漠化的根本措施:属于草地开垦、撂荒、乱挖滥采使植被破坏造成土地沙化、沙荒的，应立即停止开垦，采取人工种植多年生牧草或封育恢复草地植被;属于草地过度放牧引起的草地沙化，应积极开展草地建设，增加草地生态容量并实行以草定畜。实行保护重于治理、以保为主的沙漠化防治方略，在不破坏现有绿色植被的基础上，加大对固定、半固定沙地的保护和退耕还林(草)力度，在已沙化的土地上种植紫花苜蓿等多年生草本植物和沙棘、沙枣等乔灌木，重新形成适应当地环境的旱生草原植被与荒漠植被群落，改善土壤中微生物的活动、有机质的分解、养分的保存和释放、有害物质的积累与消除等，还自然界以平衡的生态系统［12－13］。

法制建设是搞好一切工作的保障，要依法防止土地荒漠化、沙化，坚决制止各种人为破坏生态的做法。由于近年来宣传、教育力度不够，广大群众对土地荒漠化、沙化危害认识不深刻，甚至出现一些抵触情绪，使预防管护赶不上破坏的速度，一些地方存在着有法不依、执法不严的现象。鉴于此，今后要在加强综合治理的同时，加大对水法、草原法、水土保持法、环境与资源保护法以及与生态环境保护有关的法律法规的宣传力度，不断提高全民的法制意识，依法打击各种破坏资源与环境的犯罪行为，形成全社会自觉保护水土资源和生态环境的良好氛围。要努力建设一个合理高效的管理体系，防止在大规模开发建设活动中造成新的人为水土流失和生态环境的破坏，使土地沙化、荒漠化治理中的经济效益、生态效益和社会效益得到更好的统一［12－13］。

［1］孙剑峰.水土保持与沙尘天气治理［J］.水利科技与经济，2003，9(3):206 －207.

［2］叶笃正，丑纪范，刘纪远，等.关于我国华北沙尘天气的成因与治理对策［J］.地理学报，2000，55(5):513 －521.

［3］李令军，高庆生.2000年北京沙尘暴源地解析［J］.环境科学研究，2000，14(2):1 －3.

［4］刘东生，韩家懋，张德二，等.降尘与人类世沉积——Ⅰ:北京2006年4月16—17日降尘初步分析［J］.第四纪研究，2006，26(4):628 －633.

［5］韩同林，林景星，王永，等.京津地区“沙尘暴”的性质和治理—— 以北京2006年4月16日的尘暴为例［J］.地质通报，2007，26(2):117 －127.

［6］张崧，Heller F，靳春胜，等.2006年4月17日北京降尘的粒度分布与磁学特征［J］.第四纪研究，2008，28(2):354－362.

［7］沈承德，丁平，王宁，等.北京降尘宇宙成因核素14C和10Be分布特征——祝贺刘东生先生九十华诞［J］.第四纪研究，2007，27(6):919—921.

［8］顾兆炎，Lal D，郭正堂，等.黄土高原黄土和红黏土10Be地球化学特征［J］.第四纪研究，2000，20(5):409 －422.

［9］Yang C C，Sun N N.Luminescence dating of the April 16 －17，2006 dust storm deposits in Beijing［J］.Advanced Materials Research，2010，113:825 －829..

［10］张崧，刘平，靳春胜，等.2006年4月17日北京特大降尘的地球化学特征［J］.海洋地质与第四纪地质，2008，28(3):99－102.

［11］张国宏.上海吴淞工业区降尘与气象因子关系研究［D］.南京:南京信息工程大学，2006.

［12］马为民，侯秀瑞.河北省沙尘暴与水土流失［J］.水土保持通报，2000，20(6):10 －13.