浑善达克沙地大气降尘颗粒物特征研究

2018-01-29闫德仁黄海广薛博

生态环境学报 2018年1期

闫德仁，黄海广，薛博

内蒙古林业科学研究院，内蒙古呼和浩特 010010

沙漠是近地层沙尘物质的重要来源之一，而近地层水平输送的沙尘物质随高度的变化特征和不同高度处的垂直沉降量直接影响着沙尘的输送过程。国外关于近地层沙尘释放、输送和沉降的研究较多，并在近地层沙尘浓度、水平通量和降尘量等研究方面取得了一定进展（Gillette et al.，1997；Shao et al.，1997；Offer et al.，2004；Goossens et al.，2001；Zobeck et al.，2006）。中国也进行了有关城市大气降尘特征的诸多研究。刘新春等（2017）研究了沙漠腹地沙尘天气过程垂直剖面沙尘颗粒的分布及水溶性离子组分特征，表明粗颗粒（≥63 μm）组分中主要水溶性离子质量分数明显高于细颗粒（＜63 μm）组分，受沙垄颗粒物影响，细颗粒组分水溶性离子的垂直分布整体规律性较好，粗颗粒组分波动性较大；邱雪等（2015）研究发现2011—2013年间西北干旱区PM10浓度存在明显的区域差异；王明仕等（2014）研究中国大气降尘量的地域性分布特征及影响因素，表明降尘量整体分布为北方高于南方，西部多于东部，并且华北平原地区、内蒙古高原地区和准噶尔盆地等降尘量相对偏高；玉

散·吐拉甫等（2017）研究了城市沙尘期间PM2.5中金属元素含量的变化，表明PM2.5质量浓度季节性特征表现为春季＞夏季＞秋季＞冬季，且PM2.5质量浓度与风速和温度呈正相关，沙尘天气PM2.5中金属元素质量浓度明显高于非沙尘天气；李思思等

（2017）研究了沙尘天气期间气溶胶颗粒的化学组分、粒径分布和来源，认为张家口市沙尘颗粒来自新疆、蒙古、内蒙古等地区的沙尘运输；师华定等（2014）研究了沙尘与大雾天气对北京、天津、石家庄城区空气质量的影响，表明沙尘对其空气质量影响较大，大雾天气影响较小。此外，中国近些年也在不同沙漠地区开展了沙尘水平通量和降尘量

方面的相关研究。例如，张正偲等（2010）利用沙尘水平通量采集器和降尘测量器对近地层不同高

度水平运动的沙尘和降尘进行了观测，表明沙尘的水平通量和降尘量均随高度的增加而减小；张锦春等（2008）借助近地面沙尘暴监测系统分析了民勤沙尘源区近地面降尘分布特征，表明最大降尘出现在近地面1 m处，并且降尘受下垫面条件影响较大；罗凤敏等（2016）研究了乌兰布和沙漠东北缘近地层风速和降尘量特征，认为过渡带和绿洲内近地层沙尘水平通量和降尘量均随着高度增加而减少。然而，上述观测研究主要是针对某次沙尘天气事件进行的具体测定，并未对全年连续的沙尘积累量进行分析，因此，利用其测定的数据推算全年沙尘量存在较大偏差。

浑善达克沙地作为京津风沙源工程建设的核心地区，经过多年治理取得了明显成效。例如，2002—2016年间，浑善达克沙地多伦县浮尘、扬沙、沙尘暴的发生次数明显减少，植被年平均盖度总体呈增加趋势（闫婷等，2017）。本研究依托内蒙古多伦浑善达克沙地生态系统国家定位观测研究站，在野外开放环境下，采集固沙植被区全年连续沉积的沙尘积累量数据，开展了近地面大气降尘分布以及不同植被拦截降尘等方面的初步观测研究，对评价浑善达克沙地防沙治沙技术措施取得的净化空气环境成效具有重要指导意义。

1 研究地概况

研究地位于内蒙古多伦浑善达克沙地生态系统国家定位观测研究站，即浑善达克沙地多伦县南沙口国营林场。地理坐标为 116°29′33.28″E，42°08′37.85″N，海拔 1277 m。研究地属中温带半干旱向半湿润过渡区的大陆性气候。年平均气温1.6 ℃，年极端最高气温 35.4 ℃，年极端最低气温-39.8 ℃；≥10 ℃有效积温1970 ℃，无霜期95 d。年降水量386.2 mm，年平均相对湿度62%；年平均蒸发量1761.0 mm。年平均风速3.6 m∙s-1，年大风日数69.8 d，最大风速24 m∙s-1。盛行西北风、西南风和西风。年日照数3142.7 h，年太阳总辐射量5899 MJ∙m-2。地带性土壤类型为栗钙土。天然植被主要建群种和优势植物有羊草（Leymus chinensis）、大针茅（Stipa grandis）、克氏针茅（Stipa sareptana）、糙隐子草（Cleistogenes squarrosa）、冰草（Agropyron cristatum）、百里香（Thymus mongolicus）等。

图1 水平沙尘量变化Fig. 1 The change of horizontal capture dust weigh

2 材料与方法

本观测研究主要利用沙尘水平通量采集器和垂直降尘缸对近地层不同高度水平运动的沙尘量和垂直降尘量进行了定位观测，2015年6月上旬安置2套设备（2次重复），于2016年6月上旬集中采集1次累计沙尘样品。同时，分别在没有地表风蚀危害的榆树（Ulmus pumila）林地、天然草地、樟子松（Pinus sylvestnis var. mongolica）人工林地和杨树（Populus）人工林地设置3套降尘缸（3次重复），定期收集大气降尘量，于2016年6月上旬集中采集1次累计沙尘样品。

在25 m×25 m气象观测场（固定沙地）内，在3 m高的沙尘通量架上安置沙尘水平通量采集器，采集器安置高度分别为离近地面 50、100、150和200 cm处，水平通量采集器口径为2 cm×5 cm；垂直降尘缸安装高度分别为50、100和200 cm，降尘缸内径为16 cm，高30 cm。同时，分别在4种植被类型内安置同样规格的降尘缸，每种植被类型设置3次重复，降尘缸上口距地面高度为50 cm。

设备安置1年后，采集样本，带回室内烘干，称重，并折算成单位重量。同时，用烘干样本进行沙尘颗粒粒径的测定，以每个样品的平均值作为分析数据。测定仪器为 CLY-2000型激光颗粒分析仪。

运用Excel 2003软件进行数据处理分析。

3 结果与分析

3.1 不同高度沙尘通量的变化

近地层沙尘在输送过程中，大颗粒物质在重力或降水等因素作用下沉降，小颗粒物质则在风力作用下到达更远的地方。由图1、图2可知，无论是垂直通量还是水平通量，降尘量（x）随高度（y）增加均呈显著减少趋势。其中，水平沙尘通量随高度增加的指数关系为y=424.77e-0.3083x（R2=0.8897）（图 1），垂直降尘量随高度增加的指数关系为y=2536.2e-1.3531x（R2=0.9176）（图2）。这种变化关系和张正偲等（2010）在腾格里沙漠东南缘的观测结果相吻合。

图2 垂直降落的沙尘量变化Fig. 2 The change of vertical capture dust weigh

由图1可知，在50 cm高度范围内，水平沙尘量为 327.1 mg∙m-2∙h-1，100 cm 高度为 196.3 mg∙m-2∙h-1，150 cm 高度为 199.6 mg∙m-2∙h-1，200 cm高度为 116.4 mg∙m-2∙h-1。其中，50 cm 高处水平沙尘通量占200 cm高度范围内总沙尘量的38.96%，而200 cm高处只占13.87%，100 cm和150 cm高处分别占23.39%和23.78%。说明大气中沙尘主要分布在近地表范围，这和张正偲等（2010）在腾格里沙漠东南缘的研究结论相一致，即“沙尘水平通量在20 m以下随高度的增加而迅速降低，变化比较有规律；但在20 m以上，其随高度增加变化不显著，表现为无规律性”。

此外，结合图1和图2可知，在100 cm高度范围内，相同高度下垂直降尘量明显高于水平沙尘量。50 cm和100 cm高度垂直降尘量分别比水平沙尘量高36.9%和27.4%，而200 cm高度垂直降尘量则比水平沙尘量低235.99%，说明垂直降尘量主要来源于近地表风沙流，而100 cm以上高度的沙尘主要以悬移质形式存在，且不易因沙尘本身的重力作用而沉降。这与张锦春等（2008）在民勤的观测结果表明一致，即“最大降尘发生在近地面1 m处，占25 m范围内降尘总量的10.7%”。

3.2 不同高度水平降尘颗粒组成特征

粒径对沙尘输送具有重要影响，不同粒径颗粒物在大气中的输送方式和输送距离各不相同。通常，大于500 µm颗粒物以蠕移方式在地表输送，70～500 µm颗粒物以跃移方式在近地层一定距离范围内输送，小于70 µm颗粒物以悬移方式在空气中输送，而10 µm以下的颗粒物随着人体呼吸进入人体内，因此又被称为大气可吸入颗粒物。

由图3可知，在200 cm高度范围内，水平沙尘颗粒粒径主要集中在2 µm以下，平均占沙尘总量的77.26%。其中，50 cm高度2 µm以下颗粒物占降尘总量的72.47%，100、150和200 cm高度分别占92.31%、60.61%和98.75%。10 µm以下颗粒物平均占降尘总量 95.45%，其中，50、100、150和 200 cm高度分别占 94.14%、100%、87.66%和100%。由此说明，随着高度增加，水平沙尘中的极细颗粒物含量总体呈增加趋势，而这种近地表沙尘一旦吸入人体，即可对呼吸道造成危害。因为10 µm以下的颗粒物可被人体吸入鼻腔，7 µm以下的可进入咽喉，小于2.5 µm的则可深入肺泡并沉积其中，进而进入血液循环，从生理、化学和微生物角度影响肺部健康，导致与心、肺功能障碍有关的疾病。但是，如果从沙漠生物结皮的生态作用看，这种极细颗粒物沉积有利于生物结皮的形成，并对改善流动风沙土理化性质具有重要作用。

图3 水平沙尘颗粒物粒径变化Fig. 3 The change of horizontal capture dust particle size

3.3 不同高度垂直降尘颗粒特征

近地层沙尘在输送过程中，大颗粒物质在重力或风速变化等因素作用下沉降。张锦春等（2008）在民勤的观测结果表明，垂直降尘量均随沙尘持续时间增长而增大，但不同高度的降尘增量不同。

浑善达克沙地多伦县大气垂直降尘也有类似变化规律（图2），即在50 cm高度范围内大气降尘量为 518.6 mg∙m-2∙h-1，100 cm 高度为 270.6 mg∙m-2∙h-1，200 cm 高度为 34.6 mg∙m-2∙h-1，而到 400 cm高度大气降尘量只有0.23 mg∙m-2∙h-1，反映出近地表垂直降尘对增加风沙土细颗粒物具有重要影响。由图 4可知，大气垂直降尘中颗粒物粒径以100～250 µm 为主，平均占总颗粒物的 74.9%，150～200 µm颗粒物含量平均占总颗粒物的53.2%，而小于 50 µm 颗粒物含量平均仅占总颗粒物的1.08%，说明大气垂直降尘颗粒物明显粗于相应高度水平降尘颗粒物（图3）。

图4 垂直降尘颗粒物粒径变化Fig. 4 The change of vertical capture dust particle size

同样地，从不同高度大气垂直降尘颗粒物粒径变化看，随着高度增加，200 µm及以下颗粒物含量呈降低趋势，而200 µm以上颗粒物含量则呈增加趋势，反映出大气垂直降尘中颗粒物粒径大小受到不同高度气流运动状态变化的影响。例如，50 cm高度，100 µm及以下颗粒物含量占比为3.21%，100 m高度为1.19%，200 cm高度为0.60%；200 µm及以下颗粒物在50、100、200 cm高处的含量占比分别为68.2%、53.2%和43.2%。50 cm高度大于200 µm颗粒物含量为31.85%，100 m高度为46.83%，200 cm高度为56.81%，表明相对粗的大气颗粒物一旦进入风沙流的悬移质就很容易降落到地表，而更细颗粒物则被输送到更远的距离。

3.4 不同植被大气降尘颗粒特征

榆树林地年降尘量平均为 1.29 mg∙m-2∙h-1，天然草地平均为 0.75 mg∙m-2∙h-1，樟子松人工林地平均为3.05 mg∙m-2∙h-1，杨树人工林地平均为 1.62 mg∙m-2∙h-1，说明高大乔木树种更有利于拦截大气降尘，这是因为高大乔木在降低风速方面的效果比低矮草本植物更显著。不同植被所拦截的大气降尘颗粒粒径特征如图5所示。

图5 不同植被降尘颗粒物粒径变化Fig. 5 The change of capture dust particle size in difference plant kinds

由图 5可知，天然草地所拦截的大气降尘颗粒物中，细颗粒成分含量高于其他3个乔木树种。天然草地降尘颗粒物粒径主要分布在 50～150 µm之间，其中，50～100 µm 颗粒物含量占比为26.55%，100～150 µm颗粒物含量占比为50.47%。其他 3个乔木树种降尘颗粒物粒径主要分布在150～250 µm 之间，其中，榆树林地 150～200 µm颗粒物含量占比为41.87%，200～250 µm颗粒物含量占比为 32.34%；杨树林地分别为 28.68%和49.95%，樟子松林地分别为31.33%和14.21%。由此表明，在风沙地区，乔木树种更多的是拦截近地表降尘中的粗颗粒物，并导致平均降尘量高于天然草地。刘艳萍等（2003）研究认为，防护林体系的建立改变了下垫面的状况，增加了地表粗糙度，降低了风速，同时也改变了林内的气象条件，从而达到在一定影响范围内抑制降尘飘移的效果,。

4 讨论

沙漠是近地层沙尘物质的重要来源之一，而近地层水平输送的沙尘物质随高度的变化特征和不同高度处的垂直沉降量直接影响着沙尘的输送过程。浑善达克沙地作为京津主要沙尘源地区之一，其沙尘粒径大小及其垂直分布特征对沙尘输送具有重要影响，并且不同粒径颗粒物在大气中的输送方式和输送距离也不尽相同。康永德等（2017）利用集沙仪测量了沙尘水平通量变化，表明全自动集沙仪在5 cm高度上的平均集沙效率为94.3%；观测期间不同沙尘天气过程的沙尘输送量存在显著差异，发现随着风速的增加，输沙率大致呈增大趋势，但其中有部分天气时段输沙率随风速的变化规律不一致。杨兴华等（2013）利用BSNE集沙仪对沙尘暴天气过程中近地表2 m内不同高度沙尘水平通量进行了观测，表明沙尘物质的水平通量随高度的增加而减小，与高度的关系可用幂函数关系表示，约66%的沙尘在地表50 cm高度范围内传输；80%的沙尘在地表100 cm高度范围内传输。本研究结果表明，垂直降尘量或水平沙尘量变化趋势随高度增加而减小，并呈指数关系变化，这种变化规律和国内其他地区的研究结论基本吻合（张正偲等 2010；张锦春等，2008）。

然而，由于沙尘采集时间长度的不同，降尘量或水平沙尘量具体数值的差异明显。例如，张宏升等（2007）研究了浑善达克沙地地区不同沙尘天气条件下沙尘浓度通量、沙尘输送特征，表明随着沙尘天气经历起沙、平衡、沉降的演变过程，沙尘通量数值呈现以正值为主，非沙尘天气、扬沙天气和沙尘暴天气过程的沙尘通量分别是18 mg∙m-2∙h-1、108 mg∙m-2∙h-1和 7200～1080 mg∙m-2∙h-1之间，并且由于受到空气动力学和沙尘颗粒大小影响，沙尘天气过程开始时，3 m高度处沙尘浓度高于15 m高度处浓度；随着风速的减小，3 m高度处的沙尘气溶胶质量浓度低于15 m高度处浓度。本研究中，水平沙尘通量平均为 209.85 mg∙m-2∙h-1，垂直降尘量平均为 274.6 mg∙m-2∙h-1。沙尘颗粒物大小除与沙源区土壤颗粒有关外，不同高度沙尘颗粒物大小分布与风速变化也有密切关系，风速越大，大颗粒物越容易进入到大气，且携带的大颗粒物也容易上升到更高的空间。

本研究结果同样说明，不同高度沙尘颗粒物粒径存在明显差异。在200 cm高度范围内，水平沙尘颗粒集中在 2 µm 以下，平均占降尘总量的77.26%，且极细颗粒物含量总体呈增加趋势，而垂直降尘颗粒集中在100～250 µm范围内，平均占总颗粒物组成的74.9%，而150～200 µm颗粒物平均占总颗粒物组成的53.2%，说明相同高度范围内，垂直降尘颗粒相对粗颗粒含量远远大于水平沙尘颗粒，或者说，水平移动的沙尘颗粒物更细，而且随着高度增加，其颗粒物更细，也就意味着其传播的距离更远，对下风向地区空气质量的影响也越大。所以，防沙治沙的主要作用之一就是要减少地表沙尘物质进入大气，或通过构建合理的乔-灌-草空间结构拦截大气中的沙尘，对改善区域环境质量具有现实意义。

陈新闯等（2016）观测了乌兰布和沙漠不同下垫面冬季沙尘通量的垂直分布，表明近地表 0～100 cm高度内冬季输沙量表现为流动沙丘＞梭梭固定沙丘＞白刺半固定沙丘，并且在低风速下，地表风沙流以蠕移为主，但当风速达到一定阀值，风沙流中细沙物质所占比重增加。事实上，本研究中不同植被拦截的大气降尘量的差异也印证了这样的判断，即乔木树种在降低风速方面的效果比低矮草本植物显著，更有利于拦截大气降尘，尽管乔木树种在近地表所拦截的颗粒物相对较粗，但在一定影响范围内抑制降尘飘移的效果是明显的。

5 结论

在浑善达克沙地南缘多伦县固沙植被区，大气降尘量随高度增加而减少。在200 cm高度范围内，水平沙尘通量平均为 209.85 mg∙m-2∙h-1，垂直降尘量平均为 274.6 mg∙m-2∙h-1，且垂直降尘颗粒物粒径粗于相应高度水平沙尘颗粒物粒径。水平沙尘粒径集中在2 µm以下，且随着高度增加，其极细颗粒物含量总体呈增加趋势；垂直降尘粒径集中在100～250 µm范围内，且随高度增加，200µm及以下颗粒物含量呈降低趋势，而200 µm以上颗粒物含量则呈增加趋势，反映出垂直降尘中颗粒物粒径大小受不同高度气流运动状态变化的影响不同。

不同植被类型内大气降尘量及其颗粒物粒径分布特征不同。乔木林地降尘量高于天然草地，且降尘中颗粒物粒径相对较粗。天然草地降尘粒径集中分布在50～150 µm范围内，而榆树、杨树和樟子松林地降尘粒径集中分布在 150～250 µm范围内。

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