托克逊县典型防护林沙尘释放特征研究

2022-04-14若山古丽芒力克阿丽亚拜都热拉董中凯木合塔尔扎热

湖北畜牧兽医 2022年1期

宋敏，若山古丽·芒力克，阿丽亚·拜都热拉，董中凯，木合塔尔·扎热

（新疆农业大学林学与风景园林学院，乌鲁木齐 830091）

沙尘暴是在强烈气流运动下由地表风蚀所产生的细颗粒物质较大尺度的运移过程。沙尘暴已经成为全球范围内的气象灾害和生态环境问题，引起了世界各国的广泛关注。频繁的沙尘释放过程导致大量的土壤细颗粒（＜100 μm）释放，进而会降低土壤的持水能力和营养物质组分，加重土壤盐渍化，污染环境和空气质量，损害人体健康［1-3］。

沙尘释放过程也被称为沙尘扬析与输送，是指地表沙尘物质在风力作用下脱离地表，进入空气的过程［2］。沙尘释放过程的研究对估算沙尘释放量、阐明沙尘暴发生机理以及制定防沙治沙措施具有重要的现实和理论意义［4］。沙漠和干旱地区的风蚀以及随风起沙是中国空气中的沙尘主要来源［5］。

研究表明，沙尘释放是一个高度选择性过程，沙尘释放有利于植物生长，对森林生态系统有贡献，沙尘沉积会增加淡水生态系统的养分含量［6］。全球每年有2 000 t 的沙尘释放到大气中，其中1 500 t 会重新沉积于地表，其余的进入海洋［7］，在此过程中，沙尘内的营养物质是陆地和海洋系统重要的养分。

近年来，沙尘释放直接或间接地影响着人类活动，影响人类社会的环境以及社会活动，催促人类去研究沙尘释放。沙尘通量是沙尘释放的重要研究内容，开展对沙尘通量的研究，有利于提高对沙尘输送、土壤风蚀、风沙灾害的认识，为数值模拟模型提供参数［8-13］。

已有的技术手段暂不能直接观测自然条件下的沙尘释放过程，研究者经常用测量地表上方粉尘浓度计算垂直通量，间接反映沙尘释放情况［14，15］；流失通量由地表上方粉尘水平通过率与可蚀地表长度之比获得。

国外已经在近地层的水平通量研究方面取得了一定的成果［16，17］，中国学者也在输沙通量、风沙流通量廓线以及风沙输移路径等方面取得了较大的研究进展［18-23］。

通过研究摩阻起动风速和沙尘粒度分布［24］，通过测量沙尘释放的浓度变化情况，计算沙尘释放的流失通量，计算沙尘释放的垂直通量和流失通量，进一步分析二者与摩阻风速之间的关系，为沙尘释放的研究提供依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于吐鲁番市托克逊县南端，地理坐标为88.639—88.650E，42.746—42.754N。因其特殊的地理位置及地形、地势，托克逊形成了与邻近地区迥异的气候特征，属于暖温带干旱荒漠气候，夏季气候炎热、昼夜温差大、多风和沙尘暴、年均气温13.8 ℃、极端最高气温为48 ℃、年平均积温在5 600 ℃以上、年光照率69%、年均降水7 mm［25］，托克逊以“风城”而出名，每年大风日数84 d，春夏季刮风日数较多且集中。

土壤类型主要为砾质棕漠土，土层较薄，地表多为砾石质，易风蚀［2］。本研究试验区如图1 所示。

图1 新疆托克逊县研究区概况

1.2 研究方法

在研究区内城郊防护林和农田防护林分别选取1 块地势平坦的区域，分别测量1 次完整的风蚀事件（城郊防护林风蚀事件发生时间为6 月6 日8：25—11：35，农田防护林风蚀事件发生时间为6 月4 日19：05—21：33），测量其近地表风速、风沙流、沙尘浓度。城郊防护林靠近戈壁滩，除防护林外没有其他树种；农田防护林靠近城区，附近有其他树种（图1）。

在测量时将风速风向仪、空气质量检测仪、集沙仪沿垂直主风向方向并排设置，同时测量。风速传感器共4 个，依次测量30、100、200、300 cm 高度处风速，每30 s记录1 次数据。

通过公式（1）计算摩阻风速［26］。

式中，u*为摩阻风速，m/s；U1和U2为不同高度的风速；h1和h2为U1和U2对应的高度。

风蚀过程中，沙质地表粒径＜0.01 mm 的颗粒极易在沙尘过程中全部释放，故用BR-HOL 空气质量检测仪（博朗通医疗科技有限公司）测定100 与300 cm 高度处PM10的浓度变化，代表沙尘释放过程中沙尘浓度变化，检测仪每1 s记录1 次数据。

集沙仪为QN-JSY 集沙仪，由10 个进沙口及其支撑构架组成。观测期间收集3 组风沙流，通过指数函数拟合输沙量随高度的变化，对高度积分并除以对应收集时间，获得输沙率q来代表颗粒跃移强度，单位为g/m/min。PM10垂直通量的计算是基于湍流与分子扩散原理推导而来，假设大气边界层流动为中性，粉尘垂直浓度廓线为直线，其表达式简化如下。

式中，FV为垂直通量，mg/m2/s；k为冯卡曼常数，取0.4；u*为摩阻风速，m/s；z1和z2为2 个不同的高度（1 m 和3 m）；c（z1）和c（z2）分别为100 和300 cm 高处的PM10浓度，mg/m3。

PM10流失通量的计算要明确侵蚀长度L（m）并排除外源粉尘的干扰。侵蚀长度是从仪器放置的位置沿发生风蚀事件的主风向开始测量空地的距离，直到防护林遮挡。

假设未风蚀时大气中PM10含量稳定，即某高度水平通量E0不变，各高度背景值浓度c0具有水平均质性，与风速成反比，风蚀事件中的PM10流失通量表达如下。

式中，FL为PM10流失通量，mg/m2/s；L为侵蚀长度，m；Zb为实测PM10浓度c到达背景值时的高度，m，即就地起尘影响到浓度垂直分布的最大高度，该高度处c－c0=0；E0为未风蚀时某高度的PM10水平通量，mg/m2/s，近似为定值；u为对应高度的风速。

垂直通量和流失通量是反映沙尘释放的2 个参数，垂直通量是从分子浓度在大气中的湍流扩散考虑，由粉尘浓度垂直廓线估计而得；流失通量的定义为单位时间里单位面积内粉尘损失量，更接近粉尘释放量的定义。二者相较而言，垂直通量的公式更加简洁、所需参数少、适用于多种情况，故应用更多。故在现有研究中，更多地用垂直通量作为反应沙尘释放特征的参数。

2 结果与分析

2.1 PM10浓度在风蚀事件中的变化

6 月6 日8：25—11：35，城郊防护林在风蚀事件发生期间，在去除外源粉尘干扰后，100 cm 高度PM10的平均浓度为0.013 4 mg/m3，最大值为0.025 mg/m3；300 cm 高度处PM10的平均浓度为0.010 2 mg/m3，最大值为0.019 mg/m3。2 个高度的PM10浓度变化情况趋势大致相似，与摩阻风速、输沙率的变化大致相同，而且100 cm 处PM10的变化强于300 cm 处PM10的变化。随着高度的增加，由风蚀造成的地表沙尘释放量逐渐降低，直至与背景值相近。8：25—9：00，平均摩阻风速并未达到临界起沙摩阻风速，有少数的风速达到临界起沙摩阻风速，连续的风蚀事件还未开始，在此时间段内，PM10的变化值也不大。9：00—10：33，摩阻风速开始上升，达到临界起沙风速，100 与300 cm 处PM10浓度也开始上升，达到相对高度。10：33 以后，风沙流减弱，摩阻风速开始下降，2 个高度的PM10浓度也开始下降，最终接近背景值（图2、图3）。

图2 城郊防护林风蚀事件中摩阻风速及输沙率随时间的变化

图3 城郊防护林风蚀事件中100 与300 cm 处PM10浓度随时间的变化

6 月4 日19：05—21：33，农田防护林在风蚀事件发生期间，在去除外源粉尘干扰后，100 cm 处PM10的平均浓度为0.008 4 mg/m3，最大值为0.016 mg/m3；300 cm 处PM10的平均浓度为0.006 4 mg/m3，最大值为0.013 mg/m3。2 个高度的PM10浓度变化情况趋势大致相似，与摩阻风速、输沙率的变化大致相同，而且100 cm 处PM10的变化情况强于300 cm 处PM10的变化情况。随着高度的增加，由于风蚀造成的地表沙尘释放情况在逐渐降低，直至浓度逐渐降低至与背景值相近。19：05—19：40，平均摩阻风速并未达到临界起沙摩阻风速，有少数风速达到临界起沙摩阻风速，连续的风蚀事件还未开始，在此时间段内，PM10的变化值也不大。19：40—20：50，摩阻风速开始上升，达到临界起沙风速，100 与300 cm 处PM10浓度也开始上升，达到相对高度。10：33 以后，风沙流减弱，摩阻风速开始下降，2 个高度处PM10浓度也开始下降，最终接近背景值（图4、图5）。

图4 农田防护林风蚀事件中摩阻风速、输沙率随时间的变化

图5 农田防护林风蚀事件中100 cm 与300 cm 高度处PM10浓度随时间的变化

从对城郊防护林和农田防护林2 次风蚀事件可以得出，在摩阻风速还未稳定达到临界起沙风速前，PM10的浓度变化波动不大，偶有起伏是由于风蚀事件刚刚发生外源粉尘产生的干扰。随着高度的增高，沙尘释放对PM10浓度的影响降低，在沙尘释放影响不到的高度，测量所得PM10的浓度等同于该处PM10浓度的背景值。在稳定达到临界起沙风速后，100 与300 cm 处PM10浓度波动趋势一致，300 cm 处PM10的浓度较100 cm 处有明显降低，表明风蚀事件对沙尘释放产生的影响随着高度增长而减低，这与前人的观测结果一致［27］。

2.2 PM10垂直通量与流失通量

利用公式（1）、公式（2）计算风蚀事件PM10的垂直通量与流失通量，对比分析二者之间的关系，分析城郊防护林和农田防护林的垂直通量、流失通量与摩阻风速之间的关系（图6、图7），二者PM10的垂直通量、流失通量和摩阻风速、输沙率的关系。PM10垂直通量和流失通量与输沙率呈线性关系，与摩阻风速呈幂函数关系，通过图像关系可以得出，在输沙率、摩阻风速较小时，垂直通量和流失通量相差较小，随着摩阻风速的增大，垂直通量的增量逐渐超过流失通量。

图6 城郊防护林摩阻风速对PM10垂直通量和流失通量的影响

图7 农田防护林摩阻风速对PM10垂直通量和流失通量的影响

由图8、图9 可知，输沙率与2 个反映粉尘释放的参数线性正相关，进一步证实风蚀过程土壤颗粒与团聚体的跃移运动是地表粉尘释放的最主要物理机制。但同时有试验反映，释放通量与风沙流强度呈幂函数［28］或对数关系［29］，造成这种差异的原因与试验地的土壤性质有关。

图8 城郊防护林输沙率和通量的关系

图9 农田防护林输沙率和通量的关系

沙尘释放强度的大小受风速、土壤含水量、不可蚀性颗粒含量等多种因素的影响，本研究只考虑了风速对沙尘释放强度的影响。从对摩阻风速的分析可知，城郊防护林的风速从波动幅度、持续时间上均要强于农田防护林。

2.3 跃移颗粒的轰击效率

风蚀事件中跃移颗粒对地表土壤的击溅和磨蚀，是引发地表粉尘释放的主要物理过程。轰击效率α 是研究粉尘释放的重要参数，一般定义为粉尘释放通量与输沙率之比，单位为m-1，粉尘释放通量往往采用垂直通量或流失通量。根据拟合公式可得，农田防护林α=3.965×10-7-2.499 1×10-5/q和α=1.347×10-7-1.742×10-5/q；城郊防护林α=9.578×10-7-7.854 8×10-5/q和α=6.647×10-7-6.129 8×10-5/q。根据观测期间输沙率q为10-1～10-2g/m/min，可以得出托克逊典型防护林土壤跃移颗粒的轰击效率α 数量级为10-7m-1。目前普遍接受的轰击效率参考值为10-5~10-2m-1，但针对的是PM20，且该数值土壤之间差异较大［30］，针对PM10所计算的轰击效率应该低于这个范围。