楊傳成，沈得秀，許洪泰，王津津

(1.山東省工程地震研究中心，山東 濟南 250021;2.地震動力學國家重點實驗室，北京 100029)

水利部水土流失普查結(jié)果表明，北方地區(qū)揚塵和沙塵暴頻繁發(fā)生的直接原因是氣候異常，干旱少雨［1］。沙塵暴是一種加速土地荒漠化的重要過程，是土地荒漠化發(fā)展到一定程度的具體表現(xiàn)。近些年來，不同學科的專家分別從各自學科的角度對沙塵天氣的發(fā)生條件、沙塵源地、移動路徑、傳送機制、氣候效應、發(fā)展趨勢等進行了分析，并對影響沙塵天氣的氣候背景及其對全球氣候變化的影響進行了研究。由于降塵極易沉降，所以它所攜帶的污染物極易造成近源污染，降塵的最終污染對象是土壤、水體，因此開展降塵的研究和控制對大氣、土壤、水體環(huán)境保護均具有重要的意義［2－3］。

本文以北京2006年的一次沙塵天氣為研究對象，介紹有關(guān)研究者對該次沙塵暴的研究成果，旨在促進我國沙塵暴研究與防治的深入開展。

1 降塵的粒度特征

粒度分布及分選性是搬運能力的度量尺度，是判斷沉積時自然地理環(huán)境及動力條件的良好標志。北京2006年4月16日降塵的粒度較粗，組分比較均一。

粒度和含量測量結(jié)果表明，粒徑＜75 μm的粉塵顆粒(顆粒直徑＜75 μm的為粉塵)占96%，多數(shù)樣品的中值粒徑在19～21 μm之間，平均為20.1 μm。眾數(shù)粒徑變化也不大，多在30～40 μm之間，其他粒徑粉塵的顆粒(75 μm＜直徑＜154 μm)只占4%［4－5］。由降塵概率累積曲線研究知道降塵為雙峰型分布。電鏡掃描結(jié)果表明，降塵顆粒的分選度和磨圓度均差，顆粒組合結(jié)構(gòu)極不均勻，其顆粒的組合結(jié)構(gòu)、分選度和磨圓度的特征與鹽湖沉積物相似，與沙地沙粒絕然不同［5］，與洛川黃土及洛川古土壤采集樣品的統(tǒng)計結(jié)果也有一定的區(qū)別(表1)［4］。

表1 降塵與洛川黃土－古土壤的粒度對比

2 降塵的磁學特征

磁化率是黃土研究的基本指標之一，它反映了黃土成土作用的強弱，是夏季風強度的替代性指標。60個降塵樣品磁化率平均值為1.111×10－6m3/kg，整個磁化率頻率呈一對數(shù)正態(tài)分布，其中45個樣品磁化率值在 9.5 ×10－7～1.15 ×10－6m3/kg范圍內(nèi)［6］。降塵磁化率較高是現(xiàn)代降塵磁化率的普遍特點。該次降塵磁化率值相對于黃土層(齋堂馬蘭L)較高的特征具有普遍性。河北北部農(nóng)田區(qū)、陰山北麓農(nóng)牧區(qū)和內(nèi)蒙古中部平原區(qū)及阿拉善的表土磁化率與此次沙塵暴磁化率的平均值較為接近。

3 14C年齡和10Be分布特征

放射性碳(14C)測年方法是W.F.Libby于1946年創(chuàng)建的，是迄今為止國內(nèi)外在第四紀地質(zhì)、新構(gòu)造、活動構(gòu)造及考古學研究中應用最廣泛、最可靠的放射性同位素測年方法。黑炭是生物量不完全燃燒遺留下的碳，它可以在源區(qū)地層中保存下來。此次降塵中含有黑炭，黑炭含量變化范圍為1.00% ～1.44%。北京降塵樣品黑炭14C年齡大致可分為兩個區(qū)間:距今4 200～5 200年和距今3 000～4 000年。干旱半干旱區(qū)風力活動強烈，西北廣闊的荒漠沙地、黃土高原以及內(nèi)陸干涸湖盆都極易遭受風力侵蝕。上述兩區(qū)間14C年齡特點反映了此次北京降塵至少有兩大物質(zhì)源區(qū)，前者為強侵蝕區(qū)，后者為次強侵蝕區(qū)。降塵樣品黑炭的14C年齡各不相同，這一特點可能反映了降塵來自源區(qū)不同地點或同一地點不同地層深度［7］。

放射性同位素10Be主要由宇宙射線與大氣中的N和O原子核反應而產(chǎn)生，并通過降水攜帶到地表進入表生環(huán)境系統(tǒng)。由于10Be半衰期長達1.5 Ma，因此它不但具有示蹤環(huán)境變化的能力，而且具有地質(zhì)定年的潛力。中國北方風成黃土和紅黏土中的10Be已成為研究粉塵的沉積和風化作用以及古氣候和古環(huán)境變化的有效工具［3］。大氣中生成的10Be被氣溶膠吸附，隨降塵或降水沉降到地表，與氣團運動及粉塵傳輸過程密切相關(guān)，是降塵過程極好的示蹤劑。北京降塵10Be濃度變化范圍為1.69×108～2.07 ×108原子/g，平均值為 1.82 ×108原子/g。已有的研究表明，黃土10Be濃度變化范圍為1.4×108～2.8×108原子/g，古土壤的濃度比黃土高2～3倍，其變化范圍為2.7×108～4.5×108原子/g。從該結(jié)果來看，北京降塵10Be濃度與黃土接近，此次北京降塵物質(zhì)也許主要來自于黃土物質(zhì)［8］。

4 釋光特征

釋光測年方法的基礎(chǔ)是晶體礦物對核輻射劑量的響應，以晶體礦物吸收的核輻射能(以釋光形式表現(xiàn))作為計時器，已被廣泛應用于考古、第四紀沉積物的年代測定中。自20世紀60年代初人們利用熱釋光技術(shù)對焙燒過的物質(zhì)或沉積物進行測年，1985年Huntley等提出光釋光測年技術(shù)后，釋光測年技術(shù)發(fā)展迅速。對2006年4月16日北京降塵樣品的釋光實驗研究表明，其IRSL信號極弱，［post－IR］OSL信號較強且以石英貢獻為主(圖1)，對石英純度檢驗可以測出較為明顯的110℃熱釋光峰(圖2)。利用SAR法獲得多個測片的等效劑量值均呈明顯的不對稱分布，推測可能與樣品部分曬退、顆粒來源、實驗測量方法流程等有關(guān)。釋光信號特征可能反映了降塵源區(qū)來自不同地點或同一地點的不同地層深度［9］。

5 地球化學特征

與黃土相比北京降塵具有一定的差異，表現(xiàn)為北京降塵中Mg、Na相對富集，Ca明顯虧損并含有較高的燒失量，降塵CIA值較低，表明降塵源區(qū)化學風化程度較弱，處于化學風化的初始階段，降塵ΣREE顯著高于黃土，同時輕、重稀土分餾程度也較黃土高(表2)。此外，降塵中S、Cl的含量與干涸鹽湖相近，表明其物質(zhì)可能來源于干涸鹽湖，而不可能來源于荒漠沙地和表土［10］。

表2 北京兩次降塵樣品與馬蘭黃土地球化學數(shù)據(jù)對比

6 沙塵暴危害

沙塵暴是一種風與沙相互作用的災害性天氣現(xiàn)象，它的形成與地球溫室效應、厄爾尼諾現(xiàn)象、森林銳減、植被破壞、物種滅絕、氣候異常等因素有著密切的關(guān)系［2］。由其造成的危害主要表現(xiàn)為:

(1)沙塵暴不僅可以改變土壤的組成和性質(zhì)，而且還會影響植物的生長、產(chǎn)量和品質(zhì)。

(2)沙塵暴帶來大量的懸浮顆粒物污染空氣后，直接影響人體健康，引發(fā)疾病。此外，懸浮顆粒能夠反射太陽輻射從而降低大氣溫度。隨著懸浮顆粒大幅度削弱太陽輻射(約10%)，地球水循環(huán)的速度可能會變慢，使降水量減少;懸浮顆粒還可抑制云的形成，使云的降水率降低，減少地球上的水資源量。

(3)沙塵暴還會對交通、通信、文物保護等諸多方面造成較大影響。有關(guān)專家用掃描電鏡統(tǒng)計了5 000個粉塵表面形態(tài)，發(fā)現(xiàn)棱角、次棱角狀細小沙粒占到83%，這種棱角狀高硬度石英顆粒隨氣流四處運動，不僅對壁畫、彩塑進行磨蝕，而且能侵入壁畫、彩塑的顏料縫隙中使之龜裂［11］。

7 降塵源區(qū)及輸入途徑

根據(jù)氣象衛(wèi)星沙塵監(jiān)測圖分析，造成北京地區(qū)春季沙塵天氣的沙塵源地大致有三個:一個起源于蒙古國的南部和東南部地區(qū)，進人內(nèi)蒙古后繼續(xù)加強，影響北京地區(qū);一個起源于我國內(nèi)蒙古地區(qū)，經(jīng)河北省西部后不斷增強，影響北京地區(qū);另一個起源于北京地區(qū)的西北部，影響北京東部地區(qū)。內(nèi)蒙古渾善達克沙地和河北省西北部，是北京和國內(nèi)沙塵天氣的主要沙塵源地。

眾多的研究結(jié)果表明，進入北京地區(qū)的沙塵移動主要有3條路徑:第一條從北路二連浩特、渾善達克沙地西部、朱日和地區(qū)開始，經(jīng)四子王旗、化德、張北、張家口、宣化等地到達北京;第二條從西北路內(nèi)蒙古的阿拉善的中蒙邊境、烏拉特、河西走廊等地區(qū)開始，經(jīng)賀蘭山地區(qū)、毛烏素沙地或烏蘭布和沙漠、呼和浩特、大同、張家口等地到達北京;第三條從西路哈密或芒崖開始，經(jīng)河西走廊、銀川或西安、大同或太原等地到達北京［12］。

8 防治沙塵暴的對策

認識沙塵暴與土壤侵蝕的關(guān)系，對科學治理沙塵暴至關(guān)重要。在建設生態(tài)文明社會的今天，搞好以水土保持為中心的生態(tài)建設是擺在我們面前的緊迫任務［1］。有關(guān)資料顯示，我國大部分草地已經(jīng)或正在退化，其中中度退化以上的草地面積達1.3億hm2，占我國草地總面積的1/3。我國沙化土地面積168.9萬km2，占國土總面積的17.6%，形成一條西起塔里木盆地、東至松嫩平原西部，東西長4 500 km、南北寬600 km的風沙帶。

保護生態(tài)、改善人類賴以生存的環(huán)境是當代人肩負的重要歷史使命。歷史的經(jīng)驗告訴我們，要治理和改善生態(tài)環(huán)境就要增加科技投入，大力實施退耕還林(草)，同時通過法制、制度建設，為防沙治沙、防治土地荒漠化筑起一道綠色的法制屏障。近年來，為改善我國北方地區(qū)沙源地的生態(tài)環(huán)境，國家對該區(qū)的生態(tài)環(huán)境進行了積極治理，針對不同地區(qū)土地沙化的現(xiàn)狀及危害程度、發(fā)展趨勢以及國民經(jīng)濟發(fā)展對生態(tài)建設的要求，提出了明確的治理目標，并開展了國家級重點工程、區(qū)域性工程和地方示范工程等多項工程建設。國家級重點工程包括環(huán)北京地區(qū)防沙治沙工程，其范圍包括渾善達克沙地、科爾沁沙地西部、陰山以北、河北壩上和京津周圍地區(qū)，“三北”防護林四期工程、區(qū)域性工程包括拉薩及周邊地區(qū)防沙治沙工程、黃河故道治理工程等［2］。

要治理好北京地區(qū)的沙塵暴，必須用最適合當?shù)丨h(huán)境的植物種群對塵源區(qū)進行“地毯式”的覆蓋，使之形成土生土長的、多樣性的植被覆蓋。按照土地利用類型因地制宜地進行綜合防治，是防止土地進一步沙化、荒漠化的根本措施:屬于草地開墾、撂荒、亂挖濫采使植被破壞造成土地沙化、沙荒的，應立即停止開墾，采取人工種植多年生牧草或封育恢復草地植被;屬于草地過度放牧引起的草地沙化，應積極開展草地建設，增加草地生態(tài)容量并實行以草定畜。實行保護重于治理、以保為主的沙漠化防治方略，在不破壞現(xiàn)有綠色植被的基礎(chǔ)上，加大對固定、半固定沙地的保護和退耕還林(草)力度，在已沙化的土地上種植紫花苜蓿等多年生草本植物和沙棘、沙棗等喬灌木，重新形成適應當?shù)丨h(huán)境的旱生草原植被與荒漠植被群落，改善土壤中微生物的活動、有機質(zhì)的分解、養(yǎng)分的保存和釋放、有害物質(zhì)的積累與消除等，還自然界以平衡的生態(tài)系統(tǒng)［12－13］。

法制建設是搞好一切工作的保障，要依法防止土地荒漠化、沙化，堅決制止各種人為破壞生態(tài)的做法。由于近年來宣傳、教育力度不夠，廣大群眾對土地荒漠化、沙化危害認識不深刻，甚至出現(xiàn)一些抵觸情緒，使預防管護趕不上破壞的速度，一些地方存在著有法不依、執(zhí)法不嚴的現(xiàn)象。鑒于此，今后要在加強綜合治理的同時，加大對水法、草原法、水土保持法、環(huán)境與資源保護法以及與生態(tài)環(huán)境保護有關(guān)的法律法規(guī)的宣傳力度，不斷提高全民的法制意識，依法打擊各種破壞資源與環(huán)境的犯罪行為，形成全社會自覺保護水土資源和生態(tài)環(huán)境的良好氛圍。要努力建設一個合理高效的管理體系，防止在大規(guī)模開發(fā)建設活動中造成新的人為水土流失和生態(tài)環(huán)境的破壞，使土地沙化、荒漠化治理中的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益得到更好的統(tǒng)一［12－13］。

［1］孫劍峰.水土保持與沙塵天氣治理［J］.水利科技與經(jīng)濟，2003，9(3):206 －207.

［2］葉篤正，丑紀范，劉紀遠，等.關(guān)于我國華北沙塵天氣的成因與治理對策［J］.地理學報，2000，55(5):513 －521.

［3］李令軍，高慶生.2000年北京沙塵暴源地解析［J］.環(huán)境科學研究，2000，14(2):1 －3.

［4］劉東生，韓家懋，張德二，等.降塵與人類世沉積——Ⅰ:北京2006年4月16—17日降塵初步分析［J］.第四紀研究，2006，26(4):628 －633.

［5］韓同林，林景星，王永，等.京津地區(qū)“沙塵暴”的性質(zhì)和治理—— 以北京2006年4月16日的塵暴為例［J］.地質(zhì)通報，2007，26(2):117 －127.

［6］張崧，Heller F，靳春勝，等.2006年4月17日北京降塵的粒度分布與磁學特征［J］.第四紀研究，2008，28(2):354－362.

［7］沈承德，丁平，王寧，等.北京降塵宇宙成因核素14C和10Be分布特征——祝賀劉東生先生九十華誕［J］.第四紀研究，2007，27(6):919—921.

［8］顧兆炎，Lal D，郭正堂，等.黃土高原黃土和紅黏土10Be地球化學特征［J］.第四紀研究，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］張崧，劉平，靳春勝，等.2006年4月17日北京特大降塵的地球化學特征［J］.海洋地質(zhì)與第四紀地質(zhì)，2008，28(3):99－102.

［11］張國宏.上海吳淞工業(yè)區(qū)降塵與氣象因子關(guān)系研究［D］.南京:南京信息工程大學，2006.

［12］馬為民，侯秀瑞.河北省沙塵暴與水土流失［J］.水土保持通報，2000，20(6):10 －13.

［13］朱天濤，海艦洋.沙塵暴及在我國的防治［J］.內(nèi)蒙古環(huán)境，2008，20(2):18 －19.