楊立輝，顧李穎，蘇 優(yōu)

（1.安徽師范大學(xué)國土資源與旅游學(xué)院，安徽 蕪湖241003；2.安徽省自然災(zāi)害過程與防控研究省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖241003）

大氣降塵是指自然降落于地表的空氣顆粒物。大氣降塵作為一種物質(zhì)與能量傳輸?shù)闹匾浇?，是氣候變化研究的重要組成部分，其不但可以直接或者間接地對(duì)氣候系統(tǒng)施加影響，而且對(duì)氣候變化的響應(yīng)也極為敏感［1-4］。春季是中國沙塵暴頻發(fā)季節(jié)，沙塵可以被輸送到長江中下游地區(qū)，隨雨水降落地表，形成大氣降塵。統(tǒng)計(jì)顯示，每年由我國西北及內(nèi)蒙古、蒙古國等地的沙塵越過秦嶺抵達(dá)長江中下游地區(qū)所形成的浮塵天氣在5d以上［5］，并且在上海的大氣濕降塵中含有較多來自西北干旱、半干旱區(qū)遠(yuǎn)源輸入的顆粒物［6］。蕪湖位于長江下游地區(qū)，其大氣降塵的來源及其動(dòng)力特征尚未見詳細(xì)報(bào)道。

1 樣品采集和分析方法

1.1 樣品采集

采樣點(diǎn)位于安徽省蕪湖市安徽師范大學(xué)校園內(nèi)，采樣點(diǎn)在距離地面12m高的樓頂，周圍有高層樓房施工，無大型工廠及煙囪。使用乙二醇（C2H6O2）水溶液進(jìn)行濕法收集，乙二醇的加入量為60～80mL，根據(jù)不同季節(jié)的蒸發(fā)量與降水量，酌情加蒸餾水50～200mL。

1.2 分析方法

用美國貝克曼公司生產(chǎn)的LS200激光粒度分析儀測量，測量區(qū)間為0.4～2 000μm。前處理為：將收集到的樣品稱取2～3g放入燒杯內(nèi)，加入10mL濃度為10%的雙氧水（H2O2）煮沸，使其充分反應(yīng)除掉有機(jī)質(zhì)。然后冷卻再加入10mL濃度為10%的鹽酸（HCl）煮沸除掉碳酸鹽，冷卻后再注入蒸餾水靜置24h。用注射器抽出上層蒸餾水，加入10mL濃度為0.05mol／L的六偏磷酸鈉作為分散劑，用超聲波振蕩10min后上機(jī)測量。粒度參數(shù)計(jì)算參考國家海洋局編寫的《海洋地質(zhì)調(diào)查技術(shù)規(guī)范》［7］，規(guī)定粒度參數(shù)的矩法數(shù)學(xué)計(jì)算公式。計(jì)算公式如下：

xi為粒級(jí)組中值（φ），fi為頻率百分?jǐn)?shù)，Mz為平均值，Sd為分選系數(shù)，Sk為偏度，Ku代表尖度。

2 結(jié)果與討論

2.1 降塵的粒度特征

粒度分析結(jié)果見表1。從表1中看出，春夏季大氣降塵以小于50μm為主，除6月份外，都達(dá)到了70%以上。其中10～50μm顆粒含量都在50%左右，與馬蘭黃土、下蜀黃土和宣城網(wǎng)紋紅土較為接近；小于10μm顆粒除4月份外均未超過30%，4月份含量高達(dá)37%，與馬蘭黃土接近；大于50μm顆粒含量較馬蘭黃土、下蜀黃土、宣城網(wǎng)紋紅土高得多，特別是馬蘭黃土、下蜀黃土、宣城網(wǎng)紋紅土幾乎不含大于100μm粒徑的顆粒，而蕪湖大氣降塵中含量較多。

表1 各月粒徑參數(shù)平均值

據(jù)風(fēng)洞研究成果［8］，一個(gè)顆粒被風(fēng)啟動(dòng)后，會(huì)以蠕移、躍移和懸移3種形式移動(dòng)，其中懸移搬運(yùn)距離最遠(yuǎn)。50～10μm是懸移搬運(yùn)的“基本粒組”，主要以短期懸浮形式移動(dòng)，搬運(yùn)距離較短。在中性大氣的中等風(fēng)暴里，20μm的顆粒不可能遷移到離源區(qū)30km以外的地方，而小于10μm的顆粒則可以長期懸浮狀態(tài)被搬運(yùn)到數(shù)千千米之外的其他地區(qū)。

被啟動(dòng)的顆粒在移動(dòng)一定距離后，在合適的條件下發(fā)生沉降。粗?；覊m（約＞20μm）主要通過重力作用或者顆粒與粗糙的、濕性的或帶相反電荷的地表碰撞而被俘獲。細(xì)?；覊m（約＜20μm）主要以2種形式發(fā)生沉降，一是顆粒通過相互碰撞和吸附或者靜電吸附等作用形成大顆粒后通過重力沉降，該形式的主要影響因素是粉塵顆粒在空間的濃度；二是由降水直接把顆粒從大氣懸浮態(tài)中淋洗下來［9］。由于本次實(shí)驗(yàn)樣品采用干法收集，排除降水及地面因素的影響，本次實(shí)驗(yàn)樣品可視為重力沉降灰塵。因此推斷，在蕪湖大氣降塵中占大多數(shù)的大于10μm組分應(yīng)當(dāng)來自蕪湖周邊地區(qū)，在風(fēng)力作用下，通過蠕移、躍移和短期懸移方式移動(dòng)，并在重力作用下沉降；小于10 μm的顆粒其來源與下屬黃土、馬蘭黃土相似，為一種搬運(yùn)距離和搬運(yùn)高度相對(duì)較大的常態(tài)粉塵物質(zhì)；對(duì)于蕪湖4月份大氣降塵中小于10μm顆粒組分的大幅增加，則是因?yàn)榇髿庵?0μm顆粒的濃度增加。在周圍環(huán)境及氣候條件未發(fā)生重大變化的前提下，高濃度的細(xì)粒濃度的增加只能由其他風(fēng)塵源地輸送而來。北方沙塵暴研究表明，4月份為我國沙塵暴高發(fā)月份，北方沙塵有能力通過風(fēng)力到達(dá)長江下游的蕪湖并逐漸沉積。強(qiáng)風(fēng)吹起西部和北部荒漠地區(qū)的沙塵，有時(shí)可進(jìn)入3 500m的高空，達(dá)到西風(fēng)急流帶。在3 500～7 000m高空，西風(fēng)急流在青藏高原以北的一支，從西北沙漠、戈壁地區(qū)偏向東南，攜帶這些高空粉塵向東南搬運(yùn)，并主要在黃土高原一帶（東南邊界最遠(yuǎn)可達(dá)長江下游）飄落下來，形成揚(yáng)沙降塵的天氣現(xiàn)象。張德二等通過對(duì)歷史資料的細(xì)致梳理發(fā)現(xiàn)，歷史時(shí)期中國東部沙塵天氣記錄的南界大致沿長江流域南側(cè)分布，最南位置可達(dá)到23.5°N，北方干旱時(shí)段，沙塵南界在28°N，在濕潤期北移到31°N沿長江一線甚至更北［10］，臺(tái)灣大鬼湖的沉積物中也保留有源自大陸的沙塵記錄［11］。

此外，長江中下游地區(qū)廣泛分布的第四紀(jì)網(wǎng)紋紅土，其成因一直有水成和風(fēng)成之爭，較多的研究支持其風(fēng)成成因并且認(rèn)為其物源區(qū)與北方典型黃土相似，本次研究也佐證了，長江中下游地區(qū)第四紀(jì)網(wǎng)紋紅土風(fēng)成成因的可能性。

平均粒度（Mz）在29.17%～58.85%之間，4月份最小，均大于馬蘭黃土、下蜀黃土、宣城網(wǎng)紋紅土，這一指數(shù)表示樣品平均粒度的大小，反映搬運(yùn)介質(zhì)的平均動(dòng)能；分選系數(shù)（Sd）用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，是分選性的指標(biāo)，用來區(qū)分沉積物顆粒大小的均勻程度，數(shù)據(jù)越小，代表粒度分布越集中，分選越好。蕪湖大氣降塵在1.94%～2.04%之間，馬蘭黃土最高為2.96，反映了馬蘭黃土距離源區(qū)較近，分選較差。下蜀黃土與宣城網(wǎng)紋紅土則與蕪湖大氣降塵較為接近；偏度（Sk）是用來表示沉積物粒度頻率曲線對(duì)稱性的參數(shù)，反映了蕪湖大氣降塵較馬蘭黃土、下蜀黃土、宣城網(wǎng)紋紅土粒度分布更加不對(duì)稱；尖度或峰度（Ku）是刻畫數(shù)據(jù)在平均粒度兩側(cè)集中程度的參數(shù)，蕪湖大氣降塵的峰態(tài)較網(wǎng)紋紅土窄，說明樣品粒度分布集中，也說明至少有一部分沉積顆粒物是未經(jīng)環(huán)境改造而直接進(jìn)入環(huán)境的。

2.2 降塵的粒度頻率分布曲線

粒度模擬研究表明，單峰的頻率曲線通常出現(xiàn)在只有單一碎屑物質(zhì)來源、而且經(jīng)過較長距離搬運(yùn)的沉積物中，多峰及過渡型的粒度分布是由2個(gè)或更多粒度“終極成分分布型”疊加而成［12］。在頻率分布曲線圖（圖1）上，蕪湖大氣降塵，主要呈現(xiàn)多峰分布，其粒度分布第一眾數(shù)不突出、正偏態(tài)、有一較長的細(xì)尾為特征，且粒度集中在粗粒端。這種特征說明粉塵在沉積之前，未經(jīng)過充分混合分選較差。但從頻率曲線不難看出，由眾數(shù)值向兩端粒度變化速度不同。由眾數(shù)值向粗粒端，粒徑迅速減小，曲線平滑而陡峭；由眾數(shù)值向著細(xì)粒端，粒徑的減小速度緩慢。在細(xì)粒部分出現(xiàn)了一個(gè)明顯的平臺(tái)。這可能是大氣降塵中一種常態(tài)化的遠(yuǎn)源高空沉積。比較而言，三、四月份的頻率累計(jì)曲線上，第一眾數(shù)較其他月份小。另外，大氣降塵通常粒徑在350μm以下，而蕪湖市大氣降塵卻包含了小部分的350μm以上的組分，說明人類的生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)大氣降塵有著很重要的影響。

圖1 不同月份之間粒徑頻率分布對(duì)比圖

2.3 粒度結(jié)構(gòu)參數(shù)散點(diǎn)圖

在粒度研究中經(jīng)常采用結(jié)構(gòu)參數(shù)散點(diǎn)圖來區(qū)分不同成因的沉積物以及它們形成或搬運(yùn)時(shí)的不同沉積環(huán)境類型。結(jié)構(gòu)參數(shù)散點(diǎn)圖有平均粒徑對(duì)分選系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差，平均粒徑對(duì)偏度，平均粒徑對(duì)峰態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)偏度，標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)峰態(tài)，偏度對(duì)峰態(tài)等。從蕪湖大氣降塵粒度結(jié)構(gòu)參數(shù)散點(diǎn)圖（圖2）可以看出，4月及部分3、5月份的粒度參數(shù)與其他月份的粒度參數(shù)并有明顯界限，而又與其他月份發(fā)生相對(duì)分離。這說明4月及部分3、5月份的大氣降塵的沉積動(dòng)力類型是一致的，均為粉塵沉積，而4月及部分3、5月份的降塵來源與其他月份有差異。

圖2 蕪湖市大氣降塵粒度結(jié)構(gòu)參數(shù)散點(diǎn)圖

3 結(jié)論

綜上所述，研究區(qū)域的大氣降塵粒度變化規(guī)律及環(huán)境意義可概括為：

（1）以4月份為代表的春季大氣降塵的粒度組成特征與其他月份有顯著差異，表現(xiàn)為細(xì)粒組分的突然增加及粒度結(jié)構(gòu)散點(diǎn)圖的分離。究其原因，可能為北方沙塵天氣下，揚(yáng)塵中的細(xì)粒組分通過西風(fēng)急流被輸送到遠(yuǎn)在長江下游地區(qū)的蕪湖，導(dǎo)致蕪湖大氣中粒徑＜20μm灰塵顆粒含量增加，由布朗運(yùn)動(dòng)、層流剪切、紊流運(yùn)動(dòng)或通過雙極性靜電荷出現(xiàn)而發(fā)生碰撞和聚合而被沉積。

（2）蕪湖大氣降塵中以本地塵源為主。表現(xiàn)為粗粒徑含量多，分選差，其中躍移或短時(shí)懸?。?0μm顆粒物占到了總含量的46.74%～78.31%，除4月份外，均超過50%。

（3）蕪湖大氣降塵的粒度中粗粒含量較高。大氣降塵通常粒徑在350μm以下，而蕪湖市大氣降塵卻包含了小部分的350μm以上的組分，說明人類的生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)大氣降塵有著很重要的影響。

［1］Arimoto R.Eolian Dust and Climate：Relationships to Sources，Tropospheric Chemistry，Transport and Depositon［J］.Earth Science Reviews，2001，54（1）：29-42.

［2］Kohfeld K E，Harrison S P.DIRTMAP：The Geological Record of Dust［J］.Earth-Science Reviews，2001，54（1）：81-114.

［3］Jickells T D，An Z S，Andersen KK，et al.Global Iron Connections between Desert Dust，Ocean Biogeochemistry，and Climate［J］.Science，2005，308（5718）：67-71.

［4］Maher B A，Prospero J M，Mackie D，et al.Globle Connections between Aeolian Dust，Climate and Ocean Biogeochemistry at the Present Day and at the Last Glacial Maximum［J］.Earth-Science Reviews，2010（99）：61-97.

［6］錢廣強(qiáng)，董治寶.大氣降塵收集方法及相關(guān)問題研究［J］.中國沙漠，2004，24（6）：779-82.

［5］師育新，戴雪榮，宋之光，等.上海春季沙塵與非沙塵天氣大氣顆粒物粒度組成與礦物成分［J］.中國沙漠，2006，26（5）：780-785.

［7］國家海洋局908專項(xiàng)辦公室.海洋底質(zhì)調(diào)查技術(shù)規(guī)范［M］.北京：海洋出版社，2006.

［8］劉東生.黃土與環(huán)境［M］.北京：科學(xué)出版社，1985.

［9］Pye K.Aeolian Dust and Dust Deposits［M］.Academic Press，1987.

［10］張德二，孫霞.我國歷史時(shí)期降塵記錄南界的變動(dòng)及其對(duì)北方干旱氣候的推斷［J］.第四紀(jì)研究，2001，21（1）：1-8.

［11］陳鎮(zhèn)東.中國臺(tái)灣大鬼湖沉積物所保留之降塵記錄［J］.第四紀(jì)研究，2001，21（1）：18-28.

［12］Syvitski J P M.Factor Analysis of Size Frequency Distributions.In：Syvitski J PM，ed.Principle，Methods，and Application of Particle Size Analysis［M］.Cambridge：Cambridge University Press，1991.