鄢雪英，丁建麗，李 鑫，張 喆，馬爾哈巴，曾小箕，王 剛

新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046

艾比湖濕地退化對鹽塵暴發(fā)生及運(yùn)移路徑的影響

鄢雪英，丁建麗*，李 鑫，張 喆，馬爾哈巴，曾小箕，王 剛

新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046

新疆艾比湖濕地內(nèi)間歇性裸露的干涸湖底加重了周圍區(qū)域的鹽漬化程度，為鹽塵暴的發(fā)生發(fā)展提供了粉塵物質(zhì)來源。鹽堿粉末在風(fēng)力作用下以顆粒物的形式懸浮在空中并向周圍擴(kuò)散，嚴(yán)重危害周邊區(qū)域的生態(tài)安全和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。本文選擇研究區(qū)三期遙感影像，結(jié)合同期野外實(shí)測大氣降塵及地表土壤采樣數(shù)據(jù)，剖析區(qū)域土壤鹽漬化與鹽塵暴發(fā)生作用機(jī)制，探討艾比湖濕地退化引發(fā)的鹽塵暴在傳輸、沉降過程中對源地及途經(jīng)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境的影響，進(jìn)而對鹽塵暴的運(yùn)移路徑進(jìn)行模擬預(yù)測。有關(guān)成果對于揭示該區(qū)域獨(dú)特的鹽塵暴發(fā)生及作用機(jī)制問題具有重要作用。

鹽塵暴；鹽漬化；大氣降塵；運(yùn)移軌跡；艾比湖

湖泊濕地是介于水生生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)的過渡區(qū)域，是人類最重要的生存環(huán)境之一[1- 2]，尤其在西北干旱、半干旱地區(qū)，湖泊濕地不僅對生態(tài)環(huán)境的好壞進(jìn)行反饋，還可促進(jìn)人與自然相互作用，維持區(qū)域的生態(tài)、環(huán)境平衡[3- 4]。隨著氣候條件的變化及人類活動的影響，部分地表水被攔截用于農(nóng)業(yè)灌溉，入湖水量減少，湖泊濕地面積逐漸減少，湖底大范圍漸漸干枯，湖水礦化度逐漸提高，地下水中的可溶鹽隨蒸散作用移至地表，間歇性裸露湖底逐漸形成，加劇了土壤鹽漬化的形成，威脅區(qū)域資源環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[5- 7]。同時，干涸湖底的鹽堿顆粒經(jīng)過反復(fù)的凍結(jié)融化，再經(jīng)過風(fēng)力侵蝕作用，為鹽堿塵的發(fā)展、變化供給種類多、數(shù)量大的粉塵物質(zhì)來源，而逐漸積累在一起的鹽堿風(fēng)蝕物成為鹽塵暴發(fā)生的源頭。鹽塵暴的頻發(fā)及其尺度的不斷擴(kuò)展，不但影響空氣質(zhì)量，同時也給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來極大隱患，被認(rèn)為是“全球僅次于切爾諾貝利核泄漏的生態(tài)災(zāi)害”[8- 10]。

近年來鹽塵暴災(zāi)害受到了廣泛的關(guān)注。一些專家學(xué)者從不同角度對鹽塵暴源地及其鹽堿化過程做了深刻研究：吉力力·阿不都外力對艾比湖地區(qū)的土壤進(jìn)行取樣分析，歸納了鹽塵的形成、分布和災(zāi)害范圍[11- 12]；劉東偉對干涸湖底的最上層沉積物的化學(xué)組成及風(fēng)蝕動態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)研究[13- 14]；劉艷菊對北京地區(qū)降塵的水溶鹽含量、酸堿度等實(shí)地調(diào)查、實(shí)驗(yàn)，推測出干鹽湖是北京、天津等地塵暴的源區(qū)[15]；張興贏對北京地區(qū)鹽塵的單顆粒和XPS表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行論證，證明了北京也處于鹽塵暴的受害范圍[16]。目前對鹽塵暴的發(fā)生、發(fā)展及擴(kuò)散沉積等方面的研究，不僅靠地面觀測站，還應(yīng)結(jié)合遙感及其他先進(jìn)技術(shù)[17]。遙感技術(shù)不僅可以彌補(bǔ)地面觀測數(shù)據(jù)的不足，同時還可與地面觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行精度上的相互驗(yàn)證，這些信息一方面可為防災(zāi)、減災(zāi)提供及時的信息服務(wù)，另一方面也可為研究鹽塵暴的社會、生態(tài)效應(yīng)提供必要的數(shù)據(jù)，為全面認(rèn)識鹽塵暴的發(fā)生機(jī)理及防治提供科學(xué)參考。

鹽塵暴的形成、發(fā)展、擴(kuò)散牽涉到眾多因素，而下墊面是主要的誘導(dǎo)因素之一[11- 18]，同時隨著地表鹽塵輸入大氣，短時間內(nèi)改變大氣組成及質(zhì)量，所以鹽塵暴的災(zāi)害研究應(yīng)將地表和大氣綜合研究。因此，本文以艾比湖濕地所在的新疆博爾塔拉蒙古自治州(以下簡稱博州)為研究區(qū)，通過對該地區(qū)2013年春、夏、秋3個季度的遙感影像進(jìn)行解譯，結(jié)合野外實(shí)測大氣降塵及地表土壤采樣數(shù)據(jù)，試圖剖析鹽漬化土地的季節(jié)性變化，分析鹽塵暴的發(fā)生對大氣降塵的干擾作用，并對鹽塵暴的運(yùn)移路徑進(jìn)行預(yù)測，加深對鹽塵暴災(zāi)害的認(rèn)識。以期對該地區(qū)制定鹽塵暴災(zāi)害防治規(guī)劃，避免或減輕災(zāi)害的影響起到積極地推動作用，為博州地區(qū)生態(tài)環(huán)境及社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

艾比湖為淺水型平原湖泊，平均水面海拔高度195 m，是準(zhǔn)噶爾盆地的最低洼地[19]。艾比湖三面環(huán)山，東北部敞開與古爾班通古特沙漠相連，西北部處在北疆氣流入口之一——阿拉山口風(fēng)口處，湖床平坦，湖面寬闊，湖岸植被稀少，地廣人稀，在水文過程、強(qiáng)氣流過程和人類活動的綜合作用下，使艾比湖成為下風(fēng)向眾多地區(qū)鹽塵暴災(zāi)害的根源[14]。作為準(zhǔn)噶爾盆地西南部的水鹽匯集中心，艾比湖干涸湖底的鹽漠粉塵受阿拉山口大風(fēng)作用，向東南快速擴(kuò)展，沿天山北坡直逼烏魯木齊及以更遠(yuǎn)地區(qū)，并影響到中國北方其他省區(qū)[11]。

博州在行政區(qū)劃上地跨博州精河縣、博樂市、溫泉縣和阿拉山口，處于中國-哈薩克斯坦邊境，是我國西部邊陲的咽喉要沖。介于82°36′ E—83°50′ E和44°37′ N—45°15′ N之間。研究區(qū)遠(yuǎn)離海洋，屬典型的溫帶干旱大陸性氣候。光熱資源充沛，降水稀少，蒸發(fā)旺盛，空氣干燥，多大風(fēng)天氣。多年平均降水量約100 mm，年平均蒸發(fā)量為3421.3 mm，年平均氣溫為8.3 ℃，≥8級大風(fēng)日數(shù)為164 d[3]。該地區(qū)干旱、大風(fēng)的地理環(huán)境、寬淺的湖盆形態(tài)及有限河流補(bǔ)給水量，再加上人類對自然不斷加強(qiáng)的干擾，使得土壤鹽漬化過程日益加劇，嚴(yán)重危害了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟(jì)活動[5]。

圖1 采樣區(qū)位置及樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Location of sampling area and sampling points

2 數(shù)據(jù)源與研究方法

2.1 樣品采集與測定

本研究于2013年5月及10月在整個博州地區(qū)采集了42個具有代表性的地表土壤樣品(圖1)，包括山地、耕地、草地、荒漠、鹽堿地、沙地等不同土壤類型，并分3層取樣(0—10 cm、10—30 cm、30—50 cm)。9—12月在博州鹽塵暴源區(qū)對大氣降塵進(jìn)行采集(圖1)，采樣裝置共計(jì)22 個，采樣點(diǎn)為20 個，剩余2 個點(diǎn)用作不同高度的對比試驗(yàn)點(diǎn)。采樣點(diǎn)覆蓋了不同土壤類型及植被蓋度的鹽漬化區(qū)、綠洲、山體周圍、鹽場、胡楊林及梭梭保護(hù)區(qū)等，并均勻的分布于相對高度基本一致(約10 m)的管護(hù)站的瞭望塔、閑置屋頂?shù)鹊亍?/p>

實(shí)驗(yàn)室對采集的土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干、研磨、溶解等多個步驟，裝入容器待用。降塵樣品在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)不研磨，用不同粒徑的篩子篩選，并分別稱重。土樣制備均采用5∶1 水土比進(jìn)行抽濾浸提，并參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》測定樣品的含鹽量，用EC200 型電導(dǎo)儀測定浸提液 25 ℃時的土壤電導(dǎo)率，用pH電極進(jìn)行浸提液pH值測定。

2.2 決策樹分類方法及指標(biāo)的選取

文中采用的影像數(shù)據(jù)包括2013年5、8、10月的3期MODIS影像，空間分辨率為1000 m。影像全部經(jīng)過輻射校正、幾何校正、去條帶、大氣校正等預(yù)處理。

鹽漬化分類方法采用經(jīng)典的決策樹分類法，它是遙感圖像分類系統(tǒng)中的一種分層次識別、管理系統(tǒng)，它不需要完全依賴于解譯人員的先驗(yàn)知識，其進(jìn)行專題信息提取的關(guān)鍵是合理、恰當(dāng)?shù)倪x取特征變量，通過篩選的特征變量從原始影像中分離并掩膜作為一個圖層或樹枝，逐層次處理影像，使篩選之后的枝葉最終復(fù)合所有的圖以實(shí)現(xiàn)影像的自動分類[20- 22]。其訓(xùn)練樣本量少、篩選速度快、易于操作，尤其是分類精度較高，所以在遙感影像分類和專題信息提取中已有廣泛的應(yīng)用。

本文所選研究區(qū)植被稀疏、破碎化程度高，在前人研究的基礎(chǔ)上，本文綜合考慮選擇了反映土地自然屬性的歸一化差異植被指數(shù)(NDVI)、可以較好地區(qū)分水域與其他地物的改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)、歸一化建筑指數(shù)(NDBI)[23]、反映土地物理屬性的反照率[24- 25]和土壤鹽分指數(shù)(SI[7- 8])共5 個指標(biāo)進(jìn)行反演。對反演得到的單個指標(biāo)和多個指標(biāo)進(jìn)行不同的組合，借助ENVI4.8遙感影像處理軟件的Decision tree模塊建立提取鹽漬化土地信息決策樹。

(1)歸一化差異植被指數(shù)(NDVI)

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

(2)改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)可以消除地形差異的影響[2]:

MNDWI=(Green-MIR)/(Green+MIR)

(2)

(3)歸一化建筑指數(shù)(NDBI)可以較為準(zhǔn)確的反映建筑用地信息[23]：

NDBI=(MIR-NIR)/(MIR+NIR)

(3)

(4)土壤鹽分指數(shù)(SI)[7- 8]

(4)

(5)反照率(Albedo)是地表能量平衡的重要參數(shù)[24- 25]，方程為：

Albedo=0.331R+0.424B+0.246Green

(5)

式中,B表示藍(lán)光波段，R表示可見光波段，Green表示可見光波段，NIR表示近紅外波段，MIR表示中紅外波段，L表示土壤調(diào)節(jié)參數(shù)值為1。

《新疆縣級鹽堿地改良利用規(guī)劃工作大綱》是本研究主要參考的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合研究區(qū)的景觀特點(diǎn)和鹽漬化土壤的實(shí)際狀況以及研究需要，將鹽漬化土地劃分為輕度、中度、重度鹽漬化[7- 8,26]。由決策樹得到的鹽漬化土地信息提取結(jié)果，經(jīng)Majority/Minority分析、聚類和過濾處理，對其中錯誤分類的類別進(jìn)行人工修正，提高分類精度。同時借助ENVI4.8遙感圖像處理軟件得到研究區(qū)鹽漬化程度面積圖。

2.3 運(yùn)移軌跡模型

拉格朗日混合單粒子軌道模型(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model，即HYSPLIT模型)，是一種用于計(jì)算和分析、模擬污染物產(chǎn)生、傳播、輸送、擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模型[27- 28]。該模型可以獨(dú)自應(yīng)用于較為完整的輸送、擴(kuò)散和沉降模式，可以處理包括多種氣象要素組成的復(fù)雜系統(tǒng)、多種物理變化過程和不同類型污染物排放功能，已經(jīng)被成功的、廣泛地應(yīng)用在各個地區(qū)的研究中[29- 30]。本文用該模型模擬鹽塵暴正向軌跡步驟主要包括：(1)確定起始地點(diǎn)的初始經(jīng)緯度信息；(2)確定模擬的起始時刻：本文模擬了大氣降塵收集月(9—12月)內(nèi)的日期進(jìn)行軌跡；(3)確定模擬運(yùn)行時間：從初始時刻開始的120 h；(4)選擇垂直運(yùn)動的方式為3個高度，1000、1500、2000 m，還采用氣象局模型的垂直速度場數(shù)據(jù)，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)，最后形成模擬軌跡。

3 結(jié)果與分析

為了對艾比湖濕地退化引起的干涸湖底鹽漠化對周邊生態(tài)環(huán)境的影響進(jìn)行深入的研究，本文將研究重點(diǎn)放在源區(qū)地表鹽漬化分布狀況、大氣降塵的鹽分含量及降塵運(yùn)移規(guī)律3方面。

3.1 鹽漬化動態(tài)變化監(jiān)測分析

3.1.1 2013年5月、8月、10月鹽漬化空間分布規(guī)律

鹽漬化是限制、約束干旱區(qū)綠洲農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，鹽漬化程度是否會隨季節(jié)變化而緩慢變化，本文將博州2013年5 月、8 月、10 月的鹽漬化劃分3 個等級并對比季節(jié)性差異?？梢钥闯觯芯繀^(qū)被不同程度的鹽漬化土壤所覆蓋(圖2)，以東北部的艾比湖為中心，環(huán)湖周邊鹽漬化最為嚴(yán)重，3 個季節(jié)中幾乎被重度鹽漬化完全包圍，從湖邊擴(kuò)展至外圍時鹽漬化程度逐漸減弱；中度鹽漬化多集中在博樂綠洲，與綠洲農(nóng)田及村莊交叉、錯雜的分布且向周圍區(qū)域延伸、擴(kuò)展；在北部的阿拉套山沿線、南部的賽里木湖、天山山脈沿線鹽漬化程度相對較輕而且植被生長茂盛，賽里木湖四周3 個季節(jié)中幾乎未出現(xiàn)鹽漬化；同時大部分中度鹽漬化有逐漸過渡為重度鹽漬化的趨勢，從8 月及10 月的鹽漬化分級圖還可看出，離艾比湖越近，重度鹽漬化面積的增長趨勢越明顯。

圖2 博州土壤鹽漬化分級圖Fig.2 Classification of soil salinization in Boertala

由表1可以看出，鹽漬化土地面積隨著季節(jié)變化較為明顯。5 月鹽漬化土地面積達(dá)22.312 km2，占總面積的85.82%，不同等級的鹽漬化界限明顯，其中重度鹽漬化土地面積占30.91%。8 月綠洲面積明顯增多，結(jié)合圖2可得,以博樂綠洲為中心，8 月的植被覆蓋依次向外呈現(xiàn)增加的趨勢，原有的中度鹽漬化土地被植被逐漸代替，綠洲-山體過渡帶、植被-植被覆蓋區(qū)，主要以輕度鹽漬化為主，占鹽漬化土地總面積的27.45%。艾比湖外部仍呈現(xiàn)出大面積重度鹽漬化連續(xù)分布的情形，但其面積相對于5月已明顯減少至17.37%。植被覆蓋度在10月逐漸減弱，水體面積增加，鹽漬化土地總面積減至18.499 km2，且鹽漬化土地以輕度和中度為主，占研究區(qū)鹽漬化土地的23.99%、26.66%。8—10月間博樂市內(nèi)的植被凋零后，地表土壤演化為請度鹽漬化，而且研究區(qū)鹽漬化程度遷移過程中有集中面積、減弱程度的趨勢。

3.1.2 2013年5—10月鹽漬化土地動態(tài)變化及成因

從圖3可以看出，在5—8月間研究區(qū)輕度鹽漬化、中度鹽漬化、重度鹽漬化面積分別減少了1.96%，5.72%和14.6%，鹽漬化總面積減少了5.113 km2。8—10月間中輕度鹽漬化減少了1.387 km2，輕度鹽漬化增加了0.901 km2、重度鹽漬化區(qū)增加了0.814 km2，動態(tài)度分別為-6.31%、12.51%、9.01%，鹽漬化總面積增加1.3 km2。總體可知，5—10月研究區(qū)鹽漬化土地變化規(guī)律為總面積先減少后增加，總趨勢呈減少狀態(tài)，且鹽漬化程度有減輕的趨勢，在植被覆蓋較高的綠洲內(nèi)部尤為明顯。

表1 鹽漬化土地面積提取

圖3 2013年5—10月鹽漬化土地動態(tài)變化 Fig.3 Dynamic change of soil salinization from May to October in 2013

在鹽漬化土壤逐漸演變的過程中，艾比湖的湖面積季節(jié)演變及植被覆蓋度的變化起到一定的輔助作用。(1)3—5月是鹽塵暴最活躍的集中期，這不但取決于風(fēng)速和風(fēng)向以及大風(fēng)的持續(xù)時間，而且與地表干燥、植被稀疏等因素也有關(guān)系。春季，艾比湖四周主要以檉柳、胡楊等多年生樹種圍繞，其枝葉細(xì)小，擋風(fēng)能力瘦弱，再加上解凍的土質(zhì)極為疏松，在阿拉山口強(qiáng)風(fēng)的吹蝕下，沒有經(jīng)受阻擋的遭受風(fēng)蝕，鹽堿粉塵隨風(fēng)大范圍的擴(kuò)散，使鹽塵暴發(fā)生的頻率和強(qiáng)度大為增加。(2)春末夏初，隨著融雪水逐漸匯集注入艾比湖，艾比湖濕地面積逐漸的增加，局部地下水位較高或淺水洼地伴生蘆葦、白刺等分布的濕地景觀，羅布麻、狗牙根等一年生植被逐漸開始生長，植被覆蓋度大約在50%—80%，植被的生長變化和周圍環(huán)境及地表土壤緊密相關(guān)，而且對大風(fēng)還有一定的抵抗能力。因此，6—8月地面保潮、保土性較好，風(fēng)蝕作用較弱，鹽漬化程度有所緩解，特別是風(fēng)蝕作用的危害有所降低，鹽塵暴發(fā)生率低。但植被覆蓋度較高的區(qū)域又受到放牧人的超載放牧，過重地、大量的牲畜多次反復(fù)地踐踏，被強(qiáng)度啃食的土地表層又一次被迫加劇了土壤風(fēng)蝕，直接導(dǎo)致局部地區(qū)的鹽漬化的加重。(3)秋季，大風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)和持續(xù)時間有所增加，但特大風(fēng)的出現(xiàn)次數(shù)和持續(xù)時間很少。伴隨著干燥氣候的強(qiáng)烈蒸發(fā)，湖水面積逐漸萎縮，湖濱氣候進(jìn)一步變干，變燥，湖西北和東南兩端干枯的鹽結(jié)皮層構(gòu)成裸露的湖底，各類鹽漬化土壤逐漸演變?yōu)橄鄳?yīng)的沼澤鹽土、草甸鹽土、胡楊林鹽土等。同時，9—11月植被生長期過后，逐漸的萎蔫，綠色屏障衰退，阻擋大風(fēng)的能力逐漸減弱，土壤含鹽量不斷上升、地下水位下降，原來的濕地景觀演變?yōu)辂}漠景觀，強(qiáng)烈制約生物生產(chǎn)量，降低生物種群和生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，進(jìn)一步對區(qū)域植被退化、土壤環(huán)境、區(qū)域景觀等一系列生態(tài)環(huán)境問題產(chǎn)生影響，對于周圍及整個博州的鹽漬化分布及鹽塵暴的發(fā)生具有控制、導(dǎo)向作用。

綜上所述，鹽漬化土地動態(tài)變化與鹽塵暴的發(fā)生具有季節(jié)變化的一致性，變化過程受湖水面積和植被覆蓋的制約，同時人類活動對于鹽漬化土壤具有一定的干擾、控制作用。因此，鹽漬化土壤鹽分堆積動態(tài)與艾比湖地區(qū)鹽塵暴隨季節(jié)的變化相一致，呈現(xiàn)雙峰狀態(tài)，春、秋兩季是高發(fā)期，春季最強(qiáng)、秋季次之，冬、夏風(fēng)力強(qiáng)度和大風(fēng)頻次減緩，鹽塵暴發(fā)生率較低。

3.2 樣品采集分析

博州地區(qū)大的地貌格局為三面環(huán)山和盆地，地貌類型多樣，由高而低依次有山地丘陵、山前沖積平原、細(xì)土平原、湖積平原。山地最高峰與盆地沉降中心的艾比湖，湖面高差5311 m，為了對博州表層土壤的鹽分含量進(jìn)行分析，如圖1所示將研究區(qū)42個采樣點(diǎn)的分布劃分為A、B、C、D四個分區(qū)。土壤鹽分在水平方向的不同景觀類型和垂直方向的差異均比較大，經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析各類型沉積物0—10 cm層鹽分含量明顯高于10—30 cm層，說明鹽分在該區(qū)域具有表層聚積的特征。艾比湖湖面萎縮后，裸露的干涸湖底在強(qiáng)烈蒸發(fā)作用下，鹽分離子會隨著水分的不斷向上蒸發(fā)而被帶至地表聚集，地下鹽水的溶解質(zhì)移至地表，在湖底表層聚集，出現(xiàn)鹽分表聚現(xiàn)象。而且不同景觀類型所處的地理位置，其沉積物的防風(fēng)、抗蝕能力也不一樣，最終多方面的因素共同導(dǎo)致干涸湖底不同景觀類型下含鹽量的不同。

3.2.1 大氣降塵分布規(guī)律

本研究以自然沉降的方式對降塵樣品進(jìn)行分析。由實(shí)驗(yàn)可得，沿湖中心向湖底周邊，降塵顆粒的分選性較好，組成物質(zhì)以細(xì)砂、粉沙和含沙粘土等細(xì)粒物質(zhì)為主，多處收集到磨圓度較好的沙粘土顆粒物質(zhì)，礫石很少，而且同一段時間、同一高度、同一風(fēng)向上的降塵量分布極為不均并呈現(xiàn)一定的規(guī)律：(1)降塵顆粒物的粒度構(gòu)成與大氣搬運(yùn)時的動力環(huán)境密切相關(guān)。距鹽塵源區(qū)越近，降塵的平均粒徑就越大。參考圖1位置，處在艾比湖北側(cè)的荒漠地帶(1—3號點(diǎn))，地表顆粒物以礫石為主，不易被大風(fēng)吹起，月平均降塵量23.75 g。4—5號點(diǎn)位于阿拉山口的主風(fēng)向，受大風(fēng)影響，降塵量較為稀少；(2)由于綠洲內(nèi)部下墊面多樣，鹽塵氣流經(jīng)過該區(qū)域時，會對氣流產(chǎn)生阻隔作用，降低風(fēng)速，并將部分鹽塵攔截至地表，綠洲中心的鹽塵濃度最低。6—9號點(diǎn)處于艾比湖西南部綠洲——湖泊過渡帶，亦為西北部干涸湖底的下風(fēng)口，受農(nóng)田防護(hù)林的阻擋，湖底吹蝕的鹽末在采樣點(diǎn)上空降落，降塵量相對較多，為38.23 g；(3)在綠洲外圍，阿拉山口上風(fēng)向沉積物少，加之博州盛行西風(fēng)，擴(kuò)散通道逐漸變寬，降塵成分易受下墊面的影響。13—17號點(diǎn)均處在艾比湖的下風(fēng)向，降塵幾乎均為是鹽粒，14號點(diǎn)處在精河鹽場的主導(dǎo)風(fēng)向下，月平均降塵量高達(dá)55.58 g。

圖4 大氣降塵數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析圖Fig.4 Analysis of atmospheric dust by statistical data

3.2.2 大氣降塵化學(xué)性質(zhì)分析

在風(fēng)蝕的長期作用下，受風(fēng)力、沉積和耕作制度的影響，風(fēng)蝕起塵所導(dǎo)致的懸浮在空氣中的顆粒物會重新分布，艾比湖沿岸區(qū)域土壤的鹽堿化程度、物理化學(xué)性質(zhì)和景觀特征發(fā)生了很大變化。因此將大氣降塵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與采樣點(diǎn)地理位置相結(jié)合，有助于綜合分析鹽分離子的分散堆積。由圖4可知采樣點(diǎn)降塵的pH值均在7以上，最大值高達(dá)9.57，表明該地區(qū)土壤鹽漬化較為普遍，部分地區(qū)堿性較大；由大氣降塵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，大氣降塵中的鹽分含量，根據(jù)粉塵源區(qū)的遠(yuǎn)近變化而發(fā)生變化，并且最高值出現(xiàn)在艾比湖南部的精河縣鹽場附近，繼續(xù)向東南方向粉塵的含鹽量逐漸減少。精河鹽場有鹽殼的地面鹽殼厚度>20 cm，凹凸不平，地表光禿裸露，寸草不生，風(fēng)蝕作用非常強(qiáng)烈，是艾比湖地區(qū)鹽塵暴的重要發(fā)源地。由于研究區(qū)地表土壤含鹽量與大氣降塵含鹽量均較高，本文試圖探究地表土壤含鹽量與大氣降塵的含鹽量的是否存在相關(guān)性，因此結(jié)合二者進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果表明二者具有很強(qiáng)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.784，由此可推斷出該地區(qū)大氣降塵的大部分鹽分顆粒物源于艾比湖的干涸湖底及鹽漬化區(qū)域。

根據(jù)鹽塵的擴(kuò)散強(qiáng)度、活動特點(diǎn)及其對土壤鹽分及地表景觀變化的影響強(qiáng)度，可以發(fā)現(xiàn)艾比湖地區(qū)鹽塵危害的影響范圍主要位于艾比湖南緣溫泉至沙灣一帶的天山北麓地區(qū)。從阿拉山口吹來的西北風(fēng)經(jīng)艾比湖干涸湖底后，攜塵氣流直逼精河，大風(fēng)被山體阻擋后又分為 2 支，一支沿天山北坡向西，影響博樂市及附近團(tuán)場。另一支吹向東北方向，影響烏蘇、沙灣等地區(qū)。緊靠艾比湖的精河，是鹽塵暴發(fā)生日數(shù)的高值區(qū)，一直延伸到天山北坡的廣大區(qū)域.。

3.3 鹽塵擴(kuò)散軌跡模擬

圖5為9月、10月、11月、12月的向后5天的模擬軌跡圖。綠色、藍(lán)色和紅色分別代表1000、1500 m及2000 m高度的軌跡。通過對9月軌跡的模擬顯示，3個不同高度的運(yùn)移路徑基本相同，均向甘肅、內(nèi)蒙古、博州、黑龍江等地移動；10月軌跡的模擬顯示，1000 m高度向博州東南部運(yùn)移，影響到精河縣、烏蘇市、奎屯市、烏魯木齊市等區(qū)域。1500 m及2000 m高度向博州北部的阿勒泰地區(qū)、蒙古等區(qū)域運(yùn)移；11月軌跡模擬顯示幾乎與10月的運(yùn)移規(guī)律相同，低空1000 m高度仍向博州東南部運(yùn)移，2000 m高度向博州北部的阿勒泰地區(qū)、蒙古等區(qū)域運(yùn)移；12月軌跡模擬顯示，1000 m高度主要在博州四周活動，1500、2000 m的向博州北部的阿勒泰地區(qū)、蒙古等區(qū)域運(yùn)移，在黑龍江等地又返回中國境內(nèi)。

從圖1的研究區(qū)概況圖中可以看出，博州是夾在西北部的阿拉套山和南部的天山山脈之間，在北部還有著名的阿拉山口大風(fēng)口，而東北部是準(zhǔn)噶爾盆地、古爾班通古特沙漠。當(dāng)鹽塵暴發(fā)生時，博州周圍地勢相對較高的山脈阻擋了鹽塵，使鹽塵粒子無法翻越天山山脈影響新疆南部的南疆，而艾比湖所處的位置地勢相對更低，向東南傾斜，艾比湖的存在對于阿拉山口就像一個通道，使西北或北部來的鹽堿粉塵及干涸湖底的富鹽沉積物從此流過，向四周更快速的繼續(xù)蔓延。從圖5中還可以看到鹽塵穿過博州后由于沒有較高山脈的阻擋，同時還有來自于古爾班通古特沙漠的沙塵補(bǔ)給，順著風(fēng)向朝東北方向運(yùn)移，到了內(nèi)蒙古甚至到了黑龍江。

博州地區(qū)的地形及地表下墊面的變化對鹽塵暴的運(yùn)移路徑有很大的影響，而且，阿拉山口和艾比湖的相對位置對鹽塵暴天氣的產(chǎn)生和運(yùn)移起到了推波助瀾的作用，一旦有西北氣流，不僅博州受本地的鹽塵的影響，大風(fēng)還會帶著鹽塵越過艾比湖沿天山北坡直逼烏魯木齊及更遠(yuǎn)地區(qū)，在移動過程中還會有補(bǔ)給的沙塵，嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟(jì)活動。

結(jié)合上文中研究區(qū)鹽漬化的分布狀況、大氣降塵的分布規(guī)律及4個月的運(yùn)移軌跡，得出博州地區(qū)鹽塵暴天氣過程其移動路徑主要分為：

(1)北路：博州→阿勒泰地區(qū)→甘肅地區(qū)→內(nèi)蒙古地區(qū)→蒙古地區(qū)→黑龍江地區(qū)

(2)東南路：博州本地(精河縣、博樂市、溫泉縣、阿拉山口市)→烏蘇市→奎屯市→烏魯木齊市→庫爾勒→吐魯番地區(qū)→哈密地區(qū)。

圖5 2013年9—12月艾比湖鹽塵擴(kuò)散軌跡模擬圖Fig.5 Trajectory simulation of salt dust diffusion from September to December in 2013

4 結(jié)論與討論

研究區(qū)大面積間歇性裸露的干涸湖底加重了周圍區(qū)域的鹽漬化程度，干枯的松散、粗糙的干涸湖底結(jié)皮層及周邊的鹽漬化地，是鹽塵暴粉塵的主要來源。在風(fēng)力侵蝕作用下，鹽堿粉末造成區(qū)域內(nèi)大面積農(nóng)作物及植被群落遭受不同程度的破壞，致使區(qū)域降塵成分、湖泊周邊的土壤環(huán)境及地區(qū)景觀發(fā)生了變化。本文對博州3個季度的土壤鹽漬化程度及分布狀態(tài)、地表土壤及大氣降塵的采樣數(shù)據(jù)相結(jié)合，分析了大氣降塵的來源，同時應(yīng)用HYSPLIT模型研究鹽塵暴的運(yùn)移路徑，三者結(jié)合，綜合分析濕地退化所引起的干涸湖底鹽漠化對周邊生態(tài)環(huán)境的影響，得出以下結(jié)論：

(1)研究區(qū)幾乎被不同程度的鹽漬化土壤所覆蓋，且鹽漬化土地分布較為集中，以艾比湖為中心，依次向外圍逐漸減弱，而且鹽漬化土地會隨著季節(jié)的變化發(fā)生變化。

(2)實(shí)測的大氣降塵數(shù)據(jù)與地表土壤數(shù)據(jù)相結(jié)合分析時顯示，兩者具有很高的相關(guān)性，表明該地區(qū)大氣降塵的大部分鹽分顆粒物源于艾比湖的干涸湖底及周邊鹽漬化區(qū)域。

(3)綜合艾比湖下墊面條件及大氣降塵組分，運(yùn)用HYSPLIT模型模擬研究區(qū)的4個月的運(yùn)移軌跡，推斷出博州地區(qū)鹽塵暴天氣的2條運(yùn)移路徑。

艾比湖三面環(huán)山，同時地表鹽塵物質(zhì)較為豐富，再加上阿拉山口的多風(fēng)天氣，使得博州地區(qū)鹽塵暴的發(fā)生發(fā)展具有諸多誘發(fā)因素，加之不合理的人類活動等，最終導(dǎo)致鹽塵暴災(zāi)害頻發(fā)。因此，對該地區(qū)的鹽塵暴進(jìn)行治理，不僅要加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境建設(shè)，其周邊區(qū)域的生態(tài)工程也不容忽視。應(yīng)當(dāng)從生物、化學(xué)以及水利工程等多方面對鹽漬土進(jìn)行綜合治理，同時適度調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，處理好水資源的分配問題，維持該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

[1] 田遼西, 巴建文, 趙軍堂, 畢建龍, 趙榮昌. 濕地土壤鹽漬化控制因素分析——以張掖市城北郊濕地為例. 地下水, 2010, 32(1): 27- 29.

[2] 曾曉玲, 劉彤, 張衛(wèi)賓, 孫欽明, 沈雪瑩, 司朗明. 古爾班通古特沙漠西部地下水位和水質(zhì)變化對植被的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 32(5): 1490- 1501.

[3] 謝霞, 王宏衛(wèi), 塔西甫拉提·特依拜. 基于RS和GIS的艾比湖區(qū)域景觀格局動態(tài)變化研究. 中國沙漠, 2010, 30(5): 1166- 1173.

[4] 張華兵, 劉紅玉, 李玉鳳, 侯明行. 自然條件下海濱濕地土壤生態(tài)過程與景觀演變的耦合關(guān)系. 自然資源學(xué)報(bào), 2013, 28(1): 63- 72.

[5] 姚遠(yuǎn), 丁建麗, 雷磊, 江紅南, 張芳, 牛濤. 干濕季節(jié)下基于遙感和電磁感應(yīng)技術(shù)的塔里木盆地北緣綠洲土壤鹽分的空間變異性. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(17): 5308- 5319.

[6] 錢亦兵, 吳兆寧, 蔣進(jìn), 楊青. 近50 a來艾比湖流域生態(tài)環(huán)境演變及其影響因素分析. 冰川凍土, 2004, 26(1): 17- 26.

[7] 哈學(xué)萍, 丁建麗, 塔西甫拉提·特依拜, 高婷婷, 張飛. 基于SI-Albedo特征空間的土壤鹽漬化遙感監(jiān)測指數(shù)研究. 土壤學(xué)報(bào), 2009, 46(4): 698- 703.

[8] 王飛, 丁建麗, 伍漫春. 基于NDVI-SI 特征空間的土壤鹽漬化遙感模型. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2010, 26(8): 168- 173.

[9] 錢亦兵, 吳兆寧, 張立運(yùn), 玉素甫艾力. 新疆艾比湖地區(qū)沙塵天氣的地表?xiàng)l件及土壤保持. 資源科學(xué), 2006, 28(5): 185- 189.

[10] 紀(jì)迪, 張慧, 沈渭壽, 王橋, 李海東, 林乃峰. 太湖流域下墊面改變與氣候變化的響應(yīng)關(guān)系. 自然資源學(xué)報(bào), 2013, 28(1): 51- 62.

[11] 吉力力·阿不都外力, 徐俊榮, 穆桂金, 徐曼, Gabchenko M V. 艾比湖鹽塵對周邊地區(qū)土壤鹽分及景觀變化的影響. 冰川凍土, 2007, 29(6): 928- 939.

[12] 吉力力·阿不都外力, 米熱班·阿布里米提, 劉東偉, 葛擁曉. 艾比湖干涸湖底不同景觀類型下富鹽沉積物鹽分積聚特征. 中國沙漠, 2013, 33(5): 1426- 1432.

[13] 劉東偉, 吉力力·阿不都外力, 雷加強(qiáng), 武廣洋. 鹽塵暴及其生態(tài)效應(yīng). 中國沙漠, 2011, 31(1): 168- 173.

[14] 劉東偉, 吉力力·阿不都外力, 穆桂金, 徐俊榮. 艾比湖干涸湖底化學(xué)組成及鹽塵的風(fēng)運(yùn)堆積. 中國環(huán)境科學(xué), 2009, 29(2): 157- 162.

[15] 劉艷菊, 韓同林, 龐健峰, 鄭柏峪, 林景星, 王紹芳, 孫珍全, 張婷婷, 夏曉飛. 北京地區(qū)鹽塵暴粉塵物質(zhì)的主要來源. 地質(zhì)通報(bào), 2010, 29(5): 713- 722.

[16] 張興贏, 莊國順, 袁蕙. 北京沙塵暴的干鹽湖鹽漬土源-單顆粒物分析和XPS表面結(jié)構(gòu)分析. 中國環(huán)境科學(xué), 2004, 24(5): 533- 537.

[17] 徐翠, 張林波, 杜加強(qiáng), 郭楊, 吳志豐, 徐延達(dá), 李芬, 王風(fēng)玉. 三江源區(qū)高寒草甸退化對土壤水源涵養(yǎng)功能的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(8): 2388- 2399.

[18] 邱新法, 曾燕, 繆啟龍. 我國沙塵暴的時空分布規(guī)律及其源地和移動路徑. 地理學(xué)報(bào), 2001, 56(3): 316- 322.

[19] 董紅梅, 努爾巴衣·阿布都沙力克. 新疆艾比湖流域鹽塵分析. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2008, 22(10): 121- 124.

[20] 馮益明, 智長貴, 姚愛冬. 基于決策樹的戈壁信息提取研究. 干旱區(qū)地理, 2013, 36(1): 125- 130.

[21] 買買提沙吾提, 塔西甫拉提·特依拜, 丁建麗, 何褀勝. 基于決策樹分類法的塔克拉瑪干南緣沙漠化信息提取方法研究. 環(huán)境科學(xué)研究, 2008, 21(2): 109- 114.

[22] 徐涵秋. 基于譜間特征和歸一化指數(shù)分析的城市建筑用地信息提取. 地理研究, 2005, 24(2): 311- 320.

[23] 韓秀珍, 劉志麗, 馬建文, 張小曳. 沙塵源區(qū)LST/Albedo時序變化與TSP的對比分析——以2001年春季中國北方強(qiáng)沙塵過程為例. 地理研究, 2004, 23(1): 19- 28.

[24] 姚遠(yuǎn), 丁建麗, 張芳, 王剛, 江紅南. 基于遙感的塔里木盆地北緣綠洲干濕季土地鹽漬化監(jiān)測. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 24(11): 3213- 3220.

[25] 王昌海, 崔麗娟, 毛旭鋒, 溫亞利. 濕地保護(hù)區(qū)周邊農(nóng)戶生態(tài)補(bǔ)償意愿比較. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 32(17):5345- 5354.

[26] 郁振興, 武予清, 蔣月麗, 封洪強(qiáng), 劉順通, 曹雅忠. 利用HYSPLIT模型分析麥蚜遠(yuǎn)距離遷飛前向軌跡. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(3): 889- 894.

[27] 劉志麗, 馬建文, 張仁健, 王志剛, 哈斯巴干, 李啟青. 利用遙感綜合分析西風(fēng)引導(dǎo)氣流與地形對沙塵運(yùn)移路徑的影響. 中國沙漠, 2004, 24(3): 330- 334.

[28] 劉志麗, 馬建文, 韓秀珍, 張小曳. 沙塵源區(qū)AVHRR數(shù)據(jù)地表溫度時序變化與沙塵干量TSP數(shù)據(jù)的對比分析-以2001年春季北方強(qiáng)沙塵過程為例. 干旱區(qū)地理, 2003, (1): 89- 96.

[29] 胡振鵬, 葛剛, 劉成林, 陳伏生, 李述. 鄱陽湖濕地植物生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及湖水位對其影響研究. 長江流域資源與環(huán)境, 2010, 19(6): 597- 605.

[30] 劉志麗, 馬建文, 張國平, 周自江. 亞洲沙塵暴的遙感監(jiān)測方法研究-以中國-日本合作研究區(qū)為例. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版, 2005, 30(8): 708- 711.

Effect of salt dust storm migration pathways on degradation of Ebinur Lake Wetland

YAN Xueying, DING Jianli*, LI Xin, ZHANG Zhe, MA ERhaba, ZENG Xiaoji, WANG Gang

KeyLaboratoryofOasisEcosystemofEducationMinistry,CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China

The lake wetlands are a transition zone between aquatic and terrestrial ecosystems. They are also one of the most important environments that sustain human beings, especially in arid and semi-arid areas of Northwestern China. The lake wetland ecosystem not only serves as an important media reflecting the dynamics of the local natural processes and habitat, but also promotes the interaction between human beings and the nature to maintain a sustainable balance between the two. Salt dust storm and alkaline dust deposition are generally caused by lack of water as loose deposits, dry lake bed crust, salt and saline soil are blown and salt deposits are dispositioned due to wind erosion. The salt powder in the form of suspended particles in the air becomes a natural disaster accompanied with strong wind. In addition to saline, alkaline elements, it contains crystalline dry lakebed sediments, toxic chemicals, and harmful heavy metal particles, which threaten plant survival. The development process of alkaline dust storm not only contaminates the air, food, water, and other natural resources with a mix of bacteria, fungi, and other toxic and harmful substances, but it also destroys the grassland and crops, and causes various diseases in humans and livestock.Intermittently exposed lake bottom of dry lake in the Ebinur Lake region is the primary source for salt dust storms in the surrounding area. Saline powder suspends in the air and spreads in the form of particles with the wind, seriously endangering the ecological stability and socio-economic development of the surrounding area. The current study attempts to investigate the dust storm migration pathways and its environmental effects using three remote sensing images combined with synchronous field measurements of salt dust and surface soil samples with the Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory (HYSPLIT) model. We also explore the environmental changes caused by salt dust storms and their impacts on the settlement process of Ebinur Lake by simulating and predicting the migration pathways of salt dust storms. Combining atmospheric dust deposition and surface soil data as well as the westerly direction and airflow path, we simulated the transport trajectories of salt dust for about four months in Bortala Mongol Autonomous Prefecture of Xinjiang Uyghur Autonomous Region, China. The results indicate that: (1) the degree of soil salinization within the study area is uneven. The highest level of salinization occurs around the Ebinur Lake but gradually weakens towards the peripheral expansion areas; (2) the dynamics of saline land is closely related to the change in vegetation cover and water area and to human activity, which also has a significant impact on the evolution of soil salinization; (3) there are two different paths of salt dust storm, the north path starting from Bortala Mongol Autonomous Prefecture→Aletai→Gansu→Inner Mongolia→Mongolia→Heilongjiang and southeastern path from Bortala Mongol Autonomous Prefecture (Jinghe, Bole, Wenquan, and Alashankou)→Wusu→Kuitun→ürümqi→Kurla→Turpan→Kumul. Our results present important information regarding the occurrence and mechanism of salt and dust storms in arid and semi-arid regions．

salt dust storm; salinization; dust fall; migration path; Ebinur Lake

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41130531，41261090，41161063)

2013- 12- 26;

2015- 03- 31

10.5846/stxb201312263034

*通訊作者Corresponding author.E-mail: watarid@xju.edu.cn

鄢雪英，丁建麗，李鑫，張喆，馬爾哈巴，曾小箕，王剛.艾比湖濕地退化對鹽塵暴發(fā)生及運(yùn)移路徑的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(17):5856- 5865.

Yan X Y, Ding J L, Li X, Zhang Z, Ma E B H, Zeng X J, Wang G.Effect of salt dust storm migration pathways on degradation of Ebinur Lake Wetland.Acta Ecologica Sinica,2015,35(17):5856- 5865.