荒漠綠洲過渡帶飄塵垂直分布特征及其主要?dú)庀笥绊懸蛩?/h1>
2017-12-23 02:44:42龔雪偉何學(xué)敏呂光輝
水土保持研究 2017年1期
龔雪偉，何學(xué)敏，呂光輝，陳 悅
（1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊830046；2.綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830046；3.新疆大學(xué) 干旱生態(tài)環(huán)境研究所，烏魯木齊830046）
荒漠綠洲過渡帶飄塵垂直分布特征及其主要?dú)庀笥绊懸蛩?/p>
龔雪偉1，2，何學(xué)敏2，3，呂光輝2，3，陳 悅1，2
（1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊830046；2.綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830046；3.新疆大學(xué) 干旱生態(tài)環(huán)境研究所，烏魯木齊830046）
利用激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器，結(jié)合氣象梯度自動觀測系統(tǒng)，于2014年7月植物生長季獲取新疆艾比湖濕地國家級自然保護(hù)區(qū)東大橋管護(hù)站附近7個(gè)高度（2，3，6，12，15，21，27 m）上6個(gè)粒徑段（0.3μm≤x＜0.5μm，0.5μm≤x＜1.0μm，1.0μm≤x＜3.0μm，3.0μm≤x＜5.0μm，5.0μm≤x＜10.0μm，10.0μm≤x）飄塵濃度和氣象數(shù)據(jù)，探究了該區(qū)域內(nèi)空氣飄塵垂直分布特征與主要?dú)庀笥绊懸蛩?。結(jié)果表明：研究區(qū)飄塵各粒徑組分中，0.3μm≤x＜3.0μm所占比例最高，累計(jì)貢獻(xiàn)率高達(dá)97.6%。飄塵總濃度（0.3μm≤x）在7個(gè)高度上的分異規(guī)律為C3m＞C6m＞C2m＞C21m＞C27m＞C12m＞C15m，表現(xiàn)出中間低兩頭高的“啞鈴效應(yīng)”。氣象—飄塵回歸方程反演的飄塵數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（p＜0.05），且與實(shí)測日變化趨勢基本一致。風(fēng)速對飄塵濃度有極顯著（p＜0.01）的雙重作用，風(fēng)速小于臨界值有利于飄塵積累，反之促進(jìn)飄塵稀釋，且正反效應(yīng)的臨界值隨高度的增加而降低；相對濕度的增加極顯著（p＜0.01）地降低飄塵濃度。
荒漠綠洲過渡帶；空氣飄塵；垂直分布；氣象—飄塵多元回歸
氣溶膠是空氣中懸浮顆粒物的總稱，可分為降塵和飄塵兩種，通常把空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑大于10.0 μm的稱作降塵[1]，小于或等于10.0μm則稱作可吸入顆粒物或者飄塵[2]。飄塵在空氣中滯留時(shí)間長，傳播距離遠(yuǎn)，是空氣污染的主要來源。飄塵表面吸附的大量有機(jī)化合物、重金屬、無機(jī)鹽和病毒進(jìn)入呼吸系統(tǒng)對人體生命安全造成威脅[3]；飄塵具有消光作用，能夠降低大氣能見度，引起霧霾，影響輻射平衡[4]。目前飄塵的研究重點(diǎn)側(cè)重于人口密集和潔凈區(qū)，對于自然界中飄塵分布規(guī)律和影響因素的研究較為缺乏。因此，有必要對其在自然界分布格局、組分特征和主要影響因素展開研究。
荒漠綠洲過渡帶是典型的生態(tài)交錯帶，生態(tài)環(huán)境受自然和人為因素的雙重?cái)_動，具有敏感且脆弱的特點(diǎn)，在荒漠與綠洲間的能量與物質(zhì)交換過程中發(fā)揮著重要的緩沖作用[5]，這種作用更加體現(xiàn)在對沙塵的阻隔上。研究表明，新疆艾比湖干旱湖盆裸露區(qū)細(xì)小的沉淀物質(zhì)[6]，加之艾比湖東南部的湖積—沖擊平原上廣厚的第四紀(jì)松散沉積物，為沙塵的形成提供了豐富的沙源；裸露的風(fēng)沙土在阿拉山口強(qiáng)勁大風(fēng)的推動下，長驅(qū)直入，成為中國北部重要的沙塵策源地[7]，直接威脅著農(nóng)田和綠洲，影響天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的發(fā)展。資料顯示，精河縣部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)和兵團(tuán)農(nóng)五師農(nóng)牧團(tuán)場年平均風(fēng)沙天氣超過60 d，年降塵量超過100 t/km2[8]。艾比湖地區(qū)風(fēng)沙天氣每年造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1億元，間接損失更高達(dá)3.64億元[9]。粗顆粒風(fēng)沙破壞力大但作用時(shí)間短，而微米級黏粒則以氣溶膠形式水平擴(kuò)散，長時(shí)間懸浮于近地層污染環(huán)境[10]。近年來，為發(fā)展經(jīng)濟(jì)，荒漠綠洲過渡帶農(nóng)墾、放牧等生產(chǎn)活動增加明顯，過渡帶面積縮減，更多的細(xì)顆粒塵埃被輸送到綠洲內(nèi)部[11]。而以往的研究往往著眼于粗顆粒風(fēng)沙的垂直分布特征及水平輸送量[12]，微米級飄塵鮮有研究。飄塵質(zhì)量輕、體積小，在地—?dú)馕镔|(zhì)交換過程中易受氣象因子和下墊面特征的影響，研究氣象因子調(diào)控下的艾比湖荒漠—綠洲過渡帶飄塵空間分布特征，對于人工綠洲外圍防風(fēng)固沙和空氣質(zhì)量評價(jià)具有重要意義。本研究以典型荒漠綠洲過渡帶為研究區(qū)，旨在探究飄塵在垂直梯度上的分異規(guī)律和粒徑組成特征及其主要?dú)庀笥绊懸蛩兀Y(jié)合同步氣象觀測數(shù)據(jù)建立氣象—飄塵回歸方程，并驗(yàn)證方程精度，以期為深入開展荒漠綠洲過渡帶生態(tài)環(huán)境與自然界中空氣飄塵研究提供依據(jù)。
1 研究區(qū)概況與研究方法
1.1 研究區(qū)概況
試驗(yàn)選擇在艾比湖濕地國家級自然保護(hù)區(qū)（82°36′—83°50′E，44°30′—45°09′N）進(jìn)行，保護(hù)區(qū)位于阿拉山口下風(fēng)區(qū)，新疆準(zhǔn)噶爾盆地西南。該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶愿珊禋夂?，氣候極端干燥，降水稀少且時(shí)空分布不均勻，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)。研究團(tuán)隊(duì)多年觀測資料顯示艾比湖年大風(fēng)日數(shù)（≥10 m/s）高達(dá)150 d以上，大風(fēng)攜帶沙塵往東運(yùn)輸，影響范圍十分廣泛。獨(dú)特的地形條件和苛刻的氣候特征，使艾比湖流域形成了石漠、礫漠、沙漠、鹽漠、沼澤和鹽湖等多樣化的地貌景觀。本研究選取新疆大學(xué)在保護(hù)區(qū)內(nèi)東大橋管護(hù)站所架設(shè)的通量觀測塔（2012XJ-AiBi Hu-OPEC）及周邊區(qū)域?yàn)闃訁^(qū)，該塔地處博爾塔拉蒙古自治州精河縣托托鄉(xiāng)境內(nèi)艾比湖濕地保護(hù)區(qū)核心區(qū)阿其克蘇河岸邊，人為擾動較小，周圍沙漠、戈壁和林地景觀鑲嵌共存，屬于典型的湖沼和湖濱三角洲綠洲—荒漠過渡帶。
通量塔周圍為荒漠河岸杜加依林，群落蓋度約為50%～60%，優(yōu)勢物種胡楊（Populus euphratica）的平均高度約8.5 m，伴生種有梭梭（Haloxylon ammodendron）和蘆葦（Phragmites australis），平均高度低于胡楊[13]。阿其克蘇河沿岸河岸林下墊面的土壤粒度特征與起沙區(qū)阿拉山口相比，正偏程度較大，土壤質(zhì)地較細(xì)[14]（表1）。
表1 研究區(qū)與上風(fēng)區(qū)土壤粒度特征
1.2 試驗(yàn)方法
在通量觀測塔上分7個(gè)垂直梯度（2，3，6，12，15，21，27 m）架設(shè)常規(guī)氣象儀器，記錄測量期間的空氣溫度（air temperature，AT）、相對濕度（relative humidity，RH）、飽和水汽壓（saturation vapor pressure，SVP）、風(fēng)速（wind speed，WS）、風(fēng)向（wind direction，WD）、光合有效輻射（photosynthetically active radiation，PAR）和地面凈輻射（net radiation，NR）等氣象指標(biāo)。本研究并未采用以往研究中常用的重量濃度定量法[15]，而是利用在飄塵污染評價(jià)方面具有直觀、快速和輕便等特性的激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器（Y09—3016，CHN）進(jìn)行測定。該儀器內(nèi)置氣泵和激光光源，采樣氣流中的各粒徑飄塵被氣泵吸入光路，經(jīng)過光敏區(qū)時(shí)（粒徑通道為0.3，0.5，1.0，3.0，5.0，10.0μm），散射出與其粒徑成一定比例的光通量，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、放大及處理后得到各粒徑段飄塵的濃度（顆/m3）。
2014年7月3 —29日，使用激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器，在以上7種高度上測定6個(gè)粒徑段（0.3μm≤x＜0.5μm，0.5μm≤x＜1.0μm，1.0μm≤x＜3.0 μm，3.0μm≤x＜5.0μm，5.0μm≤x＜10.0μm，10.0μm≤x）飄塵的每立方米濃度（顆/m3），同時(shí)將這6個(gè)粒徑段的濃度累加，求得飄塵總濃度（0.3μm≤x）。測量方法為氣象條件穩(wěn)定的情況下（天氣晴朗，無強(qiáng)風(fēng)、無降雨），從低空到高空滾動測量，每個(gè)高度測量1天（為1個(gè)觀測日），完成后即繼續(xù)下個(gè)高度測量，依此類推；完成27 m高度后，繼續(xù)從2 m處開始測量，如此循環(huán)，直至試驗(yàn)結(jié)束。受儀器工作溫度范圍和工作時(shí)間的限制，每個(gè)觀測日的飄塵濃度測定時(shí)間為7：00—12：00，18：00—23：00，計(jì)數(shù)間隔為8 min。為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，計(jì)數(shù)器采樣頭每次測量完成需進(jìn)行清洗。
為保證不同高度上的飄塵數(shù)據(jù)具有可比性，按照氣象條件基本一致的要求，對每個(gè)高度的多個(gè)觀測日數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，即最終挑出7個(gè)觀測日的數(shù)據(jù)（具有基本一致的氣象條件），分別代表7層高度的飄塵數(shù)據(jù)集，用于本文的統(tǒng)計(jì)分析。
1.3 數(shù)據(jù)處理
利用SPSS 17.0進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)、單因素方差分析、多元回歸分析和相關(guān)分析，方差齊時(shí)多重比較采用Duncan檢驗(yàn)，方差不齊時(shí)方差分析采用近似F檢驗(yàn)Welch法，多重比較采用Dunnett′s-T3方法檢驗(yàn)。使用Sigmaplot 12.5繪制相關(guān)圖件。
2 結(jié)果與分析
2.1 飄塵隨高度分異規(guī)律
對不同高度飄塵數(shù)據(jù)集進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，隨著高度遞增，飄塵總濃度（0.3μm≤x）日均值分別為：4.17×106，5.43×106，4.58×106，1.51×105，9.75×104，2.80×106，2.56×106顆/m3，不同高度上飄塵總濃度排序結(jié)果為：C3m＞C6m＞C2m＞C21m＞C27m＞C12m＞C15m。單因素方差分析表明，飄塵總濃度在空間（豎直梯度）上表現(xiàn)出明顯的分層現(xiàn)象（圖1），3 m處的飄塵總濃度顯著（p＜0.05）高于6 m和2 m，而21，27 m處的飄塵總濃度顯著（p＜0.05）低于2，6 m處的飄塵總濃度，且顯著（p＜0.05）高于12，15 m處的飄塵總濃度。總濃度表現(xiàn)為中層高度（12，15 m）低，而低空（2，3，6 m）和高空（21，27 m）較高，兩頭高中間低的分異規(guī)律表現(xiàn)出明顯的“啞鈴效應(yīng)”。
圖1 大氣飄塵隨高度變化的分布規(guī)律
各粒徑段飄塵濃度在豎直梯度上的分布規(guī)律基本相同，且與不同高度飄塵總濃度分布規(guī)律吻合。飄塵粒徑越大，分布規(guī)律與總飄塵濃度趨同性越強(qiáng)；隨著粒徑的減小，逐漸與總飄塵濃度表現(xiàn)出差異，差異主要體現(xiàn)在0.3μm≤x＜3.0μm粒徑段的2，3，6 m上。0.3μm≤x＜0.5μm粒徑段2，3，6 m相互之間差異不顯著（p＞0.05），1.0μm≤x＜3.0μm粒徑段2，3，6 m相互之間差異顯著（p＜0.05），0.5μm≤x＜1.0μm粒徑段僅2 m與3 m之間差異顯著（p＜0.05），其他高度則與總濃度分異規(guī)律相似。
2.2 不同高度上各粒徑飄塵貢獻(xiàn)度
計(jì)算豎直梯度上各粒徑段飄塵所占的比例，發(fā)現(xiàn)不同高度上飄塵的粒徑組成比例基本相同（詳見表2）。對不同高度上同一粒徑段占的比例計(jì)算算術(shù)平均值，視為該粒徑段的平均貢獻(xiàn)度（average contribution，AC）。0.5μm≤x＜1.0μm粒徑段的AC最高，為54.7%；其次為0.3μm≤x＜0.5μm和1.0μm≤x＜3.0μm粒徑段，分別為28.4%和14.5%，三者累計(jì)貢獻(xiàn)率（accumulative contribution rate，ACR）達(dá)到97.6%。3.0μm≤x＜5.0μm，5.0 μm≤x＜10.0μm，10.0μm≤x粒徑段AC分別為2%，0.2%和0.2%，合計(jì)占比僅為2.4%。也就是說，研究區(qū)小粒徑飄塵所占比例較高，這種規(guī)律并不隨著高度的改變而變化。
表2 不同粒徑飄塵貢獻(xiàn)度隨高度的變化
2.3 飄塵濃度與氣象數(shù)據(jù)回歸分析
為了建立典型氣象—飄塵多元回歸方程，根據(jù)飄塵濃度（下文中如無特殊說明，均指總濃度，即0.3μm≤x）在豎直梯度上的多重比較結(jié)果（圖1），將整個(gè)梯度上的飄塵濃度歸為3個(gè)梯度，即低空（2，3，6 m）、中層高度（12，15 m）、高空（21，27 m），對應(yīng)的飄塵濃度為低空＞高空＞中層高度。在這3個(gè)梯度的典型高度上（3，12，21 m）將飄塵濃度分別與氣象數(shù)據(jù)（AT，RH，SVP，WS，WD，PAR，NR）擬合，建立多元回歸方程。回歸采用多元逐次回歸，進(jìn)行共線性診斷，輸出共線性統(tǒng)計(jì)量容差、方差膨脹因子和共線性診斷表，逐步剔除存在多重共線性的自變量并重新建模，最終結(jié)果見表3。在低空，飄塵濃度與空氣溫度、飽和水汽壓呈極顯著（p＜0.01）負(fù)相關(guān)，與風(fēng)速呈極顯著（p＜0.01）正相關(guān)。在中層高度，飄塵濃度與空氣溫度、相對濕度、光和有效輻射呈極顯著（p＜0.01）負(fù)相關(guān)。在高空，飄塵濃度與空氣溫度、相對濕度、風(fēng)向極顯著（p＜0.01）正相關(guān)，與飽和水汽壓、光和有效輻射呈極顯著（p＜0.01）負(fù)相關(guān)?？梢姡瑲庀笠刂袑︼h塵濃度調(diào)控起主要作用的是相對濕度、飽和水汽壓、風(fēng)速、空氣溫度。
表3 氣象飄塵回歸方程統(tǒng)計(jì)
根據(jù)回歸結(jié)果，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)反演這3種典型高度上的飄塵濃度，構(gòu)成了3個(gè)驗(yàn)證組，將模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，驗(yàn)證模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的擬合效果。結(jié)果表明，3個(gè)驗(yàn)證組模擬數(shù)值與實(shí)測數(shù)值均表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系（p＜0.05）（表4），相關(guān)系數(shù)變化范圍為0.45～0.57；按照相關(guān)系數(shù)等級的劃分，3 m和12 m高度的相關(guān)系數(shù)均小于0.5，屬低度相關(guān)，而21 m高度上的相關(guān)系數(shù)為0.57，達(dá)到中度相關(guān)。
表4 模擬與實(shí)測飄塵數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析
結(jié)合典型高度上的實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)繪制飄塵濃度白天的變化趨勢圖（圖2），發(fā)現(xiàn)回歸方程反演數(shù)據(jù)能夠很好地代表飄塵濃度的日走勢，證明回歸方程能在一定程度上預(yù)測濃度日變化。由于儀器工作溫度的限制，正午13：00—18：00時(shí)段的實(shí)測數(shù)據(jù)缺失，而回歸方程能夠根據(jù)氣象資料模擬出這一時(shí)段的飄塵濃度及其變化特征，這段時(shí)間的飄塵濃度變化平穩(wěn)，在均值上下波動。
2.4 主要?dú)庀笠蛩貙︼h塵濃度的影響
根據(jù)以往的研究[16]及本研究回歸方程中氣象因素的權(quán)重，選取風(fēng)速和相對濕度兩種主要?dú)庀笠蛩卦?層典型高度上與飄塵濃度擬合。
風(fēng)是顆粒物運(yùn)移的直接動力。研究表明，艾比湖流域?qū)儆诟唢L(fēng)能環(huán)境，年均合成輸沙勢（resultant drift potential，RDP）約為 88.3 矢量單位 （vector unit，VU）[17]。為探究空氣中飄塵濃度對風(fēng)速的響應(yīng)，對二者進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速與飄塵濃度表現(xiàn)出極顯著（p＜0.01）的二次多項(xiàng)式關(guān)系，風(fēng)速變化對飄塵濃度有明顯的雙重作用，風(fēng)速低于臨界值（本文中將二次方程的對稱軸視為臨界值）會抑制污染物質(zhì)的擴(kuò)散，飄塵濃度隨風(fēng)速的升高而升高，而風(fēng)速高于臨界值時(shí)，則有利于空氣中污染物質(zhì)的稀釋擴(kuò)散，飄塵濃度隨風(fēng)速的升高而降低。但不同高度上正負(fù)效應(yīng)的臨界值有所不同（圖3），3層高度上分別為6.21，6.13，3.31 m/s。而相對濕度與飄塵濃度擬合結(jié)果表現(xiàn)出極顯著（p＜0.01）線性相關(guān)。相對濕度對空氣中的飄塵有著很好的“清除”作用，無論豎直高度如何，隨著空氣相對濕度的增加，飄塵濃度下降明顯。
圖2 實(shí)測與模擬飄塵濃度趨勢
圖3 飄塵濃度對風(fēng)速與相對濕度變化的響應(yīng)
3 討論
3.1 飄塵濃度垂直分布特征
本研究發(fā)現(xiàn)，在所選典型荒漠綠洲過渡帶上，飄塵濃度沿豎直梯度的變化并未表現(xiàn)出簡單的線性相關(guān)，而是呈現(xiàn)3 m處飄塵濃度最大，6，2，21，27 m次之，12，15 m濃度最小的垂直分異規(guī)律。簡言之即低空濃度高，高空濃度較低，中間高度濃度最低的“啞鈴效應(yīng)”。這可能與群落特征和下墊面因素有關(guān)，觀測點(diǎn)周圍為胡楊群落，地面塵埃揚(yáng)起時(shí)一部分被冠層截留，因此2，3，6 m高度上（冠層下部）飄塵濃度較高，這與趙明等[18]在民勤綠洲沙漠過渡帶研究的結(jié)果一致。說明雖然廣袤的荒漠土增加了人工綠洲遭受風(fēng)沙襲擊的可能性，但是荒漠綠洲過渡帶作為人工—自然生態(tài)系統(tǒng)之間的一道天然屏障，不但減小了風(fēng)沙的水平通量，還能截留風(fēng)沙土的垂直爬升，在一定程度上降低了研究區(qū)大氣顆粒物的濃度，同時(shí)兼具保土固沙的作用。而艾比湖荒漠綠洲過渡帶下墊面類型豐富，不同景觀類型之間物流、能流頻繁，高空大氣湍流交換和擴(kuò)散能力強(qiáng)，利于周圍顆粒物的擴(kuò)散[19]，因此高空（21，27 m）的飄塵濃度也較高。同時(shí)，本研究觀測的氣象數(shù)據(jù)表明，21，27 m處于逆溫層中，在逆溫層中，上部空氣暖輕而下部空氣濕重，形成穩(wěn)定的大氣層，不利于污染物的豎直交換，導(dǎo)致高空中飄塵總濃度較高[20]。此外，溫度的升高還能引起大氣光化學(xué)反應(yīng)，而光化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物二次顆粒物又是空氣顆粒物的重要來源[21]。
3.2 各粒徑段飄塵貢獻(xiàn)度分析
不同高度上各粒徑段飄塵的貢獻(xiàn)度基本相同，0.5μm≤x＜1.0μm和0.3μm≤x＜0.5μm粒徑段所占比例最高，直徑小于3.0μm貢獻(xiàn)度合計(jì)達(dá)97.6%，說明研究區(qū)大氣環(huán)境中細(xì)顆粒物的每立方米含量遠(yuǎn)大于粗顆粒物，整體污染水平較高。究其原因有二，一是因?yàn)?，艾比湖流域常年主?dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，通量塔位于風(fēng)沙輸送的下風(fēng)區(qū)，湖積平原上特殊的土壤粒度特征和稀疏的植被蓋度是風(fēng)沙運(yùn)動的內(nèi)因，來自阿拉山口的大風(fēng)為沙塵的起動提供了充足的外力。當(dāng)流域獨(dú)特的下墊面遭遇強(qiáng)風(fēng)侵襲時(shí)，沙塵被氣流卷起揚(yáng)到空中，往下風(fēng)區(qū)搬運(yùn)；隨著風(fēng)沙的不斷深入，下墊面類型不再單一，靠近綠洲邊緣時(shí)，下墊面植被蓋度逐漸增加，對躍起高度有限的粗顆粒風(fēng)沙形成阻截。除此之外，粗顆粒風(fēng)沙本身搬運(yùn)距離有限，風(fēng)力稍有減弱便會依次沉降，而細(xì)顆粒物由于其獨(dú)特的空氣動力學(xué)特性得以在空氣中長時(shí)間懸浮并遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，成為研究區(qū)空氣污染的主要組分。二是因?yàn)椋芯繀^(qū)屬于典型綠洲荒漠交錯帶，阿其克蘇河以南為人工綠洲景觀，持續(xù)的人類生產(chǎn)（農(nóng)業(yè)耕作和游牧）會帶起大量的空氣塵埃[11]。
3.3 主要?dú)庀笠蛩貙︼h塵濃度的影響與氣象—飄塵回歸方程
飄塵濃度與氣象數(shù)據(jù)回歸分析表明，氣象要素對空氣飄塵在垂直梯度上的擴(kuò)散、稀釋和累積有明顯作用。但這種作用是極為復(fù)雜的，不同的氣象要素對飄塵濃度制約的方式也不同，不能簡單線性相加。本研究對兩種主要?dú)庀笠蛩胤謩e與飄塵濃度的定性分析表明，二者的調(diào)控機(jī)制不同。相對濕度影響飄塵吸濕特性，促進(jìn)微粒之間的吸附再結(jié)合，使細(xì)顆粒物不斷形成粗顆粒物，而粗顆粒物再吸濕沉降，如此往復(fù)，促進(jìn)飄塵的局部交換。從而對飄塵的濃度起到調(diào)控作用[22]。風(fēng)場是邊界層內(nèi)影響污染物稀釋和擴(kuò)散的主要因子，風(fēng)速影響污染物擴(kuò)散稀釋的速度。結(jié)果表明，研究區(qū)的平均風(fēng)速對飄塵濃度的影響有著明顯的雙重性，臨界值兩側(cè)的風(fēng)速變化趨勢對飄塵濃度的作用不同。風(fēng)速高于臨界值時(shí)，有利于空氣中污染物質(zhì)的稀釋擴(kuò)散，飄塵濃度隨風(fēng)速的升高而降低；而風(fēng)速低于臨界值則會抑制污染物質(zhì)的擴(kuò)散，飄塵濃度隨風(fēng)速的升高而升高，使空氣中顆粒物含量成倍增加[16]。但不同高度上，決定正反效應(yīng)的臨界值并不相同，高度越高臨界值越小。這是因?yàn)殡S著高度增加通量塔周圍更加空曠，沒有了植物冠層及地形因素對風(fēng)力的阻擋，飄塵濃度對風(fēng)速變化的響應(yīng)更敏感。這也進(jìn)一步驗(yàn)證了下墊面特征（植被覆蓋）對荒漠綠洲過渡帶上飄塵濃度有著重要的調(diào)控作用，而植被覆蓋的增加又能在小區(qū)域范圍內(nèi)影響氣象因子，如植物通過蒸騰作用影響近地層溫度和空氣濕度，覆蓋度影響風(fēng)速等；下墊面特征和氣象因子共同作用對飄塵濃度調(diào)控起到積極作用。因此，加大退耕還林力度，有效提升艾比湖保護(hù)區(qū)公益林覆蓋度，改善局部小氣候，對減少人工綠洲風(fēng)沙侵襲率并降低過渡帶上飄塵濃度具有重要意義。
回歸方程反演飄塵數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)之間的Pearson相關(guān)系數(shù)表明，二者之間呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系（p＜0.05），且反演數(shù)據(jù)對飄塵日變化趨勢的預(yù)測較理想，證明了利用氣象數(shù)據(jù)推算荒漠綠洲過渡帶飄塵濃度的可能。近年來，大氣飄塵逐漸成為環(huán)境污染研究的熱點(diǎn)，但由于成本和技術(shù)限制導(dǎo)致自然界中的飄塵研究資料缺乏，不能給人口密集區(qū)的相關(guān)研究提供本底對照。而本文涉及的氣象資料均為氣象臺站的常規(guī)監(jiān)測指標(biāo)，以數(shù)值模擬的方法推算飄塵濃度，可為相關(guān)研究工作帶來極大便利。但本研究立足于干旱區(qū)荒漠綠洲過渡帶，對于飄塵分布特征和氣象飄塵回歸方程研究發(fā)現(xiàn)的規(guī)律是否能夠在其他地區(qū)適用，還需要進(jìn)一步的驗(yàn)證和完善。
4 結(jié)論
（1）研究區(qū)典型荒漠—綠洲過渡帶空氣飄塵總濃度（0.3μm≤x）垂直分布特征為：低空（2，3，6 m）＞高空（21，27 m）＞中層高度（12，15 m），兩頭高中間低的分布特征表現(xiàn)出明顯的“啞鈴效應(yīng)”。不同粒徑段顆粒物的貢獻(xiàn)率隨著高度的增加保持穩(wěn)定，0.3 μm≤x＜3.0μm粒徑段的細(xì)顆粒物累計(jì)占比97.6%，是主要污染組分。
（2）3種典型高度上（3，12，21 m）實(shí)測飄塵數(shù)據(jù)與氣象—飄塵多元回歸方程反演的模擬數(shù)據(jù)之間表現(xiàn)為顯著正相關(guān)（p＜0.05），且方程模擬數(shù)值與實(shí)測數(shù)值的日變化趨勢基本一致，證明了利用氣象數(shù)據(jù)推算荒漠綠洲過渡帶飄塵濃度的可能。
（3）風(fēng)速對飄塵濃度有著明顯的正反效應(yīng)，風(fēng)速低于臨界值會抑制飄塵的擴(kuò)散，反之則有利于飄塵的稀釋，在3種典型高度（3，12，21 m）上的臨界值分別為6.21，6.13，3.31 m/s；相對濕度的增加能夠極顯著（p＜0.01）地降低飄塵濃度。
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Vertical Distribution Characteristics and the Main Meteorological Factors of Floating Dust in a Desert-oasis Ecotone of Ebinur Basin，Xinjiang Uygur Autonomous Region
GONG Xuewei1，2，HE Xuemin2，3，LYU Guanghui2，3，CHEN Yue1，2
（1.College of Resources and Environment Science，Xinjiang University，Urumqi830046，China；2.Key Laboratory of Oasis Ecology，Urumqi830046，China；3.Institute of Arid Ecology and Environment，Xinjiang University，Urumqi830046，China）
Six particle size interval（0.3μm≤x＜0.5μm，0.5μm≤x＜1.0μm，1.0μm≤x＜3.0μm，3.0 μm≤x＜5.0μm，5.0μm≤x＜10.0μm，10.0μm≤x）floating dust concentrations and meteorological data on seven kinds of height（2，3，6，12，15，21，27 m）were measured by the laser dust particle counter and automatic observing system for meteorological gradient to study vertical distribution characteristics and the main meteorological factors of floating dust in a Desert-oasis Ecotone of Ebinur Basin，Xinjiang Uygur Autonomous Region.The results showed that the average contribution of 0.3μm≤x＜3.0μm among different size interval floating dusts accounted for the highest，add up to 97.6%.The distribution rule of floating dust overall contribution（0.3μm≤x）on the seven layer heights was high on both sides of the middle low（C3m＞C6m＞C2m＞C21m＞C27m＞C12m＞C15m），which could be called‘dumbbell effect’.Analogue data obtained from meteorological-floating dust regression equation and measured data showed the significantly positive correlation（p＜0.05），and the diurnal variation trend of analogue data was similar to the measured data.Wind speed had the significant positive and negative effects on floating dust concentrations（wind speed less than the critical value in favor of floating dust accumulation，whereas promoted floating dust diluted）（p＜0.01），and floating dust concentration reduced obviously（p＜0.01）with the increase of relative humidity.
desert-oasis ecotone；floating dust；vertical distribution；meteorological-floating dust multiple regression analysis
X831
A
1005-3409（2017）01-0096-07
2016-03-07
2016-03-17
國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“干旱區(qū)湖泊流域路面過程及人類活動適應(yīng)性——以艾比湖流域?yàn)槔保?1130531）
龔雪偉（1992—），男，河南項(xiàng)城人，碩士，研究方向?yàn)楦珊祬^(qū)生態(tài)學(xué)。E-mail：gonsurvi＠foxmail.com
呂光輝（1963—），男，山東青島人，教授，博士，主要從事干旱區(qū)生態(tài)學(xué)研究。E-mail：ler＠xju.edu.cn
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龔雪偉，何學(xué)敏，呂光輝，陳 悅
（1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊830046；2.綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830046；3.新疆大學(xué) 干旱生態(tài)環(huán)境研究所，烏魯木齊830046）
荒漠綠洲過渡帶飄塵垂直分布特征及其主要?dú)庀笥绊懸蛩?/p>
龔雪偉1，2，何學(xué)敏2，3，呂光輝2，3，陳 悅1，2
（1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊830046；2.綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830046；3.新疆大學(xué) 干旱生態(tài)環(huán)境研究所，烏魯木齊830046）
利用激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器，結(jié)合氣象梯度自動觀測系統(tǒng)，于2014年7月植物生長季獲取新疆艾比湖濕地國家級自然保護(hù)區(qū)東大橋管護(hù)站附近7個(gè)高度（2，3，6，12，15，21，27 m）上6個(gè)粒徑段（0.3μm≤x＜0.5μm，0.5μm≤x＜1.0μm，1.0μm≤x＜3.0μm，3.0μm≤x＜5.0μm，5.0μm≤x＜10.0μm，10.0μm≤x）飄塵濃度和氣象數(shù)據(jù)，探究了該區(qū)域內(nèi)空氣飄塵垂直分布特征與主要?dú)庀笥绊懸蛩?。結(jié)果表明：研究區(qū)飄塵各粒徑組分中，0.3μm≤x＜3.0μm所占比例最高，累計(jì)貢獻(xiàn)率高達(dá)97.6%。飄塵總濃度（0.3μm≤x）在7個(gè)高度上的分異規(guī)律為C3m＞C6m＞C2m＞C21m＞C27m＞C12m＞C15m，表現(xiàn)出中間低兩頭高的“啞鈴效應(yīng)”。氣象—飄塵回歸方程反演的飄塵數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（p＜0.05），且與實(shí)測日變化趨勢基本一致。風(fēng)速對飄塵濃度有極顯著（p＜0.01）的雙重作用，風(fēng)速小于臨界值有利于飄塵積累，反之促進(jìn)飄塵稀釋，且正反效應(yīng)的臨界值隨高度的增加而降低；相對濕度的增加極顯著（p＜0.01）地降低飄塵濃度。
荒漠綠洲過渡帶；空氣飄塵；垂直分布；氣象—飄塵多元回歸
氣溶膠是空氣中懸浮顆粒物的總稱，可分為降塵和飄塵兩種，通常把空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑大于10.0 μm的稱作降塵[1]，小于或等于10.0μm則稱作可吸入顆粒物或者飄塵[2]。飄塵在空氣中滯留時(shí)間長，傳播距離遠(yuǎn)，是空氣污染的主要來源。飄塵表面吸附的大量有機(jī)化合物、重金屬、無機(jī)鹽和病毒進(jìn)入呼吸系統(tǒng)對人體生命安全造成威脅[3]；飄塵具有消光作用，能夠降低大氣能見度，引起霧霾，影響輻射平衡[4]。目前飄塵的研究重點(diǎn)側(cè)重于人口密集和潔凈區(qū)，對于自然界中飄塵分布規(guī)律和影響因素的研究較為缺乏。因此，有必要對其在自然界分布格局、組分特征和主要影響因素展開研究。
荒漠綠洲過渡帶是典型的生態(tài)交錯帶，生態(tài)環(huán)境受自然和人為因素的雙重?cái)_動，具有敏感且脆弱的特點(diǎn)，在荒漠與綠洲間的能量與物質(zhì)交換過程中發(fā)揮著重要的緩沖作用[5]，這種作用更加體現(xiàn)在對沙塵的阻隔上。研究表明，新疆艾比湖干旱湖盆裸露區(qū)細(xì)小的沉淀物質(zhì)[6]，加之艾比湖東南部的湖積—沖擊平原上廣厚的第四紀(jì)松散沉積物，為沙塵的形成提供了豐富的沙源；裸露的風(fēng)沙土在阿拉山口強(qiáng)勁大風(fēng)的推動下，長驅(qū)直入，成為中國北部重要的沙塵策源地[7]，直接威脅著農(nóng)田和綠洲，影響天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的發(fā)展。資料顯示，精河縣部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)和兵團(tuán)農(nóng)五師農(nóng)牧團(tuán)場年平均風(fēng)沙天氣超過60 d，年降塵量超過100 t/km2[8]。艾比湖地區(qū)風(fēng)沙天氣每年造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1億元，間接損失更高達(dá)3.64億元[9]。粗顆粒風(fēng)沙破壞力大但作用時(shí)間短，而微米級黏粒則以氣溶膠形式水平擴(kuò)散，長時(shí)間懸浮于近地層污染環(huán)境[10]。近年來，為發(fā)展經(jīng)濟(jì)，荒漠綠洲過渡帶農(nóng)墾、放牧等生產(chǎn)活動增加明顯，過渡帶面積縮減，更多的細(xì)顆粒塵埃被輸送到綠洲內(nèi)部[11]。而以往的研究往往著眼于粗顆粒風(fēng)沙的垂直分布特征及水平輸送量[12]，微米級飄塵鮮有研究。飄塵質(zhì)量輕、體積小，在地—?dú)馕镔|(zhì)交換過程中易受氣象因子和下墊面特征的影響，研究氣象因子調(diào)控下的艾比湖荒漠—綠洲過渡帶飄塵空間分布特征，對于人工綠洲外圍防風(fēng)固沙和空氣質(zhì)量評價(jià)具有重要意義。本研究以典型荒漠綠洲過渡帶為研究區(qū)，旨在探究飄塵在垂直梯度上的分異規(guī)律和粒徑組成特征及其主要?dú)庀笥绊懸蛩兀Y(jié)合同步氣象觀測數(shù)據(jù)建立氣象—飄塵回歸方程，并驗(yàn)證方程精度，以期為深入開展荒漠綠洲過渡帶生態(tài)環(huán)境與自然界中空氣飄塵研究提供依據(jù)。
1 研究區(qū)概況與研究方法
1.1 研究區(qū)概況
試驗(yàn)選擇在艾比湖濕地國家級自然保護(hù)區(qū)（82°36′—83°50′E，44°30′—45°09′N）進(jìn)行，保護(hù)區(qū)位于阿拉山口下風(fēng)區(qū)，新疆準(zhǔn)噶爾盆地西南。該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶愿珊禋夂?，氣候極端干燥，降水稀少且時(shí)空分布不均勻，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)。研究團(tuán)隊(duì)多年觀測資料顯示艾比湖年大風(fēng)日數(shù)（≥10 m/s）高達(dá)150 d以上，大風(fēng)攜帶沙塵往東運(yùn)輸，影響范圍十分廣泛。獨(dú)特的地形條件和苛刻的氣候特征，使艾比湖流域形成了石漠、礫漠、沙漠、鹽漠、沼澤和鹽湖等多樣化的地貌景觀。本研究選取新疆大學(xué)在保護(hù)區(qū)內(nèi)東大橋管護(hù)站所架設(shè)的通量觀測塔（2012XJ-AiBi Hu-OPEC）及周邊區(qū)域?yàn)闃訁^(qū)，該塔地處博爾塔拉蒙古自治州精河縣托托鄉(xiāng)境內(nèi)艾比湖濕地保護(hù)區(qū)核心區(qū)阿其克蘇河岸邊，人為擾動較小，周圍沙漠、戈壁和林地景觀鑲嵌共存，屬于典型的湖沼和湖濱三角洲綠洲—荒漠過渡帶。
通量塔周圍為荒漠河岸杜加依林，群落蓋度約為50%～60%，優(yōu)勢物種胡楊（Populus euphratica）的平均高度約8.5 m，伴生種有梭梭（Haloxylon ammodendron）和蘆葦（Phragmites australis），平均高度低于胡楊[13]。阿其克蘇河沿岸河岸林下墊面的土壤粒度特征與起沙區(qū)阿拉山口相比，正偏程度較大，土壤質(zhì)地較細(xì)[14]（表1）。
表1 研究區(qū)與上風(fēng)區(qū)土壤粒度特征
1.2 試驗(yàn)方法
在通量觀測塔上分7個(gè)垂直梯度（2，3，6，12，15，21，27 m）架設(shè)常規(guī)氣象儀器，記錄測量期間的空氣溫度（air temperature，AT）、相對濕度（relative humidity，RH）、飽和水汽壓（saturation vapor pressure，SVP）、風(fēng)速（wind speed，WS）、風(fēng)向（wind direction，WD）、光合有效輻射（photosynthetically active radiation，PAR）和地面凈輻射（net radiation，NR）等氣象指標(biāo)。本研究并未采用以往研究中常用的重量濃度定量法[15]，而是利用在飄塵污染評價(jià)方面具有直觀、快速和輕便等特性的激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器（Y09—3016，CHN）進(jìn)行測定。該儀器內(nèi)置氣泵和激光光源，采樣氣流中的各粒徑飄塵被氣泵吸入光路，經(jīng)過光敏區(qū)時(shí)（粒徑通道為0.3，0.5，1.0，3.0，5.0，10.0μm），散射出與其粒徑成一定比例的光通量，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、放大及處理后得到各粒徑段飄塵的濃度（顆/m3）。
2014年7月3 —29日，使用激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器，在以上7種高度上測定6個(gè)粒徑段（0.3μm≤x＜0.5μm，0.5μm≤x＜1.0μm，1.0μm≤x＜3.0 μm，3.0μm≤x＜5.0μm，5.0μm≤x＜10.0μm，10.0μm≤x）飄塵的每立方米濃度（顆/m3），同時(shí)將這6個(gè)粒徑段的濃度累加，求得飄塵總濃度（0.3μm≤x）。測量方法為氣象條件穩(wěn)定的情況下（天氣晴朗，無強(qiáng)風(fēng)、無降雨），從低空到高空滾動測量，每個(gè)高度測量1天（為1個(gè)觀測日），完成后即繼續(xù)下個(gè)高度測量，依此類推；完成27 m高度后，繼續(xù)從2 m處開始測量，如此循環(huán)，直至試驗(yàn)結(jié)束。受儀器工作溫度范圍和工作時(shí)間的限制，每個(gè)觀測日的飄塵濃度測定時(shí)間為7：00—12：00，18：00—23：00，計(jì)數(shù)間隔為8 min。為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，計(jì)數(shù)器采樣頭每次測量完成需進(jìn)行清洗。
為保證不同高度上的飄塵數(shù)據(jù)具有可比性，按照氣象條件基本一致的要求，對每個(gè)高度的多個(gè)觀測日數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，即最終挑出7個(gè)觀測日的數(shù)據(jù)（具有基本一致的氣象條件），分別代表7層高度的飄塵數(shù)據(jù)集，用于本文的統(tǒng)計(jì)分析。
1.3 數(shù)據(jù)處理
利用SPSS 17.0進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)、單因素方差分析、多元回歸分析和相關(guān)分析，方差齊時(shí)多重比較采用Duncan檢驗(yàn)，方差不齊時(shí)方差分析采用近似F檢驗(yàn)Welch法，多重比較采用Dunnett′s-T3方法檢驗(yàn)。使用Sigmaplot 12.5繪制相關(guān)圖件。
2 結(jié)果與分析
2.1 飄塵隨高度分異規(guī)律
對不同高度飄塵數(shù)據(jù)集進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，隨著高度遞增，飄塵總濃度（0.3μm≤x）日均值分別為：4.17×106，5.43×106，4.58×106，1.51×105，9.75×104，2.80×106，2.56×106顆/m3，不同高度上飄塵總濃度排序結(jié)果為：C3m＞C6m＞C2m＞C21m＞C27m＞C12m＞C15m。單因素方差分析表明，飄塵總濃度在空間（豎直梯度）上表現(xiàn)出明顯的分層現(xiàn)象（圖1），3 m處的飄塵總濃度顯著（p＜0.05）高于6 m和2 m，而21，27 m處的飄塵總濃度顯著（p＜0.05）低于2，6 m處的飄塵總濃度，且顯著（p＜0.05）高于12，15 m處的飄塵總濃度。總濃度表現(xiàn)為中層高度（12，15 m）低，而低空（2，3，6 m）和高空（21，27 m）較高，兩頭高中間低的分異規(guī)律表現(xiàn)出明顯的“啞鈴效應(yīng)”。
圖1 大氣飄塵隨高度變化的分布規(guī)律
各粒徑段飄塵濃度在豎直梯度上的分布規(guī)律基本相同，且與不同高度飄塵總濃度分布規(guī)律吻合。飄塵粒徑越大，分布規(guī)律與總飄塵濃度趨同性越強(qiáng)；隨著粒徑的減小，逐漸與總飄塵濃度表現(xiàn)出差異，差異主要體現(xiàn)在0.3μm≤x＜3.0μm粒徑段的2，3，6 m上。0.3μm≤x＜0.5μm粒徑段2，3，6 m相互之間差異不顯著（p＞0.05），1.0μm≤x＜3.0μm粒徑段2，3，6 m相互之間差異顯著（p＜0.05），0.5μm≤x＜1.0μm粒徑段僅2 m與3 m之間差異顯著（p＜0.05），其他高度則與總濃度分異規(guī)律相似。
2.2 不同高度上各粒徑飄塵貢獻(xiàn)度
計(jì)算豎直梯度上各粒徑段飄塵所占的比例，發(fā)現(xiàn)不同高度上飄塵的粒徑組成比例基本相同（詳見表2）。對不同高度上同一粒徑段占的比例計(jì)算算術(shù)平均值，視為該粒徑段的平均貢獻(xiàn)度（average contribution，AC）。0.5μm≤x＜1.0μm粒徑段的AC最高，為54.7%；其次為0.3μm≤x＜0.5μm和1.0μm≤x＜3.0μm粒徑段，分別為28.4%和14.5%，三者累計(jì)貢獻(xiàn)率（accumulative contribution rate，ACR）達(dá)到97.6%。3.0μm≤x＜5.0μm，5.0 μm≤x＜10.0μm，10.0μm≤x粒徑段AC分別為2%，0.2%和0.2%，合計(jì)占比僅為2.4%。也就是說，研究區(qū)小粒徑飄塵所占比例較高，這種規(guī)律并不隨著高度的改變而變化。
表2 不同粒徑飄塵貢獻(xiàn)度隨高度的變化
2.3 飄塵濃度與氣象數(shù)據(jù)回歸分析
為了建立典型氣象—飄塵多元回歸方程，根據(jù)飄塵濃度（下文中如無特殊說明，均指總濃度，即0.3μm≤x）在豎直梯度上的多重比較結(jié)果（圖1），將整個(gè)梯度上的飄塵濃度歸為3個(gè)梯度，即低空（2，3，6 m）、中層高度（12，15 m）、高空（21，27 m），對應(yīng)的飄塵濃度為低空＞高空＞中層高度。在這3個(gè)梯度的典型高度上（3，12，21 m）將飄塵濃度分別與氣象數(shù)據(jù)（AT，RH，SVP，WS，WD，PAR，NR）擬合，建立多元回歸方程。回歸采用多元逐次回歸，進(jìn)行共線性診斷，輸出共線性統(tǒng)計(jì)量容差、方差膨脹因子和共線性診斷表，逐步剔除存在多重共線性的自變量并重新建模，最終結(jié)果見表3。在低空，飄塵濃度與空氣溫度、飽和水汽壓呈極顯著（p＜0.01）負(fù)相關(guān)，與風(fēng)速呈極顯著（p＜0.01）正相關(guān)。在中層高度，飄塵濃度與空氣溫度、相對濕度、光和有效輻射呈極顯著（p＜0.01）負(fù)相關(guān)。在高空，飄塵濃度與空氣溫度、相對濕度、風(fēng)向極顯著（p＜0.01）正相關(guān)，與飽和水汽壓、光和有效輻射呈極顯著（p＜0.01）負(fù)相關(guān)?？梢姡瑲庀笠刂袑︼h塵濃度調(diào)控起主要作用的是相對濕度、飽和水汽壓、風(fēng)速、空氣溫度。
表3 氣象飄塵回歸方程統(tǒng)計(jì)
根據(jù)回歸結(jié)果，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)反演這3種典型高度上的飄塵濃度，構(gòu)成了3個(gè)驗(yàn)證組，將模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，驗(yàn)證模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的擬合效果。結(jié)果表明，3個(gè)驗(yàn)證組模擬數(shù)值與實(shí)測數(shù)值均表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系（p＜0.05）（表4），相關(guān)系數(shù)變化范圍為0.45～0.57；按照相關(guān)系數(shù)等級的劃分，3 m和12 m高度的相關(guān)系數(shù)均小于0.5，屬低度相關(guān)，而21 m高度上的相關(guān)系數(shù)為0.57，達(dá)到中度相關(guān)。
表4 模擬與實(shí)測飄塵數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析
結(jié)合典型高度上的實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)繪制飄塵濃度白天的變化趨勢圖（圖2），發(fā)現(xiàn)回歸方程反演數(shù)據(jù)能夠很好地代表飄塵濃度的日走勢，證明回歸方程能在一定程度上預(yù)測濃度日變化。由于儀器工作溫度的限制，正午13：00—18：00時(shí)段的實(shí)測數(shù)據(jù)缺失，而回歸方程能夠根據(jù)氣象資料模擬出這一時(shí)段的飄塵濃度及其變化特征，這段時(shí)間的飄塵濃度變化平穩(wěn)，在均值上下波動。
2.4 主要?dú)庀笠蛩貙︼h塵濃度的影響
根據(jù)以往的研究[16]及本研究回歸方程中氣象因素的權(quán)重，選取風(fēng)速和相對濕度兩種主要?dú)庀笠蛩卦?層典型高度上與飄塵濃度擬合。
風(fēng)是顆粒物運(yùn)移的直接動力。研究表明，艾比湖流域?qū)儆诟唢L(fēng)能環(huán)境，年均合成輸沙勢（resultant drift potential，RDP）約為 88.3 矢量單位 （vector unit，VU）[17]。為探究空氣中飄塵濃度對風(fēng)速的響應(yīng)，對二者進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速與飄塵濃度表現(xiàn)出極顯著（p＜0.01）的二次多項(xiàng)式關(guān)系，風(fēng)速變化對飄塵濃度有明顯的雙重作用，風(fēng)速低于臨界值（本文中將二次方程的對稱軸視為臨界值）會抑制污染物質(zhì)的擴(kuò)散，飄塵濃度隨風(fēng)速的升高而升高，而風(fēng)速高于臨界值時(shí)，則有利于空氣中污染物質(zhì)的稀釋擴(kuò)散，飄塵濃度隨風(fēng)速的升高而降低。但不同高度上正負(fù)效應(yīng)的臨界值有所不同（圖3），3層高度上分別為6.21，6.13，3.31 m/s。而相對濕度與飄塵濃度擬合結(jié)果表現(xiàn)出極顯著（p＜0.01）線性相關(guān)。相對濕度對空氣中的飄塵有著很好的“清除”作用，無論豎直高度如何，隨著空氣相對濕度的增加，飄塵濃度下降明顯。
圖2 實(shí)測與模擬飄塵濃度趨勢
圖3 飄塵濃度對風(fēng)速與相對濕度變化的響應(yīng)
3 討論
3.1 飄塵濃度垂直分布特征
本研究發(fā)現(xiàn)，在所選典型荒漠綠洲過渡帶上，飄塵濃度沿豎直梯度的變化并未表現(xiàn)出簡單的線性相關(guān)，而是呈現(xiàn)3 m處飄塵濃度最大，6，2，21，27 m次之，12，15 m濃度最小的垂直分異規(guī)律。簡言之即低空濃度高，高空濃度較低，中間高度濃度最低的“啞鈴效應(yīng)”。這可能與群落特征和下墊面因素有關(guān)，觀測點(diǎn)周圍為胡楊群落，地面塵埃揚(yáng)起時(shí)一部分被冠層截留，因此2，3，6 m高度上（冠層下部）飄塵濃度較高，這與趙明等[18]在民勤綠洲沙漠過渡帶研究的結(jié)果一致。說明雖然廣袤的荒漠土增加了人工綠洲遭受風(fēng)沙襲擊的可能性，但是荒漠綠洲過渡帶作為人工—自然生態(tài)系統(tǒng)之間的一道天然屏障，不但減小了風(fēng)沙的水平通量，還能截留風(fēng)沙土的垂直爬升，在一定程度上降低了研究區(qū)大氣顆粒物的濃度，同時(shí)兼具保土固沙的作用。而艾比湖荒漠綠洲過渡帶下墊面類型豐富，不同景觀類型之間物流、能流頻繁，高空大氣湍流交換和擴(kuò)散能力強(qiáng)，利于周圍顆粒物的擴(kuò)散[19]，因此高空（21，27 m）的飄塵濃度也較高。同時(shí)，本研究觀測的氣象數(shù)據(jù)表明，21，27 m處于逆溫層中，在逆溫層中，上部空氣暖輕而下部空氣濕重，形成穩(wěn)定的大氣層，不利于污染物的豎直交換，導(dǎo)致高空中飄塵總濃度較高[20]。此外，溫度的升高還能引起大氣光化學(xué)反應(yīng)，而光化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物二次顆粒物又是空氣顆粒物的重要來源[21]。
3.2 各粒徑段飄塵貢獻(xiàn)度分析
不同高度上各粒徑段飄塵的貢獻(xiàn)度基本相同，0.5μm≤x＜1.0μm和0.3μm≤x＜0.5μm粒徑段所占比例最高，直徑小于3.0μm貢獻(xiàn)度合計(jì)達(dá)97.6%，說明研究區(qū)大氣環(huán)境中細(xì)顆粒物的每立方米含量遠(yuǎn)大于粗顆粒物，整體污染水平較高。究其原因有二，一是因?yàn)?，艾比湖流域常年主?dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，通量塔位于風(fēng)沙輸送的下風(fēng)區(qū)，湖積平原上特殊的土壤粒度特征和稀疏的植被蓋度是風(fēng)沙運(yùn)動的內(nèi)因，來自阿拉山口的大風(fēng)為沙塵的起動提供了充足的外力。當(dāng)流域獨(dú)特的下墊面遭遇強(qiáng)風(fēng)侵襲時(shí)，沙塵被氣流卷起揚(yáng)到空中，往下風(fēng)區(qū)搬運(yùn)；隨著風(fēng)沙的不斷深入，下墊面類型不再單一，靠近綠洲邊緣時(shí)，下墊面植被蓋度逐漸增加，對躍起高度有限的粗顆粒風(fēng)沙形成阻截。除此之外，粗顆粒風(fēng)沙本身搬運(yùn)距離有限，風(fēng)力稍有減弱便會依次沉降，而細(xì)顆粒物由于其獨(dú)特的空氣動力學(xué)特性得以在空氣中長時(shí)間懸浮并遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，成為研究區(qū)空氣污染的主要組分。二是因?yàn)椋芯繀^(qū)屬于典型綠洲荒漠交錯帶，阿其克蘇河以南為人工綠洲景觀，持續(xù)的人類生產(chǎn)（農(nóng)業(yè)耕作和游牧）會帶起大量的空氣塵埃[11]。
3.3 主要?dú)庀笠蛩貙︼h塵濃度的影響與氣象—飄塵回歸方程
飄塵濃度與氣象數(shù)據(jù)回歸分析表明，氣象要素對空氣飄塵在垂直梯度上的擴(kuò)散、稀釋和累積有明顯作用。但這種作用是極為復(fù)雜的，不同的氣象要素對飄塵濃度制約的方式也不同，不能簡單線性相加。本研究對兩種主要?dú)庀笠蛩胤謩e與飄塵濃度的定性分析表明，二者的調(diào)控機(jī)制不同。相對濕度影響飄塵吸濕特性，促進(jìn)微粒之間的吸附再結(jié)合，使細(xì)顆粒物不斷形成粗顆粒物，而粗顆粒物再吸濕沉降，如此往復(fù)，促進(jìn)飄塵的局部交換。從而對飄塵的濃度起到調(diào)控作用[22]。風(fēng)場是邊界層內(nèi)影響污染物稀釋和擴(kuò)散的主要因子，風(fēng)速影響污染物擴(kuò)散稀釋的速度。結(jié)果表明，研究區(qū)的平均風(fēng)速對飄塵濃度的影響有著明顯的雙重性，臨界值兩側(cè)的風(fēng)速變化趨勢對飄塵濃度的作用不同。風(fēng)速高于臨界值時(shí)，有利于空氣中污染物質(zhì)的稀釋擴(kuò)散，飄塵濃度隨風(fēng)速的升高而降低；而風(fēng)速低于臨界值則會抑制污染物質(zhì)的擴(kuò)散，飄塵濃度隨風(fēng)速的升高而升高，使空氣中顆粒物含量成倍增加[16]。但不同高度上，決定正反效應(yīng)的臨界值并不相同，高度越高臨界值越小。這是因?yàn)殡S著高度增加通量塔周圍更加空曠，沒有了植物冠層及地形因素對風(fēng)力的阻擋，飄塵濃度對風(fēng)速變化的響應(yīng)更敏感。這也進(jìn)一步驗(yàn)證了下墊面特征（植被覆蓋）對荒漠綠洲過渡帶上飄塵濃度有著重要的調(diào)控作用，而植被覆蓋的增加又能在小區(qū)域范圍內(nèi)影響氣象因子，如植物通過蒸騰作用影響近地層溫度和空氣濕度，覆蓋度影響風(fēng)速等；下墊面特征和氣象因子共同作用對飄塵濃度調(diào)控起到積極作用。因此，加大退耕還林力度，有效提升艾比湖保護(hù)區(qū)公益林覆蓋度，改善局部小氣候，對減少人工綠洲風(fēng)沙侵襲率并降低過渡帶上飄塵濃度具有重要意義。
回歸方程反演飄塵數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)之間的Pearson相關(guān)系數(shù)表明，二者之間呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系（p＜0.05），且反演數(shù)據(jù)對飄塵日變化趨勢的預(yù)測較理想，證明了利用氣象數(shù)據(jù)推算荒漠綠洲過渡帶飄塵濃度的可能。近年來，大氣飄塵逐漸成為環(huán)境污染研究的熱點(diǎn)，但由于成本和技術(shù)限制導(dǎo)致自然界中的飄塵研究資料缺乏，不能給人口密集區(qū)的相關(guān)研究提供本底對照。而本文涉及的氣象資料均為氣象臺站的常規(guī)監(jiān)測指標(biāo)，以數(shù)值模擬的方法推算飄塵濃度，可為相關(guān)研究工作帶來極大便利。但本研究立足于干旱區(qū)荒漠綠洲過渡帶，對于飄塵分布特征和氣象飄塵回歸方程研究發(fā)現(xiàn)的規(guī)律是否能夠在其他地區(qū)適用，還需要進(jìn)一步的驗(yàn)證和完善。
4 結(jié)論
（1）研究區(qū)典型荒漠—綠洲過渡帶空氣飄塵總濃度（0.3μm≤x）垂直分布特征為：低空（2，3，6 m）＞高空（21，27 m）＞中層高度（12，15 m），兩頭高中間低的分布特征表現(xiàn)出明顯的“啞鈴效應(yīng)”。不同粒徑段顆粒物的貢獻(xiàn)率隨著高度的增加保持穩(wěn)定，0.3 μm≤x＜3.0μm粒徑段的細(xì)顆粒物累計(jì)占比97.6%，是主要污染組分。
（2）3種典型高度上（3，12，21 m）實(shí)測飄塵數(shù)據(jù)與氣象—飄塵多元回歸方程反演的模擬數(shù)據(jù)之間表現(xiàn)為顯著正相關(guān)（p＜0.05），且方程模擬數(shù)值與實(shí)測數(shù)值的日變化趨勢基本一致，證明了利用氣象數(shù)據(jù)推算荒漠綠洲過渡帶飄塵濃度的可能。
（3）風(fēng)速對飄塵濃度有著明顯的正反效應(yīng)，風(fēng)速低于臨界值會抑制飄塵的擴(kuò)散，反之則有利于飄塵的稀釋，在3種典型高度（3，12，21 m）上的臨界值分別為6.21，6.13，3.31 m/s；相對濕度的增加能夠極顯著（p＜0.01）地降低飄塵濃度。
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Vertical Distribution Characteristics and the Main Meteorological Factors of Floating Dust in a Desert-oasis Ecotone of Ebinur Basin，Xinjiang Uygur Autonomous Region
GONG Xuewei1，2，HE Xuemin2，3，LYU Guanghui2，3，CHEN Yue1，2
（1.College of Resources and Environment Science，Xinjiang University，Urumqi830046，China；2.Key Laboratory of Oasis Ecology，Urumqi830046，China；3.Institute of Arid Ecology and Environment，Xinjiang University，Urumqi830046，China）
Six particle size interval（0.3μm≤x＜0.5μm，0.5μm≤x＜1.0μm，1.0μm≤x＜3.0μm，3.0 μm≤x＜5.0μm，5.0μm≤x＜10.0μm，10.0μm≤x）floating dust concentrations and meteorological data on seven kinds of height（2，3，6，12，15，21，27 m）were measured by the laser dust particle counter and automatic observing system for meteorological gradient to study vertical distribution characteristics and the main meteorological factors of floating dust in a Desert-oasis Ecotone of Ebinur Basin，Xinjiang Uygur Autonomous Region.The results showed that the average contribution of 0.3μm≤x＜3.0μm among different size interval floating dusts accounted for the highest，add up to 97.6%.The distribution rule of floating dust overall contribution（0.3μm≤x）on the seven layer heights was high on both sides of the middle low（C3m＞C6m＞C2m＞C21m＞C27m＞C12m＞C15m），which could be called‘dumbbell effect’.Analogue data obtained from meteorological-floating dust regression equation and measured data showed the significantly positive correlation（p＜0.05），and the diurnal variation trend of analogue data was similar to the measured data.Wind speed had the significant positive and negative effects on floating dust concentrations（wind speed less than the critical value in favor of floating dust accumulation，whereas promoted floating dust diluted）（p＜0.01），and floating dust concentration reduced obviously（p＜0.01）with the increase of relative humidity.
desert-oasis ecotone；floating dust；vertical distribution；meteorological-floating dust multiple regression analysis
X831
A
1005-3409（2017）01-0096-07
2016-03-07
2016-03-17
國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“干旱區(qū)湖泊流域路面過程及人類活動適應(yīng)性——以艾比湖流域?yàn)槔保?1130531）
龔雪偉（1992—），男，河南項(xiàng)城人，碩士，研究方向?yàn)楦珊祬^(qū)生態(tài)學(xué)。E-mail：gonsurvi＠foxmail.com
呂光輝（1963—），男，山東青島人，教授，博士，主要從事干旱區(qū)生態(tài)學(xué)研究。E-mail：ler＠xju.edu.cn
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