徐立帥，鄭 偉，鄭新倩，賀 鵬，劉立文

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷030801；2.塔中氣象站，新疆 塔中841000；3.新疆農(nóng)業(yè)氣象臺(tái)，新疆 烏魯木齊830002）

綠洲是干旱區(qū)人類生產(chǎn)和生活最為重要的場(chǎng)所，由于靠近沙塵源區(qū)、風(fēng)沙活動(dòng)頻繁，導(dǎo)致綠洲面臨嚴(yán)重的沙塵危害，尤其大量沙塵的沉降產(chǎn)生一系列環(huán)境效應(yīng)。降塵可以為土壤輸入大量的細(xì)顆粒物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)元素，促進(jìn)土壤發(fā)育[1-3]；又可通過(guò)鹽分、重金屬、病原體等輸入引起土壤鹽漬化、污染水體[4，5]。降塵沉降到植物葉片會(huì)影響植物的光合作用、呼吸和蒸騰等生理、生化過(guò)程，進(jìn)而造成糧食減產(chǎn)[6-8]。此外，降塵是綠洲沉積物的重要來(lái)源，記錄了綠洲形成及演化過(guò)程中的環(huán)境變化信息[9]。而且，沙塵懸浮在大氣中時(shí)增加了氣溶膠光學(xué)厚度，提高了可吸入顆粒物（PM10）和總懸浮顆粒物（TSP）濃度，導(dǎo)致環(huán)境質(zhì)量下降[10，11]；長(zhǎng)期暴露于這樣的環(huán)境中更易患呼吸系統(tǒng)疾病，導(dǎo)致人體上呼吸道和眼睛產(chǎn)生急性刺激性癥狀[12-14]。因此，綠洲大氣降塵的研究對(duì)改善綠洲環(huán)境質(zhì)量、規(guī)避沙塵危害有重要意義。

綠洲及周圍荒漠區(qū)的大氣降塵受廣泛關(guān)注。已有研究發(fā)現(xiàn)塔里木盆地南緣策勒綠洲降塵是戈壁的3倍，綠洲內(nèi)部較小的風(fēng)速和較高的濕度可能是影響降塵的主要因素[15]。塔里木盆地北緣輪臺(tái)綠洲的觀測(cè)也發(fā)現(xiàn)綠洲內(nèi)部降塵量大于周圍荒漠區(qū)，除了較高的植被蓋度，綠洲內(nèi)部人為源可能也會(huì)影響降塵量[16]。萬(wàn)的軍等對(duì)策勒綠洲塵暴降塵、浮塵降塵的對(duì)比研究指出綠洲粗糙下墊面機(jī)械阻擋作用、綠洲小氣候效應(yīng)和人為源都可能影響降塵[17，18]。但綠洲并非均質(zhì)的，綠洲內(nèi)部不僅有農(nóng)田還有縣城、城鎮(zhèn)等人口密集區(qū)，綠洲外部還存在戈壁、過(guò)渡帶、沙漠等不同類型的下墊面。不同下墊面如何導(dǎo)致了綠洲內(nèi)外降塵存在差異，又如何影響不同粒徑的粉塵沉降？這還需更多的野外觀測(cè)進(jìn)行研究。因此，本研究選擇塔里木盆地南緣策勒綠洲及周圍荒漠區(qū)為研究對(duì)象，觀測(cè)戈壁、綠洲—沙漠過(guò)渡帶、綠洲內(nèi)部農(nóng)田和縣城4種不同下墊面降塵，探討不同下墊面對(duì)降塵空間分布和機(jī)械組成的影響。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

策勒綠洲（80°43′E～80°53′E，36°57′N～37°05′N）位于塔里木盆地南緣，中昆侖山北麓。地處亞歐大陸腹地，為暖溫帶荒漠氣候。年平均降水量35.1 mm，年潛在蒸發(fā)量近2600 mm，干燥度為20.8；極端最高溫為41.9℃，極端最低溫為-23.9℃[19，20]。該區(qū)風(fēng)沙災(zāi)害嚴(yán)重，沙塵天氣主要發(fā)生在春、夏兩季，起沙風(fēng)主要為偏西風(fēng)[21，22]。多年平均沙塵暴日數(shù)為25.2 d，最高年份高達(dá)59 d，此外年浮塵日數(shù)超過(guò)200 d[23，24]。

1.2 研究方法

本研究選擇戈壁、綠洲-沙漠過(guò)渡帶（簡(jiǎn)稱過(guò)渡帶）、綠洲內(nèi)部農(nóng)田和縣城4種不同下墊面進(jìn)行大氣降塵觀測(cè)，觀測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。戈壁觀測(cè)點(diǎn)位于綠洲南緣，距縣城約12 km，地表基本沒有植被覆蓋。過(guò)渡帶的降塵觀測(cè)點(diǎn)距綠洲西邊界約100 m，該區(qū)主要植被為駱駝刺（Alhagi sparsifolia Shap）和花花柴（Karelinia caspia），植被高度基本都＜1 m，植被蓋度為67%[25]。綠洲內(nèi)部農(nóng)田觀測(cè)點(diǎn)位于綠洲中部略偏北的位置，綠洲農(nóng)田周邊為窄林帶小網(wǎng)格的高大防護(hù)體系，主要由新疆楊（Populusalbavar.pyramidalis Bunge）組成，植被蓋度超過(guò)80% 。防護(hù)體系內(nèi)部種植棉花、紅棗等經(jīng)濟(jì)作物。縣城觀測(cè)點(diǎn)位于策勒縣氣象局房頂，地處縣城中心區(qū)域，人類活動(dòng)較多。

圖1 策勒綠洲及周圍荒漠區(qū)4個(gè)不同下墊面大氣降塵觀測(cè)點(diǎn)

策勒綠洲南緣戈壁粒度特征未見詳細(xì)報(bào)道，但陳渭南對(duì)塔南沖積平原和戈壁的調(diào)查結(jié)果顯示大于2 mm的組分含量為26.68% ，＜50 μm粒徑含量不足40% ，平均粒徑為520 μm[26]。綠洲西緣過(guò)渡帶表層物質(zhì)粒徑分布范圍為0.3～200 μm，以細(xì)沙和極細(xì)沙為主，呈雙峰分布具有很好的分選性，主峰眾數(shù)為67 μm，小于20 μm的組分出現(xiàn)一個(gè)平緩的細(xì)峰[27]。沿綠洲主風(fēng)向從過(guò)渡帶到綠洲表土平均粒徑呈減小趨勢(shì)，到邊緣農(nóng)田區(qū)平均粒徑下降到83 μm[28]。綠洲內(nèi)部縣城基本沒有裸露土壤，主要是硬化后的道路、廣場(chǎng)等。因此除大氣降塵被擾動(dòng)后的二次釋放，其本身不會(huì)產(chǎn)生風(fēng)蝕?？梢姡瓯诘谋硗亮阶畲?，其次為過(guò)渡帶，綠洲內(nèi)部表土粒徑最小。

降塵桶是用PVC管自制的，內(nèi)經(jīng)15.5 cm，高30 cm，底部用塑料袋包裹用于收集大氣降塵。降塵桶固定在距地面4 m的高度以避免就地起塵的影響。其中戈壁和過(guò)渡帶是用木樁固定，綠洲內(nèi)部農(nóng)田區(qū)和縣城兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)用1 m高的支架將降塵桶固定在約3 m高度的房頂。為保證收集足夠降塵量，每個(gè)點(diǎn)安放兩個(gè)降塵桶。每次采樣時(shí)用軟毛刷將降塵筒內(nèi)的粉塵全部清掃到底部的塑料帶內(nèi)并做好標(biāo)記，之后安放好降塵桶繼續(xù)采樣。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后剔除植物殘?bào)w等雜質(zhì)進(jìn)行稱重，計(jì)算采樣時(shí)間段內(nèi)每個(gè)點(diǎn)的單位面積降塵量（g·m-2）。稱重后的樣品不經(jīng)任何預(yù)處理直接用Mastersizer 2000進(jìn)行粒度測(cè)量，粒度參數(shù)由GRADISTAT軟件計(jì)算并根據(jù)Folk-Ward標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)了平均粒徑、分選性、偏態(tài)和峰態(tài)4個(gè)參數(shù)[29]。2013年3月7日—2014年3月10日共收集了5次大氣降塵樣品，收集時(shí)間分別為2013年3月7日—4月5日、4月6日—6月5日、6月6日—9月4日、9月5日—11月16日、11月17日—2014年3月10日。為便于記錄將這5個(gè)時(shí)間段分別標(biāo)記為P1、P2、P3、P4和P5，其中P2～P5時(shí)段內(nèi)降塵量累加代表了年累積降塵量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同下墊面降塵量特征

不同下墊面降塵量變化如圖2所示，降塵量從大到小順序基本是縣城＞農(nóng)田＞過(guò)渡帶＞戈壁。受采樣時(shí)間的影響，不同下墊面降塵量差異較大。戈壁相對(duì)于其它3種下墊面近乎裸露，可以忽略植被蓋度及人類活動(dòng)的影響。以戈壁降塵量為參照可以看出，P5期間戈壁降塵量最小，其次為P1、P4、P3和P2，不同時(shí)間戈壁降塵量的變化基本對(duì)應(yīng)策勒地區(qū)沙塵天氣的變化。P1時(shí)期不同下墊面降塵量差異最大，過(guò)渡帶、農(nóng)田和縣城降塵量分別是戈壁的4.0倍、6.6倍和10.0倍。P2和P5時(shí)期不同下墊面降塵量差異有所減小，過(guò)渡帶降塵量基本是戈壁的2倍，農(nóng)田降塵量超過(guò)戈壁的5倍，縣城降塵量約是戈壁的8倍。P2和P4時(shí)期不同下墊面降塵量進(jìn)一步減小，過(guò)渡帶降塵量基本是戈壁的1倍，農(nóng)田降塵量超過(guò)戈壁的2倍，縣城降塵量約是戈壁的3倍。年累積降塵量中過(guò)渡帶、農(nóng)田和縣城分別是戈壁的1.4倍、3.4倍和4.9倍。從觀測(cè)結(jié)果可以看出，下墊面植被蓋度越大，風(fēng)速越小的區(qū)域降塵量越大，且不同下墊面降塵量之間的差異不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。

圖3 不同下墊面降塵粒度分布曲線

圖2 不同下墊面降塵量差異

2.2 不同下墊面降塵粒度特征

4種不同下墊面降塵粒度分布曲線基本呈雙峰分布（圖3），第一主峰主要分布范圍為20～200 μm，第二主峰分布范圍為4～20 μm。但是，P1（春季降塵）中戈壁和過(guò)渡帶降塵為單峰分布，且基本未出現(xiàn)小于20 μm的粉塵沉降，其他4個(gè)時(shí)期降塵均為雙峰，且不同下墊面粒徑分布范圍基本一致。此外，P5不同下墊面降塵眾數(shù)粒徑差異最大，戈壁降塵眾數(shù)粒徑最大，其次為過(guò)渡帶，綠洲內(nèi)部農(nóng)田和縣城眾數(shù)粒徑相同。而P2、P3和P4不同下墊面降塵眾數(shù)粒徑相同，P1不同下墊面眾數(shù)粒徑略有差異。不同下墊面降塵粒度參數(shù)在5個(gè)時(shí)間段內(nèi)也表現(xiàn)出不同的特征（表1）。P1和P5這2個(gè)時(shí)段分別位于春季和冬季，戈壁降塵平均粒徑明顯大于其他3個(gè)下墊面，分選性好于其他3個(gè)下墊面。而P2、P3和P4時(shí)段位于夏季和秋季，戈壁降塵平均粒徑反而小于其他3個(gè)下墊面，但不同下墊面降塵分選性一樣。峰態(tài)和偏度變化沒有明顯的規(guī)律性，總體上降塵粒度曲線表現(xiàn)出細(xì)偏和變窄的趨勢(shì)。

表1 不同下墊面降塵粒度參數(shù)特征

3 討論

3.1 下墊面對(duì)降塵量影響

下墊面對(duì)降塵的影響不可忽視，尤其地表植被對(duì)風(fēng)速的削弱可直接促進(jìn)大氣降塵。研究發(fā)現(xiàn)防護(hù)林庇護(hù)區(qū)降塵量大于外部，且強(qiáng)沙塵暴和風(fēng)蝕季節(jié)最為顯著，體現(xiàn)出機(jī)械阻擋作用對(duì)沙塵沉降的促進(jìn)作用[30]。民勤綠洲的降塵觀測(cè)發(fā)現(xiàn)從荒漠區(qū)穿過(guò)綠邊緣進(jìn)入綠洲內(nèi)部降塵量呈先下降后增加趨勢(shì)，且綠洲防護(hù)體系不僅影響降塵量，還改變了降塵垂向分布特征，綠洲內(nèi)部降塵垂向分布轉(zhuǎn)折點(diǎn)與防護(hù)林高度一致[31]。策勒地區(qū)的將觀測(cè)發(fā)現(xiàn)植被蓋度是影響降塵量的關(guān)鍵因素。戈壁幾乎呈裸露狀態(tài)，可以忽略植被對(duì)風(fēng)速的削弱作用。過(guò)渡帶植被蓋度達(dá)到67% ，觀測(cè)點(diǎn)周圍主要為駱駝刺灌叢，高度基本都在1 m以下。綠洲內(nèi)部為窄林帶小網(wǎng)格的防護(hù)體系，高度約20 m?？h城密集建筑物也增加了地表粗糙度，削弱風(fēng)速。此外，綠洲摩阻風(fēng)度和空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度分別為0.81 m·s-1和310.8 mm，過(guò)渡帶為0.61 m·s-1和39.51 mm，綠洲風(fēng)蝕潛力明顯小于過(guò)渡帶，且對(duì)風(fēng)速有很強(qiáng)的削弱作用[32]。策勒綠洲風(fēng)速觀測(cè)發(fā)現(xiàn)2 m高度上綠洲內(nèi)部平均風(fēng)速比過(guò)渡帶小約1 m·s-1且植被生長(zhǎng)季節(jié)風(fēng)速差異大于冬季[33]，而綠洲和戈壁11.6 m高度觀測(cè)發(fā)現(xiàn)綠洲比戈壁風(fēng)速小3.6 m·s-1，且綠洲下墊還影響了風(fēng)向變化[34]。從戈壁到過(guò)渡帶再到綠洲內(nèi)部風(fēng)速逐漸減弱，而沙塵在輸送過(guò)程中風(fēng)速減弱會(huì)大量沉降，因此導(dǎo)致降塵量從戈壁、過(guò)渡帶到綠洲內(nèi)部呈增加趨勢(shì)，即粗糙度越大，降塵量越大。

縣城降塵量大于綠洲農(nóng)田區(qū)，有兩個(gè)方面的因素值得考慮：一是縣城位于綠洲內(nèi)部，受防護(hù)林帶和高大建筑共同影響，風(fēng)速削弱有利于沙塵沉降；二是縣城區(qū)域不可避免的會(huì)受人類活動(dòng)等影響，粉塵的二次釋放可能也會(huì)導(dǎo)致降塵量偏大。而且，策勒綠洲主要受偏西風(fēng)影響，農(nóng)田觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)于縣城觀測(cè)點(diǎn)更靠近綠洲西緣。以上多方面因素的綜合作用可能導(dǎo)致縣城區(qū)降塵量最大。綠洲小氣候?qū)祲m的作用是不容忽視的[18]，但小氣候不是穩(wěn)定存在的，受季節(jié)和強(qiáng)天氣過(guò)程的影響。研究表明綠洲小氣候主要出現(xiàn)在夏季靜穩(wěn)天氣，冬季和秋季可以忽略小氣候的影響，強(qiáng)沙塵天氣也會(huì)破壞綠洲小氣候[33，35-37]。夏季和秋季浮塵天氣綠洲小氣候?qū)祲m的影響最大。植被生長(zhǎng)季節(jié)對(duì)應(yīng)小氣候顯著期，下墊面的機(jī)械阻擋作用更強(qiáng)。冬季植被進(jìn)入休眠期，下墊面機(jī)械阻擋作用減弱，小氣候此時(shí)也不明顯。這些因素的共同作用可能導(dǎo)致了不同下墊面降塵量差異呈非線性關(guān)系。

3.2 下墊面對(duì)降塵粒度影響

4種下墊面降塵基本均呈雙峰分布，粒徑分布范圍也一致，但平均粒徑、分選性、偏態(tài)和峰態(tài)存在差異（表1）。風(fēng)力條件是影響粒度的主要因素，風(fēng)速較大時(shí)沙塵不易沉降，尤其長(zhǎng)期懸浮于大氣中的細(xì)顆粒沙塵甚至不會(huì)沉降[17]。戈壁植被蓋度小、風(fēng)速大，降塵平均粒徑應(yīng)大于綠洲內(nèi)部。但本研究發(fā)現(xiàn)P1和P5兩個(gè)時(shí)期戈壁降塵平均粒徑的確大于綠洲內(nèi)部，戈壁降塵細(xì)顆粒沙塵含量小于其他3個(gè)下墊面。但是，P2、P3和P4時(shí)期戈壁降塵平均粒徑又明顯小于綠洲內(nèi)部，這與先前的推測(cè)矛盾。戈壁與其他3種下墊面相比除粗糙度差別外，溫度和濕度也存在差異。綠洲在P2、P3和P4時(shí)段內(nèi)冷島和濕島效應(yīng)非常顯著[33]。綠洲小氣候?qū)е戮G洲內(nèi)部出現(xiàn)大范圍的下沉氣流；且綠洲內(nèi)部相對(duì)濕度高，粉塵顆粒吸濕增重，這兩個(gè)因素與重力共同作用可以促進(jìn)沙塵沉降[18]。因此綠洲小氣候效應(yīng)的季節(jié)變化可能導(dǎo)致小氣候作用期綠洲降塵平均粒徑大于戈壁，冬季小氣候作用不明顯時(shí)綠洲降塵平均粒徑小于戈壁。當(dāng)然，不能排除戈壁受塵卷風(fēng)等局地因素影響，導(dǎo)致與綠洲內(nèi)部降塵存在粒徑差異。沙塵天氣降塵的空間分布范圍相對(duì)于綠洲來(lái)說(shuō)是一個(gè)大尺度，本研究關(guān)注的是在這種大尺度降塵事件中不同下墊面對(duì)降塵的影響，下墊面表土性質(zhì)差異、局地小尺度的塵卷風(fēng)等事件暫不列入考慮范圍。

本研究發(fā)現(xiàn)，P2、P3和P4時(shí)期戈壁降塵呈明顯的雙峰分布，其他3個(gè)下墊面降塵雙峰分布不明顯。戈壁降塵可以代表自然狀態(tài)下大氣降塵，其他3個(gè)下墊面降塵受到了機(jī)械阻擋和小氣候效應(yīng)影響。戈壁與其他3個(gè)下墊面粒度差異可以反映機(jī)械阻擋和小氣候效應(yīng)對(duì)不同粒徑粉塵沉降的影響。P1和P5這2個(gè)時(shí)期可以忽略小氣候效應(yīng)影響，戈壁與其他3個(gè)下墊面降塵差異可認(rèn)為是機(jī)械阻擋作用影響的，戈壁降塵＜50 μm的粉塵含量小于其他3個(gè)下墊面（圖3）。因此可推斷機(jī)械阻擋作用主要促進(jìn)了＜50 μm的粉塵沉降。P2、P3和P4時(shí)期，其他3個(gè)下墊面降塵受機(jī)械阻擋和小氣候效應(yīng)共同影響，戈壁降塵中20～100 μm的粉塵含量要低于其他3個(gè)下墊面，而4～20 μm的粉塵含量明顯大于其他3個(gè)下墊面（圖3b～3d）。據(jù)此可以推斷小氣候效應(yīng)主要是促進(jìn)了20～100 μm的沙塵沉降。

4 結(jié)論

本研究對(duì)塔里木盆地南緣策勒地區(qū)戈壁、綠洲—沙漠過(guò)渡帶、綠洲內(nèi)部農(nóng)田和縣城4種不同下墊面進(jìn)行了大氣降塵觀測(cè)，分析了降塵量和粒度的變化特征，探討了粗糙下墊面和綠洲小氣候?qū)祲m的影響，主要結(jié)論如下：

（1）戈壁、過(guò)渡帶、綠洲農(nóng)田和縣城4種下墊面年降塵量分別為554.23、761.75、1 867.46 g· m-2和2 688.14 g·m-2，下墊面植被蓋度和粗糙度越大，降塵量越大；不同季節(jié)四種下墊面降塵量并非呈線性關(guān)系，縣城降塵量是農(nóng)田的1.47倍左右，波動(dòng)較小，但與戈壁和過(guò)渡帶的降塵量差異隨季節(jié)變化波動(dòng)較大。

（2）不同季節(jié)4種下墊面降塵粒徑分布存在明顯差異，夏季和秋季4種下墊面降塵眾數(shù)粒徑約79.62 μm，冬季和春季農(nóng)田和縣城降塵眾數(shù)粒徑下降到70.96 μm，戈壁冬季降塵眾數(shù)粒徑達(dá)到89.34 μm；4種下墊面平均粒徑、分選性、偏態(tài)和峰態(tài)變化沒有明顯規(guī)律性。

（3）不同下墊面降塵粒度曲線差異明顯，戈壁降塵呈明顯的雙峰分布，綠洲內(nèi)部農(nóng)田和縣城雙峰分布不明顯；冬季和春季農(nóng)田和縣城降塵粒度分布曲線峰值明顯低于戈壁和過(guò)渡，而夏季和秋季4種下墊面的峰值變化也無(wú)規(guī)律性。

（4）粗糙下墊面的機(jī)械阻擋和綠洲小氣候的共同作用影響降塵的時(shí)空分布。不同下墊面降塵量季節(jié)差異表明植被蓋度和小氣候的季節(jié)變化可能導(dǎo)致不同下墊面降塵量呈非線性關(guān)系。據(jù)粒度參數(shù)和粒度分布曲線的變化可以推測(cè)粗糙下墊面的機(jī)械阻擋作用主要促進(jìn)了＜50 μm的粉塵沉降，小氣候效應(yīng)主要促進(jìn)了20～100 μm的粉塵沉降。受觀測(cè)手段和取樣精度影響，目前還不能定量區(qū)分機(jī)械阻擋作用和小氣候作用對(duì)降塵的貢獻(xiàn)率，兩種作用對(duì)不同粒徑降塵的影響還需更多的研究來(lái)證實(shí)。