李漢林, 何 清, 趙權威, 馬明杰

(1.中國氣象局 烏魯木齊沙漠氣象研究所/新疆塔克拉瑪干沙漠氣象國家野外科學觀測研究站/中國氣象局塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學試驗基地/新疆沙漠氣象與沙塵暴重點實驗室, 新疆 烏魯木齊 830002; 2.新疆維吾爾自治區(qū)氣象服務中心, 新疆 烏魯木齊 830002)

土壤粒度特征是環(huán)境研究中的重要課題，其作為土壤最基本的物理屬性之一，對土壤水分運動、生產力和土壤風蝕等有重要影響[1-2]。中國西北干旱區(qū)是全球土壤風蝕最嚴重的區(qū)域之一。已有研究表明，昆侖山脈北坡土壤細粒度隨著海拔的逐漸升高而增加[3]；在準噶爾盆地西南緣的艾比湖濕地，隨著土壤鹽漬化程度的加劇，黏粒含量不斷增加，也越容易被侵蝕[4]；伊犁河谷地區(qū)表層土壤以粉沙和黏粒為主，土壤理化性質隨著海拔升高，由西南向東北明顯改善[5-6]；柴達木盆地東北部哈勒騰河流域表層沉積物主要由細沙組成，河流沖積物和山前風化剝蝕產物為其主要物源[7]。表層沉積物粒度特征是研究風動力變化的良好載體，然而，眾多研究中缺少對帕米爾高原東部地區(qū)表層土壤粒度特性的分析。

1 研究區(qū)概況

帕米爾高原地區(qū)海拔較高，氣候干旱，成壤作用弱，常年的風力侵蝕和人類活動對該區(qū)域表層沉積物產生重要影響[8-9]。帕米爾高原毗鄰干旱半干旱沙漠地帶，該地區(qū)是全球粉塵主要排放源區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)退化，水土沙化嚴重，容易發(fā)生大規(guī)模起沙現象[10-11]，沙漠表層沉積物可通過氣流搬運在帕米爾高原東部地表進行沉積，并對其地表特征、植被覆蓋度、土壤黏土含量等有重要影響，因此有必要對其表層沉積物的來源路徑進行解析。表層沉積物粒度特征是最為直觀的高原特征之一，是影響高原地區(qū)表面空氣動力學的主要因子，也是高原發(fā)育環(huán)境和發(fā)育歷史的重要證據。帕米爾高原作為“中巴經濟走廊”建設重點區(qū)域之一，在“絲綢之路經濟帶”中具有十分重要的地位和作用。本研究探討帕米爾高原東部表層沉積物粒度特征及來源，旨在提高對中國西部高原地區(qū)沉積環(huán)境認知、判定物質運輸方式，為國家生態(tài)環(huán)境建設提供參考。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況及資料來源

帕米爾高原位于亞歐大陸中部(73°40′—96°18′E，34°25′—48°10′N)，其東部位于中國境內的最西端，屬高寒干旱氣候，面積約2.00×104km2，平均海拔4 000 m，年平均氣溫3.5 ℃，年平均風速2.0 m/s，年平均降水量68.1 mm，北部為喀什噶爾和葉爾羌河沖擊成的綠洲平原，東部為塔克拉瑪干沙漠，南鄰喀喇昆侖山。主要為高山寒漠景觀，主要植被為矮小灌木以及刺雪屬和刺豆屬的墊狀植物，主要土壤類型為山地棕鈣土、山地棕漠土、山地栗鈣土、高寒草甸土和草甸沼澤土等，地形開闊，已有中巴公路通過，是“中巴經濟走廊”的關鍵區(qū)域[12-13]。

本研究所用土壤樣品系沿國道314，從位于帕米爾高原東部的喀什市至帕米爾高原中部的紅其拉普口岸(中巴公路)，據帕米爾高原東部的生態(tài)環(huán)境景觀特征，選取有代表性的平原綠洲區(qū)、綠洲戈壁過渡帶及高原寒旱區(qū)等景觀，每隔10 km布設1個樣點，取樣點海拔高度為1 441～4 706 m，共計40個土壤樣品，位置如圖1a所示。采集樣品前，利用GPS記錄該樣點的經緯度，采樣深度為0—5 cm，采樣面積為20 cm×20 cm，用采樣鏟刮取地表松散層沉積物，每個樣品重量均在0.5 kg以上，分別進行密封包裝與記錄，并將土樣帶回中國氣象局樹木年輪理化研究重點開放實驗室進行測量。

圖1 帕米爾高原東部采樣點分布及其海拔高度

后向軌跡模型所用帕米爾高原東部高原寒旱區(qū)PM10逐時數據來源于帕米爾高原大氣成分觀測站(2019年3月至2020年2月)，該站建于中國新疆喀什地區(qū)塔什庫爾干塔吉克自治縣(75.22°E，37.77°N；3 100 m)，簡稱“塔縣”。平原綠洲區(qū)PM10逐時平均數據來自喀什市(75.99° E，39.47° N，1 289 m)3個環(huán)境監(jiān)測站點逐時濃度的算術平均值(2019年9月至2020年8月)，喀什市與塔縣海拔高度相差1 811 m，相距約300 km(圖1b)。后向軌跡模型所用氣象再分析資料來源于美國氣象環(huán)境預報中心(NCEP)提供的全球資料同化系統(tǒng)(GDAS)氣象再分析資料，空間分辨率為1°×1°，分為00：00，06：00，12：00，18：00 h UTC(世界時)4個時次，高度層為23層，氣象要素包括溫度、氣壓、水平和垂直風速等。

2.2 研究方法

表層沉積物粒度分析所用激光粒度儀為英國Malvern公司生產的Mastersizer 2000，測量范圍為0.02～2 000 μm，重復測量誤差小于3%。該儀器采用光學衍射或散射原理，具有測量范圍廣、精度高、速度快的優(yōu)點[14]。文中粒徑單位采用Φ值，該值是克魯賓(Krumbein)根據伍登溫德華(Udden-Wenworth)粒級標準，再通過Folk和Ward方法計算粒度參數[15-18]。其中，土壤的粒度分布(soil particle size distribution， PSD)依據國際制土壤質地分級標準，即黏粒(粒徑<2 μm)，粉粒(粒徑2～20 μm)和砂粒(粒徑20～2 000 μm)。

后向軌跡模式全稱為混合單粒子拉格朗日綜合軌跡模式(HYSPLIT)，是美國國家海洋大氣管理局(NOAA)和澳大利亞氣象局聯合研發(fā)的一種用于計算和處理大氣污染物傳輸和擴散軌跡的專業(yè)模型，是具有處理多種氣象要素輸入場、多種物理過程和不同類型污染物排放源的綜合模式系統(tǒng)[19-20]。

3 結果與分析

3.1 粒度參數分布特征

帕米爾東部表層沉積物40個樣品的采集區(qū)域按照海拔高度及下墊面類型共分為A，B，C，D這4組，其中1—2號為A組(平原綠洲區(qū)：1 441.0～1 485.7 m)，3—13號為B組(綠洲戈壁過渡區(qū)：1 548.7～2 792.0 m)，14—27號為C組(戈壁高原過渡區(qū)：3 145.0～3 989.3 m)，28—40號為D組(高原寒旱區(qū)：3 082.5～4 706.3 m)，每組樣品數分別為2，11，14，13個。由圖2可知，帕米爾高原東部所采集所有表層沉積物樣品平均粒徑為3.62Φ(81.28 μm)，粒徑范圍為2.12Φ(229.78 μm)～5.63Φ(20.13 μm)，粒級跨度較大，依據國際制土壤質地分級標準，其表層沉積物粒徑較粗，主要為砂粒，是構成該地區(qū)土壤固相骨架的基本顆粒[21-23]。帕米爾高原東部不同區(qū)域表層沉積物平均粒徑由大到小分別為：A>C>B>D，A組土樣平均粒徑為2.64Φ(160.67 μm)，其粒徑范圍為2.38Φ(191.50 μm)～2.89Φ(134.81 μm)；B組土樣平均粒徑為3.72Φ(75.81 μm)，其粒徑范圍為2.17Φ(221.66 μm)～5.37Φ(24.24 μm)；C組土樣平均粒徑為3.24Φ(106.15 μm)，其粒徑范圍為2.12Φ(229.78 μm)～5.23Φ(26.72 μm)；D組土樣平均粒徑為4.10Φ(58.24 μm)，其粒徑范圍為2.70Φ(154.02 μm)～5.63Φ(20.13 μm)。帕米爾高原東部表層沉積物粒度組成是常年受風化侵蝕、堆積等地表過程與干旱多風的氣候環(huán)境共同作用的結果，該地區(qū)的平原綠洲區(qū)的平均粒徑最大，高原寒旱區(qū)的平均粒徑最小，戈壁高原過渡區(qū)和戈壁綠洲過渡區(qū)的平均粒徑居中，該地區(qū)表層沉積物粒徑隨海拔的逐漸升高而減小。由于帕米爾高原寒旱區(qū)海拔較高，表層沉積物常年受西風和東北風的風化分選，氣流中攜帶的細小顆粒易在此受阻并沉降堆積，導致其平均粒徑最?。黄皆G洲區(qū)海拔最低，風沙天氣活動頻繁，當大風經過時，會攜帶表層小粒徑沉積物，留下粒徑相對較大的土壤，且綠洲地區(qū)的植被能夠降低近地層風速，減少土壤風蝕量并攔截氣流中的沙塵粗顆粒，導致其表層沉積物粒徑相對較大[3]。帕米爾高原東部所有表層沉積物樣品的標準偏差約為-1.79，范圍為-2.58～-0.77，其中A組樣品標準偏差范圍為-1.64～-1.14；B組樣品標準偏差范圍為-2.39～-1.16；C組樣品標準偏差范圍為-2.58～-0.77；D組樣品標準偏差范圍為-2.27～-1.25。標準偏差可表征沉積物粒度相對于均值散布的遠近，根據Folk和Ward分選性等級標準劃分[21-23]，4組表層沉積物粒度標準偏差皆屬于分選極好。帕米爾高原東部所有表層沉積物樣品的偏度約為-0.31，范圍為-0.64～-0.09，其中A組樣品偏度范圍為-0.29～-0.27，屬于極負偏；B組樣品偏度范圍為-0.51～-0.14，屬于極負偏至負偏；C組樣品偏度范圍為-0.64～-0.13，屬于極負偏至負偏；D組樣品偏度范圍為-0.38～-0.09，屬于負偏至近對稱。偏度可定量表征沉積物粗細分布的對稱程度，帕米爾高原東部表層沉積物粒度皆是負偏，表明在頻率曲線上粗粒度端形成長尾，粗顆粒偏多，且分布更集中[21-23]。帕米爾高原東部表層沉積物樣品平均峰度為1.18，峰度范圍為0.77～1.78。4組表層沉積物樣品平均峰度分別為1.54，1.15，1.24，1.09，取值范圍分別為1.53～1.54，0.88～1.60，0.77～1.78，0.91～1.36。峰度可表征頻率曲線上峰值的高低，根據Folk和Ward分選性等級標準劃分[21-23]，A組全部屬于尖銳型，B組屬于平坦至尖銳型，C組屬于平坦至很尖銳型，D組屬于中等至尖銳型，所有樣品多為尖銳峰。

圖2 帕米爾高原東部表層沉積物粒度特征

3.2 粒度所反映的沉積環(huán)境分析

Sahu判別式[24]是薩胡通過對大量的砂石、礫石等碎屑物質進行分析建立的一系列判別公式。本文采用Sahu判別式(表1)對帕米爾高原東部表層沉積環(huán)境進行判別，將帕米爾高原東部表層沉積物粒度數據代入判別式中計算，以此檢驗其風成可能性。公式(1)計算結果顯示-6.22-2.74，為海灘沉積環(huán)境，7.5%的表層沉積物樣品Y1<-2.74，為風成沉積環(huán)境；公式(2)計算結果顯示96.7265.37，為淺海沉積環(huán)境；公式3計算結果-55.89

由于Sahu判別式缺少湖相沉積環(huán)境判別式，而淺海環(huán)境與湖泊環(huán)境相似，區(qū)別在于沉積物的礦物成分和碳酸鹽含量。從粒度的角度分析沉積環(huán)境，并沒有涉及到沉積物的礦物成分和碳酸鹽含量。塔縣盆地位于帕米爾高原東部的塔什庫爾干塔吉克自治縣，該盆地第四紀覆蓋嚴重，主要以晚第四紀以來發(fā)育的沖、洪積物，冰磧物和湖相沉積物為主，湖相地層主要以黏土、黏土質粉砂和粉砂組成，并在湖相地層中部發(fā)現含有貝殼和炭屑的薄層，沉積環(huán)境相對穩(wěn)定[25-26]。因此，可以推測帕米爾高原東部表層沉積物主要為湖相沉積。

3.3 來源路徑分析

帕米爾高原東部地表風蝕嚴重，植被覆蓋度較低，其表層沉積物主要是砂粒，是沙漠的近源沉積，受搬運動力的作用強烈，可通過風力躍遷和懸移并沉積，從而影響其粒度組成。表層沉積物對局地大氣粉塵載荷具有明顯貢獻，是研究風動力變化的良好載體。因此有必要通過氣流軌跡探討風成沉降對其表層沉積物組成的影響[29-30]。

本文分別以帕米爾高原東部高原寒旱區(qū)的塔縣和平原綠洲區(qū)的喀什市為受點，模擬全年每日逐時(00：00—23：00北京時)到達兩個受點的48 h后向氣流軌跡進行聚類分析，由于粗顆粒PM10是沙塵天氣主要大氣顆粒物，其傳輸高度通常高于1 000 m，因此模擬高度選擇為距地面1 000 m。將模擬的后向軌跡和沙塵顆粒中的主要成分PM10逐小時濃度數據結合進行統(tǒng)計分析，以定量表征不同軌跡對帕米爾高原東部PM10濃度的貢獻水平，以此探討不同輸送路徑對帕米爾高原表層沉積物的影響。從圖3可以看出，到達帕米爾高原東部平原綠洲區(qū)的氣流軌跡主要呈東西分布，各類氣流所攜帶的PM10濃度從高到低依次為：軌跡2>軌跡6>軌跡1>軌跡4>軌跡3>軌跡5，大氣顆粒物污染是制約喀什市發(fā)展的重要環(huán)境因素，污染性沙塵濃度較高，其中來自新疆西南部的氣流(軌跡2和軌跡4)，在全年總氣流軌跡中占比達41.5%，攜帶PM10濃度較高，分別為304.2和226.4 μg/m3，氣流源地和途經區(qū)域是中國沙塵暴的主要源地塔克拉瑪干沙漠，在浮塵、揚沙和沙塵暴等頻發(fā)的沙塵天氣下，可隨動能較高的氣流向喀什地區(qū)近距離搬運高濃度沙塵顆粒，且軌跡2和軌跡4軌跡較短，風速較小，移動速度較慢，區(qū)域氣象條件穩(wěn)定，不利于PM10稀釋擴散，是影響帕米爾高原東部平原綠洲區(qū)PM10濃度的主要輸送路徑；其次是來自土庫曼斯坦東部的氣流(軌跡6)，攜帶PM10濃度較高，中亞地區(qū)的大沙漠卡拉庫姆沙漠位于土庫曼斯坦境內，沙漠地表是高濃度沙塵氣溶膠源區(qū)，導致軌跡6同樣是影響帕米爾高原東部平原綠洲區(qū)PM10濃度的主要輸送路徑；軌跡1，3在總軌跡中占比達42%，氣流主要途經中亞干旱半干旱沙漠地帶，裸露的地表常年受風化影響，有利于沙塵天氣發(fā)生，故對應PM10濃度較高值(表2)。

圖3 帕米爾高原東部平原綠洲區(qū)與高原寒旱區(qū)全年后向軌跡聚類分布對比

表2 帕米爾高原東部各類沉積物軌跡對應的PM10濃度統(tǒng)計結果

到達帕米爾高原東部高原寒旱區(qū)的氣流主要向西南方向呈散射狀分布，全年分布特征與其“西風—季風”協同作用相對應，各類氣流所攜帶的PM10濃度從高到低依次為：軌跡4>軌跡3>軌跡2>軌跡5>軌跡1，其中來自中亞地區(qū)，途經塔吉克斯坦南部的氣流(軌跡4，軌跡2)，在全年總氣流軌跡中所占比例達37.0%，攜帶PM10濃度較高，盛行的西風急流易將中亞干旱半干旱沙漠地區(qū)的表土與細沙揚起，受高原獨特地形影響，進一步抬升到達帕米爾高原東部，并與空氣中的水蒸氣凝結成核，發(fā)生濕沉降至地表形成積聚[31-33]；來自新疆西南部的氣流(軌跡3)，攜帶PM10濃度較高(25.6 μg/m3)，帕米爾高原的存在對塔里木盆地內的局地環(huán)流形勢有重要作用，塔里木盆地中央的塔克拉瑪干沙漠是高濃度沙塵氣溶膠源地，受近地面風場和昆侖山北坡高海拔地形的影響，在大風天氣的起沙過程中，較強的東灌沙塵帶可驅動弱沙塵帶向帕米爾高原方向輸送，隨著大氣的上升運動，在對流層中跨距離輸送沙塵，通過沉降過程進入地表[19]；來自南亞方向的海洋氣流(軌跡1，5)，攜帶PM10濃度較低，分別為5.2和23.3 μg/m3，氣流可攜帶灰塵和海鹽顆粒沉降至帕米爾高原東部地表，對其表層沉積物的粒度組成造成一定影響。

4 結 論

(1) 帕米爾高原東部表層沉積物平均粒徑為3.62Φ(81.28 μm)，質地以砂粒為主，且粒徑隨海拔的逐漸升高而減小。

(2) 粒度標準偏差皆屬于分選極好，粒度皆是負偏，分布更集中，峰度多為尖銳峰；通過Sahu判別式結合地質構造背景，初步推測該地區(qū)表層沉積物主要為湖相沉積。

(3) 帕米爾高原東部高原寒旱區(qū)表層沉積物遠源風成沉降主要受來自中亞地區(qū)的西風氣流影響，平原綠洲區(qū)主要受來自塔克拉瑪干沙漠西側沙塵顆粒物影響。

(4) 帕米爾高原東部處于生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，應因地制宜制定土地利用規(guī)劃，同時需防范中亞沙塵顆粒對其生態(tài)環(huán)境的影響。