論文｜渾善達克沙地多倫生態站沙塵及顆粒物特徵研究

作者：曲娜¹，閆德仁¹，郭城峰²

單位：1.內蒙古自治區林業科學研究院；2.呼和浩特市新城區林業局

簡介：曲娜，助理研究員，碩士，從事沙漠治理研究。

基金項目：國家自然科學基金項目（31560239）；內蒙古多倫渾善達克沙地生態系統國家定位觀測研究站項目（2018-LYPT-DW-012）。

來源：《安徽農業科學》2020年16期

OSID開放科學計劃

長按識別論文專屬二維碼，聽作者講述論文寫作背景，與同行交流心得體會。

沙漠地區近地層水平輸送的沙塵物質在不同高度處的垂直沉降量及其隨高度的變化特徵直接影響著風沙地區沙塵的輸送過程。國外在近地層沙塵濃度、水平通量和降塵量等方面取得明顯進展，而我國的研究主要包括沙塵天氣過程沙塵顆粒分布及水溶性離子組分特徵、PM₁₀濃度的區域差異、沙塵期間PM_2.5中金屬元素含量、氣溶膠顆粒化學組分、粒徑分布以及我國大氣降塵量的地域性分布特徵及影響因素等方面。作為京津風沙源工程建設的重點地區，經過近20年治理渾善達克沙地生態環境取得了明顯成效。在此基礎上，探討近地層大氣降塵量及其顆粒粒徑分布特徵，對評價固沙植被生態功能具有重要意義。

目的

觀測研究渾善達克沙地多倫生態站固沙植被區全年連續沉積的沙塵積累量，並對沙塵顆粒物特徵進行分析，以期對評價渾善達克沙地防沙治沙工程建設取得的生態環境成效起到指導作用。

方法

利用50m沙塵通量觀測塔（圖1）採集了渾善達克沙地多倫生態站不同高度水平沙塵量、垂直降塵量樣品，並利用稱重法、雷射顆粒分析儀和電感耦合等離子體發射光譜儀（PE ICP-OES）分別測定沙塵量、顆粒物粒徑和化學元素含量。

圖1 50m沙塵通量塔

結果

◆水平沙塵量變化

從圖2可以看出，50m高度範圍內水平沙塵通量（y）隨高度（x）增高表現出冪函數關係，即隨著高度增加採集器中收集到的水平沙塵量呈現出降低的趨勢，與張正偲等在騰格里沙漠東南緣的每月觀測結論為指數函數關係有所差異。導致這種差異的原因是否與研究區地表植被生長狀況或連續觀測時間及取樣頻次有關目前還無法判定。

圖2 50m高度範圍沙塵通量變化

此外，從圖2還可以看出，0.5~50.0m高度全年水平沙塵量總量合計為271.89 mg/（m²·h），而0.5m高度全年水平沙塵量為43.37mg/（m²·h），佔全年總量的15.95%；1.0m高度為26.67mg/（m²·h），佔全年總量的9.81%；20.0m高度為16.21mg/（m²·h），佔全年總量的5.96%；50.0m高度僅為8.02 mg/（m²·h），佔全年總量的2.95%。也就是說，水平沙塵量主要是在1.0m以下的空間範圍內，而距離地面越高，沙塵量也越少。

◆垂直降塵量變化

一般情況，由於不同高度處風速高低的波動變化，少部分相對大的顆粒物質形成垂直降塵量。從圖3可以看出，垂直降塵量（y）隨高度（x）增高表現出多項式函數關係：y=0.0009x²-0.0229x+0.1677（R²=0.8775），而且，垂直降塵量主要發生在0.5~6.0m，佔0.5~50.0m空間範圍總降塵量［0.91mg/（m²·h）］的60.03%。其中，0.5m高度垂直降塵量佔總降塵量的16.77%；1.0m高度佔14.32%，2.0m高度佔8.44%，4.0 m高度佔11.07%，6.0m高度佔9.41%。

圖3 50m高度範圍垂直降塵量變化

另外，從距離地面相同高度的水平沙塵量（圖2）和垂直降塵量（圖3）數據變化看，水平沙塵量比垂直降塵量高1.30~24.49倍，並且距離地面越高，增加倍數也越大。張正偲等測定的結果也有相同的趨勢，說明近地表風沙流是垂直降塵量主要來源之一，而懸移質形式存在的更細顆粒的沙塵則主要是以水平運移形式向遠處輸送。

◆水平沙塵顆粒物粒徑變化

從表1可以看出，在50m高度範圍內，水平沙塵的顆粒粒徑主要集中在>20~50μm，其平均含量佔50.41%，且在2~50m高度，>20~50μm顆粒物含量沒有明顯增加的趨勢，但在0.5m高度，>100~200μm顆粒物含量為21.18%，而>2~50m高度平均為0.28%。此外，10μm以下顆粒物含量平均為9.09%，並隨著高度增加呈現出增加趨勢，特別是>2~5和>5~10μm顆粒物含量增加明顯，表明隨著高度增加，水平沙塵中的細顆粒物含量總體呈現出增加的趨勢。

◆垂直降塵顆粒物粒徑變化

從不同高度垂直降塵中顆粒物粒徑變化看（表2），顆粒粒徑主要集中在>20~50和>50~100μm，其平均含量分別佔40.12%和30.02%，而水平沙塵>20~50μm顆粒含量平均為50.41%，>50~100μm顆粒含量平均為19.49%。同樣，垂直降塵中10μm以下顆粒物含量平均為4.91%，隨著高度增加，其含量並沒有表現出增加趨勢，表明垂直降塵中顆粒物粒徑相對粗一些，且垂直降塵中顆粒物受到不同高度氣流運動狀態變化的影響。

◆降塵顆粒物元素組成特徵

隨著大氣降塵的落地，其全量化學元素參與物質循環，進一步影響到生物結皮層和風沙土全量化學元素組成含量的變化，並通過物質和能力交換為構建相對穩定的沙漠生態系統提供土壤物質保證。

從表3可以看出，渾善達克沙地多倫生態站大氣降塵的全量化學元素含量（SiO₂除外）均比生物結皮層和風沙土全量化學元素含量高。其中降塵顆粒物中Fe₂O₃、Al₂O₃、MnO、K₂O、MgO、P₂O₅、CaO、TiO₂元素含量比風沙土中各元素含量分別增加5.44、0.97、6.91、0.21、6.95、4.12、2.30和2.26倍，降塵顆粒物中Fe₂O₃、Al₂O₃、MnO、MgO、P₂O₅、CaO、TiO₂元素含量比苔蘚生物結皮層各元素含量分別增加1.98、0.63、1.33、2.42、1.78、0.81和1.18倍，表明大氣降塵在對改善生物結皮層和風沙土養分狀況方面具有突出貢獻。此外，降塵顆粒物中Fe₂O₃含量增加，隨著水平沙塵懸移質的長距離輸送對海洋生物繁殖具有重要意義。該研究測定的沙塵中鐵含量約106g/kg（Fe₂O₃含量為151.43g/kg），說明不同地區沙塵中鐵含量差異顯著。

結論

垂直降塵量或水平沙塵量隨高度增高而減小，並呈現出多項式或冪函數關係，並且沙塵中細顆粒物、化學元素含量顯著增加。

（1）水平沙塵通量或垂直降塵量均隨著距離地面高度的增加而降低；且在0.5~50.0m高度，水平沙塵通量平均為16.99mg/（m²·h），垂直降塵量平均為0.05mg/（m²·h）；在相同高度下，水平沙塵量比垂直降塵量高1.30~24.49倍，且距離地面越高，增加倍數也越大。

（2）垂直降塵中顆粒物粒徑相對更粗。在50m高度範圍內，水平沙塵中>20~50μm顆粒物含量為50.41%，10μm以下顆粒物含量平均為9.09%；垂直降塵中>20~50和>50~100μm顆粒物含量分別為40.12%和30.02%，10μm以下顆粒物含量平均為4.91%。

（3）渾善達克沙地多倫生態站沙塵中全量化學元素含量（SiO₂除外）平均比生物結皮層和風沙土全量化學元素含量分別高0.63~2.42和0.21~6.95倍，特別是Fe₂O₃含量為151.43g/kg，比國內其他地區沙塵中鐵含量高近1倍。

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♔採編：小白 ♔排版：小同