蕪湖市春夏季大氣干降塵的粒徑特征及其環境意義

楊立輝，顧李穎，蘇 優

（1.安徽師范大學國土資源與旅游學院，安徽 蕪湖241003；2.安徽省自然災害過程與防控研究省級重點實驗室，安徽 蕪湖241003）

大氣降塵是指自然降落于地表的空氣顆粒物。大氣降塵作為一種物質與能量傳輸的重要媒介，是氣候變化研究的重要組成部分，其不但可以直接或者間接地對氣候系統施加影響，而且對氣候變化的響應也極為敏感［1-4］。春季是中國沙塵暴頻發季節，沙塵可以被輸送到長江中下游地區，隨雨水降落地表，形成大氣降塵。統計顯示，每年由我國西北及內蒙古、蒙古國等地的沙塵越過秦嶺抵達長江中下游地區所形成的浮塵天氣在5d以上［5］，并且在上海的大氣濕降塵中含有較多來自西北干旱、半干旱區遠源輸入的顆粒物［6］。蕪湖位于長江下游地區，其大氣降塵的來源及其動力特征尚未見詳細報道。

1 樣品采集和分析方法

1.1 樣品采集

采樣點位于安徽省蕪湖市安徽師范大學校園內，采樣點在距離地面12m高的樓頂，周圍有高層樓房施工，無大型工廠及煙囪。使用乙二醇（C2H6O2）水溶液進行濕法收集，乙二醇的加入量為60～80mL，根據不同季節的蒸發量與降水量，酌情加蒸餾水50～200mL。

1.2 分析方法

用美國貝克曼公司生產的LS200激光粒度分析儀測量，測量區間為0.4～2 000μm。前處理為：將收集到的樣品稱取2～3g放入燒杯內，加入10mL濃度為10%的雙氧水（H2O2）煮沸，使其充分反應除掉有機質。然后冷卻再加入10mL濃度為10%的鹽酸（HCl）煮沸除掉碳酸鹽，冷卻后再注入蒸餾水靜置24h。用注射器抽出上層蒸餾水，加入10mL濃度為0.05mol／L的六偏磷酸鈉作為分散劑，用超聲波振蕩10min后上機測量。粒度參數計算參考國家海洋局編寫的《海洋地質調查技術規范》［7］，規定粒度參數的矩法數學計算公式。計算公式如下：

xi為粒級組中值（φ），fi為頻率百分數，Mz為平均值，Sd為分選系數，Sk為偏度，Ku代表尖度。

2 結果與討論

2.1 降塵的粒度特征

粒度分析結果見表1。從表1中看出，春夏季大氣降塵以小于50μm為主，除6月份外，都達到了70%以上。其中10～50μm顆粒含量都在50%左右，與馬蘭黃土、下蜀黃土和宣城網紋紅土較為接近；小于10μm顆粒除4月份外均未超過30%，4月份含量高達37%，與馬蘭黃土接近；大于50μm顆粒含量較馬蘭黃土、下蜀黃土、宣城網紋紅土高得多，特別是馬蘭黃土、下蜀黃土、宣城網紋紅土幾乎不含大于100μm粒徑的顆粒，而蕪湖大氣降塵中含量較多。

表1 各月粒徑參數平均值

據風洞研究成果［8］，一個顆粒被風啟動后，會以蠕移、躍移和懸移3種形式移動，其中懸移搬運距離最遠。50～10μm是懸移搬運的“基本粒組”，主要以短期懸浮形式移動，搬運距離較短。在中性大氣的中等風暴里，20μm的顆粒不可能遷移到離源區30km以外的地方，而小于10μm的顆粒則可以長期懸浮狀態被搬運到數千千米之外的其他地區。

被啟動的顆粒在移動一定距離后，在合適的條件下發生沉降。粗?；覊m（約＞20μm）主要通過重力作用或者顆粒與粗糙的、濕性的或帶相反電荷的地表碰撞而被俘獲。細?；覊m（約＜20μm）主要以2種形式發生沉降，一是顆粒通過相互碰撞和吸附或者靜電吸附等作用形成大顆粒后通過重力沉降，該形式的主要影響因素是粉塵顆粒在空間的濃度；二是由降水直接把顆粒從大氣懸浮態中淋洗下來［9］。由于本次實驗樣品采用干法收集，排除降水及地面因素的影響，本次實驗樣品可視為重力沉降灰塵。因此推斷，在蕪湖大氣降塵中占大多數的大于10μm組分應當來自蕪湖周邊地區，在風力作用下，通過蠕移、躍移和短期懸移方式移動，并在重力作用下沉降；小于10 μm的顆粒其來源與下屬黃土、馬蘭黃土相似，為一種搬運距離和搬運高度相對較大的常態粉塵物質；對于蕪湖4月份大氣降塵中小于10μm顆粒組分的大幅增加，則是因為大氣中10μm顆粒的濃度增加。在周圍環境及氣候條件未發生重大變化的前提下，高濃度的細粒濃度的增加只能由其他風塵源地輸送而來。北方沙塵暴研究表明，4月份為我國沙塵暴高發月份，北方沙塵有能力通過風力到達長江下游的蕪湖并逐漸沉積。強風吹起西部和北部荒漠地區的沙塵，有時可進入3 500m的高空，達到西風急流帶。在3 500～7 000m高空，西風急流在青藏高原以北的一支，從西北沙漠、戈壁地區偏向東南，攜帶這些高空粉塵向東南搬運，并主要在黃土高原一帶（東南邊界最遠可達長江下游）飄落下來，形成揚沙降塵的天氣現象。張德二等通過對歷史資料的細致梳理發現，歷史時期中國東部沙塵天氣記錄的南界大致沿長江流域南側分布，最南位置可達到23.5°N，北方干旱時段，沙塵南界在28°N，在濕潤期北移到31°N沿長江一線甚至更北［10］，臺灣大鬼湖的沉積物中也保留有源自大陸的沙塵記錄［11］。

此外，長江中下游地區廣泛分布的第四紀網紋紅土，其成因一直有水成和風成之爭，較多的研究支持其風成成因并且認為其物源區與北方典型黃土相似，本次研究也佐證了，長江中下游地區第四紀網紋紅土風成成因的可能性。

平均粒度（Mz）在29.17%～58.85%之間，4月份最小，均大于馬蘭黃土、下蜀黃土、宣城網紋紅土，這一指數表示樣品平均粒度的大小，反映搬運介質的平均動能；分選系數（Sd）用標準偏差表示，是分選性的指標，用來區分沉積物顆粒大小的均勻程度，數據越小，代表粒度分布越集中，分選越好。蕪湖大氣降塵在1.94%～2.04%之間，馬蘭黃土最高為2.96，反映了馬蘭黃土距離源區較近，分選較差。下蜀黃土與宣城網紋紅土則與蕪湖大氣降塵較為接近；偏度（Sk）是用來表示沉積物粒度頻率曲線對稱性的參數，反映了蕪湖大氣降塵較馬蘭黃土、下蜀黃土、宣城網紋紅土粒度分布更加不對稱；尖度或峰度（Ku）是刻畫數據在平均粒度兩側集中程度的參數，蕪湖大氣降塵的峰態較網紋紅土窄，說明樣品粒度分布集中，也說明至少有一部分沉積顆粒物是未經環境改造而直接進入環境的。

2.2 降塵的粒度頻率分布曲線

粒度模擬研究表明，單峰的頻率曲線通常出現在只有單一碎屑物質來源、而且經過較長距離搬運的沉積物中，多峰及過渡型的粒度分布是由2個或更多粒度“終極成分分布型”疊加而成［12］。在頻率分布曲線圖（圖1）上，蕪湖大氣降塵，主要呈現多峰分布，其粒度分布第一眾數不突出、正偏態、有一較長的細尾為特征，且粒度集中在粗粒端。這種特征說明粉塵在沉積之前，未經過充分混合分選較差。但從頻率曲線不難看出，由眾數值向兩端粒度變化速度不同。由眾數值向粗粒端，粒徑迅速減小，曲線平滑而陡峭；由眾數值向著細粒端，粒徑的減小速度緩慢。在細粒部分出現了一個明顯的平臺。這可能是大氣降塵中一種常態化的遠源高空沉積。比較而言，三、四月份的頻率累計曲線上，第一眾數較其他月份小。另外，大氣降塵通常粒徑在350μm以下，而蕪湖市大氣降塵卻包含了小部分的350μm以上的組分，說明人類的生產活動對大氣降塵有著很重要的影響。

圖1 不同月份之間粒徑頻率分布對比圖

2.3 粒度結構參數散點圖

在粒度研究中經常采用結構參數散點圖來區分不同成因的沉積物以及它們形成或搬運時的不同沉積環境類型。結構參數散點圖有平均粒徑對分選系數標準差，平均粒徑對偏度，平均粒徑對峰態，標準差對偏度，標準差對峰態，偏度對峰態等。從蕪湖大氣降塵粒度結構參數散點圖（圖2）可以看出，4月及部分3、5月份的粒度參數與其他月份的粒度參數并有明顯界限，而又與其他月份發生相對分離。這說明4月及部分3、5月份的大氣降塵的沉積動力類型是一致的，均為粉塵沉積，而4月及部分3、5月份的降塵來源與其他月份有差異。

圖2 蕪湖市大氣降塵粒度結構參數散點圖

3 結論

綜上所述，研究區域的大氣降塵粒度變化規律及環境意義可概括為：

（1）以4月份為代表的春季大氣降塵的粒度組成特征與其他月份有顯著差異，表現為細粒組分的突然增加及粒度結構散點圖的分離。究其原因，可能為北方沙塵天氣下，揚塵中的細粒組分通過西風急流被輸送到遠在長江下游地區的蕪湖，導致蕪湖大氣中粒徑＜20μm灰塵顆粒含量增加，由布朗運動、層流剪切、紊流運動或通過雙極性靜電荷出現而發生碰撞和聚合而被沉積。

（2）蕪湖大氣降塵中以本地塵源為主。表現為粗粒徑含量多，分選差，其中躍移或短時懸?。?0μm顆粒物占到了總含量的46.74%～78.31%，除4月份外，均超過50%。

（3）蕪湖大氣降塵的粒度中粗粒含量較高。大氣降塵通常粒徑在350μm以下，而蕪湖市大氣降塵卻包含了小部分的350μm以上的組分，說明人類的生產活動對大氣降塵有著很重要的影響。

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