托克遜縣典型防護林沙塵釋放特征研究

宋 敏，若山古麗·芒力克，阿麗亞·拜都熱拉，董中凱，木合塔爾·扎熱

（新疆農業大學林學與風景園林學院，烏魯木齊 830091）

沙塵暴是在強烈氣流運動下由地表風蝕所產生的細顆粒物質較大尺度的運移過程。沙塵暴已經成為全球范圍內的氣象災害和生態環境問題，引起了世界各國的廣泛關注。頻繁的沙塵釋放過程導致大量的土壤細顆粒（＜100 μm）釋放，進而會降低土壤的持水能力和營養物質組分，加重土壤鹽漬化，污染環境和空氣質量，損害人體健康［1-3］。

沙塵釋放過程也被稱為沙塵揚析與輸送，是指地表沙塵物質在風力作用下脫離地表，進入空氣的過程［2］。沙塵釋放過程的研究對估算沙塵釋放量、闡明沙塵暴發生機理以及制定防沙治沙措施具有重要的現實和理論意義［4］。沙漠和干旱地區的風蝕以及隨風起沙是中國空氣中的沙塵主要來源［5］。

研究表明，沙塵釋放是一個高度選擇性過程，沙塵釋放有利于植物生長，對森林生態系統有貢獻，沙塵沉積會增加淡水生態系統的養分含量［6］。全球每年有2 000 t 的沙塵釋放到大氣中，其中1 500 t 會重新沉積于地表，其余的進入海洋［7］，在此過程中，沙塵內的營養物質是陸地和海洋系統重要的養分。

近年來，沙塵釋放直接或間接地影響著人類活動，影響人類社會的環境以及社會活動，催促人類去研究沙塵釋放。沙塵通量是沙塵釋放的重要研究內容，開展對沙塵通量的研究，有利于提高對沙塵輸送、土壤風蝕、風沙災害的認識，為數值模擬模型提供參數［8-13］。

已有的技術手段暫不能直接觀測自然條件下的沙塵釋放過程，研究者經常用測量地表上方粉塵濃度計算垂直通量，間接反映沙塵釋放情況［14，15］；流失通量由地表上方粉塵水平通過率與可蝕地表長度之比獲得。

國外已經在近地層的水平通量研究方面取得了一定的成果［16，17］，中國學者也在輸沙通量、風沙流通量廓線以及風沙輸移路徑等方面取得了較大的研究進展［18-23］。

通過研究摩阻起動風速和沙塵粒度分布［24］，通過測量沙塵釋放的濃度變化情況，計算沙塵釋放的流失通量，計算沙塵釋放的垂直通量和流失通量，進一步分析二者與摩阻風速之間的關系，為沙塵釋放的研究提供依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于吐魯番市托克遜縣南端，地理坐標為88.639—88.650E，42.746—42.754N。因其特殊的地理位置及地形、地勢，托克遜形成了與鄰近地區迥異的氣候特征，屬于暖溫帶干旱荒漠氣候，夏季氣候炎熱、晝夜溫差大、多風和沙塵暴、年均氣溫13.8 ℃、極端最高氣溫為48 ℃、年平均積溫在5 600 ℃以上、年光照率69%、年均降水7 mm［25］，托克遜以“風城”而出名，每年大風日數84 d，春夏季刮風日數較多且集中。

土壤類型主要為礫質棕漠土，土層較薄，地表多為礫石質，易風蝕［2］。本研究試驗區如圖1 所示。

圖1 新疆托克遜縣研究區概況

1.2 研究方法

在研究區內城郊防護林和農田防護林分別選取1 塊地勢平坦的區域，分別測量1 次完整的風蝕事件（城郊防護林風蝕事件發生時間為6 月6 日8：25—11：35，農田防護林風蝕事件發生時間為6 月4 日19：05—21：33），測量其近地表風速、風沙流、沙塵濃度。城郊防護林靠近戈壁灘，除防護林外沒有其他樹種；農田防護林靠近城區，附近有其他樹種（圖1）。

在測量時將風速風向儀、空氣質量檢測儀、集沙儀沿垂直主風向方向并排設置，同時測量。風速傳感器共4 個，依次測量30、100、200、300 cm 高度處風速，每30 s記錄1 次數據。

通過公式（1）計算摩阻風速［26］。

式中，u*為摩阻風速，m/s；U1和U2為不同高度的風速；h1和h2為U1和U2對應的高度。

風蝕過程中，沙質地表粒徑＜0.01 mm 的顆粒極易在沙塵過程中全部釋放，故用BR-HOL 空氣質量檢測儀（博朗通醫療科技有限公司）測定100 與300 cm 高度處PM10的濃度變化，代表沙塵釋放過程中沙塵濃度變化，檢測儀每1 s記錄1 次數據。

集沙儀為QN-JSY 集沙儀，由10 個進沙口及其支撐構架組成。觀測期間收集3 組風沙流，通過指數函數擬合輸沙量隨高度的變化，對高度積分并除以對應收集時間，獲得輸沙率q來代表顆粒躍移強度，單位為g/m/min。PM10垂直通量的計算是基于湍流與分子擴散原理推導而來，假設大氣邊界層流動為中性，粉塵垂直濃度廓線為直線，其表達式簡化如下。

式中，FV為垂直通量，mg/m2/s；k為馮卡曼常數，取0.4；u*為摩阻風速，m/s；z1和z2為2 個不同的高度（1 m 和3 m）；c（z1）和c（z2）分別為100 和300 cm 高處的PM10濃度，mg/m3。

PM10流失通量的計算要明確侵蝕長度L（m）并排除外源粉塵的干擾。侵蝕長度是從儀器放置的位置沿發生風蝕事件的主風向開始測量空地的距離，直到防護林遮擋。

假設未風蝕時大氣中PM10含量穩定，即某高度水平通量E0不變，各高度背景值濃度c0具有水平均質性，與風速成反比，風蝕事件中的PM10流失通量表達如下。

式中，FL為PM10流失通量，mg/m2/s；L為侵蝕長度，m；Zb為實測PM10濃度c到達背景值時的高度，m，即就地起塵影響到濃度垂直分布的最大高度，該高度處c－c0=0；E0為未風蝕時某高度的PM10水平通量，mg/m2/s，近似為定值；u為對應高度的風速。

垂直通量和流失通量是反映沙塵釋放的2 個參數，垂直通量是從分子濃度在大氣中的湍流擴散考慮，由粉塵濃度垂直廓線估計而得；流失通量的定義為單位時間里單位面積內粉塵損失量，更接近粉塵釋放量的定義。二者相較而言，垂直通量的公式更加簡潔、所需參數少、適用于多種情況，故應用更多。故在現有研究中，更多地用垂直通量作為反應沙塵釋放特征的參數。

2 結果與分析

2.1 PM10濃度在風蝕事件中的變化

6 月6 日8：25—11：35，城郊防護林在風蝕事件發生期間，在去除外源粉塵干擾后，100 cm 高度PM10的平均濃度為0.013 4 mg/m3，最大值為0.025 mg/m3；300 cm 高度處PM10的平均濃度為0.010 2 mg/m3，最大值為0.019 mg/m3。2 個高度的PM10濃度變化情況趨勢大致相似，與摩阻風速、輸沙率的變化大致相同，而且100 cm 處PM10的變化強于300 cm 處PM10的變化。隨著高度的增加，由風蝕造成的地表沙塵釋放量逐漸降低，直至與背景值相近。8：25—9：00，平均摩阻風速并未達到臨界起沙摩阻風速，有少數的風速達到臨界起沙摩阻風速，連續的風蝕事件還未開始，在此時間段內，PM10的變化值也不大。9：00—10：33，摩阻風速開始上升，達到臨界起沙風速，100 與300 cm 處PM10濃度也開始上升，達到相對高度。10：33 以后，風沙流減弱，摩阻風速開始下降，2 個高度的PM10濃度也開始下降，最終接近背景值（圖2、圖3）。

圖2 城郊防護林風蝕事件中摩阻風速及輸沙率隨時間的變化

圖3 城郊防護林風蝕事件中100 與300 cm 處PM10濃度隨時間的變化

6 月4 日19：05—21：33，農田防護林在風蝕事件發生期間，在去除外源粉塵干擾后，100 cm 處PM10的平均濃度為0.008 4 mg/m3，最大值為0.016 mg/m3；300 cm 處PM10的平均濃度為0.006 4 mg/m3，最大值為0.013 mg/m3。2 個高度的PM10濃度變化情況趨勢大致相似，與摩阻風速、輸沙率的變化大致相同，而且100 cm 處PM10的變化情況強于300 cm 處PM10的變化情況。隨著高度的增加，由于風蝕造成的地表沙塵釋放情況在逐漸降低，直至濃度逐漸降低至與背景值相近。19：05—19：40，平均摩阻風速并未達到臨界起沙摩阻風速，有少數風速達到臨界起沙摩阻風速，連續的風蝕事件還未開始，在此時間段內，PM10的變化值也不大。19：40—20：50，摩阻風速開始上升，達到臨界起沙風速，100 與300 cm 處PM10濃度也開始上升，達到相對高度。10：33 以后，風沙流減弱，摩阻風速開始下降，2 個高度處PM10濃度也開始下降，最終接近背景值（圖4、圖5）。

圖4 農田防護林風蝕事件中摩阻風速、輸沙率隨時間的變化

圖5 農田防護林風蝕事件中100 cm 與300 cm 高度處PM10濃度隨時間的變化

從對城郊防護林和農田防護林2 次風蝕事件可以得出，在摩阻風速還未穩定達到臨界起沙風速前，PM10的濃度變化波動不大，偶有起伏是由于風蝕事件剛剛發生外源粉塵產生的干擾。隨著高度的增高，沙塵釋放對PM10濃度的影響降低，在沙塵釋放影響不到的高度，測量所得PM10的濃度等同于該處PM10濃度的背景值。在穩定達到臨界起沙風速后，100 與300 cm 處PM10濃度波動趨勢一致，300 cm 處PM10的濃度較100 cm 處有明顯降低，表明風蝕事件對沙塵釋放產生的影響隨著高度增長而減低，這與前人的觀測結果一致［27］。

2.2 PM10垂直通量與流失通量

利用公式（1）、公式（2）計算風蝕事件PM10的垂直通量與流失通量，對比分析二者之間的關系，分析城郊防護林和農田防護林的垂直通量、流失通量與摩阻風速之間的關系（圖6、圖7），二者PM10的垂直通量、流失通量和摩阻風速、輸沙率的關系。PM10垂直通量和流失通量與輸沙率呈線性關系，與摩阻風速呈冪函數關系，通過圖像關系可以得出，在輸沙率、摩阻風速較小時，垂直通量和流失通量相差較小，隨著摩阻風速的增大，垂直通量的增量逐漸超過流失通量。

圖6 城郊防護林摩阻風速對PM10垂直通量和流失通量的影響

圖7 農田防護林摩阻風速對PM10垂直通量和流失通量的影響

由圖8、圖9 可知，輸沙率與2 個反映粉塵釋放的參數線性正相關，進一步證實風蝕過程土壤顆粒與團聚體的躍移運動是地表粉塵釋放的最主要物理機制。但同時有試驗反映，釋放通量與風沙流強度呈冪函數［28］或對數關系［29］，造成這種差異的原因與試驗地的土壤性質有關。

圖8 城郊防護林輸沙率和通量的關系

圖9 農田防護林輸沙率和通量的關系

沙塵釋放強度的大小受風速、土壤含水量、不可蝕性顆粒含量等多種因素的影響，本研究只考慮了風速對沙塵釋放強度的影響。從對摩阻風速的分析可知，城郊防護林的風速從波動幅度、持續時間上均要強于農田防護林。

2.3 躍移顆粒的轟擊效率

風蝕事件中躍移顆粒對地表土壤的擊濺和磨蝕，是引發地表粉塵釋放的主要物理過程。轟擊效率α 是研究粉塵釋放的重要參數，一般定義為粉塵釋放通量與輸沙率之比，單位為m-1，粉塵釋放通量往往采用垂直通量或流失通量。根據擬合公式可得，農田防護林α=3.965×10-7-2.499 1×10-5/q和α=1.347×10-7-1.742×10-5/q；城郊防護林α=9.578×10-7-7.854 8×10-5/q和α=6.647×10-7-6.129 8×10-5/q。根據觀測期間輸沙率q為10-1～10-2g/m/min，可以得出托克遜典型防護林土壤躍移顆粒的轟擊效率α 數量級為10-7m-1。目前普遍接受的轟擊效率參考值為10-5~10-2m-1，但針對的是PM20，且該數值土壤之間差異較大［30］，針對PM10所計算的轟擊效率應該低于這個范圍。

3 結論

城郊防護林PM10的背景濃度高于農田防護林的背景濃度，這與二者所處的位置有一定關系，城郊防護林附近為戈壁灘，農田防護林附近樹木較多，這對沙塵釋放的強度也造成了一定影響。

在發生風蝕事件過程中，防護林近地表各高度PM10濃度的變化情況與摩阻風速的變化趨勢相同。隨著高度的增加，沙塵釋放對PM10濃度的影響降低，在沙塵釋放影響不到的高度，測量所得PM10的濃度等同于該高度處PM10濃度的背景值。

沙塵釋放的垂直通量和流失通量具有一致性，反映了地表沙塵釋放的特征，且與摩阻風速呈冪函數關系，與輸沙率呈線性關系。

試驗區，土壤躍移轟擊效率數量級為10-7m-1，低于目前針對PM20轟擊效率參考值范圍約2個量級。