论文｜浑善达克沙地多伦生态站沙尘及颗粒物特征研究

单位：1.内蒙古自治区林业科学研究院；2.呼和浩特市新城区林业局

简介：曲娜，助理研究员，硕士，从事沙漠治理研究。

基金项目：国家自然科学基金项目（31560239）；内蒙古多伦浑善达克沙地生态系统国家定位观测研究站项目（2018-LYPT-DW-012）。

OSID开放科学计划

沙漠地区近地层水平输送的沙尘物质在不同高度处的垂直沉降量及其随高度的变化特征直接影响着风沙地区沙尘的输送过程。国外在近地层沙尘浓度、水平通量和降尘量等方面取得明显进展，而我国的研究主要包括沙尘天气过程沙尘颗粒分布及水溶性离子组分特征、PM₁₀浓度的区域差异、沙尘期间PM_2.5中金属元素含量、气溶胶颗粒化学组分、粒径分布以及我国大气降尘量的地域性分布特征及影响因素等方面。作为京津风沙源工程建设的重点地区，经过近20年治理浑善达克沙地生态环境取得了明显成效。在此基础上，探讨近地层大气降尘量及其颗粒粒径分布特征，对评价固沙植被生态功能具有重要意义。

目的

观测研究浑善达克沙地多伦生态站固沙植被区全年连续沉积的沙尘积累量，并对沙尘颗粒物特征进行分析，以期对评价浑善达克沙地防沙治沙工程建设取得的生态环境成效起到指导作用。

方法

利用50m沙尘通量观测塔（图1）采集了浑善达克沙地多伦生态站不同高度水平沙尘量、垂直降尘量样品，并利用称重法、激光颗粒分析仪和电感耦合等离子体发射光谱仪（PE ICP-OES）分别测定沙尘量、颗粒物粒径和化学元素含量。

图1 50m沙尘通量塔

结果

◆水平沙尘量变化

从图2可以看出，50m高度范围内水平沙尘通量（y）随高度（x）增高表现出幂函数关系，即随着高度增加采集器中收集到的水平沙尘量呈现出降低的趋势，与张正偲等在腾格里沙漠东南缘的每月观测结论为指数函数关系有所差异。导致这种差异的原因是否与研究区地表植被生长状况或连续观测时间及取样频次有关目前还无法判定。

图2 50m高度范围沙尘通量变化

此外，从图2还可以看出，0.5~50.0m高度全年水平沙尘量总量合计为271.89 mg/（m²·h），而0.5m高度全年水平沙尘量为43.37mg/（m²·h），占全年总量的15.95%；1.0m高度为26.67mg/（m²·h），占全年总量的9.81%；20.0m高度为16.21mg/（m²·h），占全年总量的5.96%；50.0m高度仅为8.02 mg/（m²·h），占全年总量的2.95%。也就是说，水平沙尘量主要是在1.0m以下的空间范围内，而距离地面越高，沙尘量也越少。

◆垂直降尘量变化

一般情况，由于不同高度处风速高低的波动变化，少部分相对大的颗粒物质形成垂直降尘量。从图3可以看出，垂直降尘量（y）随高度（x）增高表现出多项式函数关系：y=0.0009x²-0.0229x+0.1677（R²=0.8775），而且，垂直降尘量主要发生在0.5~6.0m，占0.5~50.0m空间范围总降尘量［0.91mg/（m²·h）］的60.03%。其中，0.5m高度垂直降尘量占总降尘量的16.77%；1.0m高度占14.32%，2.0m高度占8.44%，4.0 m高度占11.07%，6.0m高度占9.41%。

图3 50m高度范围垂直降尘量变化

◆水平沙尘颗粒物粒径变化

从表1可以看出，在50m高度范围内，水平沙尘的颗粒粒径主要集中在>20~50μm，其平均含量占50.41%，且在2~50m高度，>20~50μm颗粒物含量没有明显增加的趋势，但在0.5m高度，>100~200μm颗粒物含量为21.18%，而>2~50m高度平均为0.28%。此外，10μm以下颗粒物含量平均为9.09%，并随着高度增加呈现出增加趋势，特别是>2~5和>5~10μm颗粒物含量增加明显，表明随着高度增加，水平沙尘中的细颗粒物含量总体呈现出增加的趋势。

◆垂直降尘颗粒物粒径变化

从不同高度垂直降尘中颗粒物粒径变化看（表2），颗粒粒径主要集中在>20~50和>50~100μm，其平均含量分别占40.12%和30.02%，而水平沙尘>20~50μm颗粒含量平均为50.41%，>50~100μm颗粒含量平均为19.49%。同样，垂直降尘中10μm以下颗粒物含量平均为4.91%，随着高度增加，其含量并没有表现出增加趋势，表明垂直降尘中颗粒物粒径相对粗一些，且垂直降尘中颗粒物受到不同高度气流运动状态变化的影响。

◆降尘颗粒物元素组成特征

随着大气降尘的落地，其全量化学元素参与物质循环，进一步影响到生物结皮层和风沙土全量化学元素组成含量的变化，并通过物质和能力交换为构建相对稳定的沙漠生态系统提供土壤物质保证。

从表3可以看出，浑善达克沙地多伦生态站大气降尘的全量化学元素含量（SiO₂除外）均比生物结皮层和风沙土全量化学元素含量高。其中降尘颗粒物中Fe₂O₃、Al₂O₃、MnO、K₂O、MgO、P₂O₅、CaO、TiO₂元素含量比风沙土中各元素含量分别增加5.44、0.97、6.91、0.21、6.95、4.12、2.30和2.26倍，降尘颗粒物中Fe₂O₃、Al₂O₃、MnO、MgO、P₂O₅、CaO、TiO₂元素含量比苔藓生物结皮层各元素含量分别增加1.98、0.63、1.33、2.42、1.78、0.81和1.18倍，表明大气降尘在对改善生物结皮层和风沙土养分状况方面具有突出贡献。此外，降尘颗粒物中Fe₂O₃含量增加，随着水平沙尘悬移质的长距离输送对海洋生物繁殖具有重要意义。该研究测定的沙尘中铁含量约106g/kg（Fe₂O₃含量为151.43g/kg），说明不同地区沙尘中铁含量差异显著。

结论

垂直降尘量或水平沙尘量随高度增高而减小，并呈现出多项式或幂函数关系，并且沙尘中细颗粒物、化学元素含量显著增加。

（1）水平沙尘通量或垂直降尘量均随着距离地面高度的增加而降低；且在0.5~50.0m高度，水平沙尘通量平均为16.99mg/（m²·h），垂直降尘量平均为0.05mg/（m²·h）；在相同高度下，水平沙尘量比垂直降尘量高1.30~24.49倍，且距离地面越高，增加倍数也越大。

（2）垂直降尘中颗粒物粒径相对更粗。在50m高度范围内，水平沙尘中>20~50μm颗粒物含量为50.41%，10μm以下颗粒物含量平均为9.09%；垂直降尘中>20~50和>50~100μm颗粒物含量分别为40.12%和30.02%，10μm以下颗粒物含量平均为4.91%。

（3）浑善达克沙地多伦生态站沙尘中全量化学元素含量（SiO₂除外）平均比生物结皮层和风沙土全量化学元素含量分别高0.63~2.42和0.21~6.95倍，特别是Fe₂O₃含量为151.43g/kg，比国内其他地区沙尘中铁含量高近1倍。

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?采编：小白 ?排版：小同