北京一次沙塵天氣研究綜述

楊傳成，沈得秀，許洪泰，王津津

(1.山東省工程地震研究中心，山東 濟(jì)南 250021;2.地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

水利部水土流失普查結(jié)果表明，北方地區(qū)揚(yáng)塵和沙塵暴頻繁發(fā)生的直接原因是氣候異常，干旱少雨［1］。沙塵暴是一種加速土地荒漠化的重要過(guò)程，是土地荒漠化發(fā)展到一定程度的具體表現(xiàn)。近些年來(lái)，不同學(xué)科的專家分別從各自學(xué)科的角度對(duì)沙塵天氣的發(fā)生條件、沙塵源地、移動(dòng)路徑、傳送機(jī)制、氣候效應(yīng)、發(fā)展趨勢(shì)等進(jìn)行了分析，并對(duì)影響沙塵天氣的氣候背景及其對(duì)全球氣候變化的影響進(jìn)行了研究。由于降塵極易沉降，所以它所攜帶的污染物極易造成近源污染，降塵的最終污染對(duì)象是土壤、水體，因此開展降塵的研究和控制對(duì)大氣、土壤、水體環(huán)境保護(hù)均具有重要的意義［2－3］。

本文以北京2006年的一次沙塵天氣為研究對(duì)象，介紹有關(guān)研究者對(duì)該次沙塵暴的研究成果，旨在促進(jìn)我國(guó)沙塵暴研究與防治的深入開展。

1 降塵的粒度特征

粒度分布及分選性是搬運(yùn)能力的度量尺度，是判斷沉積時(shí)自然地理環(huán)境及動(dòng)力條件的良好標(biāo)志。北京2006年4月16日降塵的粒度較粗，組分比較均一。

粒度和含量測(cè)量結(jié)果表明，粒徑＜75 μm的粉塵顆粒(顆粒直徑＜75 μm的為粉塵)占96%，多數(shù)樣品的中值粒徑在19～21 μm之間，平均為20.1 μm。眾數(shù)粒徑變化也不大，多在30～40 μm之間，其他粒徑粉塵的顆粒(75 μm＜直徑＜154 μm)只占4%［4－5］。由降塵概率累積曲線研究知道降塵為雙峰型分布。電鏡掃描結(jié)果表明，降塵顆粒的分選度和磨圓度均差，顆粒組合結(jié)構(gòu)極不均勻，其顆粒的組合結(jié)構(gòu)、分選度和磨圓度的特征與鹽湖沉積物相似，與沙地沙粒絕然不同［5］，與洛川黃土及洛川古土壤采集樣品的統(tǒng)計(jì)結(jié)果也有一定的區(qū)別(表1)［4］。

表1 降塵與洛川黃土－古土壤的粒度對(duì)比

2 降塵的磁學(xué)特征

磁化率是黃土研究的基本指標(biāo)之一，它反映了黃土成土作用的強(qiáng)弱，是夏季風(fēng)強(qiáng)度的替代性指標(biāo)。60個(gè)降塵樣品磁化率平均值為1.111×10－6m3/kg，整個(gè)磁化率頻率呈一對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其中45個(gè)樣品磁化率值在 9.5 ×10－7～1.15 ×10－6m3/kg范圍內(nèi)［6］。降塵磁化率較高是現(xiàn)代降塵磁化率的普遍特點(diǎn)。該次降塵磁化率值相對(duì)于黃土層(齋堂馬蘭L)較高的特征具有普遍性。河北北部農(nóng)田區(qū)、陰山北麓農(nóng)牧區(qū)和內(nèi)蒙古中部平原區(qū)及阿拉善的表土磁化率與此次沙塵暴磁化率的平均值較為接近。

3 14C年齡和10Be分布特征

放射性碳(14C)測(cè)年方法是W.F.Libby于1946年創(chuàng)建的，是迄今為止國(guó)內(nèi)外在第四紀(jì)地質(zhì)、新構(gòu)造、活動(dòng)構(gòu)造及考古學(xué)研究中應(yīng)用最廣泛、最可靠的放射性同位素測(cè)年方法。黑炭是生物量不完全燃燒遺留下的碳，它可以在源區(qū)地層中保存下來(lái)。此次降塵中含有黑炭，黑炭含量變化范圍為1.00% ～1.44%。北京降塵樣品黑炭14C年齡大致可分為兩個(gè)區(qū)間:距今4 200～5 200年和距今3 000～4 000年。干旱半干旱區(qū)風(fēng)力活動(dòng)強(qiáng)烈，西北廣闊的荒漠沙地、黃土高原以及內(nèi)陸干涸湖盆都極易遭受風(fēng)力侵蝕。上述兩區(qū)間14C年齡特點(diǎn)反映了此次北京降塵至少有兩大物質(zhì)源區(qū)，前者為強(qiáng)侵蝕區(qū)，后者為次強(qiáng)侵蝕區(qū)。降塵樣品黑炭的14C年齡各不相同，這一特點(diǎn)可能反映了降塵來(lái)自源區(qū)不同地點(diǎn)或同一地點(diǎn)不同地層深度［7］。

放射性同位素10Be主要由宇宙射線與大氣中的N和O原子核反應(yīng)而產(chǎn)生，并通過(guò)降水?dāng)y帶到地表進(jìn)入表生環(huán)境系統(tǒng)。由于10Be半衰期長(zhǎng)達(dá)1.5 Ma，因此它不但具有示蹤環(huán)境變化的能力，而且具有地質(zhì)定年的潛力。中國(guó)北方風(fēng)成黃土和紅黏土中的10Be已成為研究粉塵的沉積和風(fēng)化作用以及古氣候和古環(huán)境變化的有效工具［3］。大氣中生成的10Be被氣溶膠吸附，隨降塵或降水沉降到地表，與氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)及粉塵傳輸過(guò)程密切相關(guān)，是降塵過(guò)程極好的示蹤劑。北京降塵10Be濃度變化范圍為1.69×108～2.07 ×108原子/g，平均值為 1.82 ×108原子/g。已有的研究表明，黃土10Be濃度變化范圍為1.4×108～2.8×108原子/g，古土壤的濃度比黃土高2～3倍，其變化范圍為2.7×108～4.5×108原子/g。從該結(jié)果來(lái)看，北京降塵10Be濃度與黃土接近，此次北京降塵物質(zhì)也許主要來(lái)自于黃土物質(zhì)［8］。

4 釋光特征

釋光測(cè)年方法的基礎(chǔ)是晶體礦物對(duì)核輻射劑量的響應(yīng)，以晶體礦物吸收的核輻射能(以釋光形式表現(xiàn))作為計(jì)時(shí)器，已被廣泛應(yīng)用于考古、第四紀(jì)沉積物的年代測(cè)定中。自20世紀(jì)60年代初人們利用熱釋光技術(shù)對(duì)焙燒過(guò)的物質(zhì)或沉積物進(jìn)行測(cè)年，1985年Huntley等提出光釋光測(cè)年技術(shù)后，釋光測(cè)年技術(shù)發(fā)展迅速。對(duì)2006年4月16日北京降塵樣品的釋光實(shí)驗(yàn)研究表明，其IRSL信號(hào)極弱，［post－IR］OSL信號(hào)較強(qiáng)且以石英貢獻(xiàn)為主(圖1)，對(duì)石英純度檢驗(yàn)可以測(cè)出較為明顯的110℃熱釋光峰(圖2)。利用SAR法獲得多個(gè)測(cè)片的等效劑量值均呈明顯的不對(duì)稱分布，推測(cè)可能與樣品部分曬退、顆粒來(lái)源、實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法流程等有關(guān)。釋光信號(hào)特征可能反映了降塵源區(qū)來(lái)自不同地點(diǎn)或同一地點(diǎn)的不同地層深度［9］。

5 地球化學(xué)特征

與黃土相比北京降塵具有一定的差異，表現(xiàn)為北京降塵中Mg、Na相對(duì)富集，Ca明顯虧損并含有較高的燒失量，降塵CIA值較低，表明降塵源區(qū)化學(xué)風(fēng)化程度較弱，處于化學(xué)風(fēng)化的初始階段，降塵ΣREE顯著高于黃土，同時(shí)輕、重稀土分餾程度也較黃土高(表2)。此外，降塵中S、Cl的含量與干涸鹽湖相近，表明其物質(zhì)可能來(lái)源于干涸鹽湖，而不可能來(lái)源于荒漠沙地和表土［10］。

表2 北京兩次降塵樣品與馬蘭黃土地球化學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)比

6 沙塵暴危害

沙塵暴是一種風(fēng)與沙相互作用的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象，它的形成與地球溫室效應(yīng)、厄爾尼諾現(xiàn)象、森林銳減、植被破壞、物種滅絕、氣候異常等因素有著密切的關(guān)系［2］。由其造成的危害主要表現(xiàn)為:

(1)沙塵暴不僅可以改變土壤的組成和性質(zhì)，而且還會(huì)影響植物的生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)。

(2)沙塵暴帶來(lái)大量的懸浮顆粒物污染空氣后，直接影響人體健康，引發(fā)疾病。此外，懸浮顆粒能夠反射太陽(yáng)輻射從而降低大氣溫度。隨著懸浮顆粒大幅度削弱太陽(yáng)輻射(約10%)，地球水循環(huán)的速度可能會(huì)變慢，使降水量減少;懸浮顆粒還可抑制云的形成，使云的降水率降低，減少地球上的水資源量。

(3)沙塵暴還會(huì)對(duì)交通、通信、文物保護(hù)等諸多方面造成較大影響。有關(guān)專家用掃描電鏡統(tǒng)計(jì)了5 000個(gè)粉塵表面形態(tài)，發(fā)現(xiàn)棱角、次棱角狀細(xì)小沙粒占到83%，這種棱角狀高硬度石英顆粒隨氣流四處運(yùn)動(dòng)，不僅對(duì)壁畫、彩塑進(jìn)行磨蝕，而且能侵入壁畫、彩塑的顏料縫隙中使之龜裂［11］。

7 降塵源區(qū)及輸入途徑

根據(jù)氣象衛(wèi)星沙塵監(jiān)測(cè)圖分析，造成北京地區(qū)春季沙塵天氣的沙塵源地大致有三個(gè):一個(gè)起源于蒙古國(guó)的南部和東南部地區(qū)，進(jìn)人內(nèi)蒙古后繼續(xù)加強(qiáng)，影響北京地區(qū);一個(gè)起源于我國(guó)內(nèi)蒙古地區(qū)，經(jīng)河北省西部后不斷增強(qiáng)，影響北京地區(qū);另一個(gè)起源于北京地區(qū)的西北部，影響北京東部地區(qū)。內(nèi)蒙古渾善達(dá)克沙地和河北省西北部，是北京和國(guó)內(nèi)沙塵天氣的主要沙塵源地。

眾多的研究結(jié)果表明，進(jìn)入北京地區(qū)的沙塵移動(dòng)主要有3條路徑:第一條從北路二連浩特、渾善達(dá)克沙地西部、朱日和地區(qū)開始，經(jīng)四子王旗、化德、張北、張家口、宣化等地到達(dá)北京;第二條從西北路內(nèi)蒙古的阿拉善的中蒙邊境、烏拉特、河西走廊等地區(qū)開始，經(jīng)賀蘭山地區(qū)、毛烏素沙地或?yàn)跆m布和沙漠、呼和浩特、大同、張家口等地到達(dá)北京;第三條從西路哈密或芒崖開始，經(jīng)河西走廊、銀川或西安、大同或太原等地到達(dá)北京［12］。

8 防治沙塵暴的對(duì)策

認(rèn)識(shí)沙塵暴與土壤侵蝕的關(guān)系，對(duì)科學(xué)治理沙塵暴至關(guān)重要。在建設(shè)生態(tài)文明社會(huì)的今天，搞好以水土保持為中心的生態(tài)建設(shè)是擺在我們面前的緊迫任務(wù)［1］。有關(guān)資料顯示，我國(guó)大部分草地已經(jīng)或正在退化，其中中度退化以上的草地面積達(dá)1.3億hm2，占我國(guó)草地總面積的1/3。我國(guó)沙化土地面積168.9萬(wàn)km2，占國(guó)土總面積的17.6%，形成一條西起塔里木盆地、東至松嫩平原西部，東西長(zhǎng)4 500 km、南北寬600 km的風(fēng)沙帶。

保護(hù)生態(tài)、改善人類賴以生存的環(huán)境是當(dāng)代人肩負(fù)的重要?dú)v史使命。歷史的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，要治理和改善生態(tài)環(huán)境就要增加科技投入，大力實(shí)施退耕還林(草)，同時(shí)通過(guò)法制、制度建設(shè)，為防沙治沙、防治土地荒漠化筑起一道綠色的法制屏障。近年來(lái)，為改善我國(guó)北方地區(qū)沙源地的生態(tài)環(huán)境，國(guó)家對(duì)該區(qū)的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了積極治理，針對(duì)不同地區(qū)土地沙化的現(xiàn)狀及危害程度、發(fā)展趨勢(shì)以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)生態(tài)建設(shè)的要求，提出了明確的治理目標(biāo)，并開展了國(guó)家級(jí)重點(diǎn)工程、區(qū)域性工程和地方示范工程等多項(xiàng)工程建設(shè)。國(guó)家級(jí)重點(diǎn)工程包括環(huán)北京地區(qū)防沙治沙工程，其范圍包括渾善達(dá)克沙地、科爾沁沙地西部、陰山以北、河北壩上和京津周圍地區(qū)，“三北”防護(hù)林四期工程、區(qū)域性工程包括拉薩及周邊地區(qū)防沙治沙工程、黃河故道治理工程等［2］。

要治理好北京地區(qū)的沙塵暴，必須用最適合當(dāng)?shù)丨h(huán)境的植物種群對(duì)塵源區(qū)進(jìn)行“地毯式”的覆蓋，使之形成土生土長(zhǎng)的、多樣性的植被覆蓋。按照土地利用類型因地制宜地進(jìn)行綜合防治，是防止土地進(jìn)一步沙化、荒漠化的根本措施:屬于草地開墾、撂荒、亂挖濫采使植被破壞造成土地沙化、沙荒的，應(yīng)立即停止開墾，采取人工種植多年生牧草或封育恢復(fù)草地植被;屬于草地過(guò)度放牧引起的草地沙化，應(yīng)積極開展草地建設(shè)，增加草地生態(tài)容量并實(shí)行以草定畜。實(shí)行保護(hù)重于治理、以保為主的沙漠化防治方略，在不破壞現(xiàn)有綠色植被的基礎(chǔ)上，加大對(duì)固定、半固定沙地的保護(hù)和退耕還林(草)力度，在已沙化的土地上種植紫花苜蓿等多年生草本植物和沙棘、沙棗等喬灌木，重新形成適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的旱生草原植被與荒漠植被群落，改善土壤中微生物的活動(dòng)、有機(jī)質(zhì)的分解、養(yǎng)分的保存和釋放、有害物質(zhì)的積累與消除等，還自然界以平衡的生態(tài)系統(tǒng)［12－13］。

法制建設(shè)是搞好一切工作的保障，要依法防止土地荒漠化、沙化，堅(jiān)決制止各種人為破壞生態(tài)的做法。由于近年來(lái)宣傳、教育力度不夠，廣大群眾對(duì)土地荒漠化、沙化危害認(rèn)識(shí)不深刻，甚至出現(xiàn)一些抵觸情緒，使預(yù)防管護(hù)趕不上破壞的速度，一些地方存在著有法不依、執(zhí)法不嚴(yán)的現(xiàn)象。鑒于此，今后要在加強(qiáng)綜合治理的同時(shí)，加大對(duì)水法、草原法、水土保持法、環(huán)境與資源保護(hù)法以及與生態(tài)環(huán)境保護(hù)有關(guān)的法律法規(guī)的宣傳力度，不斷提高全民的法制意識(shí)，依法打擊各種破壞資源與環(huán)境的犯罪行為，形成全社會(huì)自覺保護(hù)水土資源和生態(tài)環(huán)境的良好氛圍。要努力建設(shè)一個(gè)合理高效的管理體系，防止在大規(guī)模開發(fā)建設(shè)活動(dòng)中造成新的人為水土流失和生態(tài)環(huán)境的破壞，使土地沙化、荒漠化治理中的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益得到更好的統(tǒng)一［12－13］。

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