塔里木盆地沙漠沙沙环境因素对大气粉尘气溶胶的影响

塔里木盆地沙漠沙沙环境因素对大气粉尘气溶胶的影响

砂是干旱的重要组成部分。半干旱地区的气候变化是该地区砂壤侵蚀性强的主要原因。沙尘天气的产生受大风、降水、植被覆盖度、下垫面性质以及大气环流等多种因素的影响。新疆地处我国西北内陆,远离海洋,气候干燥,沙漠、戈壁广布,整个地区年降水量多在150mm以下,植被稀少,沙尘物质及其丰富,风蚀强烈,这里成为亚洲沙尘暴多发区之一。沙尘暴既是一种加速土地沙漠化的重要过程,又是土地荒漠化发展到一定程度的具体体现,具有一定的指示意义。对新疆沙尘源状况进行全面、系统、深入的研究,有助于分析新疆特殊的下垫面对沙尘气溶胶的贡献,有助于搞清荒漠化过程中的某些动力学机制。1风速和沙物质大风是沙尘天气形成的动力条件,当风速达到一定条件时,地表物质就会在风的携带下发生运动,当质粒的摩擦力矩与风的流体动力矩相等时可确定起动质粒的风速阈值。不同土壤产生大气沙尘的风速阈值不同(表1),以摩擦速度u*表示:u∗=kuzlnZ0Z(1)u*=kuzlnΖ0Ζ(1)式中:k=0.38～0.41;Z0为地表粗糙度;uz为观测高度,距地面20cm。根据观测,起沙率与风速有很大的关系,可以用以下公式来表示:q=a(V−Vt)b(2)q=a(V-Vt)b(2)塔克拉玛干大沙漠以流动性沙丘为主,现代风积沙以粒径0.25～0.063mm的细沙和极细沙占85%以上(表2),塔克拉玛干沙漠边缘细粒物(<0.063mm)含量达6.18%,土壤及冲积物达82.36%,喀什地区沙漠沙以细沙为主,大风日数平均每年达20d,和田地区沙漠沙以极细沙为主,大风日数平均每年达7.3d,细小的沙粒在大风的作用下极易形成沙尘暴。古尔班通古特沙漠由于植被覆盖度较高,沙漠有很好的稳定性,沙尘不容易被大风携带到大气中,但在人为扰动的区域,由于沙漠物质较细在大风的作用下也可以成为沙尘气溶胶的重要来源(表3)。2土地沙漠化分布新疆是沙漠的集中地,中国60%的沙漠分布在新疆,新疆1/4的土地被沙漠覆盖,87个县市中有53个县市有沙漠分布,塔里木盆地绝大部分地区沙土和沙壤土占地比率>60%,塔克拉玛干大沙漠面积达33.7万km2,整个沙漠为流动性沙漠,流沙面积占27.7万km2,沙漠沙以细沙为主,为沙尘天气的形成提供了丰富的沙源,是中国最大的沙尘源。此外塔里木盆地地区,还有2.5万km2的荒漠化土地,植被稀疏,也是主要起沙地,另外,春季由于大片土地还没有作物生长,土质疏松,在大风的作用下,也成为春季的沙源之一。据朱震达统计(表4),新疆土地沙漠化土地面积为3.05万km2,占全国土地荒漠化面积的17.27%,其中,古尔班通古特沙漠边缘为6.248km2,塔克拉玛干沙漠边缘为2.42万km2,新疆强烈发展中的沙漠化土地和严重沙漠化土地分别占全国同类型沙漠化土地面积的32.13%和21.88%。塔克拉玛干沙漠边缘及沙漠河两岸,近2000a来形成的沙漠化土地面积为2.83万km2,其中近百年来形成的现代沙漠化土地为0.86万km2(有0.73万km2就地起沙),在现代沙漠化土地中,因风沙和沙丘移动而形成的沙漠化土地面积为1296km2。塔里木盆地中的胡杨林是中国面积最大的天然胡杨林,总面积4758km2,其组成物质颗粒物中粒径小于10μm达50%(图6),是沙尘天气沙尘物质的潜在来源,因此保护新疆天然胡杨林是减少潜在沙尘源的重要途径之一。3土壤颗粒物来源的改变沙尘暴的形成与人类生产活动有密切的关系。直径小于0.063mm的粉尘是沙尘暴、浮尘的主要组成部分,粉尘随风高空输送速度快、覆盖面广,污染城市环境的同时危害人体健康。中国沙漠和零星沙地的平均含尘量为2.56%;沙漠边缘地区平均含尘量为11.94%;旱作耕地含尘量为30.37%;沙质草地平均含尘量为51.86%;干旱湖盆及干旱河床平均含尘量为63.08%。沙漠并不是沙尘暴和浮尘天气的主要成因,沙质草地、干旱湖盆及干旱河床平均含尘量高,对环境危害最大。图7为在塔里木盆地不同土壤的粒径分布,土壤颗粒物的粒径都比较小,特别是沙漠周围的边缘地带、河流两岸、古河道中的土壤类型中粒径小于2.5μm和粒径小于10μm的土壤颗粒物中细颗粒物占有相当大的比例(图8),如:古河道土壤中d<10μm和d<2.5μm的颗粒物含量百分比分别达到了50%和20%,是大气沙尘气溶胶中细颗粒物的主要来源和潜在来源。过度放牧和使用地下水资源是造成草地沙化、湖泊河流干涸的人为因素;封育植被覆盖率较高的草原,涵养水源,严格控制沙漠边缘的土地开发,尽快治理绿洲内的零星沙地是当务之急。塔里木盆地地区人为地破坏沙生植被,大面积地开荒、撂荒,不合理地利用水资源,使塔克拉玛干沙漠边缘地区隔离带缩小,土地沙漠化十分严重,据统计,塔里木盆地地区沙漠化土地每年以1.34%的速度增加,因农垦不重视环境保护形成沙漠化土地占沙漠化土地的13.6%(表5),大面积的裸露沙地为沙尘暴的产生提供了丰富的沙源。地表裸露面积扩大,罗布泊完全干涸和许多内陆湖泊干涸,水位下降,塔里木等内陆河断流,地下水位明显下降,这些与20世纪60\_70年代塔里木地区沙尘暴频数呈波动上升的事实相符。由于塔里木河下游320km河道多年断流,造成沿河而生的胡杨大面积死亡,根据塔里木河流域管理局的一份材料显示,在1958—1978年的20a间,塔里木河干流两岸胡杨林面积减少了62%,其中下游减少了69%。胡杨土有可能成为沙尘暴的新尘源。胡杨土颗粒细小,直径比流沙还要小十多倍,极易在空中飘浮,被风刮得很远很高,只要有8级西北风,已干燥的胡杨土就能轻易飘到长江中下游。目前,塔里木河流域胡杨死亡4.7万hm2,形成的胡杨土有数亿m3,如不尽快采取措施,新的尘源将会很快形成。4中国最大的砂源地在新疆中,有科学量化的沙源1)沙尘天气发生时较大颗粒被携带到大气中,随着天气过程的减弱,大颗粒物质逐渐沉降,小颗粒物质还要在大气中悬浮一段时间才会逐渐沉降,因此沙尘暴发生时沙尘气溶胶的大粒子明显增多,而浮尘天气下的粒径多小于10μm。2)由于新疆地区沙漠戈壁广布,中国60%的沙漠分布在新疆,新疆1/4的土地被沙漠覆盖,塔里木盆地绝大部分地区沙土和沙壤土占地比率>60%,沙漠沙以细沙为主,为沙尘天气的形成提供了丰富的沙源,是中国最大的沙尘源,特殊的下垫面性质为沙尘天气的产生提供了有力的自然条件。3