塔里木盆地沙漠沙沙環(huán)境因素對大氣粉塵氣溶膠的影響

塔里木盆地沙漠沙沙環(huán)境因素對大氣粉塵氣溶膠的影響

砂是干旱的重要組成部分。半干旱地區(qū)的氣候變化是該地區(qū)砂壤侵蝕性強的主要原因。沙塵天氣的產(chǎn)生受大風、降水、植被覆蓋度、下墊面性質(zhì)以及大氣環(huán)流等多種因素的影響。新疆地處我國西北內(nèi)陸,遠離海洋,氣候干燥,沙漠、戈壁廣布,整個地區(qū)年降水量多在150mm以下,植被稀少,沙塵物質(zhì)及其豐富,風蝕強烈,這里成為亞洲沙塵暴多發(fā)區(qū)之一。沙塵暴既是一種加速土地沙漠化的重要過程,又是土地荒漠化發(fā)展到一定程度的具體體現(xiàn),具有一定的指示意義。對新疆沙塵源狀況進行全面、系統(tǒng)、深入的研究,有助于分析新疆特殊的下墊面對沙塵氣溶膠的貢獻,有助于搞清荒漠化過程中的某些動力學機制。1風速和沙物質(zhì)大風是沙塵天氣形成的動力條件,當風速達到一定條件時,地表物質(zhì)就會在風的攜帶下發(fā)生運動,當質(zhì)粒的摩擦力矩與風的流體動力矩相等時可確定起動質(zhì)粒的風速閾值。不同土壤產(chǎn)生大氣沙塵的風速閾值不同(表1),以摩擦速度u*表示:u?=kuzlnZ0Z(1)u*=kuzlnΖ0Ζ(1)式中:k=0.38～0.41;Z0為地表粗糙度;uz為觀測高度,距地面20cm。根據(jù)觀測,起沙率與風速有很大的關(guān)系,可以用以下公式來表示:q=a(V?Vt)b(2)q=a(V-Vt)b(2)塔克拉瑪干大沙漠以流動性沙丘為主,現(xiàn)代風積沙以粒徑0.25～0.063mm的細沙和極細沙占85%以上(表2),塔克拉瑪干沙漠邊緣細粒物(<0.063mm)含量達6.18%,土壤及沖積物達82.36%,喀什地區(qū)沙漠沙以細沙為主,大風日數(shù)平均每年達20d,和田地區(qū)沙漠沙以極細沙為主,大風日數(shù)平均每年達7.3d,細小的沙粒在大風的作用下極易形成沙塵暴。古爾班通古特沙漠由于植被覆蓋度較高,沙漠有很好的穩(wěn)定性,沙塵不容易被大風攜帶到大氣中,但在人為擾動的區(qū)域,由于沙漠物質(zhì)較細在大風的作用下也可以成為沙塵氣溶膠的重要來源(表3)。2土地沙漠化分布新疆是沙漠的集中地,中國60%的沙漠分布在新疆,新疆1/4的土地被沙漠覆蓋,87個縣市中有53個縣市有沙漠分布,塔里木盆地絕大部分地區(qū)沙土和沙壤土占地比率>60%,塔克拉瑪干大沙漠面積達33.7萬km2,整個沙漠為流動性沙漠,流沙面積占27.7萬km2,沙漠沙以細沙為主,為沙塵天氣的形成提供了豐富的沙源,是中國最大的沙塵源。此外塔里木盆地地區(qū),還有2.5萬km2的荒漠化土地,植被稀疏,也是主要起沙地,另外,春季由于大片土地還沒有作物生長,土質(zhì)疏松,在大風的作用下,也成為春季的沙源之一。據(jù)朱震達統(tǒng)計(表4),新疆土地沙漠化土地面積為3.05萬km2,占全國土地荒漠化面積的17.27%,其中,古爾班通古特沙漠邊緣為6.248km2,塔克拉瑪干沙漠邊緣為2.42萬km2,新疆強烈發(fā)展中的沙漠化土地和嚴重沙漠化土地分別占全國同類型沙漠化土地面積的32.13%和21.88%。塔克拉瑪干沙漠邊緣及沙漠河兩岸,近2000a來形成的沙漠化土地面積為2.83萬km2,其中近百年來形成的現(xiàn)代沙漠化土地為0.86萬km2(有0.73萬km2就地起沙),在現(xiàn)代沙漠化土地中,因風沙和沙丘移動而形成的沙漠化土地面積為1296km2。塔里木盆地中的胡楊林是中國面積最大的天然胡楊林,總面積4758km2,其組成物質(zhì)顆粒物中粒徑小于10μm達50%(圖6),是沙塵天氣沙塵物質(zhì)的潛在來源,因此保護新疆天然胡楊林是減少潛在沙塵源的重要途徑之一。3土壤顆粒物來源的改變沙塵暴的形成與人類生產(chǎn)活動有密切的關(guān)系。直徑小于0.063mm的粉塵是沙塵暴、浮塵的主要組成部分,粉塵隨風高空輸送速度快、覆蓋面廣,污染城市環(huán)境的同時危害人體健康。中國沙漠和零星沙地的平均含塵量為2.56%;沙漠邊緣地區(qū)平均含塵量為11.94%;旱作耕地含塵量為30.37%;沙質(zhì)草地平均含塵量為51.86%;干旱湖盆及干旱河床平均含塵量為63.08%。沙漠并不是沙塵暴和浮塵天氣的主要成因,沙質(zhì)草地、干旱湖盆及干旱河床平均含塵量高,對環(huán)境危害最大。圖7為在塔里木盆地不同土壤的粒徑分布,土壤顆粒物的粒徑都比較小,特別是沙漠周圍的邊緣地帶、河流兩岸、古河道中的土壤類型中粒徑小于2.5μm和粒徑小于10μm的土壤顆粒物中細顆粒物占有相當大的比例(圖8),如:古河道土壤中d<10μm和d<2.5μm的顆粒物含量百分比分別達到了50%和20%,是大氣沙塵氣溶膠中細顆粒物的主要來源和潛在來源。過度放牧和使用地下水資源是造成草地沙化、湖泊河流干涸的人為因素;封育植被覆蓋率較高的草原,涵養(yǎng)水源,嚴格控制沙漠邊緣的土地開發(fā),盡快治理綠洲內(nèi)的零星沙地是當務(wù)之急。塔里木盆地地區(qū)人為地破壞沙生植被,大面積地開荒、撂荒,不合理地利用水資源,使塔克拉瑪干沙漠邊緣地區(qū)隔離帶縮小,土地沙漠化十分嚴重,據(jù)統(tǒng)計,塔里木盆地地區(qū)沙漠化土地每年以1.34%的速度增加,因農(nóng)墾不重視環(huán)境保護形成沙漠化土地占沙漠化土地的13.6%(表5),大面積的裸露沙地為沙塵暴的產(chǎn)生提供了豐富的沙源。地表裸露面積擴大,羅布泊完全干涸和許多內(nèi)陸湖泊干涸,水位下降,塔里木等內(nèi)陸河斷流,地下水位明顯下降,這些與20世紀60\_70年代塔里木地區(qū)沙塵暴頻數(shù)呈波動上升的事實相符。由于塔里木河下游320km河道多年斷流,造成沿河而生的胡楊大面積死亡,根據(jù)塔里木河流域管理局的一份材料顯示,在1958—1978年的20a間,塔里木河干流兩岸胡楊林面積減少了62%,其中下游減少了69%。胡楊土有可能成為沙塵暴的新塵源。胡楊土顆粒細小,直徑比流沙還要小十多倍,極易在空中飄浮,被風刮得很遠很高,只要有8級西北風,已干燥的胡楊土就能輕易飄到長江中下游。目前,塔里木河流域胡楊死亡4.7萬hm2,形成的胡楊土有數(shù)億m3,如不盡快采取措施,新的塵源將會很快形成。4中國最大的砂源地在新疆中,有科學量化的沙源1)沙塵天氣發(fā)生時較大顆粒被攜帶到大氣中,隨著天氣過程的減弱,大顆粒物質(zhì)逐漸沉降,小顆粒物質(zhì)還要在大氣中懸浮一段時間才會逐漸沉降,因此沙塵暴發(fā)生時沙塵氣溶膠的大粒子明顯增多,而浮塵天氣下的粒徑多小于10μm。2)由于新疆地區(qū)沙漠戈壁廣布,中國60%的沙漠分布在新疆,新疆1/4的土地被沙漠覆蓋,塔里木盆地絕大部分地區(qū)沙土和沙壤土占地比率>60%,沙漠沙以細沙為主,為沙塵天氣的形成提供了豐富的沙源,是中國最大的沙塵源,特殊的下墊面性質(zhì)為沙塵天氣的產(chǎn)生提供了有力的自然條件。3