李漢林, 何 清, 趙權(quán)威, 馬明杰
(1.中國氣象局 烏魯木齊沙漠氣象研究所/新疆塔克拉瑪干沙漠氣象國家野外科學(xué)觀測研究站/中國氣象局塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學(xué)試驗基地/新疆沙漠氣象與沙塵暴重點(diǎn)實(shí)驗室, 新疆 烏魯木齊 830002; 2.新疆維吾爾自治區(qū)氣象服務(wù)中心, 新疆 烏魯木齊 830002)
土壤粒度特征是環(huán)境研究中的重要課題,其作為土壤最基本的物理屬性之一,對土壤水分運(yùn)動、生產(chǎn)力和土壤風(fēng)蝕等有重要影響[1-2]。中國西北干旱區(qū)是全球土壤風(fēng)蝕最嚴(yán)重的區(qū)域之一。已有研究表明,昆侖山脈北坡土壤細(xì)粒度隨著海拔的逐漸升高而增加[3];在準(zhǔn)噶爾盆地西南緣的艾比湖濕地,隨著土壤鹽漬化程度的加劇,黏粒含量不斷增加,也越容易被侵蝕[4];伊犁河谷地區(qū)表層土壤以粉沙和黏粒為主,土壤理化性質(zhì)隨著海拔升高,由西南向東北明顯改善[5-6];柴達(dá)木盆地東北部哈勒騰河流域表層沉積物主要由細(xì)沙組成,河流沖積物和山前風(fēng)化剝蝕產(chǎn)物為其主要物源[7]。表層沉積物粒度特征是研究風(fēng)動力變化的良好載體,然而,眾多研究中缺少對帕米爾高原東部地區(qū)表層土壤粒度特性的分析。
帕米爾高原地區(qū)海拔較高,氣候干旱,成壤作用弱,常年的風(fēng)力侵蝕和人類活動對該區(qū)域表層沉積物產(chǎn)生重要影響[8-9]。帕米爾高原毗鄰干旱半干旱沙漠地帶,該地區(qū)是全球粉塵主要排放源區(qū),生態(tài)系統(tǒng)退化,水土沙化嚴(yán)重,容易發(fā)生大規(guī)模起沙現(xiàn)象[10-11],沙漠表層沉積物可通過氣流搬運(yùn)在帕米爾高原東部地表進(jìn)行沉積,并對其地表特征、植被覆蓋度、土壤黏土含量等有重要影響,因此有必要對其表層沉積物的來源路徑進(jìn)行解析。表層沉積物粒度特征是最為直觀的高原特征之一,是影響高原地區(qū)表面空氣動力學(xué)的主要因子,也是高原發(fā)育環(huán)境和發(fā)育歷史的重要證據(jù)。帕米爾高原作為“中巴經(jīng)濟(jì)走廊”建設(shè)重點(diǎn)區(qū)域之一,在“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”中具有十分重要的地位和作用。本研究探討帕米爾高原東部表層沉積物粒度特征及來源,旨在提高對中國西部高原地區(qū)沉積環(huán)境認(rèn)知、判定物質(zhì)運(yùn)輸方式,為國家生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供參考。
帕米爾高原位于亞歐大陸中部(73°40′—96°18′E,34°25′—48°10′N),其東部位于中國境內(nèi)的最西端,屬高寒干旱氣候,面積約2.00×104km2,平均海拔4 000 m,年平均氣溫3.5 ℃,年平均風(fēng)速2.0 m/s,年平均降水量68.1 mm,北部為喀什噶爾和葉爾羌河沖擊成的綠洲平原,東部為塔克拉瑪干沙漠,南鄰喀喇昆侖山。主要為高山寒漠景觀,主要植被為矮小灌木以及刺雪屬和刺豆屬的墊狀植物,主要土壤類型為山地棕鈣土、山地棕漠土、山地栗鈣土、高寒草甸土和草甸沼澤土等,地形開闊,已有中巴公路通過,是“中巴經(jīng)濟(jì)走廊”的關(guān)鍵區(qū)域[12-13]。
本研究所用土壤樣品系沿國道314,從位于帕米爾高原東部的喀什市至帕米爾高原中部的紅其拉普口岸(中巴公路),據(jù)帕米爾高原東部的生態(tài)環(huán)境景觀特征,選取有代表性的平原綠洲區(qū)、綠洲戈壁過渡帶及高原寒旱區(qū)等景觀,每隔10 km布設(shè)1個樣點(diǎn),取樣點(diǎn)海拔高度為1 441~4 706 m,共計40個土壤樣品,位置如圖1a所示。采集樣品前,利用GPS記錄該樣點(diǎn)的經(jīng)緯度,采樣深度為0—5 cm,采樣面積為20 cm×20 cm,用采樣鏟刮取地表松散層沉積物,每個樣品重量均在0.5 kg以上,分別進(jìn)行密封包裝與記錄,并將土樣帶回中國氣象局樹木年輪理化研究重點(diǎn)開放實(shí)驗室進(jìn)行測量。
圖1 帕米爾高原東部采樣點(diǎn)分布及其海拔高度
后向軌跡模型所用帕米爾高原東部高原寒旱區(qū)PM10逐時數(shù)據(jù)來源于帕米爾高原大氣成分觀測站(2019年3月至2020年2月),該站建于中國新疆喀什地區(qū)塔什庫爾干塔吉克自治縣(75.22°E,37.77°N;3 100 m),簡稱“塔縣”。平原綠洲區(qū)PM10逐時平均數(shù)據(jù)來自喀什市(75.99° E,39.47° N,1 289 m)3個環(huán)境監(jiān)測站點(diǎn)逐時濃度的算術(shù)平均值(2019年9月至2020年8月),喀什市與塔縣海拔高度相差1 811 m,相距約300 km(圖1b)。后向軌跡模型所用氣象再分析資料來源于美國氣象環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)提供的全球資料同化系統(tǒng)(GDAS)氣象再分析資料,空間分辨率為1°×1°,分為00:00,06:00,12:00,18:00 h UTC(世界時)4個時次,高度層為23層,氣象要素包括溫度、氣壓、水平和垂直風(fēng)速等。
表層沉積物粒度分析所用激光粒度儀為英國Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000,測量范圍為0.02~2 000 μm,重復(fù)測量誤差小于3%。該儀器采用光學(xué)衍射或散射原理,具有測量范圍廣、精度高、速度快的優(yōu)點(diǎn)[14]。文中粒徑單位采用Φ值,該值是克魯賓(Krumbein)根據(jù)伍登溫德華(Udden-Wenworth)粒級標(biāo)準(zhǔn),再通過Folk和Ward方法計算粒度參數(shù)[15-18]。其中,土壤的粒度分布(soil particle size distribution, PSD)依據(jù)國際制土壤質(zhì)地分級標(biāo)準(zhǔn),即黏粒(粒徑<2 μm),粉粒(粒徑2~20 μm)和砂粒(粒徑20~2 000 μm)。
后向軌跡模式全稱為混合單粒子拉格朗日綜合軌跡模式(HYSPLIT),是美國國家海洋大氣管理局(NOAA)和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的一種用于計算和處理大氣污染物傳輸和擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模型,是具有處理多種氣象要素輸入場、多種物理過程和不同類型污染物排放源的綜合模式系統(tǒng)[19-20]。
帕米爾東部表層沉積物40個樣品的采集區(qū)域按照海拔高度及下墊面類型共分為A,B,C,D這4組,其中1—2號為A組(平原綠洲區(qū):1 441.0~1 485.7 m),3—13號為B組(綠洲戈壁過渡區(qū):1 548.7~2 792.0 m),14—27號為C組(戈壁高原過渡區(qū):3 145.0~3 989.3 m),28—40號為D組(高原寒旱區(qū):3 082.5~4 706.3 m),每組樣品數(shù)分別為2,11,14,13個。由圖2可知,帕米爾高原東部所采集所有表層沉積物樣品平均粒徑為3.62Φ(81.28 μm),粒徑范圍為2.12Φ(229.78 μm)~5.63Φ(20.13 μm),粒級跨度較大,依據(jù)國際制土壤質(zhì)地分級標(biāo)準(zhǔn),其表層沉積物粒徑較粗,主要為砂粒,是構(gòu)成該地區(qū)土壤固相骨架的基本顆粒[21-23]。帕米爾高原東部不同區(qū)域表層沉積物平均粒徑由大到小分別為:A>C>B>D,A組土樣平均粒徑為2.64Φ(160.67 μm),其粒徑范圍為2.38Φ(191.50 μm)~2.89Φ(134.81 μm);B組土樣平均粒徑為3.72Φ(75.81 μm),其粒徑范圍為2.17Φ(221.66 μm)~5.37Φ(24.24 μm);C組土樣平均粒徑為3.24Φ(106.15 μm),其粒徑范圍為2.12Φ(229.78 μm)~5.23Φ(26.72 μm);D組土樣平均粒徑為4.10Φ(58.24 μm),其粒徑范圍為2.70Φ(154.02 μm)~5.63Φ(20.13 μm)。帕米爾高原東部表層沉積物粒度組成是常年受風(fēng)化侵蝕、堆積等地表過程與干旱多風(fēng)的氣候環(huán)境共同作用的結(jié)果,該地區(qū)的平原綠洲區(qū)的平均粒徑最大,高原寒旱區(qū)的平均粒徑最小,戈壁高原過渡區(qū)和戈壁綠洲過渡區(qū)的平均粒徑居中,該地區(qū)表層沉積物粒徑隨海拔的逐漸升高而減小。由于帕米爾高原寒旱區(qū)海拔較高,表層沉積物常年受西風(fēng)和東北風(fēng)的風(fēng)化分選,氣流中攜帶的細(xì)小顆粒易在此受阻并沉降堆積,導(dǎo)致其平均粒徑最小;平原綠洲區(qū)海拔最低,風(fēng)沙天氣活動頻繁,當(dāng)大風(fēng)經(jīng)過時,會攜帶表層小粒徑沉積物,留下粒徑相對較大的土壤,且綠洲地區(qū)的植被能夠降低近地層風(fēng)速,減少土壤風(fēng)蝕量并攔截氣流中的沙塵粗顆粒,導(dǎo)致其表層沉積物粒徑相對較大[3]。帕米爾高原東部所有表層沉積物樣品的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為-1.79,范圍為-2.58~-0.77,其中A組樣品標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍為-1.64~-1.14;B組樣品標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍為-2.39~-1.16;C組樣品標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍為-2.58~-0.77;D組樣品標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍為-2.27~-1.25。標(biāo)準(zhǔn)偏差可表征沉積物粒度相對于均值散布的遠(yuǎn)近,根據(jù)Folk和Ward分選性等級標(biāo)準(zhǔn)劃分[21-23],4組表層沉積物粒度標(biāo)準(zhǔn)偏差皆屬于分選極好。帕米爾高原東部所有表層沉積物樣品的偏度約為-0.31,范圍為-0.64~-0.09,其中A組樣品偏度范圍為-0.29~-0.27,屬于極負(fù)偏;B組樣品偏度范圍為-0.51~-0.14,屬于極負(fù)偏至負(fù)偏;C組樣品偏度范圍為-0.64~-0.13,屬于極負(fù)偏至負(fù)偏;D組樣品偏度范圍為-0.38~-0.09,屬于負(fù)偏至近對稱。偏度可定量表征沉積物粗細(xì)分布的對稱程度,帕米爾高原東部表層沉積物粒度皆是負(fù)偏,表明在頻率曲線上粗粒度端形成長尾,粗顆粒偏多,且分布更集中[21-23]。帕米爾高原東部表層沉積物樣品平均峰度為1.18,峰度范圍為0.77~1.78。4組表層沉積物樣品平均峰度分別為1.54,1.15,1.24,1.09,取值范圍分別為1.53~1.54,0.88~1.60,0.77~1.78,0.91~1.36。峰度可表征頻率曲線上峰值的高低,根據(jù)Folk和Ward分選性等級標(biāo)準(zhǔn)劃分[21-23],A組全部屬于尖銳型,B組屬于平坦至尖銳型,C組屬于平坦至很尖銳型,D組屬于中等至尖銳型,所有樣品多為尖銳峰。
圖2 帕米爾高原東部表層沉積物粒度特征
Sahu判別式[24]是薩胡通過對大量的砂石、礫石等碎屑物質(zhì)進(jìn)行分析建立的一系列判別公式。本文采用Sahu判別式(表1)對帕米爾高原東部表層沉積環(huán)境進(jìn)行判別,將帕米爾高原東部表層沉積物粒度數(shù)據(jù)代入判別式中計算,以此檢驗其風(fēng)成可能性。公式(1)計算結(jié)果顯示-6.22 由于Sahu判別式缺少湖相沉積環(huán)境判別式,而淺海環(huán)境與湖泊環(huán)境相似,區(qū)別在于沉積物的礦物成分和碳酸鹽含量。從粒度的角度分析沉積環(huán)境,并沒有涉及到沉積物的礦物成分和碳酸鹽含量。塔縣盆地位于帕米爾高原東部的塔什庫爾干塔吉克自治縣,該盆地第四紀(jì)覆蓋嚴(yán)重,主要以晚第四紀(jì)以來發(fā)育的沖、洪積物,冰磧物和湖相沉積物為主,湖相地層主要以黏土、黏土質(zhì)粉砂和粉砂組成,并在湖相地層中部發(fā)現(xiàn)含有貝殼和炭屑的薄層,沉積環(huán)境相對穩(wěn)定[25-26]。因此,可以推測帕米爾高原東部表層沉積物主要為湖相沉積。 帕米爾高原東部地表風(fēng)蝕嚴(yán)重,植被覆蓋度較低,其表層沉積物主要是砂粒,是沙漠的近源沉積,受搬運(yùn)動力的作用強(qiáng)烈,可通過風(fēng)力躍遷和懸移并沉積,從而影響其粒度組成。表層沉積物對局地大氣粉塵載荷具有明顯貢獻(xiàn),是研究風(fēng)動力變化的良好載體。因此有必要通過氣流軌跡探討風(fēng)成沉降對其表層沉積物組成的影響[29-30]。 本文分別以帕米爾高原東部高原寒旱區(qū)的塔縣和平原綠洲區(qū)的喀什市為受點(diǎn),模擬全年每日逐時(00:00—23:00北京時)到達(dá)兩個受點(diǎn)的48 h后向氣流軌跡進(jìn)行聚類分析,由于粗顆粒PM10是沙塵天氣主要大氣顆粒物,其傳輸高度通常高于1 000 m,因此模擬高度選擇為距地面1 000 m。將模擬的后向軌跡和沙塵顆粒中的主要成分PM10逐小時濃度數(shù)據(jù)結(jié)合進(jìn)行統(tǒng)計分析,以定量表征不同軌跡對帕米爾高原東部PM10濃度的貢獻(xiàn)水平,以此探討不同輸送路徑對帕米爾高原表層沉積物的影響。從圖3可以看出,到達(dá)帕米爾高原東部平原綠洲區(qū)的氣流軌跡主要呈東西分布,各類氣流所攜帶的PM10濃度從高到低依次為:軌跡2>軌跡6>軌跡1>軌跡4>軌跡3>軌跡5,大氣顆粒物污染是制約喀什市發(fā)展的重要環(huán)境因素,污染性沙塵濃度較高,其中來自新疆西南部的氣流(軌跡2和軌跡4),在全年總氣流軌跡中占比達(dá)41.5%,攜帶PM10濃度較高,分別為304.2和226.4 μg/m3,氣流源地和途經(jīng)區(qū)域是中國沙塵暴的主要源地塔克拉瑪干沙漠,在浮塵、揚(yáng)沙和沙塵暴等頻發(fā)的沙塵天氣下,可隨動能較高的氣流向喀什地區(qū)近距離搬運(yùn)高濃度沙塵顆粒,且軌跡2和軌跡4軌跡較短,風(fēng)速較小,移動速度較慢,區(qū)域氣象條件穩(wěn)定,不利于PM10稀釋擴(kuò)散,是影響帕米爾高原東部平原綠洲區(qū)PM10濃度的主要輸送路徑;其次是來自土庫曼斯坦東部的氣流(軌跡6),攜帶PM10濃度較高,中亞地區(qū)的大沙漠卡拉庫姆沙漠位于土庫曼斯坦境內(nèi),沙漠地表是高濃度沙塵氣溶膠源區(qū),導(dǎo)致軌跡6同樣是影響帕米爾高原東部平原綠洲區(qū)PM10濃度的主要輸送路徑;軌跡1,3在總軌跡中占比達(dá)42%,氣流主要途經(jīng)中亞干旱半干旱沙漠地帶,裸露的地表常年受風(fēng)化影響,有利于沙塵天氣發(fā)生,故對應(yīng)PM10濃度較高值(表2)。 圖3 帕米爾高原東部平原綠洲區(qū)與高原寒旱區(qū)全年后向軌跡聚類分布對比 表2 帕米爾高原東部各類沉積物軌跡對應(yīng)的PM10濃度統(tǒng)計結(jié)果 到達(dá)帕米爾高原東部高原寒旱區(qū)的氣流主要向西南方向呈散射狀分布,全年分布特征與其“西風(fēng)—季風(fēng)”協(xié)同作用相對應(yīng),各類氣流所攜帶的PM10濃度從高到低依次為:軌跡4>軌跡3>軌跡2>軌跡5>軌跡1,其中來自中亞地區(qū),途經(jīng)塔吉克斯坦南部的氣流(軌跡4,軌跡2),在全年總氣流軌跡中所占比例達(dá)37.0%,攜帶PM10濃度較高,盛行的西風(fēng)急流易將中亞干旱半干旱沙漠地區(qū)的表土與細(xì)沙揚(yáng)起,受高原獨(dú)特地形影響,進(jìn)一步抬升到達(dá)帕米爾高原東部,并與空氣中的水蒸氣凝結(jié)成核,發(fā)生濕沉降至地表形成積聚[31-33];來自新疆西南部的氣流(軌跡3),攜帶PM10濃度較高(25.6 μg/m3),帕米爾高原的存在對塔里木盆地內(nèi)的局地環(huán)流形勢有重要作用,塔里木盆地中央的塔克拉瑪干沙漠是高濃度沙塵氣溶膠源地,受近地面風(fēng)場和昆侖山北坡高海拔地形的影響,在大風(fēng)天氣的起沙過程中,較強(qiáng)的東灌沙塵帶可驅(qū)動弱沙塵帶向帕米爾高原方向輸送,隨著大氣的上升運(yùn)動,在對流層中跨距離輸送沙塵,通過沉降過程進(jìn)入地表[19];來自南亞方向的海洋氣流(軌跡1,5),攜帶PM10濃度較低,分別為5.2和23.3 μg/m3,氣流可攜帶灰塵和海鹽顆粒沉降至帕米爾高原東部地表,對其表層沉積物的粒度組成造成一定影響。 (1) 帕米爾高原東部表層沉積物平均粒徑為3.62Φ(81.28 μm),質(zhì)地以砂粒為主,且粒徑隨海拔的逐漸升高而減小。 (2) 粒度標(biāo)準(zhǔn)偏差皆屬于分選極好,粒度皆是負(fù)偏,分布更集中,峰度多為尖銳峰;通過Sahu判別式結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造背景,初步推測該地區(qū)表層沉積物主要為湖相沉積。 (3) 帕米爾高原東部高原寒旱區(qū)表層沉積物遠(yuǎn)源風(fēng)成沉降主要受來自中亞地區(qū)的西風(fēng)氣流影響,平原綠洲區(qū)主要受來自塔克拉瑪干沙漠西側(cè)沙塵顆粒物影響。 (4) 帕米爾高原東部處于生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū),應(yīng)因地制宜制定土地利用規(guī)劃,同時需防范中亞沙塵顆粒對其生態(tài)環(huán)境的影響。3.3 來源路徑分析
4 結(jié) 論