巴丹吉林沙漠西缘不同地表沙尘水平通量_肖雨婷.pdf

第 43 卷 第 2 期2023 年 3 月中国沙漠JOURNAL OF DESERT RESEARCHVol.43 No.2Mar.2023肖雨婷，张国明，洪畅，等.巴丹吉林沙漠西缘不同地表沙尘水平通量 J.中国沙漠，2023，43（2）：104-113.巴丹吉林沙漠西缘不同地表沙尘水平通量肖雨婷1abc，张国明1abd，2，洪畅1abc，刘连友1abc，杨岩岩3，谷雨1abc，刘勇1abc，向明珠1abc，曲书锋1abc，孙煦然1abc（1.北京师范大学 a.环境演变与自然灾害教育部重点实验室，b.防沙治沙教育部工程研究中心，c.地理科学学部，d.国家安全与应急管理学院，北京 100875；2.中国科学院西北生态环境资源研究院 中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室，甘肃 兰州 730000；3.中国林业科学研究院 生态保护与修复研究所，北京 100091）摘要：巴丹吉林沙漠西缘是黑河中下游冲洪积平原地表风沙输入沙漠内部的重要断面。在沙漠西缘选择干涸湖床、芦苇滩地、盐碱滩地、流动沙地、灌丛沙堆5种典型地表，利用MWAC沙尘收集器，开展近地表沙尘输移通量的野外观测，分析不同高度（10、25、50、85 cm）沙尘水平通量及分布特征，计算观测期间不同地表沙尘水平通量。结果表明：不同地表沙尘水平通量随高度增加而减小，与高度呈指数型函数关系。085 cm高度的5种典型地表沙尘水平通量存在明显差异，流动沙地干涸湖床芦苇滩地盐碱滩地灌丛沙堆，010 cm高度层内沙尘通量占比最大。流动沙地和干涸湖床为巴丹吉林沙漠西缘主要输沙地表。植被覆盖度、裸露空间面积以及地表物质层特性，直接影响地表沙尘的输送通量。风速会影响沙尘水平通量分布，较大风速的地表风蚀起沙的粒径较大，地表沙尘水平通量也较大。研究结果有助于了解沙漠西缘输沙断面不同地表的沙尘输移规律与区域风沙过程。关键词：巴丹吉林沙漠；沙尘；水平通量；分布特征文章编号：1000-694X（2023）02-104-10 DOI：10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00110 中图分类号：P931.3 文献标志码：A0 引言 巴丹吉林沙漠西缘是巴丹吉林沙漠与黑河流域中下游冲洪积平原的分界线，也是巴丹吉林沙漠内部风沙输入的重要断面。巴丹吉林沙漠的沙源主要为西部面积广大的洪积平原和西北部的湖积平原地表沉积物1-4，研究区西北部阿尔泰山东缘、青藏高原东北缘的祁连山及阿拉善高原为沙漠提供了大量的潜在物源5。巴丹吉林沙漠西缘地表类型多样，主要是以湖相沉积为基底的风蚀地貌，由大面积流动沙丘、灌丛沙堆、砾石戈壁、绿洲以及绿洲退化地表组成，有白刺、泡泡刺、红砂、红柳等旱生植物。地表粗糙度影响大气与地表间能量的传输，也影响地表风沙输移过程，区内地表风蚀存在明显的空间差异。风沙流结构是风沙研究的重要内容，指单位时间、单位面积水平输沙通量随高度的分布及变化规律6，反映不同轨迹运动的沙粒在垂直方向上的运移特征7。风沙流观测中，沙尘通量是反映地表风蚀状况和风沙地貌形成的基础8。沙尘水平通量是与风蚀有关的地表沉积物输移的指标9，沙尘在近地表的沉降通量与不同高度沙尘水平通量紧密相关10，研究方法主要包括野外长期观测、风洞实验、实验数值分析等。此外，许多研究已经尝试使用小型机械风洞（PI-SWERL，便携式风洞）或其他替代设备来探索影响地表风蚀的因素11，例如风速或摩擦速度12-13。然而，关于沙尘的建模和预测仍然存在一定限制14-15，这与野外对风成驱动过程中沙尘的释放、运输和沉积的准确观测缺乏有关。风蚀模型的校准，也需要风蚀水平（跃移）沙尘通量和频率收稿日期：20220504；改回日期：20220905资助项目：国家自然科学基金项目（41971120，41730639）；中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室开放课题（KLDD-2020-002）；第二次青藏高原综合科学考察研究项目（2019QZKK0906）作者简介：肖雨婷（1998），女，四川宜宾人，硕士研究生，研究方向为干旱区地表风蚀过程与粉尘排放。E-mail：通信作者：张国明（E-mail：）中国沙漠第 43 卷的测量。风洞试验研究与野外观测表明，沙尘水平通量随高度的变化大致呈指数或幂函数规律16-17；沙漠地表沙尘水平通量随着高度的增加而增加，但在 32 m 以上高度几乎不变18；戈壁地表输沙存在“象鼻效应”，最大输沙量不是在近地面而是在距地表 56 cm 高度19-20。杨帆等21对巴丹吉林沙漠北缘沙尘天气过程中气象要素的变化特征进行分析，发现观测期间0100 cm内总输沙量的50%和90%分别集中在地表20 cm和56 cm高度以内。这些结果有益于沙尘模型的改进。野外实测沙尘水平通量特征主要受地表风速、植被或砾石覆盖度等因素影响22-24。郭树江等25对青土湖的干涸湖床不同地表风沙流结构的观测表明，不同区域下垫面起伏高度、植被盖度等对沙尘输移通量影响较大。地形地貌、植被及动力等因素的变化，也会影响地区内沙尘输送通量的结构特征改变26。当前针对巴丹吉林沙漠的研究大多关注其风速27-28、植被特征29-31、湖泊沉积环境32-34等。关于沙漠西缘不同地表的风沙活动特征研究还较少，针对野外多种地表间输沙量的定期观测数据比较缺乏。野外输沙通量测量数据是风蚀模型开发和校验的重要支撑，对野外沙尘水平质量通量计算有着重要意义。深入了解巴丹吉林沙漠西缘不同地表沙尘水平通量特征与分布规律，对进一步认识沙漠西缘的输沙与沙尘释放，判定上风向主要沙尘物源，探究区域内部风沙活动规律具有重要意义。1 研究区概况 巴丹吉林沙漠位于中国内蒙古西部阿拉善高原，地域范围3904 15 4212 23 N、9923 18 10434 02 E，面积 52 162 km2，是中国第二大沙漠35。研究区位于黑河下游冲洪积平原与巴丹吉林沙漠交界处的沙漠西缘（图1），属典型内陆温带荒漠气候，降水稀少，气候干燥。巴丹吉林沙漠淡水表面平均年蒸发量为1 000 mm，沙丘表面平均年蒸发量为100 mm 36。区域内部年均风速4 m s-1，冬春季主风向为WN，其他月份主导风向为W，极易出现沙尘暴37。剥蚀丘陵、风蚀洼地、灌丛沙堆、干涸盐湖、流动沙地、盐碱滩地、芦苇滩地为研究区内典型地表类型，地表环境极为复杂。图1研究区概况图Fig.1The location of the western edge of the Badain Jaran Desert105第 2 期肖雨婷等：巴丹吉林沙漠西缘不同地表沙尘水平通量2 研究方法 2.1MWAC近地表沙尘收集器目前常见的地表跃移颗粒物收集的仪器主要有 Big Spring Number Eight（BSNE）集沙仪、New Flat Opening Collector（NFOC）集沙仪以及Modified Wilson and Cook（MWAC）集沙仪38-39。本研究使用的MWAC近地表沙尘收集器在原有基础上进行了改良，通过在 MWAC 近地表沙尘收集器圆柱形桅杆顶部增加旋转钢珠减小机械转动摩擦，提高了收集灵敏性。为更好适应野外采集工作，收集器采用1 800 mL 容积 PET 罐，装配了管状进沙口和出风口，口径为1.30 cm，进沙口管略短，出气口管稍长，可明显减缓进沙气流阻塞，有利沙尘进入沉积罐。每个MWAC近地表沙尘收集器附有高度1 m桅杆，每个桅杆安装4个沉积罐，高度为距地面10、25、50、85 cm。桅杆主轴附加三角形风向标，长0.60 m，宽0.40 cm，随风转动以控制方向。2.2仪器布设与样品收集不同地表观测样地布设于巴丹吉林沙漠西缘（图1），试验期从2019年2月20日至2020年7月10日。每样地由9个MWAC近地表沙尘收集器组成，按照33规格排列，每两个MWAC近地表粉尘收集器间隔3 m，确保MWAC的尾翼随风摆动时不受影响（图2）。研究期内共进行了3次采样，时间分别为2019 年 7 月 23 日、12 月 27 日和 2020 年 7 月 10 日。所收集沙尘样品及时装入塑料自封袋后带回北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室进行分析。同时利用现场布设的观测高度为2 m的气象站风速资料分析了2019年1月1日至12月31日内的沙尘天气状况。2.3沙尘水平通量计算收集4个高度MWAC沙尘样品，分别装入已称量的空样品袋中称重。将采样器中收集沙尘净质量除以收集时间间隔，结合MWAC采样器入口面积计算出单位时间内沙尘水平通量q（z）。沙尘水平通量是风成沉积物再分配的主要贡献者，随高度迅速减小，1 m 处的通量占总通量的比例通常小于10%40。q(z)=mts（1）式中：z是地面到沉积物采样器入口中心高度；m为MWAC所收集沙尘净质量；t是收集时间间隔（d）；s 为改良后 MWAC 入口面积（1.3310-4 m2）。用Shao等41开发经验公式拟合q（z）值：q(z)=aecz2+bz（2）式中：a、b和c为拟合系数。通过对地面到1 m高度的Q（z）积分，计算总沙尘水平通量Q（g m-1 d-1）42-43：Q=01q(z)dz（3）利用单因素方差分析（One-Way ANOVA）检验沙漠西缘不同地表沙尘水平通量差异的显著性，所有统计分析均在 SPSS19.0 完成。利用 Origin2021和ArcGIS10.5软件绘制图表和研究区概况图。3 结果与分析 3.1不同地表沙尘水平通量的垂直分布特征巴丹吉林沙漠西缘5种典型地表输量随高度升图2MWAC近地表沙尘收集器Fig.2Aeolian sand-dust was sampled using custom-made MWAC（Modified Wilson and Cooke）sediment samplers106中国沙漠第 43 卷高而逐渐减小，不同地表085 cm高度层内输沙量分布有差异。5种下垫面010 cm高度层内输沙量占比最大，1025 cm高度层内的输沙量占比次之，2550 cm与5085 cm高度层内输沙量占比较小且占比接近（图3）。芦苇滩地地表010 cm高度层输沙量占比约72%，1025 cm高度层占比约18%，2550 cm与5085 cm高度层占比分别为6%和4%（图3A）；干涸湖床地表010 cm高度层输沙量占比约55%，1025 cm高度层占比约32%，2550 cm与5085 cm高度层占比分别为10%和3%（图3B）；盐碱滩地010 cm高度层输沙量占比约68%，1025 cm高度层占比约 20%，2550 cm 与 5085 cm 高度层占比分别为7%和4%（图3C）；流动沙地地表010 cm高度层输沙量占比约54%，1025 cm高度层占比约39%，2550 cm与5085 cm高度层占比分别为7%和1%（图3D）；灌丛沙堆地表 010 cm高度层输沙量占比约57%，1025 cm高度层占比约26%，2550 cm与5085 cm高度层占比分别为11%和6%（图3E）。085 cm高度沙尘水平通量在干涸湖床、芦苇滩地、盐碱滩地、流动沙地、灌丛沙堆5种典型地表图3不同地表不同高度输沙量占比Fig.3Percentage of dust at different heights over different surface107第 2 期肖雨婷等：巴丹吉林沙漠西缘不同地表沙尘水平通量随高度分布符合指数型函数分布规律，拟合函数的基本形式如图4所示。表1给出了不同地表沙尘水平通量随高度分布的函数拟合系数a、b、c及拟合优度R2，表征了不同观测时期沙尘天气过程沙尘水平通量的变化特点。其中，c的绝对值1.3816.22，最大值和最小值分别出现在流动沙地和干涸湖床地表；b的绝对值0.4412.49，最大值和最小值分别出现在芦苇滩地和流动沙地地表；a的绝对值714.9682 441.94，最大值和最小值分别出现在干涸湖床和灌丛沙堆地表。图4不同地表高度沙尘水平通量Fig.4Total horizontal sand-dust flux of