2015 年 第 60 卷 第 17 期：1621 ~ 1630

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引用格式: 崔梦淳, 鹿化煜, Sweeney M, 等. 便携式粉尘观测仪测定腾格里沙漠和毛乌素沙地 PM10 释放通量. 科学通报, 2015, 60: 1621–1630

Cui M C, Lu H Y, Sweeney M, et al. PM10 emission flux in the Tengger Desert and Mu Us Sand field, northern China, measured by PI-SWERL (in Chinese). Chin Sci Bull, 2015, 60: 1621–1630, doi: 10.1360/N972014-01157

《中国科学》杂志社 SCIENCE CHINA PRESS 论 文

便携式粉尘观测仪测定腾格里沙漠和毛乌素沙地 PM10

释放通量

崔梦淳①, 鹿化煜①*, SWEENEY Mark②, MASON Joseph③, 冯晗①, 徐志伟①

① 南京大学地理与海洋科学学院地貌过程与环境实验室, 南京 210023;

② Department of Earth Sciences, University of South Dakota, Vermillion, South Dakota 57069, USA;

③ Department of Geography, University of Wisconsin, Madison, Wisconsin 53706, USA

* 联系人, E-mail: huayulu@nju.edu.cn

2015-02-04 收稿, 2015-04-12 接受, 2015-05-26 网络版发表

国家自然科学基金(41321062, 41371203)资助

摘要 中国北方沙漠和沙地是亚洲粉尘释放的重要源区, 定量估算这一地区的粉尘释放

量有助于评估区域大气环境质量及其气候效应. 目前, 对中国北方粉尘释放量的估算主要

是基于模拟结果, 野外直接观测数据很少. 利用一种新型的粉尘释放观测仪器——便携式

粉尘观测仪(PI-SWERL), 测量腾格里沙漠和毛乌素沙地若干典型地表(沙丘、干湖、灌丛

沙丘、河流冲积物等)的粉尘释放通量, 获得了不同地表潜在粉尘释放量的直接观测数据.

结果表明, 不同地表的PM10 释放通量存在较大差异, 但均随摩阻风速的增加而增加. 在相

同的摩阻风速U*= 0.55 m/s条件下, 灌丛沙丘的PM10 通量最高(0.70~10.23 mg/(m2 s)), 河流

冲积物次之(0.12~4.97 mg/(m2 s)), 干湖湖底、沙丘等地表的通量较小(<0.5 mg/(m2 s)). 对比

试验表明, 破碎结壳地表释放的PM10通量是未破碎结壳的几倍甚至几十倍; 披覆松散沙粒

结壳地面的PM10 释放通量高出未披覆的 1~2 个数量级. 对比前人研究结果, PI-SWERL可

以较好地反映不同源区粉尘释放的差异, 对定量评估区域乃至全球的粉尘释放量等具有

重要意义.

关键词

腾格里沙漠

粉尘释放

便携式粉尘观测仪

(PI-SWERL) PM10 通量

摩阻风速

粉尘在联系全球陆地-大气-海洋环境中扮演着

重要角色. 粉尘可以改变大气的辐射平衡、影响大气

边界层的稳定性等 , 但粉尘对气候直接或间接的定

量影响还需要研究 [1~4]. 此外, 远距离输运的粉尘注

入海洋, 可能产生铁肥效应, 影响海洋生物地球化学

过程和海洋生物量, 从而影响全球的碳循环 [5~7]. 反

过来, 气候变化也可以通过改变环境因子(如风速、

降水、植被等)来影响大气中粉尘的载荷和传输[8~12].

亚洲中部是全球粉尘的重要源区之一 , 其年平

均释放量约为千万吨级 [13]. 有研究表明 , 中国北方

干旱半干旱区的粉尘释放量大约是亚洲的一半[9]. 中

国北方沙漠有2个高粉尘释放区: 以塔克拉玛干沙漠

为中心的西部沙漠, 和以巴丹吉林、腾格里沙漠等为

主的北部沙漠 [14]. Wang和Jia[15]利用154个被动式积

沙仪对塔克拉玛干沙漠沙丘、退化土、干湖沉积等典

型地表的风沙活动过程进行了研究 , 认为塔克拉玛

干沙漠地区的PM10释放通量范围为10–2~101 kg/(m2 d);

其中沙漠边缘的干涸湖盆、退化土、戈壁等地区是潜

在的高粉尘释放源区. 由于积沙仪体积和集沙效率等

因素的制约[15,16], 这些结果仍存在不确定性. 基于水

平跃移沙通量对粉尘通量的贡献, 梅凡民等人[17,18]利

用DPM模型模拟得到中国北方沙漠沙地的粉尘释放

2015 年 6 月 第 60 卷 第 17 期

1622

通量范围在10–2~10 mg/(m2 s)之间, 不同表土类型的

释放量存在显著差异 [18]. Su等人 [19]利用区域气候耦

合模型RegCM3模拟得到2000~2009年东亚粉尘气溶

胶(颗粒直径小于20 μm)释放通量的时空分布特征, 指

出塔克拉玛干沙漠和巴丹吉林沙漠的年平均释放通量

超过1000 mg/(m2 d), 且存在明显的季节变化. 虽然模

拟取得了很多成果, 但模型本身仍存在一定的缺陷,

需要结合野外直接观测数据进行验证[20,21].

自20世纪90年代以来 , 风洞被广泛应用于风沙

动力学、风沙流结构特征以及沙尘释放、传输等研究

中[22~28]. 便携式粉尘观测仪(PI-SWERL, the portable

in-situ wind ERosion laboratory)是近年来开发的一种

新型的便携式风蚀仪[29,30], 其工作原理为: 通过环形

叶片旋转在近地表产生一定强度的风剪切力 , 使土

壤遭受侵蚀 , 释放粉尘 ; 利用DustTrak检测仪测定

PM10浓度, 并计算出相应时间内的PM10释放通量[29].

研究表明, 应用PI-SWERL观测的PM10通量值和风洞

实验的模拟值之间具有很好的相关性 [30]. 较风洞而

言, PI-SWERL简单轻便、易于操作, 在一定程度上可

以弥补风洞实验的不足 , 较好地反映微地貌粉尘排

放的差异[30], 目前在国际上已尝试用于沙漠[30~34]、盐

湖 [31,33,35]、河流冲积物 [31]、黄土 [36]和道路 [37]等多种

地表的粉尘释放研究, 但在亚洲地区还未有报道.

本研究利用PI-SWERL测定腾格里沙漠和毛乌

素沙地几种典型地表的粉尘释放量 , 与已有模拟结

果以及美国Mojave沙漠、Salton湖附近沙丘、盐湖等

地表的PI-SWERL观测结果进行对比, 以期为粉尘释

放的时空变化、粉尘循环等研究提供直接观测数据,

填补空白.

1 研究区概况和方法

1.1 研究区概况

本研究选择腾格里沙漠和毛乌素沙地为主要研

究区 (图 1 ) . 腾格里沙漠位于阿拉善高原东南部

(37°32~40°00N, 102°15~105°41E), 属于大陆性干

旱气候, 年降水量在40~200 mm之间[38], 面积4.58万

km2, 地表以流动沙丘为主 , 约占总面积的81%[39].

毛乌素沙地位于温带半干旱区, 年平均降水量200~

450 mm[40], 处于温带干草原和荒漠的过渡地段 [41],

图 1 研究区位置和采样点分布. 红色圆点代表采样点位(吉兰泰 JLT(9): JLT1, JLT2, JLT3, JLT4, JLT5, JLT6, JLT7, JLT8, JLT9; 阿拉善左旗

AZQ(4): AZQ1, AZQ2, AZQ3, AZQ4; 月亮湖 ML1(2): ML1-1, ML1-2; 月亮湖 ML2(3): ML2-1, ML2-2, ML2-3; 月亮湖 ML3(4): ML3-1, ML3-2,

ML3-3, ML3-4; 月亮湖 ML4(3): ML4-1, ML4-2, ML4-3; 盐池县青山 QS(3): QS1, QS2, QS3; 靖边 JB(2): JB1, JB2; 地理底图中的沙丘分类参考

《中国 1:200 万沙漠分布图》[5]编绘

Figure 1 The location of investigated area and sampling sites. Red dots indicate sampling sites: Jilantai-JLT1, JLT2, JLT3, JLT4, JLT5, JLT6, JLT7, JLT8, JLT9; Alashan-AZQ1, AZQ2, AZQ3, AZQ4; Moonlake1-ML1-1, ML1-2; Moonlake2-ML2-1, ML2-2, ML2-3; Moonlake3-ML3-1, ML3-2, ML3-3, ML3-4; Moonlake4- ML4-1, ML4-2 ML4-3; Qingshan-QS1, QS2, QS3; Jingbian-JB1, JB2; the classification of dunes in the geographical map refers to Deserts in China (1:2000000)[5]

1623

论 文

图 2 研究区的主要地表类型. (a) 干湖湖底; (b) 沙丘; (c) 河流冲积

物; (d) 灌丛沙丘

Figure 2 Typical landforms of the study area. (a) Dry lake; (b) dune; (c) fluvial sediment; (d) coppice dune

面积3.9万km2, 流动沙丘面积约占66%[39].

本研究共测定33个点位的地表粉尘释放量 , 包

括吉兰泰南部9个点, 阿拉善左旗北部4个点, 月亮湖

景区附近12个点, 中卫沙坡头附近3个点, 盐池县青

山3个点和靖边县北部2个点(图1); 地表类型包括沙

丘、干湖湖底、灌丛沙丘以及河流冲积物等(图2). 其

中 , JLT1~JLT17, ML1-1~ML1-2, ML3-1~ML3-4,

ZW1~ZW3, JB1~JB2为沙丘, ML3-4, ZW3采样点位

于丘间地 ; JLT8~JLT9, ML2-1~ML2-3为干湖地表 ;

ML4-1~ML4-3, QS1~QS3为灌丛沙丘; AZQ1~AZQ4

为河流冲积形成的干涸地表.

1.2 仪器结构、野外观测及采样

本研究采用的便携式粉尘观测仪PI-SWERL(图

2(a))主要包括圆柱腔室, 直流鼓风机, DustTrak检测

仪, OGS传感器和控制系统等单元. 测量时, 圆柱腔

内环形叶片的旋转产生设定的风剪切力 , 引起地表

粉尘释放[29]; 同时, 利用DustTrak检测仪测定在设定

流速下的PM10浓度 , 并计算出相应时间内的PM10释

放通量(式(1)). 仪器测量方法主要包含跃进式和渐进

式2种模式, 两者区别在于, 前者是转速连续增加至

设定值, 后者为转速分几步达到设定值, 每个步骤持

续一段时间. 由于跃进式便于初步了解粉尘释放的过

程及机理, 渐进式可以得到某段时间内的粉尘释放通

量 [29], 本研究在每个点位综合采用2种模式, 即先通

过跃进式认识测试地表的粉尘释放特征, 进而利用渐

进式测量地表的粉尘释放通量. 其计算公式为

end,

0begin,

end, begin, eff

( )

( )

i

ii

ii i

C F t

Et t A

, (1)

式中, i表示测试中的某一时间段; Ei为PM10通量; Ci

为PM10浓度; F为气体流速; Aeff为有效面积; t0一般 取1 s.

野外考察发现, 研究区的干盐湖湖底、河流冲积

物等地表有不同程度的结壳 . 考虑到结壳对地表风

蚀和粉尘释放的影响 [42~44], 测试时进行对比模拟试

验 , 分别测定未扰动结壳地表与人为扰动破碎结壳

后地表的粉尘释放通量. 此外, 由于一些结壳表面覆

盖松散沙粒 , 为进一步探究沙粒对结壳地表粉尘释

放的影响, 利用PI-SWERL分别对有无沙粒条件下结

壳地表的粉尘释放通量进行测量.

1.3 粒度与含水量测试

表土粒度组成、土壤湿度等是影响地表风蚀、粉

尘释放的重要因素 [45,46]. 对每个点位的地表沉积物

样品进行采样, 在实验室中测量粒度和含水量. 具体

方法如下:

(1) 粒度测试 : 取少量样品放入烧杯 , 加入10

mL浓度10%的H2O2, 静置至少1 h后, 在电热板上煮

沸 , 使其充分反应; 再加入10 mL浓度10%的HCl煮

沸, 使其充分反应. 冷却后加入蒸馏水静置24 h. 除

去上层的蒸馏水 , 加入10 mL浓度为0.05 mol/L的

(NaPO3)6分散剂 , 并用超声波清洗机振荡10 min后 ,

利用Mastersizer 2000激光粒度仪进行测量[47].

(2) 含水量测试 : 取适量样品称重后 , 置于

115℃烘箱中, 烘干至恒重 , 再次称量并记录 , 通过

重量差值计算样品的含水量.

2 结果

2.1 表土粒度特征和含水量

研究区表土类型以砂、壤质砂土为主, 还有少量

砂质壤土 . 根据Udden-Wentworth粒度分级标准 [48],

研究区地表沉积物以中砂和细砂为主, 沙丘、丘间地

样品粒径较粗, 灌丛沙丘、河流冲积物样品相对较细,

干湖湖底沉积物样品的平均粒径也相对较粗. 此外,

样品中PM10组分的含量有所差别 , 但总体含量相对

较高, 最高达到13.5%(表1).

由于测试期间吉兰泰地区出现降水, 样品JLT1~

2015 年 6 月 第 60 卷 第 17 期

1624

表 1 研究区表土样的粒度特征和含水量

Table 1 Grain-size and moisture of all samples

地表类型 平均粒径(μm) 黏土(%) 粉砂(%) 砂(%) PM10 (%) 含水量(%)

JLT1 沙丘 459.2 0.1 1.1 98.8 0.4 3.2

JLT2 沙丘 381.7 0 0.7 99.3 0 2.9

JLT3 沙丘 450.9 0 1.2 98.7 0.6 2.8

JLT4 沙丘 398.3 0.2 1.2 98.6 0.8 2.4

JLT5 沙丘 430.4 0.2 1.2 98.6 0.7 2.6

JLT6 沙丘 421.0 0 1.1 98.9 0.5 2.1

JLT7 沙丘 360.0 0 0.9 99.0 0.5 2.9

JLT8 干湖 331.3 1.0 2.9 96.1 2.3 1.1

JLT9 干湖 293.1 1.1 3.5 95.3 2.7 0.9

AZQ1 河流冲积物 163.6 1.9 9.1 89.0 4.4 0.3

AZQ2 河流冲积物 172.8 2.2 15.0 82.8 5.3 0.3

AZQ3 河流冲积物 200.8 2.5 14.7 82.8 6.0 0.3

AZQ4 河流冲积物 225.2 4.2 25.0 70.8 12.2 1.0

ML1-1 沙丘 288.6 0.0 0.0 100.0 0.0 0.1

ML1-2 沙丘 342.0 0.0 0.0 100.0 0.0 0.1

ML2-1 干湖 212.3 1.0 3.4 95.6 2.0 0.1

ML2-2 干湖 204.4 1.0 4.0 95.0 2.0 0.1

ML2-3 干湖 202.2 0.7 3.6 95.7 1.5 0.2

ML3-1 沙丘 379.7 0 0.5 99.5 0 0.1

ML3-2 沙丘 263.3 0 0 100 0 0.1

ML3-3 沙丘 307.2 0 0 100 0 0.1

ML3-4 沙丘(丘间地) 247.2 4.8 20.7 74.5 13.5 0.6

ML4-1 灌丛沙丘 224.5 1.1 2.1 96.8 2.0 0.2

ML4-2 灌丛沙丘 237.9 1.8 3.3 94.9 3.5 0.2

ML4-3 灌丛沙丘 201.4 0.8 0.3 98.8 1.1 0.2

ZW1 沙丘 239.2 0 0 100 0 0.1

ZW2 沙丘 256.4 0.1 1.0 98.9 0.3 0.1

ZW3 沙丘(丘间地) 245.9 0 0 100 0 0.2

QS1 灌丛沙丘 146.5 2.8 19.3 77.9 6.8 0.4

QS2 灌丛沙丘 87.7 4.0 30.9 65.1 9.7 0.4

QS3 灌丛沙丘 86.4 4.9 30.2 64.9 11.4 0.5

JB1 沙丘 182.3 1.7 3.3 95.0 2.9 0.1

JB2 沙丘 203.7 0 0 1000 0 0.1

JLT9的含水量整体偏高 , 沙丘样品的含水量甚至达

到2%以上. 通常情况下, 沙丘样品中黏土、粉砂的含

量较低, 其含水量也明显低于干湖及河流冲积物. 受

到植被等生物作用影响 , 灌丛沙丘的含水量明显高

于流动沙丘.

2.2 粉尘释放特征与机制

风是土壤风蚀和粉尘释放的直接动力 , PI-

SWERL通过叶片旋转在地表产生特定强度的风剪切

力(一般用摩阻风速U*或转速RPM表示), 引起地表

粉尘释放. 参照Sweeney和Mason[36]对粉尘释放特征

的描述分类, 根据各点位渐进式(分3个阶段)测试中

PM10浓度与颗粒跃移强度随时间的变化模式 , 得出

研究区的粉尘释放主要呈现以下4种特征:

(1) 空气直接抬升 , 间断式(图3(a)): 未出现明

显的颗粒跃移 , 空气动力直接抬升作用引起粉尘释

放. 随着每一阶段转速(摩阻风速)的增加, PM10浓度

先快速增加至某一峰值, 之后迅速下降, PM10浓度变

化曲线呈“山峰”状.

(2) 颗粒跃移冲击 , 连续式(图3(b)): 颗粒先发

1625

论 文

图 3 4 种典型的粉尘释放类型(红线为 PM10 浓度, 紫线为跃移峰值)

Figure 3 Four main types of dust emission (red line represents PM10 concentration; purple line depicts saltation)

生跃移, 产生跃移冲击作用引起粉尘释放. 观测期间

颗粒跃移强度和PM10浓度基本呈连续式增加 , 未表

现出明显的阶段性.

(3) 颗粒跃移冲击, 持续式(图3(c)): 与第2种类

型相似 , 颗粒跃移冲击引起粉尘释放 . 在每个阶段

中, PM10浓度达到峰值后会持续保持在较高的水平,

之后随着摩阻风速的增加而快速增加.

(4) 空气直接抬升和颗粒跃移, 持续式(图3(d)):

空气动力直接抬升和颗粒跃移冲击共同作用引起粉

尘释放 . 与(3)类似 , 各阶段PM10浓度随摩阻风速增

加而增加, 达到峰值后持续保持在较高水平.

第1种类型通常出现在较低摩阻风速条件下, 结

壳地表在较高摩阻风速条件下也可能出现 [36]. 在本

研究中, 只有个别结壳强度较高的干涸湖盆、河流冲

积扇远端扇地表出现这种类型 . 这些地表结壳坚实

度高、难以破坏, 可提供的粉尘物源相对短缺. 第2

种类型仅出现在少数沙丘样品中 , 可能与观测期间

降水事件导致沙丘表面形成微小结壳有关 . 某种程

度上也可以将其归为第3种类型. 研究区地表的细粒

物质来源较充足, 粉尘释放特征主要呈现第3、第4种

类型, 干涸湖盆地表易形成结壳, 沙粒跃移冲击作用

对粉尘释放的贡献较大, 粉尘释放特征以第3种为主;

灌丛沙丘、河流冲积物、沙丘等地表则主要表现为第

4种类型.

总体上看 , 研究区地表的粉尘释放主要是空气

直接抬升和颗粒跃移冲击综合作用引起的 , 且以跃

移颗粒的冲击作用为主 . 这与前人的结论基本一

致[49,50].

2.3 PM10通量

不同地表类型的PM1 0释放通量之间存在显著

差异, 但均随着摩阻风速的增加而增加, 呈现一定的

比例关系(表2). 在相同摩阻风速(如U*=0.55 m/s)

条件下, 灌丛沙丘的PM10释放通量最高(0.70~10.23

mg/(m2 s)), 其次是河流冲积形成的干涸地表(0.12~

4.97 mg/(m2 s)), 而干湖、沙丘及丘间地的PM10通量

则相对较小, 这与前人的结论基本一致. 这些差异可

能与表土粒度组成、土壤湿度和植被覆盖度等因素有

关, 如灌丛沙丘、河漫滩的细粒组分含量相对较高,

可以为粉尘释放提供充足的物源 , 但这些因素对粉

2015 年 6 月 第 60 卷 第 17 期

1626

表 2 不同地表类型的 PM10 通量 a)

Table 2 PM10 emission fluxes of different landforms

地表类型 样品名称 PM10通量(mg/(m2 s))

U*=0.21 m/s U*=0.39 m/s U*=0.55 m/s U*=0.69 m/s U*=0.82 m/s

沙丘 JLT1 – – 0.03 0.08 0.15

JLT2 – – 0.10 0.57 1.02

JLT3 – – 0.12 0.35 1.49

JLT4 – – 0.22 0.69 2.89

JLT5 – – 0.13 0.32 0.72

JLT6 – – 0.14 0.42 1.14

JLT7 – – 0.30 0.81 3.62

ML1-1 – – 0.05 0.36 1.55

ML1-2 – – 0.05 0.16 0.93

ML3-1 – – 0.09 0.89 2.54

ML3-2 – – 0.07 0.26 2.16

ML3-3 – – 0.13 0.86 2.09

ZW1 – – 0.09 0.42 1.56

ZW2 – – 0.12 0.41 2.37

JB1 – – 0.22 0.91 4.30

JB2 – – 0.22 0.84 2.44

丘间地 ML3-4 – – 0.11 0.94 4.49

ZW3 – – 0.11 0.46 0.67

灌丛

沙丘

ML4-1 – – 1.53 4.07 14.09

ML4-2 – – 0.70 2.91 13.05

ML4-3 – – 1.25 6.24 23.45

QS1 0.002 1.51 5.51 – –

QS2 – 3.15 10.23 20.05 –

QS3 – 1.84 10.39 20.48

干湖 JLT8 – – 0.06 0.48 1.68

JLT9 – – 0.08 0.82 1.93

ML2-1 – – 0.05 0.42 1.03

ML2-2 – – 0.40 2.32 3.61

ML2-3 – – 0.14 1.06 2.53

河流冲积物 AZQ1 – – 0.65 3.44 9.05

AZQ2 – – 3.62 11.01 16.55

AZQ3 – – 4.97 14.60 17.64

AZQ4 – – 0.12 1.73 9.36

a) “–”表示无数据

尘释放影响的机制、强度等还有待进一步研究.

此外 , 不同地区相同地表类型的PM10通量之间

也存在一定的差异, 可能是由其粒度组成、结壳强度

等仍存在细微差异导致的 . 以灌丛沙丘样品为例 ,

ML4-1~ML4-3的平均粒径明显粗于QS1~3, 其黏土、

粉砂含量也相对较低 , 相同摩阻风速条件下的PM10

释放通量也显著低于后者.

2.4 地表结壳对PM10释放通量的影响

除沙丘沙以外 , 大多数的土壤受干湿变化或生

物作用等影响 , 会在地表形成结壳 . 研究区的干盐

湖、河流冲积物等地表都有不同程度的结壳出现. 研

究表明结壳对地表风蚀和粉尘释放具有显著的影

响 [42~44]. 对比试验结果表明 , 人为扰动破碎结壳后

地表的粉尘释放对风动力的响应更加敏感 , 其PM10

浓度、释放通量随摩阻风速增大而增加的幅度更大.

相同摩阻风速条件下 , 破碎结壳地表释放的PM10通

量是未破碎结壳的几倍甚至几十倍(图4(a)).

除结壳强度外 , 不同地表结壳的表面结构也存

在差异 . 通过结壳表面有无沙粒覆盖的对比模拟试

1627

论 文

图 4 不同条件下结壳地表的 PM10 通量. (a) 有无人为破坏; (b) 有无表面沙粒

Figure 4 PM10 emission fluxes of the crusted surface on different conditions. (a) with/without disturbance; (b) with/without sand

验 , 我们发现结壳表面的沙粒对地表粉尘释放具有

显著影响, 二者的PM10通量之间可以相差1~2个数量

级 . 这种差异的形成可能与沙粒的跃移冲击效应有

关[49,50], 跃移沙粒具有一定的动能, 有利于破坏地表

结壳、释放粉尘.

3 讨论

3.1 粉尘释放通量与表土粒度、含水量和结壳的

关系

表土颗粒粒径分布、土壤含水量等因素对地表的

粉尘释放强度具有重要影响[45,46] . 由PI-SWERL观测

结果可以看出, 在相同摩阻风速条件下, 随着表土平

均粒径的增加 , 地表的PM10释放通量基本呈现下降

趋势 . 表土的PM10组分含量越高 , 可提供的粉尘物

质来源比较充足, 因而地表的释放通量也相对较高.

研究区地表的粉尘释放通量与土壤含水量间未表现

出明显关系. 一方面, 地表物质中的水分有利于颗粒

间产生黏附力形成团聚体 , 使地表起动摩阻风速增

大, 增加粉尘释放的难度[45,46]; 另一方面, 其作用又

受到表土粒度特征、地表结壳等因素的影响, 因而土

壤含水量及其相关因子对地表粉尘释放的影响仍有

待进一步研究.

总体而言 , 结壳对地表粉尘释放有明显的抑制

作用, 地表结壳的形成可以使表土坚实度增加、起动

摩阻风速增大, 从而增强地表的抗风蚀能力, 抑制粉

尘释放 . 而结壳表面沙粒的跃移运动有利于破坏结

壳、释放粉尘, 使地表的PM10释放通量显著增加.

3.2 PI-SWERL观测值与DPM模型结果比较

梅凡民等人 [18]利用DPM模型 [50,51]模拟了腾格里

沙漠, 毛乌素沙地等地区代表性表土(沙丘沙、砾质

沙土等)的粉尘释放通量, 结果显示: 在较高摩阻风

速下, 沙漠(沙地)的粉尘通量在10–2~10 mg/(m2 s)之

间 . 本研究的直接观测结果与他们模拟的结果基本

吻合. 由于PI-SWERL观测得到的是PM10释放通量而

非全部的粉尘通量, Bacon等人[32]利用不同的粉尘检

测仪与PI-SWERL结果进行比较, 指出流动沙丘、冲

积平原等地表的总TSP释放量大约比PM10通量高3.5

倍. 事实上, 不同学者对粉尘颗粒的粒径范围定义存

在争议[22,52], PM10通量与全部粉尘通量的比例关系以

及如何根据PI-SWERL观测结果外推出全部粉尘通

量等问题仍有待进一步研究.

3.3 与美国Mojave沙漠、Salton湖观测结果的比较

Sweeney等人[31]利用PI-SWERL对美国加利福尼

亚州南部Mojave沙漠的8种代表性地表(戈壁、干盐

湖、远端冲积扇、干河床、沙丘等)的粉尘释放通量

进行了详尽研究, 结果表明, 在U*= 0.56 m/s条件下,

沙漠东部的干河床和远端冲积扇等地表的PM10通量

最高, 范围在10–3~102 mg/(m2 s)之间, 沙丘的PM10通

量也相对较高(10–3~101 mg/(m2 s)), 干盐湖的粉尘通

量因湿度、盐度等物化性质不同而存在较大差异, 大

致范围为10–4~101 mg/(m2 s). Salton湖附近干盐湖、干

河床、丘间地等地表的PM10通量结果与Mojave沙漠

基本类似 , 上述3种地表的潜在释放通量范围均在

2015 年 6 月 第 60 卷 第 17 期

1628

10–3~100 mg/(m2 s)之间[33]. 总体上, 我们的研究结果

与这些结论基本一致 , 不同地表的粉尘释放通量存

在显著差异 , 一般细粒组分含量越高的地表粉尘释

放通量越高, 如河流冲积物等. 此外, 本研究区沙丘

的PM10通量明显偏低, 这可能与其黏土、粉砂等细粒

组分含量相对较低有关 . 不同地区相同地表的粉尘

释放通量间也存在明显差异, 数值变化范围较大, 可

能是其粒度分布组成、结壳强度、土壤湿度等因子间

的细微差异和人为因素等共同作用导致的. 因而, 研

究区域尺度粉尘释放的微地貌差异、空间分布规律及

其影响机制等具有非常重要的意义.

4 结论

地表的粉尘释放量受到表土结构特征 (粒度分

布、结壳、植被等)、风沙活动强度等自然因素与人为

因素的影响, 存在显著的空间差异性. 腾格里沙漠和

毛乌素沙地等地区多种地表类型是重要的PM10释放

源区. 在相同摩阻风速(如U*= 0.55 m/s)条件下, 灌丛

沙丘的PM10释放通量最高(0.70~10.23 mg/(m2 s)), 干

湖、沙丘的PM10通量相对较小(在0.15~4.30 mg/(m2 s)

之间). 本文获得了基于PI-SWERL直接观测的中国

沙漠沙地PM10释放通量数据 , 在定量评估粉尘释放

研究中有重要意义.

致谢 感谢西安工程大学梅凡民教授, 陕西师范大学周亚利副教授, 南京大学刘瑞璇、王静超、陈晓宁等在野外工作

中给予的帮助.

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PM10 emission flux in the Tengger Desert and Mu Us Sand field, northern China, measured by PI-SWERL

CUI MengChun1, LU HuaYu1, SWEENEY Mark2, MASON Joseph3, FENG Han1 & XU ZhiWei1 1 School of Geographic and Oceanographic Sciences, Nanjing University, Nanjing 210023, China; 2 Department of Earth Sciences, University of South Dakota, Vermillion, South Dakota 57069, USA; 3 Department of Geography, University of Wisconsin, Madison, Wisconsin 53706, USA

The deserts and sand fields of northern China are important sources of dust in Asia. Quantitative estimations of dust emission flux in this region will contribute to the assessment of regional environmental air quality and its climatic impact. Previous evaluations of dust emission have largely been based on numerical simulations with few direct field measurements. In this study, we used the new portable in situ wind erosion laboratory (PI-SWERL) to measure the dust emission fluxes of several typical surface sediments (i.e., dunes, dry lakes, coppice dunes, and fluvial deposits) in the Tengger Desert and Mu Us sand field, from which the potential emission fluxes of the different soil/sediment types were derived. Our results showed that dust emissions could be characterized into four basic types, indicating the comprehensive effect of aerodynamic entrainment and sand saltation on dust emission. Furthermore, irrespective of whether the particles are clay or silt, supply should be considered when evaluating dust emission. It was found that PM10 emission flux varies with landform surface and increases with friction velocity (U*). When U* = 0.55 m/s, the PM10 emission flux of coppice dunes is greatest (0.70–10.23 mg/(m2 s)), followed by fluvial deposits (0.12–4.97 mg/(m2 s)); the fluxes of dry lakes and sand dunes are both low (<0.5 mg/(m2 s)). To understand the influence of surface crust on dust emission, we designed an experiment to investigate its effects. It was revealed that the PM10 emission flux of a crusted surface is several times or even dozens of times greater than without a crust; sand particles on a crusted surface also increase the PM10 emission flux by 1–2 orders of magnitude. The reliability and accuracy of our data were verified against the results of previous studies; some differences could be attributed to the effects of climate, soil, and topography. We demonstrate that PI-SWERL can be used to reflect differences in the emissions of different dust sources, which is of great significance with regard to the study of regional or even global dust emissions.

Tengger Desert, dust emission, PI-SWERL, PM10 flux, friction velocity

doi: 10.1360/N972014-01157