帕米爾高原東部表層沉積物粒度特征及其遷移路徑

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。

1 研究區(qū)概況

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。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況及資料來源

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。

2.2 研究方法

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]。

3 結(jié)果與分析

3.1 粒度參數(shù)分布特征

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

3.2 粒度所反映的沉積環(huán)境分析

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-6.22-2.74，為海灘沉積環(huán)境，7.5%的表層沉積物樣品Y1<-2.74，為風(fēng)成沉積環(huán)境；公式(2)計算結(jié)果顯示96.7265.37，為淺海沉積環(huán)境；公式3計算結(jié)果-55.89

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。

3.3 來源路徑分析

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。

4 結(jié) 論

(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。