中国沙漠
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中国沙漠, 2023, 43(3): 252-263 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00149

松嫩沙地地球化学特征及其对风尘物质贡献的指示

刘俊贺,1, 迟云平,1,2, 谢远云1,2, 康春国3, 魏振宇1, 吴鹏1, 孙磊1

1.哈尔滨师范大学，地理科学学院，黑龙江 哈尔滨 150025

2.哈尔滨师范大学，寒区地理环境监测与空间信息服务黑龙江省重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150025

3.哈尔滨学院 地理与旅游学院，黑龙江 哈尔滨 150086

Geochemical characteristics of Songnen Sandy Land and its indication of contribution to aeolian dust

Liu Junhe,1, Chi Yunping,1,2, Xie Yuanyun1,2, Kang Chunguo3, Wei Zhenyu1, Wu Peng1, Sun Lei1

1.College of Geographic Science /, Harbin Normal University，Harbin 150025，China

2.Heilongjiang Province Key Laboratory of Geographical Environment Monitoring and Spatial Information Service in Cold Regions, Harbin Normal University，Harbin 150025，China

3.School of Geography and Tourism，Harbin University，Harbin 150086，China

通讯作者: 迟云平（E-mail： 1982cyp@163.com）

收稿日期: 2022-11-16   修回日期: 2022-12-28  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  41601200.  42171006
黑龙江省自然科学基金项目.  D2017003
哈尔滨师范大学博士启动基金项目.  XKB201418

Received: 2022-11-16   Revised: 2022-12-28  

作者简介 About authors

刘俊贺（1999—），女，黑龙江黑河人，硕士研究生，主要研究方向为第四纪地质与环境变化E-mail：18845773091@163.com , E-mail：18845773091@163.com

摘要

中国北部沙漠-沙地作为亚洲风尘系统的重要组成部分，是亚洲重要的粉尘源区。对松嫩沙地和欧亚黄土带最东端黄土沉积的源-汇系统进行研究，有利于了解松嫩平原冰期-间冰期大气环流模式与粉尘传输路径之间的关系，并为区域生态环境和沙尘天气治理提供科学依据。本研究采集了松嫩沙地全范围的47件样品（<63 μm）进行元素地球化学分析（常量元素、微量元素和稀土元素），建立了完整的松嫩沙地地球化学数据库，并通过主成分分析和频率模型进行物源定量重建，结合物源判别图解探讨松嫩沙地对下风向区域风尘物质的贡献度。结果表明：松嫩沙地处于化学风化初级阶段，沉积物的成熟度较低，由大多数初次循环和少数再循环沉积混合组成。定量重建结果将松嫩沙地划分为西北部、西南-W部、西南-E部3个分区，对哈尔滨黄土的贡献度依次为西南-E部（即松花江水系沉积物）40.5%~66.3%、西南-W部24.9%~48.9%、西北部1.9%~13.2%。物源判别图解表明哈尔滨黄土与现代尘暴粉尘有相似的源区，揭示了松嫩平原冰期-间冰期粉尘传输路径一直以西南方向为主，与冰期以西北风为主导的环流模式存在差异。哈尔滨西北方向粉尘源区（松嫩沙地西北部和呼伦贝尔沙地）植被覆盖度高、沙地暴露面积小且受地形阻挡是导致其粉尘排放量受限的主要原因，而西南方向源区（主要是松嫩沙地西南区域）植被覆盖度低、沙地暴露面积大且地形平坦开阔使其粉尘排放量持续增高。应加强对松嫩沙地西南区域的生态环境治理，以改善哈尔滨地区频发的沙尘天气和日益严重的大气污染问题。对于区域沙尘天气的防治，其根本在于应重视潜在物源区的生态环境治理而非仅局限于发生区域本身。

关键词： 松嫩沙地 ; 地球化学 ; 物源定量重建 ; 风尘物质 ; 沙尘天气治理

Abstract

As an important part of Asian wind-dust system， desert-sandy land in northern China is one of the important dust sources in Asia， studying the source-sink system of loess deposition in Songnen Sandy Land and the easternmost part of Eurasian loess belt is helpful to understand the relationship between atmospheric circulation model and dust transport path during glacial-interglacial period in Songnen Plain， and provide scientific basis for regional ecological environment and dust weather control. In this study， 47 samples （<63 μm） from Songnen Sandy Land were collected for element geochemical analysis （major elements， trace elements and rare earth elements）， and a complete geochemical database of Songnen Sandy Land was established. The provenance quantitative reconstruction was carried out by PCA analysis and Frequentist model， and the contribution degree of Songnen Sandy Land to downwind was discussed in combination with provenance discrimination diagram. The results show that the Songnen Sandy Land is in the primary stage of chemical weathering， and the maturity of the sediment is low， which is composed of a mixture of most primary circulation and a few recycled deposits. According to the results of quantitative reconstruction， Songnen Sandy Land is divided into three regions： Northwest， Southwest-W and Southwest-E， and the contribution degree of Harbin loess is as follows： Southwest-E （Songhua River sediment） 40.5%-66.3%， Southwest-W 24.9%-48.9%，Northwest 1.9%-13.2%. The source discrimination diagram shows that Harbin loess has a similar source area with modern dust storm， and reveals that the dust transmission path in Songnen Plain during the glacial-interglacial period is mainly in the southwest direction， which is different from the circulation mode dominated by northwest wind during the glacial period. High vegetation coverage， small exposed area of sandy land and being blocked by terrain are the main reasons that lead to the limited dust emission in the northwest source area of Harbin （northwest Songnen Sandy Land and Hulun Buir Sandy Land），while low vegetation coverage， large exposed area of sandy land and flat terrain in the southwest source area （mainly the southwest area of Songnen Sandy Land） lead to the continuous increase of dust emission. The control of ecological environment in the southwest of Songnen Sandy Land should be strengthened to improve the frequent dust weather and the increasingly serious air pollution in Harbin. For the prevention and control of regional dust weather， we should pay attention to the ecological environment management of the potential provenance area rather than being limited to the occurrence area itself.

Keywords： Songnen Sandy Land ; geochemistry ; provenance quantitative reconstruction ; aeolian dust ; dust weather control

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本文引用格式

刘俊贺, 迟云平, 谢远云, 康春国, 魏振宇, 吴鹏, 孙磊. 松嫩沙地地球化学特征及其对风尘物质贡献的指示. 中国沙漠[J], 2023, 43(3): 252-263 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00149

Liu Junhe, Chi Yunping, Xie Yuanyun, Kang Chunguo, Wei Zhenyu, Wu Peng, Sun Lei. Geochemical characteristics of Songnen Sandy Land and its indication of contribution to aeolian dust. Journal of Desert Research[J], 2023, 43(3): 252-263 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00149

0 引言

中国北部广阔的戈壁、沙地和沙漠是亚洲风尘系统的重要组成部分，是亚洲粉尘物质的主要来源，受冬季风和高空西风环流的影响，其地表大量粉尘连续不断地向下风向地区传输［1-10］。对松嫩沙地和欧亚黄土带最东端黄土沉积的源-汇系统进行研究，了解松嫩沙地作为粉尘源区为下风向沉积区所贡献的风尘物质，有助于深入理解中国东北地区地貌、气候与粉尘堆积之间的耦合关系［11-12］。黄土沉积物是分布最广的陆地粉尘档案，记录了过去地质时期粉尘产生、排放、迁移、沉积和再循环过程的重要信息，是理解粉尘源-汇路径、气候干旱化和过去大气环流模式的重要载体［13-15］。地球化学元素特别是微量元素和稀土元素（REE），在风化、迁移和沉积过程中很少被分离［16］，因此在确定沉积物的来源和迁移路径方面具有巨大潜力。尽管沉积物初始物源在沉积过程当中会引发一定程度的改变，但沉积物地球化学特征依然控制其母岩属性，因此经常利用元素地球化学进行物源追踪，尤其是风尘物源追踪［17］。此外，一种基于R语言分析的Frequentist模型（频率模型），是最近用于定量评估潜在源区相对贡献的新型沉积物源指纹技术，已成功应用于识别河流和风力沉积物的来源［18-20］。

地球化学元素指标定量物源重建，对了解松嫩沙地的形成与演化、物源空间异质性以及揭示粉尘源-汇路径的研究有所帮助［8］。本文对松嫩沙地地表沉积物进行元素地球化学分析（常量元素、微量元素和稀土元素），建立松嫩沙地地球化学数据库，讨论松嫩沙地地表沉积物化学风化程度、成熟度和沉积再循环特征；并通过PCA分析和Frequentist模型进行物源定量重建，结合物源判别图解探讨松嫩沙地对下风向区域风尘物质的贡献度。这有利于了解松嫩平原冰期-间冰期的大气环流模式与粉尘传输路径之间的关系，对亚洲风尘系统及松嫩平原粉尘源-汇体系研究提供更深刻的理解，并为区域生态环境和沙尘天气治理提供科学依据。

1 研究区概况

松嫩平原是在中生代断陷盆地基础上发育形成的冲湖积平原，地形宏观上可以分为东部高平原、中部低平原及西部山前倾斜平原3个部分。嫩江水系、松花江水系及辽河水系都流经松嫩平原域内，北部靠近小兴安岭、西部靠近大兴安岭，南部地表微微隆起形成松辽分水岭［21］，是由四周向中部平缓倾斜的半封闭不对称盆地（图1）。

图1

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图1   研究区位置

Fig.1   Survey map of research area


松嫩沙地是松嫩平原最大的一块沙地，横跨黑龙江省与吉林省，位于松嫩平原中西部，面积8 355.95 km2。沙地主要分布在嫩江水系及其支流洮儿河、松花江水系及其支流拉林河等河流的一级阶地、河漫滩和冲洪积扇上，流动沙丘较少，主要为固定-半固定沙丘［21］。根据沙地的形态、范围、地理分布位置以及与河流的相对关系，将松嫩沙地进一步划分为7个子沙地：杜蒙沙地（分布于杜尔伯特、大庆、林甸），齐齐哈尔沙地（分布于龙江、甘南、富拉尔基、富裕），泰来沙地（分布于泰来、镇赉），乾安-通榆沙地，松原-肇源沙地，扶余沙地（分布于扶余、榆树、徳惠），哈尔滨沙地（分布于哈尔滨、双城）。

2 材料与方法

2.1　样品采集

样品的采集涵盖了松嫩沙地全部范围，主要为风成沙和河流沙，其细颗粒组分可代表大部分区域的平均成分。对松嫩沙地全域7个子沙地进行采样，共获取47个样品，各子沙地的样品数量分别为：杜蒙沙地10个，齐齐哈尔沙地8个，泰来沙地2个，乾安-通榆沙地12个，松原-肇源沙地4个，扶余沙地7个，哈尔滨沙地4个。黄土样品来自哈尔滨天恒山黄土层15件（样品号为H1~H15）［22］，哈尔滨尘暴沉降物样品来自2011年5月11日东北地区遭受的强尘暴天气粉尘沉降颗粒［23］。

2.2　测定方法

风尘黄土粒级范围绝大部分为<63 μm，因此对所测定样品的粒级选为<63 μm。将样品过筛，得到<63 μm粒级组分子样，用于元素地球化学分析。采用玻璃熔片法进行常量元素分析，可以规避因矿物类别或组合不均匀而导致的误差，将样品均匀与颗粒度的影响降到最低［24］；测量采用X射线荧光光谱仪进行，计算机控制和输出测量结果。除SiO2分析误差在±0.5%范围内以及Al2O3分析误差在±0.2%范围内以外，其余均小于0.2%。微量和稀土元素测试使用酸溶法，能最大限度提取化学元素，减小误差［25］；使用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测试［26］。在测试过程中穿插标准样品、重复样与空白样进行分析，以确保数据精准度，误差均小于2%。元素地球化学分析在兰州大学甘肃省西部矿产资源重点实验室完成。

2.3　物源定量重建模型与方法

沉积物源指纹技术对定量重建物源区的相对贡献起到重要作用，Frequentist模型是沉积物源指纹识别的重要手段。使用Frequentist模型进行物源定量重建前，需对松嫩沙地进行分区。本文根据地理分布位置初步将松嫩沙地7个子沙地作为分区，选择其样品的不活动元素比值La/Sc、Co/Th、Cr/Th、Th/Co、La/Th数据进行主成分分析（PCA分析）［27］，以获得更准确的分区。Frequentist模型选择松嫩沙地每个分区和哈尔滨黄土样品地球化学数据中的10种常量元素、34种微量元素和5种元素比值作为指纹属性进行物源指纹统计分析，定量分析松嫩沙地每个分区对哈尔滨粉尘物质的贡献度。沉积物源指纹法采用四阶段统计程序进行物源追踪［28-29］：首先，进行地球化学指纹属性的保守性检验［30］，以确定黄土特性的平均值和极值是否处于源区数据能够观察到的范围内，然后将通过测试的地球化学指纹属性用于下一步的研究。其次，使用非参数克鲁斯卡尔-沃利斯检验（Kruskal-Wallis H-test）对比不同物源指纹在潜在物源对比中的差异性［31］。第三，采用逐步判别函数分析（DFA）进一步鉴定最终的复合指纹，该方法最大化源区之间的区别，同时最小化地球化学指纹的数量，提供源区之间的最佳区分［32］。最后，在DFA判别函数筛选得最佳复合指纹图谱的基础上，利用指纹分析模型来量化潜在源区对黄土样品的相对贡献［28-29］。Frequentist模型物源定量重建在R语言程序（版本4.0.3）中实现。

2.4　化学风化指数

本研究用于度量沉积物的化学风化程度、成熟度与沉积循环特征的参数有化学蚀变指数CIA［33］、成分变异指数ICV［9，34］、风化指数WIP［35］。

CIA=100×[Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)]
ICV=(CaO+K2O+Na2O+Fe2O3+MgO+TiO2+MnO)/Al2O3
WIP=100×(CaO*/0.7+2Na2O/0.35+2K2O/0.25+MgO/0.9)

采用摩尔浓度表示上述式中常量元素含量。本文使用McLennan［36］提出的校正方法估算硅酸盐组分中CaO的含量。CIA指数反映沉积物的化学风化程度，CIA的值越大，沉积物的化学风化程度越强，沉积物表现为低风化程度CIA值为50~60，中等风化程度为60~80，强烈风化程度为80~100［37］。成熟度低的沉积物ICV表现为高值（通常>1），而成熟度高的沉积物ICV值低（通常<1）。WIP值越低表示沉积物化学风化和再循环程度越强［35］。

3 结果

3.1　常量元素

松嫩沙地常量元素分布特征整体呈现均一性，西南-W部CaO含量略高于另外两个分区，哈尔滨黄土常量元素含量与其基本一致（图2）。松嫩沙地常量元素分布以SiO2、Al2O3、Fe2O3、Na2O和K2O为主，其中SiO2含量最高，达到69.98%；其次是Al2O3，含量为12.91%；Fe2O3含量为3.41%；Na2O和K2O含量相近，分别为2.97%和2.91%。与上地壳标准含量（UCC）相比，MnO、TiO2明显富集，SiO2的含量与UCC基本一致，Na2O、Al2O3和K2O轻微亏损，Fe2O3、MgO和P2O5明显亏损。

图2

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图2   松嫩沙地沉积物的元素标准化模式图解

Fig.2   The normalized patterns for elements of the sediments in Songnen Sandy Land. A， major elements； B， trace elements； C， rare earth elements


3.2　微量元素

松嫩沙地与UCC相比，其过渡金属元素（TTE：Sc，V，Cr，Co，Ni，Cu，Zn，Ga）中Sc、Co、Ni、Cu、Zn元素含量中度亏损，V和Cr轻度富集，Ga含量与UCC含量大致相似；低场强元素（LFSE：Rb，Sr，Cs，Ba，Pb）中Sr明显亏损，Rb轻度亏损，Cs和Pb与UCC含量相似或轻度富集，Ba轻度富集；高场强元素（HFSE：Y，Zr，Nb，Hf，Ta，Th，U）中Th和U含量变化大，Nb和Ta稍微亏损，Y含量相似或轻微富集，Zr、Hf明显富集。哈尔滨黄土与UCC相比，Ni、Cu、Zn轻度富集，Cs明显富集，其余元素富集亏损程度与松嫩沙地相似（图2）。

3.3　稀土元素

松嫩沙地地表沉积物的稀土元素分配模式与UCC及后太古宙页岩（PAAS）的分配模式相似，皆为轻稀土富集、重稀土亏损、显著Eu负异常的分布模式（图2）。沉积物稀土元素总量为123×10-6~424×10-6，平均198×10-6，高于UCC、PAAS以及地壳平均值稀土元素总量，其稀土元素总量分别为146×10-6、185×10-6和178×10-6。LREE/HREE比值为4.94~12.19，平均8.86，（La/Yb）N为4.16~12.52，平均8.31。全部样品都呈现出Ce负异常不明显（0.39~0.71，平均0.98×10-6），Eu负异常明显（0.92~1.1，平均0.58×10-6）。哈尔滨黄土稀土元素结果与松嫩沙地高度相似。

3.4　物源定量重建

PCA分析结果显示，依据地理分布位置划分的松嫩沙地7个子沙地，除乾安-通榆沙地样品点单独聚集外，杜蒙沙地、齐齐哈尔沙地、泰来沙地、松原-肇源沙地样品点发生高度重叠，扶余沙地和哈尔滨沙地样品点同样高度重叠。7个子沙地多处明显重叠，并没有表现出合理的区分，显然仅通过地理位置进行源区的划分并不科学。因此根据PCA分析结果所显示的7个子沙地样品点重叠情况，结合其分布的地理位置，最终将松嫩沙地划分为西北部、西南-W部、西南-E部3个分区（图3）。

图3

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图3   松嫩沙地定量源区划分图解

Fig.3   Quantitative source area division diagram of Songnen Sandy Land. A， PCA material source analysis diagram； B， LDA linear discriminant diagram of Harbin loess and Songnen Sandy Land


利用Frequentist模型选择松嫩沙地3个分区和哈尔滨黄土样品地球化学数据作为指纹属性进行物源指纹判别时，首先，排除哈尔滨黄土的指纹属性在潜在源区的最低值和最高值范围之外的地球化学物源指纹数据，9种地球化学指纹Co、Cu、Hf、MnO、Na2O、Ni、Rb、Sr、Zr未通过范围测试。其次，从原始数据集中排除了潜在源区之间没有显著差异的示踪剂Co/Th、Th/Co、SiO2、K2O、TiO2、V、Cr、Ga、Y、Cs、Eu、Gd、Tb、Dy、Tm、Lu、U共计17种，未通过Kruskal-Wallis H测试。然后，使用DFA判别函数进行变量选择。最后，经过系统的数据筛选，确定了La/Sc、CaO、Sc、Zn、Nd、Th共计6种示踪剂用于物源指纹判别，有效地将3个源区进行区分和量化（图3B）。Frequentist模型定量重建3个源区对哈尔滨黄土贡献度为：西北部1.9%~13.2%（平均8.24%）、西南-W部24.9%~48.9%（平均38.6%）、西南-E部40.5%~66.3%（平均53.03%，表1）。

表1   基于Frequentist模型定量重建3个源区对哈尔滨黄土贡献度（%）

Table 1  Quantitatively reconstructing the contribution of three source areas to Harbin loess by Frequentist model

分区H1H2H3H4H4H6H7H8H9H10H11H12H13H14H15平均
西北部12.58.06.613.27.412.610.18.411.88.76.94.64.16.81.98.2
西南-W部28.941.336.937.842.646.836.547.424.948.942.729.129.446.739.138.6
西南-E部58.650.656.448.949.940.553.244.063.242.350.266.266.346.458.853.0

H1~H15为哈尔滨黄土样品。

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4 讨论

4.1　松嫩沙地元素地球化学特征

4.1.1　化学风化特征

沉积物的地球化学组成主要受母岩化学风化程度的影响。松嫩沙地地表沉积物的CIA值变化较小（46~56，平均53），表明这些沉积物经历的化学风化程度低，处于化学风化的初级阶段。

A-CN-K三角模型图常被用于预测大陆化学风化趋势［37-39］。根据质量平衡原理，使用矿物稳定性的热力学计算数据并参照长石淋溶实验的结果可以表现沉积物化学风化的趋势。在A-CN-K三角模型中，趋势线平行于A-CN连线代表沉积物处于早期风化阶段；沉积物处于中期风化阶段则趋势线平行于A-K连线；数据点集中在A点表示经历了晚期风化阶段［40-41］。在A-CN-K图解中，除小部分样品外，松嫩沙地样品集中分布在UCC和PAAS之间，位于斜长石和钾长石连线上方更靠近UCC，化学风化趋势基本与A-CN连线平行（图4），说明松嫩沙地地表沉积物所经历的化学风化过程稳定，仅经历初级化学风化。

图4

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图4   松嫩沙地地表沉积物的A-CN-K三角图解和MFW三角图解

Fig.4   A-CN-K ternary diagram （A） and MFW ternary diagram （B） of surface sediments in Songnen Sandy Land


4.1.2　成熟度与沉积再循环特征

MFW三角图解［42-43］与CIA指数和A-CN-K图解相比，包含8个常量元素，使其能够更加灵敏地表现沉积物的化学风化过程，因此常用来反映化学风化程度和趋势，也可以用来判别母岩性质、初次循环和再循环沉积。在MFW三角图解中，如果岩浆岩组成趋势线与由沉积物组成的趋势线相交，则表示沉积物为初次循环（即沉积物直接来源于岩浆母岩）；反之如果岩浆组成趋势线与由沉积物组成的趋势线不相交，则表示沉积物在沉积过程中主要受再循环影响。MFW三角图解显示，松嫩沙地样品点与岩浆组成趋势线大致平行（图4），表明沉积物经历了一定程度的再循环。

沉积物形成的气候环境和构造背景密切影响沉积物的成分成熟度，常采用ICV指数来判断沉积物母岩类型及成熟度，松嫩沙地沉积物ICV值为0.97~1.3，平均1.11，表明成熟度偏低（图5）。CIA/WIP二元图解可以区分初次循环与再循环产物［44］，若沉积物属于初次循环表现为CIA/WIP比值<10；若沉积物属于再循环或化学风化程度很强，则表现为CIA/WIP比值>10［45-46］。松嫩沙地地表沉积物的CIA/WIP比值全部小于2，代表沉积物经历了初次循环。在CIA/WIP图解中，松嫩沙地样品靠近风化线且分布在风化趋势线下方（图5），表明了松嫩沙地地表沉积物再循环程度低，以初次循环沉积物为主。

图5

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图5   松嫩沙地地表沉积物的成熟度与沉积再循环判别图解

判别函数1=30.638×TiO2/Al2O3-12.541×Fe2O3/Al2O3+7.329×MgO/Al2O3+12.031×Na2O/Al2O3+35.42×K2O/Al2O3-6.382；判别函数2=56.500×TiO2/Al2O3-10.879×Fe2O3/Al2O3+30.875×MgO/Al2O3-5.404×Na2O/Al2O3+11.112×K2O/Al2O3-3.89

Fig.5   Maturity and discrimination diagram of the sediment recycling in the Songnen Sandy Land


常采用Th/Sc与Zr/Sc二元图解判别沉积物分选和再循环特征［47］。Zr/Sc比值可以完整地表现出沉积物再循环的程度，并对母岩属性和岩浆化学分异过程的判断具有重要指示意义［48］。初次循环的沉积物，其样品点沿岩浆成分趋势线呈线性分布，即Th/Sc和Zr/Sc比值变化程度是相近的；而对于再循环沉积物而言，其样品点沿代表分选和再循环的趋势线分布，偏离岩浆成分趋势线，即Zr/Sc比值变化范围很大，Th/Sc比值变化范围很小［49］。松嫩沙地沉积物一部分样品沿着岩浆组成趋势线分布（图5），反映这部分样品呈现的分选和再循环特征不明显，属于初次循环沉积物；而小部分样品偏离了岩浆分异趋势，Zr/Sc比值较高，表示这部分样品呈现的分选和再循环特征明显，属于再循环沉积的产物，即松嫩沙地沉积物是大多数初次循环和少数再循环沉积的混合。此外，在Th/Sc与Zr/Sc二元图解中，松嫩沙地沉积物样品沿着UCC、PAAS和花岗岩趋势线分布且靠近花岗岩，表明了其中酸性母岩属性。进一步参考由Roser等［50］提出的公式化物源判别图解，即利用7种常量元素来确定4种不同成分来源，结果表明：松嫩沙地沉积物样品落在长英质火成岩物源区与石英质沉积物源区，同样指示松嫩沙地地表沉积物是由大多数初次循环和少数再循环沉积的混合组成。

4.2　松嫩沙地对区域风尘物质相对贡献的定量评估

哈尔滨位于松嫩平原东部，属松嫩沙地的下风向地区，根据中国黄土近源堆积的特性初步推测松嫩沙地是哈尔滨风尘物质（黄土和现代尘暴粉尘）的潜在源区。Frequentist模型作为沉积物源指纹识别的重要手段，可以提供源区之间的最佳区分，量化潜在源区对沉积物的相对贡献，因此被广泛应用于量化沉积物的来源并定量评估源区的相对贡献［18-20］，并结合传统的利用地球化学元素中不活动元素比值进行物源分析的方法［23］，可以综合评估沉积物的物源。因此使用Frequentist模型对哈尔滨黄土进行物源定量重建，结合不活动元素比值构成的物源判别图解，能够综合评估松嫩沙地是否为哈尔滨风尘物质的潜在源区，并确定松嫩沙地对哈尔滨风尘物质的贡献度。

定量重建结果将松嫩沙地划分为西北部、西南-W部、西南-E部3个分区（图3），Frequentist模型定量重建结果分别展示了3个源区的粉尘物质对哈尔滨黄土贡献度依次为：西南-E部40.5%~66.3%（平均53.03%）>西南-W部24.9%~48.9%（平均38.6%）>西北部1.9%~13.2%（平均8.24%），表明松嫩沙地西南-E区域作为源区对哈尔滨黄土的粉尘贡献占主导地位，西南-W区域的粉尘贡献占小部分，西北区域的粉尘贡献极少（表1）。

在粉尘风化、剥蚀和搬运过程中，一些不活动元素（如REE、Co、La等）能够几乎完整地记录粉尘从源区搬运并保留沉积的过程，可以很好地保持母岩的性质，进行物源示踪［51-53］，因此由不受动力分选影响和石英稀释的一些不活动元素比值（如La/Sc，Th/Sc，Cr/Th和REE）构成的物源判别图被优先用于物源的定量重建，并提供了风尘物质与潜在源区之间联系的直观证据［23］。物源判别图解显示，哈尔滨黄土和尘暴沉积物样品全部远离松嫩沙地西北部，指示松嫩沙地西北部为哈尔滨地区贡献粉尘的可能性极小；松嫩沙地西南区域（西南-W部和西南-E部）与尘暴沉降物表现出一定的地球化学亲缘关系，指示西南区域为哈尔滨尘暴沉降物提供部分粉尘；西南-E部与哈尔滨黄土有紧密的地球化学亲缘关系，表明该区域为哈尔滨黄土提供大量粉尘贡献（图6）。结合区域地貌及风沙沉积类型，西南-E区域沉积物基本为松花江水系河流沙，即松花江水系沉积物为哈尔滨黄土主要粉尘源区（图1）。松嫩沙地地表沉积物与哈尔滨风尘物质Sr-Nd同位素组成对比结果也表明松嫩沙地西南区域是哈尔滨风尘物质的主要粉尘源区［54］。

图6

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图6   松嫩沙地不活动元素比值物源判别图解

LREEN=（LaN+CeN+PrN+NdN）； HREEN=（ErN+TmN+YbN+LuN）； MREEN=（SmN+EuN+GdN+TbN+DyN+HoN）； MREEN*=2×MREEN/（LREEN+HREEN）

Fig.6   Provenance discrimination diagrams involving immobile elements of Songnen Sandy Land


此外，本研究发现物源判别图解和PCA物源分析图解中哈尔滨黄土和尘暴沉降物的样品分布区域存在一定差异，表明哈尔滨黄土与尘暴沉降物的粉尘源区并不完全一致，这种差异也在松嫩沙地Sr-Nd同位素组成研究中有所发现［54］。结合现代尘暴特征发现，哈尔滨尘暴天气在春季频发，且地球化学特征也证明了内蒙古中东部半干旱区如科尔沁沙地是哈尔滨尘暴沉降物主要粉尘源区，尘暴粉尘主要是从蒙古国中部和内蒙古中东部由西南气流输送，在途经松嫩沙地西南区域时地表部分粉尘颗粒受风力搬运作用一并输送至哈尔滨地区［55］。综上所述，尽管哈尔滨黄土与现代尘暴的粉尘源区存在一定差异，但整体相似，其粉尘传输路径都是一致的，皆来自哈尔滨西南方向的源区，只是在粉尘贡献度上有所差异。

4.3　松嫩沙地对区域风尘物质贡献的意义

明确风尘物质来源对于了解风尘物质的源汇过程、传输路径，以及重建古气候记录和地质历史时期的大气环流至关重要［13，56-57］，基于松嫩平原盛行风系统的两种不同的大气环流模式已被用于解释中国东北黄土堆积的输送和沉积。松嫩沙地对下风向区域风尘物质相对贡献的评估结果，进一步揭示了松嫩平原粉尘传输路径，为了解松嫩平原冰期-间冰期大气环流模式与粉尘传输路径之间的关系提供了有价值的线索。

冰期因受北半球高纬度地区冰面覆盖率扩张和全球冰量增加的影响，西伯利亚-蒙古高压加强，并通过与西北太平洋阿留申低压的耦合加强了东亚冬季风的强度［58］；而间冰期这个过程是相反的，间冰期太阳辐射增强导致地表温度增高形成海陆热力差异，受蒙古气旋控制东亚夏季风增强［59］。松嫩平原冰期环流模式以西北风为主，其次是西南风；而间冰期的环流模式则是西南风占主导地位，这也是造成春季中国北方沙尘暴的主要影响系统［22-23］。从松嫩平原大气环流形式上看，西北风是冬季风的特征，而西南风与夏季风密切相关。

哈尔滨现代尘暴的粉尘主要来自西南方向，表明西南风是其输送的主要驱动力，这与现今松嫩平原全年主导西南风向的观点匹配［51］，即间冰期大气环流形式与粉尘传输路径相一致。中国黄土高原黄土物源研究表明，黄土主要是冰期通过东亚冬季风主导输送的近源堆积［6，56，60-61］，然而哈尔滨黄土物源定量重建结果显示来自松嫩沙地西北方向的粉尘贡献非常微弱，以往的研究也发现松嫩沙地西北部对东北平原中东部粉尘物质的贡献很少［49］，这与松嫩平原冰期以西北风（冬季风）为主导的大气环流模式不相符。显然，哈尔滨黄土所揭示的粉尘传输路径（主要来自西南方向）与目前已知的主要在冰期由冬季风（西北风）搬运黄土沉积物的情况存在差异。综合上述分析，本文认为，松嫩平原无论是在冰期（主导西北风）还是间冰期（主导西南风），粉尘传输路径都表现为以来自西南方向为主。

值得注意的是，松嫩平原冰期大气环流模式（主导西北风）和粉尘传输路径（来自西南方向为主）没有表现出良好的对应关系，对于这一差异可从源区的地形条件和生态环境状况上来解释。理论上讲，哈尔滨西北方向的松嫩沙地西北部和呼伦贝尔沙地，以及西南方向的松嫩沙地西南区域和科尔沁沙地都可以作为其粉尘源区，由于地形原因粉尘搬运通道受到大兴安岭的阻挡，导致源于呼伦贝尔沙地的粉尘颗粒不能到达哈尔滨地区［62］，且物源指纹分析也判定松嫩沙地西北部不是哈尔滨风尘物质主要源区；而西南方向源区（主要是松嫩沙地西南区域）地形平坦开阔、风力强盛，粉尘搬运不受阻碍。大面积暴露的碎屑沉积物、地表植被覆盖度和土壤湿度被认为是控制粉尘排放量的重要因素［63］。松嫩沙地西北部以零散分布的风成沙丘居多［21］，植被覆盖度高，地表裸露面积少，使得其粉尘排放量大幅度降低，且固沙能力远强于松嫩沙地西南区域。相比之下，松嫩沙地西南区域地表植被稀疏，植被覆盖度低，地表大面积裸露［64］，粉尘排放量持续增高，固沙能力较弱。综上所述，松嫩沙地西北部在冰期和间冰期都不是哈尔滨风尘物质的主要源区；而松嫩沙地西南区域粉尘排放量高，即使是在以西北风为主导的冰期依然可以为哈尔滨风尘物质提供大量粉尘颗粒。

沙尘暴危害性极大，频繁发生尘暴事件会危害生态环境状况，造成严重的生态环境问题。而沙尘暴是黄土粉尘物质搬运动力［23］，对沙尘潜在源区和传输路径的研究可以有效地预防生态环境问题和进行沙尘天气治理，具有重要实际意义。如前所述，松嫩沙地西南区域是哈尔滨粉尘的主要源区，鉴于目前哈尔滨地区沙尘天气的频发和日益严重的大气污染问题，应重点加强对西南区域的生态环境治理。优先开展防风固沙工作，控制其粉尘排放量；进一步加强土地荒漠化治理，缩小沙地范围，减少沙尘的物源基础，进而缓解和控制沙尘天气发生的频率及强度，保护生态环境。针对松嫩沙地西南区域实际特点，并结合中国大型沙地如科尔沁沙地［65］、毛乌素沙地［66］、呼伦贝尔沙地［67］等的治理经验，对松嫩沙地西南区域生态环境治理提出以下基本措施。首先，设置林区防护栏，保护现有自然植被不受破坏；松嫩沙地西南区域的沙丘面积大但分布不连续，因此对分散的大型沙丘采取分段种植针叶和阔叶混交林的方式，增加植被覆盖度起到防风固沙作用，对零星分布的小型沙丘使用尼龙网沙障减少输沙量。其次，依据当地生态环境特点和现状，适度开发自然资源，合理利用土地；农业采取滴灌式节水灌溉，减少水土流失。最后，在不影响当地经济发展和人民生活水平的前提下，合理退耕还林还草，适度放牧或轮牧。针对区域沙尘天气的防治，不应局限于发生区域本身，更应重视潜在物源区的生态环境治理，才能从根本上改善区域的环境状况。

5 结论

对松嫩沙地全范围47件样品（<63 μm）进行元素地球化学分析（常量元素、微量元素和稀土元素），建立了完备的松嫩沙地地球化学数据库，并通过PCA分析和Frequentist模型进行物源定量重建，结合物源判别图解探讨松嫩沙地对下风向区域风尘物质的贡献度。

松嫩沙地较低的CIA值和A-CN-K图解，指示地表沉积物处于化学风化初级阶段；高的ICV值和ICV/CIA图解表明沉积物的成熟度较低；低的CIA/WIP比值并结合CIA/WIP图解、MFW图解、Th/Sc与Zr/Sc二元图解以及公式化物源判别图解，表明沉积物由大多数初次循环和少数再循环沉积的混合组成。

定量重建结果将松嫩沙地划分为西北部、西南-W部、西南-E部3个分区，对哈尔滨黄土的贡献度依次为：西南-E部（即松花江水系沉积物）40.5%~66.3%、西南-W部24.9%~48.9%、西北部1.9%~13.2%。

物源判别图解表明哈尔滨黄土与现代尘暴粉尘有相似的源区，揭示了松嫩平原冰期-间冰期粉尘传输路径一直以西南方向为主，与冰期以西北风为主导的环流模式存在差异。哈尔滨西北方向粉尘源区（松嫩沙地西北部和呼伦贝尔沙地）植被覆盖度高、沙地暴露面积小且受地形阻挡是其粉尘排放量受限的主要原因，而西南方向源区（主要是松嫩沙地西南区域）植被覆盖度低、沙地暴露面积大且地形平坦开阔使其粉尘排放量持续增高。

应加强对松嫩沙地西南区域的生态环境治理，以改善哈尔滨地区频发的沙尘天气和日益严重的大气污染问题。对于区域沙尘天气的防治，其根本在于应重视潜在物源区的生态环境治理而非仅局限于发生区域本身。

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