察汗淖尔干涸湖床风沙活动特征及其影响因素
1.
2.
Aeolian activity characteristics and influencing factors of the dry lakebed of Chahan Lake on the Bashang Plateau
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通讯作者:
收稿日期: 2024-10-28 修回日期: 2024-12-06
基金资助: |
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Received: 2024-10-28 Revised: 2024-12-06
作者简介 About authors
刘颖(1999—),女,河北秦皇岛人,博士研究生,主要从事土壤风蚀与荒漠化防治研究E-mail:
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刘颖, 王仁德, 蒋红军, 李庆, 苑依笑, 张茹春, 张韬.
Liu Ying, Wang Rende, Jiang Hongjun, Li Qing, Yuan Yixiao, Zhang Ruchun, Zhang Tao.
0 引言
湖泊是调节干旱、半干旱区水循环的重要水源载体[1]。近几十年来,气候干旱及人类不合理的水资源开发利用打破了中国内陆河尾闾湖泊生态系统的自平衡[2-4],造成许多湖泊水面萎缩退化,裸露的干涸湖床沦为盐尘暴策源地[5-8]。相比于沙漠、戈壁、农田等常见风蚀下垫面,干涸湖床沉积物粒径更小,在粉尘释放和搬运能力方面表现出更大潜力[9-10];同时盐尘在化学组成上富含盐类矿物和其他有害物质,随风扩散对沿途大气环境[11]、土壤环境[12]、作物生长[13]及人类健康[14]均构成重大威胁。干涸湖床风沙活动已成为干旱、半干旱地区灾害风险评估[15]、湖泊生态修复[4,16]、粉尘释放[11,17]、矿物循环[18]以及环境健康[19]等领域共同关注的热点问题。
20世纪60年代爆发在中亚地区的咸海危机引发学界和有关部门的高度重视[20-21],干涸湖床风蚀受到关注。中国新疆艾比湖[22-23],伊朗乌尔米耶湖[7],美国欧文斯湖[24-26]、大盐湖[14]、索尔顿湖[27-29]等也是研究人员关注的热点地区,内蒙古高原西居延海[30]、查干诺尔[31-32]、安固里淖[33]、阿拉善高原[34]等干涸湖床风蚀研究成果近几年开始增多。研究主要围绕干涸湖床风沙活动的基本特征[35]、影响因子[36]、盐尘释放机制[37-39]、迁移路径[40]与释尘量估算模拟[26-27]等展开,总体上形成了对干涸湖床风沙活动突出环境危害的认识,近几年来重点关注干涸湖床特有的下垫面形态——盐结皮(亦称盐壳)对风蚀的影响[31,41-42]。不足的是研究视角大多限于单个湖淖,且鲜少对干涸湖床风沙活动与盐尘释放风险的因果关系进行讨论,因而在指导区域风沙灾害风险防治工作中价值发挥有限,不同研究结果之间也缺乏可借鉴性。特别是对于地处或毗邻重要政治、经济、文化、交通等区位的干涸湖床,判别其风沙活动基本特征进而开展针对性防治是地区生态建设和可持续发展工作中不容忽视的环节。
察汗淖尔是坝上高原面积仅次于安固里淖的第二大咸水湖,距北京市中心直线距离仅约为260 km,过去30年间持续萎缩,2017年以来湖底全部裸露,只在夏季降水频繁时形成小范围水面。干涸期裸露的湖床成为盐尘暴策源地,对坝上高原及其下风向京津冀地区的生态环境和人居健康构成严重威胁。2020年7月,察汗淖尔盐尘暴风险问题进入公众视野,引起广泛关注[43]。《全国防沙治沙规划(2021—2030年)》中特别强调“加强察汗淖尔等流域生态保护和修复”。近几年,相关学者就察汗淖尔面积演变及其驱动因素、盐尘暴风险问题等陆续开展了一些研究[44-48],但针对察汗淖尔风沙活动的实测研究鲜见报道,察汗淖尔盐尘的释放特征并不清楚。基于此,本研究采用野外观测方法,就察汗淖尔干涸湖床春季风沙活动的时空特征及其影响因素进行分析,以期为察汗淖尔乃至整个坝上高原湖淖修复与盐尘源治理提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
察汗淖尔地处内蒙古高原南缘的坝上高原,行政区划上位于河北省尚义县与内蒙古自治区商都县交界处。湖床总面积约45.0 km²,呈东北-西南走向,包括西南侧大湖和东北侧小湖两部分(图1)。湖区属典型的中温带大陆性季风气候,冬季寒冷漫长,夏季凉爽短促。多年平均降水量小于400 mm,雨季为6—9月;多年平均水面蒸发量达1 735.7 mm,为降水量的4.8倍。察汗淖尔属浅碟型湖泊,水深较浅,水面面积受来水量影响极大。进入21世纪后,受周边农田引水灌溉和地下水超采等因素影响[47],入湖水量减少,察汗淖尔逐渐沦为季节性湖泊,春季完全裸露,只在夏季降水频繁时形成小范围水面。湖水退化过程中,可溶性盐分结晶形成松散的富盐沉积物覆盖于湖床表面。春季的强风叠加大面积松散裸露的下垫面,为盐尘释放创造了有利条件。
图1
图1
研究区位置及观测样点分布(Sentinel-2A真彩色合成图像,拍摄日期:2021年4月20日)
Fig.1
Study area location and distribution of observation sites (Sentinel-2A true color composite image taken on April 20,2021)
1.2 野外观测与数据获取方法
1.2.1 观测点布设
野外观测工作于2021年和2023年春季进行(2022年受疫情影响未能开展)。其中,2021年沿东北-西南向布设观测点(与湖床走向一致,垂直于春季主导风向),共布设21个点,各观测点的间距在1.0 km左右;2023年沿西北-东南向布设观测点(与湖床走向垂直,平行于春季主导风向),共布设15个点,各观测点的间距在0.5 km左右(图1)。在大小湖床中间位置安装1台便携式梯度风速廓线仪(北京师范大学与北京市气象局联合研制,图2A),风杯分别安装在地表以上0.05、0.1、0.2、0.5、0.75、1.0、2.0、3.0、4.0 m等9个高度,风速测量范围为0.3~30.0 m·s-1,最小感应风速为 0.2 m·s-1,使用 CR1000数据采集器采集风速数据,采集频率为30 s。
图2
1.2.2 观测仪器和方法
在每个观测点沿西北风主导风向依次间隔5.0 m左右,分别布设1台集沙量大、经济便携、可随风旋转的Modified Wilson and Cooke(MWAC)集沙仪和3个口径30.0 cm、深度40.0 cm的集沙桶(图2B,由于MWAC集沙仪数量有限,2021年A8、A10、A12、A17~A21等8个观测点只安装了集沙桶),分别用来测量近地表的输沙通量和风沙沉积通量,共同用来反映风沙活动强弱。
MWAC集沙仪的收集部件为4个容量为750.0 mL的PET集沙瓶(图2C),其中2021年使用的集沙瓶进出口孔径为0.8 cm,2023年使用的集沙瓶进出口孔径为1.3 cm,两年的集沙瓶中心高度均设置在地表以上0.1、0.25、0.5、0.85 m,用来收集4个高度上任意风向的风蚀物。每次观测结束后用提前称取净重的自封袋收集风蚀物,称重换算不同高度的风蚀物输移通量(g·m-2·d-1),使用1stOpt 5.0软件(全局优化算法)将不同集沙高度上对应的风蚀物输移通量进行指数函数拟合,最后使用
式中:Q为0~1.0 m高度内的总输沙通量(g·m-1·d-1);z为计算高度(m);a、b为指数曲线拟合常数。
埋设集沙桶时使桶口边缘与地表齐平,并在桶内装入少量石子,避免进入集沙桶的风积物被大风再次吹走(图2D)。每次观测结束后使用自封袋收集风积物,称重换算单位时间单位面积的地表风沙沉积量,记作风沙沉积强度(g·m-2·d-1),将同一个观测点3个集沙桶的测量结果(允许相对误差≤10%)取平均值。
1.2.3 观测时间和频次
2021年观测时长共计28 d,包括两个时段,第一时段和第二时段时长分别为12 d和16 d;2023年观测时长共计46 d,也包括两个时段,第一时段和第二时段时长分别为28 d和18 d,观测时段编号及对应起止日期见表1。
表1 风沙活动观测基本信息
Table 1
年份 | 观测时段编号 | 观测起止日期 | 时长/d |
---|---|---|---|
2021 | NO.1 | 4月24日至5月5日 | 12 |
NO.2 | 5月6日至5月21日 | 16 | |
2023 | NO.3 | 3月31日至4月27日 | 28 |
NO.4 | 4月28日至5月15日 | 18 |
1.2.4 调查和采样分析
在每次风沙活动观测前进行地表调查(图3A)和采样工作,选择植被覆盖度(%)作为干涸湖床风沙活动粗糙干扰因子调查指标,盐结皮覆盖度(%)、土壤颗粒粒径组成、全盐量(g·kg-1)、质量含水率(%)作为抗蚀因子调查与分析指标[49],共同用来反映风沙活动下垫面环境条件。其中盐结皮发育—破碎程度和植被覆盖度采用拍照目估法确定;在每个观测点附近采集2~4组地表以下0~5.0 cm(>最大盐结皮厚度)深度沉积物或土壤样品(图3B),每次采样约300 g,带回实验室做土壤颗粒粒径组成和全盐量测试;使用铝盒(4.6 cm×2.5 cm)采集2组地表以下0~2.5 cm沉积物或土壤样品,当天使用烘干法测量地表含水率;使用TYD-1型土壤硬度计测量地表以下0~4.0 cm深度内硬度(kg·cm-2),同一观测点附近随机测量5次,取平均值作为测量结果(图3C)。
图3
表层沉积物及土壤样品带回实验室自然风干研磨后过2.0 mm土壤筛剔除砾石,过筛后的待测样品使用质量法(标准号:LY/T 1251-1999)进行全盐量测定;使用激光-衍射湿法(Mastersizer 3000激光粒度仪)进行粒径组成测定,测试结果参照美国农业部(USDA)土壤质地分类标准进行粒径分级。
1.2.5 其他数据来源
Sentinel-2A遥感影像数据(10 m空间分辨率)下载自欧洲航天局哥白尼数据中心(
2 结果与分析
2.1 察汗淖尔风沙活动强度
两年的野外观测结果表明,察汗淖尔干涸湖床春季平均输沙强度为3 893.43 g·m-1·d-1,平均风沙沉积强度为398.90 g·m-2·d-1(图4、5)。不同年份和同一年内不同时段的输沙强度和风沙沉积强度均存在显著差异。例如,湖心同一观测位置附近,2021年A4观测点整个观测期间的平均输沙强度为37 875.45 g·m-1·d-1,平均风沙沉积强度为4 498.48 g·m-2·d-1;而2023年B7观测点整个观测期间的平均输沙强度和平均风沙沉积强度分别为1 407.62 g·m-1·d-1和164.06 g·m-2·d-1。2021年观测期间的平均输沙强度和平均风沙沉积强度分别是2023年观测期间的26.91和27.42倍。需要说明的是,2021年第一时段(NO.1)A4~A7等4个观测点的集沙桶均被风积物填满(图5A),可能造成该时段下平均风沙沉积强度的低估。
图4
图4
不同时段输沙强度观测结果
Fig.4
Aeolian sand transport intensity observations at different time periods
图5
图5
不同时段风沙沉积强度观测结果
Fig.5
Aeolian sand deposition intensity observations at different time periods
同一年内不同时段的风沙活动强度差异更加显著。观测结果表明,2021年第一观测时段(NO.1)察汗淖尔干涸湖床各观测点的平均输沙强度为21 577.60 g·m-1·d-1,平均风沙沉积强度为1 936.51 g·m-2·d-1;第二观测时段(NO.2)各观测点的平均输沙强度为31.54 g·m-1·d-1,平均风沙沉积强度为10.63 g·m-2·d-1(NO.2时段A11观测点的MWAC集沙仪和集沙桶丢失)。NO.1时段的平均输沙强度是NO.2时段的684.13倍,平均风沙沉积强度是NO.2时段的182.17倍。2023年第一观测时段(NO.3)察汗淖尔干涸湖床各观测点的平均输沙强度为1 010.07 g·m-1·d-1,平均风沙沉积强度为212.91 g·m-2·d-1;第二观测时段(NO.4)各观测点的平均输沙强度为22.00 g·m-1·d-1,平均风沙沉积强度为8.29 g·m-2·d-1。NO.3时段的平均输沙强度是NO.4时段的45.91倍,平均风沙沉积强度是NO.4时段的25.68倍。总之,察汗淖尔干涸湖床春季风沙活动强度在年际和半月时间尺度上均变化显著,从两年的观测结果来看,尽管2021年第一时段开始观测时间比2023年第一时段开始观测时间迟24 d,但2021年第一时段风沙活动强度却高于2023年第一时段,说明在该年的4月下旬至5月上旬期间仍发生较剧烈的风沙活动,而两年第二时段观测结果则共同表明进入5月风沙活动强度显著下降。由此,察汗淖尔早春(3—4月)的风沙活动强度似乎明显高于晚春(5月)。
2.2 察汗淖尔风沙活动空间变化
对不同时段各观测点的输沙强度和风沙沉积强度观测结果对比分析表明,察汗淖尔干涸湖床春季风沙活动空间分布在每年前后两个时段表现出了不同的规律。第一时段(图4A、C,图5A、C)总体表现出距离西南侧大湖湖心越近风沙活动强度越大、距离湖边越近风沙活动强度越弱的趋势。例如:2021年第一时段(NO.1)在垂直于西北风主导风向上,观测点A4的输沙强度最大,为88 336.60 g·m-1·d-1,观测点A9的输沙强度最小,为7.36 g·m-1·d-1,观测点A4的输沙强度是观测点A9的12 002.26倍。由于NO.1时段A4~A7等4个观测点的集沙桶被风积物填满,仅能由此判断最大风沙沉积强度大体分布在这些观测点所在位置,无法计算真实的最大数值。观测点A13的风沙沉积强度最小,为0.97 g·m-2·d-1。2023年第一时段(NO.3),在沿西北风主导风方向上观测点B9的输沙强度最大,为2 670.41 g·m-1·d-1;观测点B11的输沙强度最小,为57.39 g·m-1·d-1。观测点B9的输沙强度是观测点B11的46.53倍。观测点B5的风沙沉积强度最大,为292.44 g·m-2·d-1,观测点B15的风沙沉积强度最小,为5.78 g·m-2·d-1,观测点B5的风沙沉积强度是观测点B15的50.60倍。两年第一时段的输沙强度和风沙沉积强度观测结果均表明西南侧大湖湖心区应该是察汗淖尔干涸湖床风沙活动最活跃的区域,最大输沙强度最高达88 336.60 g·m-1·d-1,远大于湖边区域。
两年第二时段输沙强度(图4B、D)和风沙沉积强度(图5B、D)的观测结果则显示各个观测点的风沙活动强度相对差异并不显著,而且湖心区观测点也不再维持前一时段的高值。例如:2021年第二时段(NO.2),在垂直于西北风主导风向上,观测点A5的输沙强度最大,为58.49 g·m-1·d-1;观测点A2的输沙强度最小,为9.01 g·m-1·d-1。观测点A5的输沙强度仅为观测点A2的6.49倍。观测点A10的风沙沉积强度最大,为22.89 g·m-2·d-1,观测点A19的风沙沉积强度最小,为3.84 g·m-2·d-1,观测点A10的风沙沉积强度仅为观测点A19的5.96倍。2023年第二时段(NO.4),在沿西北风主导风方向上观测点B3的输沙强度最大,为47.84 g·m-1·d-1;观测点B5的输沙强度最小,为12.91 g·m-1·d-1,观测点B3的输沙强度仅为观测点B5的3.71倍。观测点B1的风沙沉积强度最大,为13.60 g·m-2·d-1,观测点B10的风沙沉积强度最小,为5.70 g·m-2·d-1,观测点B1的风沙沉积强度仅为观测点B10的2.39倍。这说明察汗淖尔干涸湖床风沙活动的空间分布特征随时间或其他影响因素的变化而在不断发生变化,总体而言,不同部位的输沙强度和风沙沉积强度差异在风沙活动较剧烈的早春时段较为明显,在风沙活动较弱的晚春时段没有明显空间波动。
3 讨论
3.1 察汗淖尔风沙活动变化的原因
察汗淖尔干涸湖床风沙活动受基本环境属性和临时环境属性共同影响。野外调查和表层土壤/沉积物理化性质测试分析表明,同一观测点的表层土壤/沉积物盐分含量、颗粒粒径分布(质地)和植被覆盖度等基本环境属性相对稳定,在同一年的两个观测时段内几乎不发生改变,而临时环境属性(风速、降水、地表温度等气象因子、地表含水率、硬度、盐结皮发育程度等下垫面因子)对时间和自然环境的变化响应十分迅速,应是造成风沙活动时间变化的主要原因。
风力是风沙活动最直接的驱动力,风速大小显著影响风沙活动强度及规模。利用梯度风速廓线仪观测到的2 m高度水平风速数据,以5 m·s-1作为起沙风速,统计各个观测时段的平均风速和≥5 m·s-1起沙风频率(图6)。结果表明,同一年内第一时段的平均风速和起沙风频率均大于第二时段,即察汗淖尔春季平均风速随时间减弱,与同一年内干涸湖床平均输沙强度和风沙沉积强度前后两时段的变化趋势一致,说明风速是导致察汗淖尔风沙活动时间变化的原因。但从同一年内前后两个时段输沙强度的数量级差异来看,风速显然不是造成第一时段输沙强度远远大于第二时段的唯一原因。
图6
图6
不同时段平均风速及起沙风频率
Fig.6
Average wind speed and critical wind speed frequency at different time periods
对各个观测时段开始时地表含水率的测定分析表明,察汗淖尔干涸湖床各个部位地表含水率时空分异均较大(表2)。时间上,2021年第一时段(NO.1)开始时地表含水率明显低于第二时段(NO.2)开始时,与第一时段风沙活动强度远远高于第二时段的现象相吻合。第一时段21个观测点的平均含水率为10.21%,第二时段21个观测点的平均含水率为15.74%,较第一时段高5.53%。结合当地历史天气统计发现主要是降水事件造成的:第一时段开始前10 d内,察汗淖尔所在地区没有发生有效降水,地表比较干燥;第一时段开始后至第二时段开始前,当地发生一场中等强度降雪过程,地表在积雪融化期间一直维持湿润状态,有效抑制了第一时段后期及第二时段的风沙活动。不同的是,2023年第一时段(NO.3)表土含水率却显著高于第二时段(NO.4)开始时,与风沙活动强度的时间变化趋势相悖。第一时段15个观测点的平均含水率为24.50%,第二时段15个观测点的平均含水率为4.96%,较第一时段低19.54%,同样由降水事件造成:第一时段开始前7 d当地发生一场中等降雪过程,导致第一时段开始时刻干涸湖床表面较湿润,第二时段开始时地表却比较干燥,这样看地表含水率似乎无法解释干涸湖床风沙活动强度的时间变化。
表2 不同时段地表(0~2.5 cm)土壤含水率测定结果 (%)
Table 2
观测 点号 | 观测时间 | 观测 点号 | 观测时间 | 观测 点号 | 观测时间 | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
NO.1开始时刻 | NO.2开始时刻 | NO.1开始时刻 | NO.2开始时刻 | NO.3开始时刻 | NO.4开始时刻 | |||
A1 | 4.47 | 11.40 | A16 | 21.69 | 16.22 | B1 | 6.42 | 0.55 |
A2 | 18.93 | 16.61 | A17 | 5.24 | 22.21 | B2 | 24.71 | 3.03 |
A3 | 10.96 | 28.17 | A18 | 13.49 | 20.25 | B3 | 22.60 | 5.45 |
A4 | 11.32 | 24.93 | A19 | 8.93 | 27.14 | B4 | 26.57 | 3.24 |
A5 | 8.12 | 23.06 | A20 | 4.17 | 18.96 | B5 | 19.98 | 3.95 |
A6 | 6.44 | 10.24 | A21 | 5.53 | 12.31 | B6 | 27.41 | 2.74 |
A7 | 10.66 | 11.00 | B7 | 23.78 | 2.40 | |||
A8 | 6.52 | 12.21 | B8 | 29.43 | 2.24 | |||
A9 | 8.91 | 10.35 | B9 | 26.21 | 4.68 | |||
A10 | 2.23 | 9.41 | B10 | 28.50 | 7.21 | |||
A11 | 1.23 | 8.49 | B11 | 25.80 | 4.81 | |||
A12 | 2.51 | 8.33 | B12 | 34.63 | 9.95 | |||
A13 | 16.61 | 8.11 | B13 | 17.30 | 3.14 | |||
A14 | 21.52 | 18.04 | B14 | 32.90 | 17.36 | |||
A15 | 25.02 | 13.12 | B15 | 21.19 | 3.59 |
理论上,地表含水率密切影响沙粒起动所需的临界风速,是影响风沙起动过程的重要抗蚀因子,但不可忽视其中的时间尺度问题。风沙观测一般以次风蚀事件、天、半月甚至更长时间尺度进行,本研究4次风沙活动的平均观测时长为18.5 d,由此计算的风沙活动强度为一定时间范围内的平均风沙活动强度,而地表含水率是一个动态指标,随降水、蒸发、风力等短时气象过程不断变化,不能平均刻画。另外需要指出,土壤风蚀一般只发生在地表浅层(<1.0 cm),本文通过铝盒采样+烘干法测得的地表以下0~2.5 cm含水率势必要比发生风蚀的地表浅层含水率数值大,后续研究中有必要提高地表含水率的监测频率并改进监测方法,以定量刻画地表浅层含水率对风沙活动的影响。
野外调查发现,干涸湖床出露的松散湖相沉积物在降水补给下首先发生盐分表聚,覆盖在表面形成一层平均厚度约为2 cm的盐结皮,能够有效抵抗风蚀,但盐结皮在强风吹蚀下极易发生破碎,导致这种抗蚀性只是暂时的。以两年野外调查中拍摄的不同观测时段开始时湖心、湖缘区域观测点地表盐结皮发育状况(图7)来看,第一时段开始时干涸湖床表面盐结皮覆盖情况总体较第二时段差,尤其是湖心区域(图7A、E)第一时段开始时地表盐结皮破碎现象更加明显,第二时段开始时干涸湖床各个部位(图7B、D、F、H)普遍被一层致密的盐结皮覆盖,且随着晚春时节风速减弱、降水增加,地表能够较长时间维持抗风蚀性能。盐结皮的发育有效提高了地表硬度,2021年各观测点第一时段(NO.1)开始时平均地表硬度为6.0 kg·cm-2,第二时段(NO.2)开始时平均地表硬度为8.1 kg·cm-2,较上一时段提高2.1 kg·cm-2;2023年各观测点第一时段(NO.3)开始时平均地表硬度为4.8 kg·cm-2,第二时段(NO.4)开始时平均地表硬度为6.8 kg·cm-2,较上一时段提高2.0 kg·cm-2。因此,地表盐结皮在降水和风力耦合作用下的形成-破碎过程是造成察汗淖尔干涸湖床风沙活动强度时间变化的主要原因;同时发现,两年第一时段开始时湖心区域的盐结皮较同时期湖缘区域地表盐结皮破碎程度更大(图7A、C;图7E、G),地表硬度也更小(±0.7~1.4 kg·cm-2),也可以解释第一时段风沙活动强度的空间分布特征——湖心区域风沙活动强度大于湖缘、湖边区域,这可能是干涸时间和不同类型沉积物吸水能力的差异导致的。
图7
图7
不同时段开始时地表盐结皮发育状况(A、B分别为湖心位置A5观测点2021年第一、第二时段开始时地表状况;C、D分别为湖缘位置A8观测点2021年第一、第二时段开始时地表状况;E、F分别为湖心位置B7观测点2023年第一、第二时段开始时地表状况;G、H分别为湖缘位置B12观测点2023年第一、第二时段开始时地表状况)
Fig.7
Surface salt crust development at the start of different time periods (A and B show the surface conditions at the A5 observation point in the lake center at the start of the first and second periods in 2021; C and D show the surface conditions at the A8 observation point on the lake edge at the start of the first and second periods in 2021; E and F show the surface conditions at the B7 observation point in the lake center at the start of the first and second periods in 2023; G and H show the surface conditions at the B12 observation point on the lake edge at the start of the first and second periods in 2023)
3.2 察汗淖尔盐尘释放的重点区域
鉴于风沙沉积过程的复杂性,以及NO.1时段A4~A7观测点集沙桶被积满导致风沙沉积强度观测值可能低于实际值,据此评估风沙沉积强度空间分布特征可能造成一定偏差,故本文主要采用输沙强度观测结果衡量察汗淖尔风沙活动强度,进一步判断盐尘释放重点区域。
将察汗淖尔干涸湖床不同时段各观测点的输沙强度观测值在ArcGIS 10.8中进行反距离权重(IDW)空间插值,得到不同时段输沙强度空间分布图(图8)。图8A、B所示分别为2021年NO.1和NO.2两个观测时段即沿干涸湖床走向布设观测点的情形,输沙强度在空间上均呈现自西南侧大湖湖心向湖边逐渐降低的趋势。西南侧大湖湖心是盐尘释放和输移的高值区,随着距湖心距离的增加,输沙强度有所减弱;西南侧大湖湖缘和东北侧小湖全域均表现出了较低的输沙强度。图8C、D所示分别为2023年NO.3和NO.4两个时段即垂直于干涸湖床走向布设观测点的情形,观测点集中分布在西南侧大湖湖心所在的西北-东南走向样带上,实际上并不适合在整个干涸湖床范围内进行空间插值,仅能反映湖心附近西北-东南走向上输沙强度的沿程变化。图8C呈现了NO.3时段输沙强度自干涸湖心向西北、东南两侧湖边逐渐减弱的趋势,且处在西北风上风向区域的输沙强度总体较下风向区域弱,下风向湖缘区域存在一部分输沙强度高值区,这可能是因为在西北风的吹拂下,上风向地表释放的盐尘有相当一部分被搬运到了下风向区域。图8D反映了风速较弱且地表盐结皮充分发育的NO.4时段平均输沙强度较弱,空间分布特征不明显,不会对大气和土壤环境构成严重威胁。
图8
图8
不同时段输沙强度空间分布
Fig.8
Aeolian sand transport intensity distribution at different times periods
野外调查发现东北侧小湖干涸年限较短,地表长期维持较湿润状态,表2所示部分观测点(A13~A16)在2021年两个时段开始时地表含水率均较高,且地表分布着碱蓬、盐爪爪等耐盐碱植物,平均覆盖度达30%,水分和植被的保护作用使得地表不易释放盐尘,因此2023年观测工作未再关注东北侧小湖。
在基本明确察汗淖尔盐尘释放的空间格局及影响机制的基础上,首先通过目视解译确定察汗淖尔遥感影像中2017年以来春季平均干涸范围,再结合野外观测和空间插值获得的不同时段输沙强度空间分布图,初步划定察汗淖尔干涸湖床盐尘释放风险分布图。其中盐尘释放高值区包括西南侧大湖湖心区以及沿西北风下风向面积约0.72 km2的积沙区,总面积约10.27 km2;西南侧大湖其他区域为盐尘释放中值区,面积约30.48 km2;东北侧小湖及湖边部分土壤盐渍化区域由于地表植被的保护而抑制了风沙活动,整体属于盐尘释放低值区,面积约75.00 km2(图9)。这与蒋红军等[48]通过空间叠加分析得到的湖心周围10~20 km为察汗淖尔盐尘源高风险区的结论基本一致。
图9
图9
察汗淖尔干涸湖床盐尘释放风险分布(A)及盐尘释放高(B)、中(C)、低(D)值区地表状况
Fig.9
Risk distribution map (A) and surface conditions in high (B), medium (C), and low (D) risk of salt-dust release from the dry lakebed of Chahan Lake
3.3 察汗淖尔盐尘释放风险
干旱多风的气候和松散干燥的地表沉积物分别是干涸湖床表面盐尘释放的动力来源和物质基础。结合察汗淖尔所属的大陆性季风性气候特点,可以基本判断干旱多风的春季是盐尘释放的主要时段,冬季由于地表冻结基本没有盐尘释放风险,夏秋季节受降水补给,察汗淖尔水面能够得到一定程度恢复,也几乎不存在盐尘释放风险,这与沙尘暴在秋冬季节仍有偶发有所不同。2年的野外观测表明察汗淖尔风沙活动强度存在比较明显的年际差异,主要受自然气候波动控制,干旱年份将为盐尘释放提供相当充足的物源条件,释放量不容小觑;春季风沙活动强度总体随时间减弱,平均风速较大、降水稀少的早春时节无论是输沙强度还是风沙沉积强度均比晚春剧烈,因此要重点关注干旱年份、早春时节察汗淖尔盐尘的释放风险。
盐尘暴的环境危害高于沙尘暴的突出表现形式为其风蚀物化学组分中富含严重威胁人体健康的水溶性盐分。沉积物底层或地下水中的盐分一般先随毛管水上升到地表,地表水经蒸发后其中的盐分聚集在湖床表面,造成土壤盐渍化。察汗淖尔干涸湖床表层(0~5.0 cm)沉积物全盐量的测定结果表明,2021年21个采样点的平均全盐量为10.69 g·kg-1,2023年15个采样点的平均全盐量为15.83 g·kg-1,西南侧大湖湖心区采样点表层沉积物的全盐量为8.96~27.81 g·kg-1,均达到盐渍化水平,满足盐尘暴物质基础的化学特征。
囿于当下缺乏针对盐尘暴灾害风险的科学评价体系,本文仅能根据调查分析结果,从盐尘释放物质和环境条件角度定性揭示察汗淖尔存在盐尘释放和扩散风险,结合野外观测结果总结了盐尘释放的重点时段和重点区域。至于察汗淖尔释放的盐尘到底能迁移多远、对下风向多大距离范围内的人居环境构成威胁还有待进一步的深入研究。
4 结论
察汗淖尔存在盐尘释放风险,是坝上高原尘暴源地。以2年野外观测结果计算的春季平均输沙强度为3 893.43 g·m-1·d-1,平均风沙沉积强度为398.90 g·m-2·d-1。受风速、降水等自然气候条件及二者耦合作用下的地表盐结皮形成-破碎过程影响,春季风沙活动强度总体随时间减弱,早春和仲春(3—4月)时节的输沙强度和风沙沉积强度远比晚春(5月)剧烈,应重点关注该时段周边及下风向地区的盐尘暴灾害风险预警工作。
西南侧大湖湖心区及其西北风下风向面积约为0.72 km2的积沙区是察汗淖尔干涸湖床春季盐尘释放的高值区,总面积约10.27 km2,最高输沙强度达88 336.60 g·m-1·d-1,应作为坝上高原盐尘暴重点防治区。植被覆盖度、不同干涸年限造成的地表含水率差异以及盐结皮发育状况是造成风沙活动空间差异的主要原因。
综上,察汗淖尔干涸湖床的盐尘释放风险不容小觑,其环境危害有待进一步评估。
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