降尘收集方法对沙尘理化性质的影响及环境意义

张正偲,董治宝 (中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室,甘肃 兰州730000)

降尘收集方法对沙尘理化性质的影响及环境意义

张正偲*,董治宝 (中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室,甘肃 兰州730000)

利用建立在腾格里沙漠东南缘的中国科学院风沙观测场内收集的降尘,分析了不同降尘收集方法收集的降尘粒度、化学元素含量、富集因子、硅铝率和硅铝铁率,旨在优化干旱区降尘收集方法、确定我国的沙尘源区.降尘物质的微量元素Ba的含量最大,可达255～474µg/g, Nd的含量为0.3～9.6µg/g;常量元素SiO2的含量最大,79.30%, MgO含量最小,0.98%.微量元素的富集因子值在0～3之间,但常量元素差异较大.结果表明,减速法和湿法收集的降尘从粒度分布、化学元素含量、富集因子、硅铝率和硅铝铁率等方面均具有一致性.平均粒径湿法最细(Φ值2.84),干法最粗(Φ值2.46).因此,减速法能够作为代替湿法在干旱区进行收集降尘的方法.同时,由降尘的地球化学性质可知,西北干旱区沙漠是我国的主要沙尘源区之一.

降尘；收集方法；理化性质

降尘是指在重力作用下,降落在地表的大于10µm的尘埃物质.近年来,对大气降尘的研究比较多[1-8],内容涉及降尘的理化性质,沉降速率,粒度分布,时空分布,影响因素以及降尘收集方法等.降尘收集方法是降尘研究的基础,不同降尘收集方法, 影响降尘的物质组成、成分等.目前,国内外降尘收集方法包括:玻璃圆柱体(高40cm×直径20cm,高30cm×直径15cm)、美国地质调查降尘缸、玻璃球降尘缸、倒置的飞碟降尘缸以及改进型的倒置飞碟、正方形的降尘缸和碗状降尘缸[6]等.已有研究表明,不同降尘收集方法所收集的降尘量、粒度组成、收集效率不同[6].降尘地球化学元素对沙尘形成、来源和沉积环境,土壤形成过程、化学成分等都有一定的指示意义.通过降尘物质组成和地球化学元素分析,可以确定沙尘源区、搬运途经和沉积环境.目前,对沙漠和沙尘暴输送的沙尘物质地球化学元素进行了大量研究[9-13],但是对降尘收集方法对地球化学元素的影响几乎没有报道.

沙尘是一种自然现象.沙尘研究包括 3个紧密联系的过程,即沙尘物质发生、输送和沉降过程.目前,对沙尘发生、输送和沉降过程进行了大量研究[14-17],普遍认为我国西北干旱区是沙尘的主要源区,但是,到底哪种土地类型(沙漠、戈壁、农田)才是沙尘的主要源区,目前还没有定论.大气降尘的地球化学元素可用来甄别沙尘源区,但由于降尘收集方法多样,不同的降尘收集方法是否会影响沙尘物质的化学成分,这需要进行研究.湿法收集降尘主要用于有人值守的气象站或观测点,而我国西北地区地域辽阔,沙漠、戈壁遍布,气象站或观测点比较稀疏,且有些地区交通不便,所以常规的湿法收集降尘不适用于这些地区.本文利用建立在腾格里沙漠东南缘中国科学院风沙科学观测场的降尘资料,对西北地区大气降尘的地球化学元素进行研究,旨在说明降尘收集方法对降尘物质地球化学元素的影响,为优化降尘收集方法,探讨沙尘源区、沙尘输送机理提供理论依据.

1 研究区域及方法

1.1 研究区概况

研究区位于在腾格里沙漠东南缘,实验场地位于中卫市西北 13km处(37°33′N,105°01′E)的中国科学院风沙科学观测场(以下简称观测场).该区是沙尘物质的源区,主要以格状沙丘为主,沙丘高度 3～20m.沙丘表面的沙粒平均粒径为0.22～0.26mm.根据研究区 2005～2008年实测气象资料,该地区年平均风速为 2.48～2.79m/s;风向以西北风为主,其次为东北风;年均相对湿度为36.51%～45.40%;年均温度为11.21～12.65℃;年降水量为71.44～16.60mm.

1.2 研究方法

根据研究目的不同,降尘缸安装高度不同[8],如研究降尘的时空分布时,降尘缸一般安装在1.5m左右高度.本文的研究目的在于对比不同降尘收集方法之间的关系,同时为了避免跃移沙粒进入降尘缸,所以降尘缸安装在2m高度.降尘缸为我国的国标降尘缸(直径15cm,高30cm的圆柱形平底玻璃容器).

本文实验的降尘收集方法包括干法、湿法、过滤网法、玻璃球法和减速法.干法即在降尘缸内无任何介质;湿法即在降尘缸内添加蒸馏水(春夏秋季)或酒精(冬季),添加的蒸馏水/酒精占整个降尘缸的 1/6,在降尘缸内无蒸馏水/酒精时再添加至 1/6高度;过滤网法即在降尘缸内 5cm高度安装一个过滤网,过滤网网孔直径为5mm的正方形不锈钢网;玻璃球法即为在降尘缸内布置20个玻璃球,玻璃球直径为10mm;减速沿法为在降尘缸外围安装直径为170mm的减速沿,减速沿与降尘缸之间有20mm的空隙,用于保证空气流通,减速沿自降尘缸向外高度逐渐降低.整个实验同时进行 5种降尘收集方法,同时由于在西北地区,降雨较少,空气湿度较小,所以每次在称重时,并没有对降尘进行烘干,而是在降尘物质为干的状态时进行称重.

降尘缸布置在推平的流动沙丘区,地表平坦并覆盖砾石,砾石直径小于5cm.降尘缸间距2.5m,呈“品”字形布置(图1).每种降尘收集方法分别进行两个重复,一个降尘缸安装在第一排,另一个安装在第二排.降尘量为前后两次重量之差,带回观测场的实验室进行称重,天平的精度为 0.01g.统计数据为两个降尘缸收集降尘量的平均值.

图1 降尘缸布置及地表特征Fig.1 Plots of dust deposition gauges and land surface character

1.3 分析方法

本文降尘物质是2012年1～4月收集.元素分析在中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室完成,所用分析仪器为帕纳科公司生产的顺序式波长色散型 X射线荧光光谱仪(型号:Axios;产地:荷兰).具体分析过程见张彩霞等[18]论文.测定元素包括Cl、P、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Ga、As、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Ba、Ce、Nd、Pb、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、Na2O和K2O.所分析样品中除过滤网法和玻璃球法没有测定Ce和Nd的数据外,其他收集方法的降尘均含有上述所有元素.

2 结果

2.1 降尘粒度特征

不同降尘收集方法影响收集的降尘物质的粒度特征.由表1可见,干法收集的降尘物质的粒度最粗(Φ值越大,粒度越细),依次为过滤网法,玻璃球法,减速法和湿法.干法分选很好,过滤网法,玻璃球法和减速法属于分选较好,而湿法属于分选较差.干法、过滤网法和玻璃球法属于近对称;减速法属于正偏,湿法属于极正偏.峰度除湿法属于很窄外,其余均属于很宽.

表1 不同降尘收集方法收集的降尘粒度参数Table 1 Parameters of dust deposition from different collection methods

收集方法不同,降尘物质在降尘缸内的运动方式不同.对于湿法,沙尘在降落水面时,随即在重力作用下沉降在降尘缸的底部,所收集到的降尘为空气中的几乎所有沙尘物质,所以降尘物质的平均粒径最小.而对于其他收集方法,尽管采取了不同的措施,但还是不能完全避免尘埃的二次运动.干法由于没有采取任何降低降尘缸内气流速度的措施,所以气流可能将降尘缸内部分已经沉积的细颗粒物质带出降尘缸,导致降尘缸内细颗粒物质减少,粒度较粗;减速法、过滤网和玻璃球采用了一定的减速措施,降低了降尘缸内部的气流速度,所以部分细颗粒物质能够沉积在降尘缸底部,收集的沉积物的粒径要比干法的细.

减速法主要是通过降低进入降尘缸内部气流速度的方式来降低降尘缸内部气流,所以所收集的沉积物粒度最细.过滤网法和玻璃球法是通过减小降尘缸内部气流速度的方式来降低降尘缸内部气流,但玻璃球间空隙能够吸收降尘,防治沉降的降尘物质被气流带出,所以沉积物的粒度要比过滤网法细.由此可见,在收集降尘时,降低降尘缸外部气流的速度要比降低内部气流对降尘收集效果更有效.

由此可见,从收集的降尘粒度的角度考虑,湿法是最理想的降尘收集方法,除此之外,减速法也可作为一种较为理想的降尘收集方法.

2.2 降尘化学元素特征

图2 不同降尘收集方法的地球化学元素值Fig.2 Rare earth element abundances (µg/g) and major element compositions (wt%) for different dust collection methods

由图2a可以看出,不同降尘收集方法所收集的降尘微量元素含量既有相似,又有差异.Ba、Mn、Sr、P和Zr的含量大于100µg/g,其他元素的含量均小于100µg/g,其中Ba的含量最大,可达255～474µg/g,其次为Mn,可达261～327µg/g,Sr可达 141～449µg/g,P可达 206～272µg/g,Zr可达108～167µg/g.Nd和As的含量最少,As的含量为在4.2～7.6µg/g,Nd的含量为0.3～9.6µg/g.由图2b可以看出,不同降尘收集方法所收集的降尘常量元素分布可分为两种.过滤网法和干法具有相似的变化趋势;减速法、湿法和玻璃球法具有相似的变化趋势.湿法收集降尘的 SiO2的含量最大(79.30%),依次为 Al2O3(8.16%),Fe2O3(3.06%), Na2O(2.06%),K2O(2.04%),CaO(1.25%)和 MgO (0.98%).不同收集方法收集的降尘物质中 SiO2, Al2O3,Fe2O3和K2O含量几乎相同,但对于MgO, CaO和 Na2O的含量过滤网法和干法相似,而减速法、湿法和玻璃球法相似,同时,过滤网法和干法的含量比减速法、湿法和玻璃球法大.

2.3 降尘元素富集因子

富集因子广泛应用于沙尘源区的判定[10].富集因子(EF),是指沉积物中的元素相对于地壳丰度的富集程度[10,15,19].其计算方法为:

式中:[X/Ref]样品表示某一感兴趣的元素与参考元素在样品中的含量比,[X/Ref]地壳表示某一感兴趣的元素与参考元素在地壳中的含量比.

由于元素Al或Fe在沉积过程中相对稳定,而且大多数元素在沉积物的不同粒级中具有相近的富集规律,因此,元素与Al或Fe的比值可以消除沉积物化学成分的粒度效应.为此,在富集因子的计算中常采用元素/Al或Fe的比值.本文采用Al作为参考元素.元素的富集因子(EF)可以指示沉积物中元素的地壳或非地壳来源.一般认为当某元素的富集因子大于10时可判定该元素主要源于人为污染因素;当某元素 EF值接近于 1或小于 1时可认为主要源于自然地壳源,介于1～10时为两种源的混合[10,19].

由图3a可以看出,微量元素的富集因子值在0～3之间.假定湿法收集的降尘为标准降尘,根据富集因子,微量元素可以分为3类:(1)大于1,包括P、Mn、Ga、As、Rb、Y、Zr、Ba;(2)等于1,包括V、Cr、Co、Cu;(3)小于1,包括Cl、Ni、Sr、Nb、Ce、Nd、Pb.这说明腾格里沙漠东南缘的沙尘物质主要以自然地壳源和混合源为主.由图3b可以看出,不同收集方法收集的降尘常量元素有明显的差异.过滤网法和干法具有相似的变化趋势,而减速法、湿法和玻璃球法具有相似的变化趋势(图3b).SiO2、Al2O3、Fe2O3和K2O在不同收集方法时变化不明显.过滤网法和干法的MgO、CaO和Na2O比较相似,而湿法、减速法和玻璃球法比较相似.假定湿法是标准的降尘收集方法,腾格里沙漠东南缘降尘常量元素富集因子除SiO2大于1外,其余均为1左右.已有研究表明,腾格里沙漠西北部、巴丹吉林沙漠以及河西走廊沙漠区的常量元素除SiO2大于1外,其余均小于1,同时,沙漠和戈壁的常量元素存在差异[20].本文在腾格里沙漠东南缘收集降尘的常量元素分析结果与腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠基本一致,但与戈壁区存在差异.由此可见,沙尘物质主要来源于沙漠地区.

图3 不同降尘收集方法的富集因子Fig.3 Enrichment Factors for different dust deposition methods

2.4 硅铝率和硅铝铁率分析

沙尘来源于某一地区地表土的风力起尘.各类土壤的化学元素组分都有一定的特点,相互之间有一定的差别,特定的土壤都有一定集中的分布区域.不同种类的地表土其元素的硅铝率(SiO2/Al2O3)和硅铝铁率(SiO2/(Al2O3+ Fe2O3))是相对稳定的,因此沉积物的硅铝率和硅铝铁率可用于判别其沉积物源[21].铝率、硅铝铁率反映Si的淋失和Fe、Al的富集,其值越小,风化强度越大.

由图 4可以看出,不同降尘收集方法收集的降尘硅铝率存在明显的差异,但硅铝铁率差异不明显.减速法和湿法收集的降尘硅铝率和硅铝铁率比较相近.玻璃球法收集的降尘硅铝率和硅铝铁率均小于湿法.干法收集的降尘硅铝率和硅铝铁率均大于湿法.过滤网法收集的降尘硅铝率大于湿法,但硅铝铁率与湿法比较接近.研究表明,腾格里沙漠西北地区的硅铝率为10左右,硅铝铁率为8左右[22].硅铝率和硅铝铁率值大,一方面是其SiO2含量较高,使硅铝率和硅铝铁率中分子变大,另一方面,其Al2O3含量较小,使硅铝率和硅铝铁率中分母变小,因此其值偏高.

图4 不同降尘收集方法的硅铝率和硅铝铁率Fig.4 The Si/Al and Si/Al Fe rate for different dust collection methods

3 讨论

3.1 收集方法对地球化学元素的影响

由图5a可见,减速法和玻璃球法与湿法的差值比较小.过滤网法和干法与湿法差值比较大.对减速法,除Mn、Zr和Ba元素与湿法的差值大于10外,其他微量元素与湿法的差值均小于 10.除减速法外,其他方法收集的微量元素Cl、P、Cr、Mn、Sr、Zr、Ba的含量与湿法差异较大.由图5b可以看出,减速法和玻璃球法收集的常量元素与湿法差值很小,而过滤网法和干法收集的常量元素与湿法除Fe2O3外,其他元素差值较大.

图5 不同降尘收集方法的地球化学成分差值Fig.5 The amount difference of the rare earth element abundances (µg/g) and major element compositions (wt%) between reduction velocity method, net method, glass ball method, dry method and wet methods

图6 不同降尘收集方法关系Fig.6 The relationship between reduction velocity method, net method, glass ball method, dry method and wet methods

由图6可以看出,减速法与湿法收集的化学元素相关性最好(R2=0.99),其次为玻璃球法(R2=0.96),干法(R2=0.69)和过滤网法(R2=0.55).

由图7a可以看出,减速法和玻璃球法的富集因子,除As和Nb大于玻璃球法和干法外,其他均小于玻璃球法和干法.而对于常量元素的所有元素富集因子,减速法和玻璃球法与湿法几乎相同;但过滤网法和玻璃球法收集的降尘 MgO、CaO和 Na2O的含量与湿法相差差异较大,其他常量元素与湿法几乎相同(图7b).

图7 不同降尘收集方法元素差值Fig.7 The enrichment factor difference of the rare earth element abundances and major element compositions between reduction velocity method, net method, glass ball method, dry method and wet method

不同收集方法收集降尘物质的硅铝率和硅铝铁率亦不同.减速法收集的降尘的硅铝率与湿法差别最小(0.02),其次为玻璃球法(-0.71)、干法(0.72)和过滤网法(0.81).而不同降尘收集方法收集的降尘硅铝铁率变化规律与硅铝率有所不同,差异最小的是减速法(0.01),其次为过滤网法(-0.02),干法(0.28)和玻璃球法(-0.33).

综上所述,由不同降尘收集方法所收集的降尘物质粒度、化学元素含量、化学元素差值、以及不同收集方法之间的关系可以得出,湿法是最有效的降尘收集方法,其次为减速法、玻璃球法、干法和过滤网法.在西北干旱区,减速法能够代替湿法收集降尘.

3.2 降尘源区分析

降尘物质在风力作用下脱离地表后随气流输送,然后在重力作用下沉降在地表.所以降尘物质的理化性质通常能够反映降尘源区.Honda等[23]研究表明,腾格里沙漠地表沉积物SiO2含量为 82%,Al2O3含量为 8.9%,Fe2O3含量为 2.2%, MgO含量为0.8%,CaO的含量为0.9,Na2O含量为2.1%,K2O含量为2.1%.湿法收集的降尘常量元素 SiO2发生亏损最多(-2.7%),其次为Al2O3(-0.76%),K2O 的亏损最小(-0.01%).而Fe2O3,CaO和MgO,Na2O发生富集,其中MgO富集最大(0.95%),其次为 Fe2O3(0.83%),CaO(0.79%)和 Na2O(0.06%).已有研究表明,黄土粉尘在源区已经经历了去 Ca、Na阶段的化学风化过程[24],而导致降尘中Ca和Na的含量增加.不同收集方法获得的地球化学元素的差异,可能是由于不同收集方法所收集的降尘粒度差异造成的,研究(1998,2004)发现,地表沉积物粒径控制沉积物的理化性质,细颗粒沉积物的方解石(Calcite)含量较高,而粗颗粒沉积物的石英(Quartz)含量较高,SiO2随粒度减小而减少,但Fe2O3、MgO、CaO随粒度减小而增加[23,25].滤网法和干法所收集的降尘MgO、CaO和Na2O的含量与减速法、湿法和玻璃球法有明显的差异,由表1可知,湿法收集的降尘粒度最细,依次为减速法、玻璃球法、过滤网法和干法.过滤网法和干法收集的降尘粒度较粗,这意味着降尘粒度越粗,MgO、CaO和Na2O的含量越大,但SiO2和Al2O3含量越少,这个结论与 Honda等人(1998)对地表沉积物地球化学性质的分析既有相似又有不同,这可能是由于降尘的总体粒度要比地表沉积物粗.

4 结论

4.1 湿法收集的降尘粒度最细,依次为减速法、玻璃球法、过滤网法和干法.

4.2 大气降尘物质中微量元素Ba、Mn、Sr、P和Zr的含量大于100µg/g,其他元素的含量均小于 100µg/g.常量元素 SiO2的含量最大(79.30%),依次为Al2O3(8.16%),Fe2O3(3.06%),Na2O(2.06%), K2O(2.04%),CaO(1.25%)和MgO(0.98%).

4.3 减速法、湿法和玻璃球法收集的降尘化学元素具有相似的变化趋势,而干法和过滤网法具有相似的变化趋势.

4.4 由降尘粒度、元素含量、富集因子、元素差值和富集因子差值等参数可以看出,减速法和湿法具有相似的降尘收集效果.因此,减速法能够作为代替湿法在干旱地区进行降尘收集的方法.

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致谢：本文样品分析是由中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室孙忠老师和张彩霞老师处理,书写过程中得到山东农业大学董智教授的指点,在此特表谢意！

Effect of dust deposition collection method on dust physicochemical properties and its environmental significance.

ZHANG Zheng-cai*, DONG Zhi-bao (Key Laboratory of Desert and Desertification, Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China). China Environmental Science, 2014,34(12)：3034～3040

Using dust material collected in the Shapotou Aeolian Experiment Site in the southeastern part of the Tengger Desert, the dust particle sizes, chemical element composition, chemical enrichment factor, and Si/Al and Si/Al Feratios were analyzed. The aims of the study was to provide optimizational dust collection methods and confirm the dust sources. The content of the Ba was largest and was about 255～474µg/g, Nd was smallest and was about 0.3～9.6µg/g; the content of the SiO2was largest and was about 79.30%, and MgO was smallest and was 0.98%. The enrichment factors was between 0 and 3. The results indicated that the reduction velocity method and wet method caused similar changes to all studied parameters. The mean grain size was finest (Φ was 2.84) for the wet method and coarsest (Φ was 2.46) for the dry method. The reduction velocity method could be used to substitute for wet dust collection method for dust collection in dry regions. Based on chemical characteristics of the dust material, desert regions in northwestern China were the main dust sources.

dust；dust collection method；chemical properties

X513

A

1000-6923(2014)12-3034-07

张正偲(1979-),男,甘肃靖远人,副研究员,博士,主要从事风沙物理研究.发表论文50余篇.

2014-03-11

中国科学院“西部之光”项目;国家自然科学基金项目(41101007);国家国际科技合作专项项目(2011DFA11780)

∗ 责任作者, 副研究员, zhangzhsi@sina.com