芜湖市春夏季大气干降尘的粒径特征及其环境意义

杨立辉，顾李颖，苏 优

（1.安徽师范大学国土资源与旅游学院，安徽 芜湖241003；2.安徽省自然灾害过程与防控研究省级重点实验室，安徽 芜湖241003）

大气降尘是指自然降落于地表的空气颗粒物。大气降尘作为一种物质与能量传输的重要媒介，是气候变化研究的重要组成部分，其不但可以直接或者间接地对气候系统施加影响，而且对气候变化的响应也极为敏感［1-4］。春季是中国沙尘暴频发季节，沙尘可以被输送到长江中下游地区，随雨水降落地表，形成大气降尘。统计显示，每年由我国西北及内蒙古、蒙古国等地的沙尘越过秦岭抵达长江中下游地区所形成的浮尘天气在5d以上［5］，并且在上海的大气湿降尘中含有较多来自西北干旱、半干旱区远源输入的颗粒物［6］。芜湖位于长江下游地区，其大气降尘的来源及其动力特征尚未见详细报道。

1 样品采集和分析方法

1.1 样品采集

采样点位于安徽省芜湖市安徽师范大学校园内，采样点在距离地面12m高的楼顶，周围有高层楼房施工，无大型工厂及烟囱。使用乙二醇（C2H6O2）水溶液进行湿法收集，乙二醇的加入量为60～80mL，根据不同季节的蒸发量与降水量，酌情加蒸馏水50～200mL。

1.2 分析方法

用美国贝克曼公司生产的LS200激光粒度分析仪测量，测量区间为0.4～2 000μm。前处理为：将收集到的样品称取2～3g放入烧杯内，加入10mL浓度为10%的双氧水（H2O2）煮沸，使其充分反应除掉有机质。然后冷却再加入10mL浓度为10%的盐酸（HCl）煮沸除掉碳酸盐，冷却后再注入蒸馏水静置24h。用注射器抽出上层蒸馏水，加入10mL浓度为0.05mol／L的六偏磷酸钠作为分散剂，用超声波振荡10min后上机测量。粒度参数计算参考国家海洋局编写的《海洋地质调查技术规范》［7］，规定粒度参数的矩法数学计算公式。计算公式如下：

xi为粒级组中值（φ），fi为频率百分数，Mz为平均值，Sd为分选系数，Sk为偏度，Ku代表尖度。

2 结果与讨论

2.1 降尘的粒度特征

粒度分析结果见表1。从表1中看出，春夏季大气降尘以小于50μm为主，除6月份外，都达到了70%以上。其中10～50μm颗粒含量都在50%左右，与马兰黄土、下蜀黄土和宣城网纹红土较为接近；小于10μm颗粒除4月份外均未超过30%，4月份含量高达37%，与马兰黄土接近；大于50μm颗粒含量较马兰黄土、下蜀黄土、宣城网纹红土高得多，特别是马兰黄土、下蜀黄土、宣城网纹红土几乎不含大于100μm粒径的颗粒，而芜湖大气降尘中含量较多。

表1 各月粒径参数平均值

据风洞研究成果［8］，一个颗粒被风启动后，会以蠕移、跃移和悬移3种形式移动，其中悬移搬运距离最远。50～10μm是悬移搬运的“基本粒组”，主要以短期悬浮形式移动，搬运距离较短。在中性大气的中等风暴里，20μm的颗粒不可能迁移到离源区30km以外的地方，而小于10μm的颗粒则可以长期悬浮状态被搬运到数千千米之外的其他地区。

被启动的颗粒在移动一定距离后，在合适的条件下发生沉降。粗粒灰尘（约＞20μm）主要通过重力作用或者颗粒与粗糙的、湿性的或带相反电荷的地表碰撞而被俘获。细粒灰尘（约＜20μm）主要以2种形式发生沉降，一是颗粒通过相互碰撞和吸附或者静电吸附等作用形成大颗粒后通过重力沉降，该形式的主要影响因素是粉尘颗粒在空间的浓度；二是由降水直接把颗粒从大气悬浮态中淋洗下来［9］。由于本次实验样品采用干法收集，排除降水及地面因素的影响，本次实验样品可视为重力沉降灰尘。因此推断，在芜湖大气降尘中占大多数的大于10μm组分应当来自芜湖周边地区，在风力作用下，通过蠕移、跃移和短期悬移方式移动，并在重力作用下沉降；小于10 μm的颗粒其来源与下属黄土、马兰黄土相似，为一种搬运距离和搬运高度相对较大的常态粉尘物质；对于芜湖4月份大气降尘中小于10μm颗粒组分的大幅增加，则是因为大气中10μm颗粒的浓度增加。在周围环境及气候条件未发生重大变化的前提下，高浓度的细粒浓度的增加只能由其他风尘源地输送而来。北方沙尘暴研究表明，4月份为我国沙尘暴高发月份，北方沙尘有能力通过风力到达长江下游的芜湖并逐渐沉积。强风吹起西部和北部荒漠地区的沙尘，有时可进入3 500m的高空，达到西风急流带。在3 500～7 000m高空，西风急流在青藏高原以北的一支，从西北沙漠、戈壁地区偏向东南，携带这些高空粉尘向东南搬运，并主要在黄土高原一带（东南边界最远可达长江下游）飘落下来，形成扬沙降尘的天气现象。张德二等通过对历史资料的细致梳理发现，历史时期中国东部沙尘天气记录的南界大致沿长江流域南侧分布，最南位置可达到23.5°N，北方干旱时段，沙尘南界在28°N，在湿润期北移到31°N沿长江一线甚至更北［10］，台湾大鬼湖的沉积物中也保留有源自大陆的沙尘记录［11］。

此外，长江中下游地区广泛分布的第四纪网纹红土，其成因一直有水成和风成之争，较多的研究支持其风成成因并且认为其物源区与北方典型黄土相似，本次研究也佐证了，长江中下游地区第四纪网纹红土风成成因的可能性。

平均粒度（Mz）在29.17%～58.85%之间，4月份最小，均大于马兰黄土、下蜀黄土、宣城网纹红土，这一指数表示样品平均粒度的大小，反映搬运介质的平均动能；分选系数（Sd）用标准偏差表示，是分选性的指标，用来区分沉积物颗粒大小的均匀程度，数据越小，代表粒度分布越集中，分选越好。芜湖大气降尘在1.94%～2.04%之间，马兰黄土最高为2.96，反映了马兰黄土距离源区较近，分选较差。下蜀黄土与宣城网纹红土则与芜湖大气降尘较为接近；偏度（Sk）是用来表示沉积物粒度频率曲线对称性的参数，反映了芜湖大气降尘较马兰黄土、下蜀黄土、宣城网纹红土粒度分布更加不对称；尖度或峰度（Ku）是刻画数据在平均粒度两侧集中程度的参数，芜湖大气降尘的峰态较网纹红土窄，说明样品粒度分布集中，也说明至少有一部分沉积颗粒物是未经环境改造而直接进入环境的。

2.2 降尘的粒度频率分布曲线

粒度模拟研究表明，单峰的频率曲线通常出现在只有单一碎屑物质来源、而且经过较长距离搬运的沉积物中，多峰及过渡型的粒度分布是由2个或更多粒度“终极成分分布型”叠加而成［12］。在频率分布曲线图（图1）上，芜湖大气降尘，主要呈现多峰分布，其粒度分布第一众数不突出、正偏态、有一较长的细尾为特征，且粒度集中在粗粒端。这种特征说明粉尘在沉积之前，未经过充分混合分选较差。但从频率曲线不难看出，由众数值向两端粒度变化速度不同。由众数值向粗粒端，粒径迅速减小，曲线平滑而陡峭；由众数值向着细粒端，粒径的减小速度缓慢。在细粒部分出现了一个明显的平台。这可能是大气降尘中一种常态化的远源高空沉积。比较而言，三、四月份的频率累计曲线上，第一众数较其他月份小。另外，大气降尘通常粒径在350μm以下，而芜湖市大气降尘却包含了小部分的350μm以上的组分，说明人类的生产活动对大气降尘有着很重要的影响。

图1 不同月份之间粒径频率分布对比图

2.3 粒度结构参数散点图

在粒度研究中经常采用结构参数散点图来区分不同成因的沉积物以及它们形成或搬运时的不同沉积环境类型。结构参数散点图有平均粒径对分选系数标准差，平均粒径对偏度，平均粒径对峰态，标准差对偏度，标准差对峰态，偏度对峰态等。从芜湖大气降尘粒度结构参数散点图（图2）可以看出，4月及部分3、5月份的粒度参数与其他月份的粒度参数并有明显界限，而又与其他月份发生相对分离。这说明4月及部分3、5月份的大气降尘的沉积动力类型是一致的，均为粉尘沉积，而4月及部分3、5月份的降尘来源与其他月份有差异。

图2 芜湖市大气降尘粒度结构参数散点图

3 结论

综上所述，研究区域的大气降尘粒度变化规律及环境意义可概括为：

（1）以4月份为代表的春季大气降尘的粒度组成特征与其他月份有显著差异，表现为细粒组分的突然增加及粒度结构散点图的分离。究其原因，可能为北方沙尘天气下，扬尘中的细粒组分通过西风急流被输送到远在长江下游地区的芜湖，导致芜湖大气中粒径＜20μm灰尘颗粒含量增加，由布朗运动、层流剪切、紊流运动或通过双极性静电荷出现而发生碰撞和聚合而被沉积。

（2）芜湖大气降尘中以本地尘源为主。表现为粗粒径含量多，分选差，其中跃移或短时悬浮＞20μm颗粒物占到了总含量的46.74%～78.31%，除4月份外，均超过50%。

（3）芜湖大气降尘的粒度中粗粒含量较高。大气降尘通常粒径在350μm以下，而芜湖市大气降尘却包含了小部分的350μm以上的组分，说明人类的生产活动对大气降尘有着很重要的影响。

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