帕米尔高原东部表层沉积物粒度特征及其迁移路径

李汉林, 何 清, 赵权威, 马明杰

(1.中国气象局 乌鲁木齐沙漠气象研究所/新疆塔克拉玛干沙漠气象国家野外科学观测研究站/中国气象局塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验基地/新疆沙漠气象与沙尘暴重点实验室, 新疆 乌鲁木齐 830002; 2.新疆维吾尔自治区气象服务中心, 新疆 乌鲁木齐 830002)

土壤粒度特征是环境研究中的重要课题，其作为土壤最基本的物理属性之一，对土壤水分运动、生产力和土壤风蚀等有重要影响[1-2]。中国西北干旱区是全球土壤风蚀最严重的区域之一。已有研究表明，昆仑山脉北坡土壤细粒度随着海拔的逐渐升高而增加[3]；在准噶尔盆地西南缘的艾比湖湿地，随着土壤盐渍化程度的加剧，黏粒含量不断增加，也越容易被侵蚀[4]；伊犁河谷地区表层土壤以粉沙和黏粒为主，土壤理化性质随着海拔升高，由西南向东北明显改善[5-6]；柴达木盆地东北部哈勒腾河流域表层沉积物主要由细沙组成，河流冲积物和山前风化剥蚀产物为其主要物源[7]。表层沉积物粒度特征是研究风动力变化的良好载体，然而，众多研究中缺少对帕米尔高原东部地区表层土壤粒度特性的分析。

1 研究区概况

帕米尔高原地区海拔较高，气候干旱，成壤作用弱，常年的风力侵蚀和人类活动对该区域表层沉积物产生重要影响[8-9]。帕米尔高原毗邻干旱半干旱沙漠地带，该地区是全球粉尘主要排放源区，生态系统退化，水土沙化严重，容易发生大规模起沙现象[10-11]，沙漠表层沉积物可通过气流搬运在帕米尔高原东部地表进行沉积，并对其地表特征、植被覆盖度、土壤黏土含量等有重要影响，因此有必要对其表层沉积物的来源路径进行解析。表层沉积物粒度特征是最为直观的高原特征之一，是影响高原地区表面空气动力学的主要因子，也是高原发育环境和发育历史的重要证据。帕米尔高原作为“中巴经济走廊”建设重点区域之一，在“丝绸之路经济带”中具有十分重要的地位和作用。本研究探讨帕米尔高原东部表层沉积物粒度特征及来源，旨在提高对中国西部高原地区沉积环境认知、判定物质运输方式，为国家生态环境建设提供参考。

2 材料与方法

2.1 研究区概况及资料来源

帕米尔高原位于亚欧大陆中部(73°40′—96°18′E，34°25′—48°10′N)，其东部位于中国境内的最西端，属高寒干旱气候，面积约2.00×104km2，平均海拔4 000 m，年平均气温3.5 ℃，年平均风速2.0 m/s，年平均降水量68.1 mm，北部为喀什噶尔和叶尔羌河冲击成的绿洲平原，东部为塔克拉玛干沙漠，南邻喀喇昆仑山。主要为高山寒漠景观，主要植被为矮小灌木以及刺雪属和刺豆属的垫状植物，主要土壤类型为山地棕钙土、山地棕漠土、山地栗钙土、高寒草甸土和草甸沼泽土等，地形开阔，已有中巴公路通过，是“中巴经济走廊”的关键区域[12-13]。

本研究所用土壤样品系沿国道314，从位于帕米尔高原东部的喀什市至帕米尔高原中部的红其拉普口岸(中巴公路)，据帕米尔高原东部的生态环境景观特征，选取有代表性的平原绿洲区、绿洲戈壁过渡带及高原寒旱区等景观，每隔10 km布设1个样点，取样点海拔高度为1 441～4 706 m，共计40个土壤样品，位置如图1a所示。采集样品前，利用GPS记录该样点的经纬度，采样深度为0—5 cm，采样面积为20 cm×20 cm，用采样铲刮取地表松散层沉积物，每个样品重量均在0.5 kg以上，分别进行密封包装与记录，并将土样带回中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室进行测量。

图1 帕米尔高原东部采样点分布及其海拔高度

后向轨迹模型所用帕米尔高原东部高原寒旱区PM10逐时数据来源于帕米尔高原大气成分观测站(2019年3月至2020年2月)，该站建于中国新疆喀什地区塔什库尔干塔吉克自治县(75.22°E，37.77°N；3 100 m)，简称“塔县”。平原绿洲区PM10逐时平均数据来自喀什市(75.99° E，39.47° N，1 289 m)3个环境监测站点逐时浓度的算术平均值(2019年9月至2020年8月)，喀什市与塔县海拔高度相差1 811 m，相距约300 km(图1b)。后向轨迹模型所用气象再分析资料来源于美国气象环境预报中心(NCEP)提供的全球资料同化系统(GDAS)气象再分析资料，空间分辨率为1°×1°，分为00：00，06：00，12：00，18：00 h UTC(世界时)4个时次，高度层为23层，气象要素包括温度、气压、水平和垂直风速等。

2.2 研究方法

表层沉积物粒度分析所用激光粒度仪为英国Malvern公司生产的Mastersizer 2000，测量范围为0.02～2 000 μm，重复测量误差小于3%。该仪器采用光学衍射或散射原理，具有测量范围广、精度高、速度快的优点[14]。文中粒径单位采用Φ值，该值是克鲁宾(Krumbein)根据伍登温德华(Udden-Wenworth)粒级标准，再通过Folk和Ward方法计算粒度参数[15-18]。其中，土壤的粒度分布(soil particle size distribution， PSD)依据国际制土壤质地分级标准，即黏粒(粒径<2 μm)，粉粒(粒径2～20 μm)和砂粒(粒径20～2 000 μm)。

后向轨迹模式全称为混合单粒子拉格朗日综合轨迹模式(HYSPLIT)，是美国国家海洋大气管理局(NOAA)和澳大利亚气象局联合研发的一种用于计算和处理大气污染物传输和扩散轨迹的专业模型，是具有处理多种气象要素输入场、多种物理过程和不同类型污染物排放源的综合模式系统[19-20]。

3 结果与分析

3.1 粒度参数分布特征

帕米尔东部表层沉积物40个样品的采集区域按照海拔高度及下垫面类型共分为A，B，C，D这4组，其中1—2号为A组(平原绿洲区：1 441.0～1 485.7 m)，3—13号为B组(绿洲戈壁过渡区：1 548.7～2 792.0 m)，14—27号为C组(戈壁高原过渡区：3 145.0～3 989.3 m)，28—40号为D组(高原寒旱区：3 082.5～4 706.3 m)，每组样品数分别为2，11，14，13个。由图2可知，帕米尔高原东部所采集所有表层沉积物样品平均粒径为3.62Φ(81.28 μm)，粒径范围为2.12Φ(229.78 μm)～5.63Φ(20.13 μm)，粒级跨度较大，依据国际制土壤质地分级标准，其表层沉积物粒径较粗，主要为砂粒，是构成该地区土壤固相骨架的基本颗粒[21-23]。帕米尔高原东部不同区域表层沉积物平均粒径由大到小分别为：A>C>B>D，A组土样平均粒径为2.64Φ(160.67 μm)，其粒径范围为2.38Φ(191.50 μm)～2.89Φ(134.81 μm)；B组土样平均粒径为3.72Φ(75.81 μm)，其粒径范围为2.17Φ(221.66 μm)～5.37Φ(24.24 μm)；C组土样平均粒径为3.24Φ(106.15 μm)，其粒径范围为2.12Φ(229.78 μm)～5.23Φ(26.72 μm)；D组土样平均粒径为4.10Φ(58.24 μm)，其粒径范围为2.70Φ(154.02 μm)～5.63Φ(20.13 μm)。帕米尔高原东部表层沉积物粒度组成是常年受风化侵蚀、堆积等地表过程与干旱多风的气候环境共同作用的结果，该地区的平原绿洲区的平均粒径最大，高原寒旱区的平均粒径最小，戈壁高原过渡区和戈壁绿洲过渡区的平均粒径居中，该地区表层沉积物粒径随海拔的逐渐升高而减小。由于帕米尔高原寒旱区海拔较高，表层沉积物常年受西风和东北风的风化分选，气流中携带的细小颗粒易在此受阻并沉降堆积，导致其平均粒径最小；平原绿洲区海拔最低，风沙天气活动频繁，当大风经过时，会携带表层小粒径沉积物，留下粒径相对较大的土壤，且绿洲地区的植被能够降低近地层风速，减少土壤风蚀量并拦截气流中的沙尘粗颗粒，导致其表层沉积物粒径相对较大[3]。帕米尔高原东部所有表层沉积物样品的标准偏差约为-1.79，范围为-2.58～-0.77，其中A组样品标准偏差范围为-1.64～-1.14；B组样品标准偏差范围为-2.39～-1.16；C组样品标准偏差范围为-2.58～-0.77；D组样品标准偏差范围为-2.27～-1.25。标准偏差可表征沉积物粒度相对于均值散布的远近，根据Folk和Ward分选性等级标准划分[21-23]，4组表层沉积物粒度标准偏差皆属于分选极好。帕米尔高原东部所有表层沉积物样品的偏度约为-0.31，范围为-0.64～-0.09，其中A组样品偏度范围为-0.29～-0.27，属于极负偏；B组样品偏度范围为-0.51～-0.14，属于极负偏至负偏；C组样品偏度范围为-0.64～-0.13，属于极负偏至负偏；D组样品偏度范围为-0.38～-0.09，属于负偏至近对称。偏度可定量表征沉积物粗细分布的对称程度，帕米尔高原东部表层沉积物粒度皆是负偏，表明在频率曲线上粗粒度端形成长尾，粗颗粒偏多，且分布更集中[21-23]。帕米尔高原东部表层沉积物样品平均峰度为1.18，峰度范围为0.77～1.78。4组表层沉积物样品平均峰度分别为1.54，1.15，1.24，1.09，取值范围分别为1.53～1.54，0.88～1.60，0.77～1.78，0.91～1.36。峰度可表征频率曲线上峰值的高低，根据Folk和Ward分选性等级标准划分[21-23]，A组全部属于尖锐型，B组属于平坦至尖锐型，C组属于平坦至很尖锐型，D组属于中等至尖锐型，所有样品多为尖锐峰。

图2 帕米尔高原东部表层沉积物粒度特征

3.2 粒度所反映的沉积环境分析

Sahu判别式[24]是萨胡通过对大量的砂石、砾石等碎屑物质进行分析建立的一系列判别公式。本文采用Sahu判别式(表1)对帕米尔高原东部表层沉积环境进行判别，将帕米尔高原东部表层沉积物粒度数据代入判别式中计算，以此检验其风成可能性。公式(1)计算结果显示-6.22-2.74，为海滩沉积环境，7.5%的表层沉积物样品Y1<-2.74，为风成沉积环境；公式(2)计算结果显示96.7265.37，为浅海沉积环境；公式3计算结果-55.89

由于Sahu判别式缺少湖相沉积环境判别式，而浅海环境与湖泊环境相似，区别在于沉积物的矿物成分和碳酸盐含量。从粒度的角度分析沉积环境，并没有涉及到沉积物的矿物成分和碳酸盐含量。塔县盆地位于帕米尔高原东部的塔什库尔干塔吉克自治县，该盆地第四纪覆盖严重，主要以晚第四纪以来发育的冲、洪积物，冰碛物和湖相沉积物为主，湖相地层主要以黏土、黏土质粉砂和粉砂组成，并在湖相地层中部发现含有贝壳和炭屑的薄层，沉积环境相对稳定[25-26]。因此，可以推测帕米尔高原东部表层沉积物主要为湖相沉积。

3.3 来源路径分析

帕米尔高原东部地表风蚀严重，植被覆盖度较低，其表层沉积物主要是砂粒，是沙漠的近源沉积，受搬运动力的作用强烈，可通过风力跃迁和悬移并沉积，从而影响其粒度组成。表层沉积物对局地大气粉尘载荷具有明显贡献，是研究风动力变化的良好载体。因此有必要通过气流轨迹探讨风成沉降对其表层沉积物组成的影响[29-30]。

本文分别以帕米尔高原东部高原寒旱区的塔县和平原绿洲区的喀什市为受点，模拟全年每日逐时(00：00—23：00北京时)到达两个受点的48 h后向气流轨迹进行聚类分析，由于粗颗粒PM10是沙尘天气主要大气颗粒物，其传输高度通常高于1 000 m，因此模拟高度选择为距地面1 000 m。将模拟的后向轨迹和沙尘颗粒中的主要成分PM10逐小时浓度数据结合进行统计分析，以定量表征不同轨迹对帕米尔高原东部PM10浓度的贡献水平，以此探讨不同输送路径对帕米尔高原表层沉积物的影响。从图3可以看出，到达帕米尔高原东部平原绿洲区的气流轨迹主要呈东西分布，各类气流所携带的PM10浓度从高到低依次为：轨迹2>轨迹6>轨迹1>轨迹4>轨迹3>轨迹5，大气颗粒物污染是制约喀什市发展的重要环境因素，污染性沙尘浓度较高，其中来自新疆西南部的气流(轨迹2和轨迹4)，在全年总气流轨迹中占比达41.5%，携带PM10浓度较高，分别为304.2和226.4 μg/m3，气流源地和途经区域是中国沙尘暴的主要源地塔克拉玛干沙漠，在浮尘、扬沙和沙尘暴等频发的沙尘天气下，可随动能较高的气流向喀什地区近距离搬运高浓度沙尘颗粒，且轨迹2和轨迹4轨迹较短，风速较小，移动速度较慢，区域气象条件稳定，不利于PM10稀释扩散，是影响帕米尔高原东部平原绿洲区PM10浓度的主要输送路径；其次是来自土库曼斯坦东部的气流(轨迹6)，携带PM10浓度较高，中亚地区的大沙漠卡拉库姆沙漠位于土库曼斯坦境内，沙漠地表是高浓度沙尘气溶胶源区，导致轨迹6同样是影响帕米尔高原东部平原绿洲区PM10浓度的主要输送路径；轨迹1，3在总轨迹中占比达42%，气流主要途经中亚干旱半干旱沙漠地带，裸露的地表常年受风化影响，有利于沙尘天气发生，故对应PM10浓度较高值(表2)。

图3 帕米尔高原东部平原绿洲区与高原寒旱区全年后向轨迹聚类分布对比

表2 帕米尔高原东部各类沉积物轨迹对应的PM10浓度统计结果

到达帕米尔高原东部高原寒旱区的气流主要向西南方向呈散射状分布，全年分布特征与其“西风—季风”协同作用相对应，各类气流所携带的PM10浓度从高到低依次为：轨迹4>轨迹3>轨迹2>轨迹5>轨迹1，其中来自中亚地区，途经塔吉克斯坦南部的气流(轨迹4，轨迹2)，在全年总气流轨迹中所占比例达37.0%，携带PM10浓度较高，盛行的西风急流易将中亚干旱半干旱沙漠地区的表土与细沙扬起，受高原独特地形影响，进一步抬升到达帕米尔高原东部，并与空气中的水蒸气凝结成核，发生湿沉降至地表形成积聚[31-33]；来自新疆西南部的气流(轨迹3)，携带PM10浓度较高(25.6 μg/m3)，帕米尔高原的存在对塔里木盆地内的局地环流形势有重要作用，塔里木盆地中央的塔克拉玛干沙漠是高浓度沙尘气溶胶源地，受近地面风场和昆仑山北坡高海拔地形的影响，在大风天气的起沙过程中，较强的东灌沙尘带可驱动弱沙尘带向帕米尔高原方向输送，随着大气的上升运动，在对流层中跨距离输送沙尘，通过沉降过程进入地表[19]；来自南亚方向的海洋气流(轨迹1，5)，携带PM10浓度较低，分别为5.2和23.3 μg/m3，气流可携带灰尘和海盐颗粒沉降至帕米尔高原东部地表，对其表层沉积物的粒度组成造成一定影响。

4 结 论

(1) 帕米尔高原东部表层沉积物平均粒径为3.62Φ(81.28 μm)，质地以砂粒为主，且粒径随海拔的逐渐升高而减小。

(2) 粒度标准偏差皆属于分选极好，粒度皆是负偏，分布更集中，峰度多为尖锐峰；通过Sahu判别式结合地质构造背景，初步推测该地区表层沉积物主要为湖相沉积。

(3) 帕米尔高原东部高原寒旱区表层沉积物远源风成沉降主要受来自中亚地区的西风气流影响，平原绿洲区主要受来自塔克拉玛干沙漠西侧沙尘颗粒物影响。

(4) 帕米尔高原东部处于生态环境脆弱区，应因地制宜制定土地利用规划，同时需防范中亚沙尘颗粒对其生态环境的影响。