去年春天，我國(guó)北方地區(qū)頻頻受到沙塵天氣襲擾，其中3月份發(fā)生的特大沙塵暴被認(rèn)為是過(guò)去十年來(lái)最大的一次。沉睡多年的大規(guī)模沙塵暴卷土重來(lái)，嚴(yán)重危害到人們的生產(chǎn)生活。那么粉塵的起源在哪里？搬運(yùn)路徑是什么？傳輸機(jī)制怎么樣？受到各方的廣泛關(guān)注。
沙塵雖主要源于干旱、半干旱區(qū)，但其影響區(qū)域大、范圍廣
“抓住”塵埃
都說(shuō)地學(xué)工作者是“地球天書(shū)”的解謎者，他們從一粒微塵、一塊巖石出發(fā)，去探究地球的奧秘。
對(duì)于這場(chǎng)罕見(jiàn)沙塵暴的研究，多年來(lái)致力于沙漠系統(tǒng)及其環(huán)境效應(yīng)研究的浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院楊小平教授，帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)在沙塵天氣來(lái)臨之前，根據(jù)預(yù)報(bào)提前布局，系統(tǒng)采集粉塵樣品。
當(dāng)沙塵暴發(fā)生時(shí)，西起嘉峪關(guān)、東至濟(jì)南橫跨1600多公里的不同地點(diǎn)的降塵，都成為了團(tuán)隊(duì)的研究對(duì)象。楊小平介紹，團(tuán)隊(duì)利用高時(shí)間分辨率的遙感數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)，并結(jié)合所獲珍貴樣品的微量/稀土元素組成、鍶-釹(Sr-Nd)同位素比值等數(shù)據(jù)，對(duì)這次沙塵暴事件進(jìn)行了系統(tǒng)分析。
楊小平教授（右四）與梁鵬博士（右三）等在野外考察期間合影
這項(xiàng)綜合研究成果，不久前在知名期刊Science Bulletin（《科學(xué)通報(bào)》）上發(fā)表，團(tuán)隊(duì)首次從科學(xué)角度全面系統(tǒng)闡明了2021年春季我國(guó)特大沙塵暴期間的粉塵釋放、傳輸及物質(zhì)交換過(guò)程。課題組博士后梁鵬為論文第一作者，楊小平教授為通訊作者，多位研究生參與其中。
立體“解謎”
沙塵暴發(fā)生的第二天，國(guó)際知名科研機(jī)構(gòu)根據(jù)衛(wèi)星影像發(fā)文稱，本次沙塵暴起源于中國(guó)西部的塔克拉瑪干沙漠并自西向東傳播，擴(kuò)散到整個(gè)東亞地區(qū)。但是楊小平團(tuán)隊(duì)根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為這一觀點(diǎn)并不準(zhǔn)確。而隨著研究的深入，浙大團(tuán)隊(duì)確證：這次罕見(jiàn)沙塵暴由蒙古國(guó)中南部向中國(guó)北方邊境呈輻射狀傳播。
2021年特大沙塵暴沙塵起源、實(shí)時(shí)傳輸路徑
為了定量評(píng)估不同潛在沙塵暴來(lái)源對(duì)這次降塵的貢獻(xiàn)，浙大研究團(tuán)隊(duì)對(duì)高度混合、看起來(lái)很不起眼的粉塵樣品開(kāi)展了鍶-釹同位素研究。他們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)樣品難以僅用中國(guó)境內(nèi)的源區(qū)來(lái)解釋，遠(yuǎn)源的蒙古國(guó)貢獻(xiàn)明顯。更令人驚訝的是，逢沙塵暴必被懷疑是“元兇”的庫(kù)布齊沙漠和毛烏素沙地對(duì)本次粉塵幾乎沒(méi)有貢獻(xiàn)。
楊小平說(shuō)：“包括云-氣溶膠激光雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)分析在內(nèi)的多角度研究均證實(shí)，由于過(guò)去幾十年來(lái)的國(guó)家防沙治沙政策，使得毛烏素沙地及庫(kù)布齊沙漠的粉塵釋放得到了有效抑制?！?/p>
MODIS影像顯示的“3.15”特大沙塵暴影響區(qū)域（a）、不同地點(diǎn)PM10濃度隨時(shí)間變化過(guò)程(f)、以及CALIPSO數(shù)據(jù)顯示的沿不同軌跡粉塵的垂直分布范圍（g）
可以說(shuō)，曾經(jīng)以“眼見(jiàn)風(fēng)來(lái)沙旋移，經(jīng)年不省草生時(shí)”為特征的沙漠，舊貌已經(jīng)部分換上了新顏。楊小平認(rèn)為沙漠是巖石土壤、氣候、水文等多要素相互作用的產(chǎn)物。沙漠、沙塵暴研究不僅是認(rèn)識(shí)氣候變化過(guò)程與機(jī)制的關(guān)鍵切入點(diǎn)，而且能為國(guó)家防沙治沙、改善生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)支撐。
視頻顯示，呼倫貝爾沙地在國(guó)家退牧還草政策落地以來(lái)，地表植被覆蓋度已明顯增加，但由于風(fēng)蝕作用，漸已固定的沙丘上仍然出現(xiàn)新的風(fēng)蝕坑
“意外”收獲
過(guò)去幾年，楊小平團(tuán)隊(duì)在國(guó)家科技基礎(chǔ)資源調(diào)查專項(xiàng)資助下，建立了比較完備的中國(guó)北方沙漠沙地球化學(xué)組成數(shù)據(jù)庫(kù)。這就像一個(gè)基因庫(kù)，為粉塵來(lái)源研究建立了對(duì)照樣本。
在采集的眾多樣品中，有一個(gè)來(lái)自內(nèi)蒙古包頭市的樣品十分特殊。
根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)，他們發(fā)現(xiàn)，包頭沙塵暴樣品的輕稀土元素相比于上地殼富集約3倍，而其它樣品地球化學(xué)組成均與上地殼相似。包頭被稱為稀土之都，是我國(guó)輕稀土工業(yè)中心。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，楊小平團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)包頭日常背景粉塵的輕稀土元素含量相比于上地殼富集5-10倍，這表明沙塵暴期間外來(lái)源的沙漠粉塵稀釋了異常高輕稀土含量的本地粉塵。
2021年特大沙塵暴期間不同采樣地點(diǎn)所獲樣品的稀土元素配分模式（a）及粒度分布曲線(b)
“一直以來(lái)，沙塵暴示蹤研究的一個(gè)難點(diǎn)就在于物質(zhì)高度混合，本地物源的貢獻(xiàn)難以被定量評(píng)估。”楊小平說(shuō)，正是因?yàn)檩p稀土元素富集這一包頭特有的現(xiàn)象，團(tuán)隊(duì)利用質(zhì)量守恒原理和自展法抽樣(Bootstrap sampling)技術(shù)，計(jì)算了包頭樣品的本地和外部物源貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)本地物源貢獻(xiàn)約為26%，而外源貢獻(xiàn)可高達(dá)74%。
這一發(fā)現(xiàn)十分難得。楊小平說(shuō)，這正是第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)、自然地理學(xué)研究的魅力所在，利用不同證據(jù)相互印證，揭示同一個(gè)“秘密”。
這項(xiàng)研究受到國(guó)家科技基礎(chǔ)資源調(diào)查專項(xiàng)(2017FY101000)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃政府間合作項(xiàng)目(2019YFE0124900)和國(guó)家自然科學(xué)基金(42001003；41672182)的資助。
論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.08.014
（文 柯溢能/圖片由受訪團(tuán)隊(duì)提供)
