去年春天，我國北方地區(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)為是過去十年來最大的一次。沉睡多年的大規(guī)模沙塵暴卷土重來，嚴(yán)重危害到人們的生產(chǎn)生活。那么粉塵的起源在哪里？搬運路徑是什么？傳輸機制怎么樣？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
都說地學(xué)工作者是“地球天書”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。
對于這場罕見沙塵暴的研究，多年來致力于沙漠系統(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)科研團隊在沙塵天氣來臨之前，根據(jù)預(yù)報提前布局，系統(tǒng)采集粉塵樣品。
當(dāng)沙塵暴發(fā)生時，西起嘉峪關(guān)、東至濟南橫跨1600多公里的不同地點的降塵，都成為了團隊的研究對象。楊小平介紹，團隊利用高時間分辨率的遙感數(shù)據(jù)、實時氣象數(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
這項綜合研究成果，不久前在知名期刊Science Bulletin（《科學(xué)通報》）上發(fā)表，團隊首次從科學(xué)角度全面系統(tǒng)闡明了2021年春季我國特大沙塵暴期間的粉塵釋放、傳輸及物質(zhì)交換過程。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，國際知名科研機構(gòu)根據(jù)衛(wèi)星影像發(fā)文稱，本次沙塵暴起源于中國西部的塔克拉瑪干沙漠并自西向東傳播，擴散到整個東亞地區(qū)。但是楊小平團隊根據(jù)已有的經(jīng)驗，認(rèn)為這一觀點并不準(zhǔn)確。而隨著研究的深入，浙大團隊確證：這次罕見沙塵暴由蒙古國中南部向中國北方邊境呈輻射狀傳播。
2021年特大沙塵暴沙塵起源、實時傳輸路徑
為了定量評估不同潛在沙塵暴來源對這次降塵的貢獻(xiàn)，浙大研究團隊對高度混合、看起來很不起眼的粉塵樣品開展了鍶-釹同位素研究。他們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)樣品難以僅用中國境內(nèi)的源區(qū)來解釋，遠(yuǎn)源的蒙古國貢獻(xiàn)明顯。更令人驚訝的是，逢沙塵暴必被懷疑是“元兇”的庫布齊沙漠和毛烏素沙地對本次粉塵幾乎沒有貢獻(xiàn)。
楊小平說：“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，由于過去幾十年來的國家防沙治沙政策，使得毛烏素沙地及庫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PM10濃度隨時間變化過程(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，曾經(jīng)以“眼見風(fēng)來沙旋移，經(jīng)年不省草生時”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)識氣候變化過程與機制的關(guān)鍵切入點，而且能為國家防沙治沙、改善生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)支撐。
視頻顯示，呼倫貝爾沙地在國家退牧還草政策落地以來，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
過去幾年，楊小平團隊在國家科技基礎(chǔ)資源調(diào)查專項資助下，建立了比較完備的中國北方沙漠沙地球化學(xué)組成數(shù)據(jù)庫。這就像一個基因庫，為粉塵來源研究建立了對照樣本。
在采集的眾多樣品中，有一個來自內(nèi)蒙古包頭市的樣品十分特殊。
根據(jù)數(shù)據(jù)庫比對，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，是我國輕稀土工業(yè)中心。通過文獻(xiàn)調(diào)研，楊小平團隊發(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，沙塵暴示蹤研究的一個難點就在于物質(zhì)高度混合，本地物源的貢獻(xiàn)難以被定量評估?！睏钚∑秸f，正是因為輕稀土元素富集這一包頭特有的現(xiàn)象，團隊利用質(zhì)量守恒原理和自展法抽樣(Bootstrap sampling)技術(shù)，計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，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“秘密”。
這項研究受到國家科技基礎(chǔ)資源調(diào)查專項(2017FY101000)、國家重點研發(fā)計劃政府間合作項目(2019YFE0124900)和國家自然科學(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/圖片由受訪團隊提供)
