土壤风蚀中粉尘释放问题的研究进展_王仁德.pdf
《土壤风蚀中粉尘释放问题的研究进展_王仁德.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《土壤风蚀中粉尘释放问题的研究进展_王仁德.pdf(19页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 43 卷第 2 期2023 年 3 月中国沙漠JOURNAL OF DESERT RESEARCHVol.43No.2Mar.2023王仁德,李庆,常春平,等.土壤风蚀中粉尘释放问题的研究进展 J.中国沙漠,2023,43(2):85-103.土壤风蚀中粉尘释放问题的研究进展王仁德1,李庆1,常春平2,郭中领2,李继峰2,邹学勇3,张春来3,苑依笑3,刘颖3,周娜4(1.河北省科学院 地理科学研究所/河北省地理信息开发应用工程技术研究中心,河北 石家庄 050011;2.河北师范大学 资源与环境科学学院/河北省环境演变与生态建设省级重点实验室,河北 石家庄 050024;3.北京师范大学
2、地理科学学部/地表过程与资源生态国家重点实验室/防沙治沙教育部工程研究中心,北京 100875;4.河北经贸大学 管理科学与工程学院,河北 石家庄 050000)摘要:土壤风蚀中的粉尘释放问题是国际风沙研究的核心课题之一,近年来研究进展很快,但对研究进展的介绍还不够系统和全面。基于此,对国内外土壤风蚀中粉尘释放问题的研究历史进行了较为全面的梳理,首次进行了阶段划分,提炼了各阶段的主要研究成果,介绍了当前对粉尘释放机制的一些新认识;在对粉尘释放模型重新分类的基础上,介绍了各类模型的建模过程、优缺点及其在全球粉尘模型和区域粉尘模型中的应用。本文还提出了当前粉尘释放研究的一些热点和难点问题,希望能为
3、相关学者开展该领域研究工作提供一定的参考。关键词:土壤风蚀;粉尘释放;研究历史;释尘机制;粉尘模型文章编号:1000-694X(2023)02-085-19DOI:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00094中图分类号:P931.3文献标志码:A0绪论土壤风蚀过程中产生的风蚀物按运动方式,可分为蠕移、跃移和悬移3种颗粒物类型1。其中,粒径较小、可在空中远距离搬运的悬移颗粒被称为粉尘2。目前学术界对于粉尘粒径并没有明确的界定。不同学者根据各自研究目的,分别将进入大气的粒径10、15、20、30、50、63、70 m的颗粒物定义为粉尘3-9。粒径2070 m的颗粒可在空中
4、停留数小时,粒径20 m的极细颗粒可在空中停留数天甚至数周10,因此,沙尘暴研究中将粉尘粒径确定为70 m,全球粉尘循环研究中将粉尘粒径确定为20 m是较为合适的。但在实际工作中,由于现有的粉尘测量仪器主要是从大气环境监测工作发展而来,而释放粉尘对大气环境的影响又是大家关注的重点,因此,用于反映大气颗粒物污染程度的指标,粒径10 m的颗粒物(PM10)成为当前国内外粉尘研究的主要对象。与只在近地表运动的跃移颗粒不同,粉尘颗粒搬运距离大,环境影响范围广。粉尘的环境影响主要反映在3个空间尺度上。在局地尺度,由于土壤养分主要存在于细颗粒中,干旱、半干旱地区风蚀造成的大量粉尘流失使得土壤更加贫瘠,加剧
5、土地荒漠化11-12。在区域尺度,风蚀事件中粉尘的集中排放造成沙尘暴的发生,污染大气环境,危害人体健康13-15。在全球尺度,自然地表释放的粉尘是大气气溶胶的主要来源之一,占全部大气气溶胶的20%50%16。这些粉尘气溶胶通过吸收和散射长波及短波辐射,直接改变大气辐射收支平衡,进而引起全球气候系统的调整与变化17-18;通过吸收太阳辐射,改变大气稳定性,从而影响云的形成19;作为云的凝结核和冰核,间接改变云的性质和降水量20-21(图1);长距离输送注入海洋的粉尘则影响海洋生物量和海洋生物地球化学过程22。总之,土壤风蚀中释放的粉尘在大气物理和大气化学过程以及全球生态系统中扮演着重要角色,是当
6、今国际社会认识地球-气候系统变化规律的核心课题之一23-24。为了定量评价粉尘的气候与生态环境效应,提收稿日期:20220718;改回日期:20220810资助项目:国家自然科学基金项目(42077069)作者简介:王仁德(1980),男,河北黄骅人,博士,研究员,主要从事土壤风蚀与粉尘释放方面的研究。E-mail:网络首发时间:2022-10-14 10:08:24网络首发地址:https:/ 43 卷高风沙灾害的预测预报水平,迫切需要加强对地表粉尘释放、传输和沉降规律的认识。其中粉尘释放研究是粉尘传输和沉降研究的重要基础,近年来非常受关注。国内已有文章就粉尘释放问题的某些方面,如粉尘释放机
7、制24、粉尘释放模型25、粉尘释放野外观测26等进行介绍,但还不够系统和全面。另外,近年来国际上该问题的研究发展较快,一些新理论和新成果需要跟进和总结。基于此,本文对国内外土壤风蚀中粉尘释放问题的研究进展进行梳理,归纳粉尘释放问题的研究历史,介绍当前对粉尘释放机制的新认识,比较各类粉尘释放模型的优缺点,指出目前粉尘释放研究中的一些热点和难点问题,以期为中国土壤风蚀中粉尘释放问题研究的进步提供参考。1粉尘释放问题的研究历史尽管早在 2000 年前就有粉尘事件的历史记录27,但对粉尘的科学研究大约只有200多年的历史25,对粉尘释放问题的研究则是在土壤风蚀研究基础上逐步发展起来的,只有不到百年的时
8、间。目前,粉尘释放已成为土壤风蚀研究的一个重要分支,并逐步建立起自己的理论和方法体系。为了更好地把握粉尘释放问题研究的历史发展脉络,综合考虑研究目的、研究内容和研究方法等因素,本文对其研究历史进行了阶段划分,认为大体可分为3个阶段。20 世纪 3060 年代为与风蚀混合研究阶段。这一时期尽管尚未将粉尘释放作为一个独立的地表过程进行专门研究,但Bagnold等1在风沙物理领域所做的开创性工作和Chepil28-29对农田风蚀进行的系统研究,为粉尘释放问题研究奠定了基础和理论框架。这一时期取得与粉尘释放相关的重要研究成果包括:通过对风蚀颗粒运动方式的划分,明确了粉尘释放物理机制和环境影响的特殊性1
9、;在土壤风蚀可蚀性研究中,发现由于颗粒间的黏结力较大,粉尘的临界起沙风速高于部分跃移颗粒1,28-29;这一时期建立的一些输沙通量方程1,30,成为当前若干粉尘释放模型的重要组成模块;确定土壤养分主要富集于细颗粒中,粉尘释放造成的土壤细颗粒损失是土壤结构变坏、肥力下降的主因31;对影响土壤风蚀的一系列因素展开了全面研究32,取得的一些认识和建立的部分定量关系同样适用于粉尘释放过程。20世纪7080年代为单独实验研究阶段。这一时期随着粉尘测量技术的进步和对沙尘造成大气污染问题的日益重视,开展了较多专门针对自然地表粉尘释放过程的实验研究,推动了粉尘释放研究的独立发展,其中的代表人物是美国学者 Gi
10、llette。这一时期取得的主要研究成果包括:通过野外观测和室内风洞实验,较系统地分析了粉尘释放通量与风速及土壤质地的关系,确定粉尘释放通量与风速的n次方成正比,其中的n为2533-37;通图1粉尘与气候和生物地球化学之间相互作用示意图21Fig.1Schematic of interactions between dust and climate and biogeochemistry2186第 2 期王仁德等:土壤风蚀中粉尘释放问题的研究进展过野外实验研究,提出粉尘释放的可能机制是跃移颗粒的冲击作用,这是最早关于粉尘释放机制的认识38-39;为了表征跃移颗粒冲击作用强度与粉尘释放强度的关系
11、,提出跃移冲击效率的概念,并认为其与土壤质地、矿物组成、风速和土壤湿度等因素有关33。利用湍流动量输送原理,提出根据观测粉尘浓度梯度和湍流通量计算粉尘释放通量的方法,该方法是迄今粉尘释放野外观测最主要的手段40;Gillette等41在实验的基础上,结合他人的观测数据,提出了第一个经验性的粉尘释放模型。20世纪90年代至今为物理机制与模型研究阶段。这一时期随着风洞实验手段的日臻成熟,通过控制性实验深入探究粉尘释放物理机制成为可能,而对生物地球化学循环及全球气候变化问题的关注,则极大地促进了粉尘释放模型的开发与应用。这一时期是粉尘释放问题研究的高速发展期,以Shao为代表的一批科学家做出了重要贡
12、献,取得的主要研究成果包括:通过一系列风洞实验和理论推导,逐步发展和完善了粉尘释放的跃移冲击理论10,42-43;在对粉尘释放物理机制认识的基础上,开发出若干理论性或半经验性的粉尘释放模型44-48;应用已建立的粉尘释放模型,结合气象、遥感及实测数据,广泛开展了大区域尺度的粉尘释放量估算工作49-52;将粉尘释放模型与大气循环模型、大气污染模型相结合,发展出一系列的全球粉尘循环模型及沙尘预报模型,成为研究粉尘环境影响的重要手段53-56;重视对不同地类粉尘释放特征差异性的认识,开展了较多针对沙漠、戈壁、农田、干湖盆等重要尘源的相关研究工作9,57-61。2对粉尘释放机制的认识土壤风蚀及粉尘释放
13、是近地表气流与土壤界面相互作用的连续动力学过程,受到风力侵蚀力、粗糙干扰力和土壤抗蚀力的共同作用62。其中,土壤抗蚀力主要由土壤颗粒的重力和相互间的内聚力决定63-64。粒径70100 m的土壤颗粒具有最小的重力与内聚力组合,临界起沙风速最低。随着土壤粒径的进一步增加,临界起沙风速因土壤颗粒重力的增加而增大;随着土壤粒径的进一步减小,临界起沙风速因土壤颗粒间内聚力的增加而增大1,65-67。因此,当风速增大到一定程度后,粒径70100 m的土壤颗粒首先被搬运,并在近地表做跃移运动。这些跃移颗粒回落地面,以一定的角度撞击地表,产生较强的冲击作用68-71。这种冲击作用一方面使数量更大、粒径范围更
14、广的土壤颗粒脱离地表而开始运移,另一方面使部分团聚体破碎而释放粉尘。这一过程中产生的粉尘一部分来源于跃移颗粒撞击地表导致的土壤表面粉尘的释放,另一部分来源于跃移团聚体自身的破碎和粉尘释放,分别被称为粉尘释放的跃移冲击机制和团聚体破碎机制,二者共同构成了粉尘释放的跃移冲击理论(Saltation bombardment theory)42,47,72。跃移颗粒占全部土壤风蚀物的50%90%1,73。目前普遍认为,跃移颗粒对地表的冲击作用是粉尘释放的主要机制,这得到大量验证3,10,34,39,42-43,68,74-78。粉尘可直接通过空气动力学抬升而从地表扬起,但由于尘粒间的内聚力较大,通常情
15、况下,土壤表面的粉尘或者形成团聚体,或者附着在大颗粒表面,自由存在的数量较少,因此,通过空气动力学抬升机制释放的粉尘占比较小42,74,79。Shao10总结已有研究成果,认为粉尘释放机制包括空气动力学抬升、跃移颗粒冲击和团聚体破碎3种形式,以后两种为主(图2)。但近年来的一些研究表明,空气动力学抬升是无结皮细土80、黏质农田土81、沉积黄土82等土壤表面粉尘释放的主要机制。Kok48通过对比团聚体破碎机制与脆性材料破碎过程,提出粉尘释放的脆性破碎理论(brittle fragmentation theory),认为对于团聚体发育的土壤,粉尘释放主要产生于团聚体的脆性破碎过程。可见,不同性质土
16、壤表面的主导粉尘释放机制可能是不同的9。对于松散沙质土壤,粉尘释放机制主要是沙粒冲击引起的土壤表面粉尘的分离和释放83-84;对于团聚体发育图2土壤风蚀中的粉尘释放机制10Fig.2Mechanisms for dust emission1087中国沙漠第 43 卷的土壤,粉尘释放机制主要是跃移颗粒冲击导致的团聚体破碎48,85;对于跃移颗粒供应受限的土壤,粉尘释放机制主要是空气动力学抬升8,78,86-87。自然界的大多数土壤,既包含引发冲击机制的沙粒,也包含引发破碎机制的团聚体和空气动力学抬升机制的尘粒,因此,上述3种粉尘释放机制都在不同程度地发挥作用。对不同性质土壤表面粉尘释放机制的认识
17、仍是目前国内外同行关注的重点。3粉尘释放模型3.1粉尘释放模型的分类粉尘环境影响的广泛性使得大区域尺度的粉尘释放预测预报成为迫切需求,而模型模拟则是解决这一问题最有效手段。因此,国内外学者根据各自研究目的、工作基础及建模思路的不同,开发出多种形式的粉尘释放模型。通过对这些模型的梳理,借鉴已有的模型分类成果88,本文认为可将现有的粉尘释放模型分为基于直接观测的模型、基于物理机制的模型和基于风蚀模型的模型3类。3.1.1基于直接观测的粉尘释放模型这类模型是基于对粉尘释放通量及其影响因素直接观测得出的模型,其中的代表是Gillette等41建立的模型(简称G-P模型)。20世纪70年代,Gillet
18、te3,89开展了迄今为止最为全面和综合的粉尘释放野外观测工作,检验了一系列农田土壤表面粉尘释放通量与摩阻风速的关系,发现尽管粉尘释放通量与摩阻风速呈幂函数关系,但结果的离散性较大,幂指数在25变化。基于实验数据89-91和Owen的理论41,将粉尘释放通量表达为摩阻风速的4次幂函数,并建立了关系方程(表1)。G-P模型有风洞实验和外场观测结果证实,输入参数少,形式简单,应用方便,至今仍被应用在许多全球粉尘循环模型的粉尘释放模块中25。但该模型缺乏明确的物理含义,经验系数需根据土壤和地表性质的现有知识来经验确定,因此属于经验模型25-26。3.1.2基于物理机制的粉尘释放模型1993年,Sha
19、o等42通过经典的风洞实验印证了粉尘释放的跃移颗粒冲击观点,并提出一定土壤表面的粉尘释放通量与水平跃移通量呈正比,比值与风速无关。在此基础上,结合后续实验,一些基于物理机制的粉尘释放模型被先后建立44-48。这些模型为了反映跃移颗粒冲击这一粉尘释放的中间机制,均由跃移冲击强度模块和跃移冲击效率模块两部分构成。因此,在构建基于物理机制的粉尘释放模型时,如何准确表达跃移冲击效率和水平跃移通量就成为学者们努力的主要方向。1995年,Marticorena等44,92提出的模型M-B模表1粉尘释放模型汇总Table 1Summary of dust emission models模型类型经验模型物理机
20、制模型基于风蚀模型的模型模型简称G-P模型M-B模型DPM模型WEAM模型L-S模型Shao04模型Kok模型WEPS模型模型表达式Fd=Cu4*(1-u*t/u*)u*u*tFd=0.01Qsexp(0.308c-13.82)Fd,i=(pd3i/6)Ni;Ni=ei/Dp=0Pi(Dp)dQs(Dp)Fd=Qsu-2*t,dFd=Cgf(b/2p)(0.24+Cu*p/p)QsFdi(ds)=Cyfi(1-)(1+m)gQs/u2*;Fdi=d1d2Fdi()dsps(d)d;Fd=i=1IF(di)Fd=Cdfbarefclaya()u2*-u2*tu*st(u*u*t)Fd=DRSRC
21、Su2*(u*-u*t)参数含义Fd,粉尘释放通量;u*,摩阻风速;u*t,临界摩阻风速;Qs,跃移冲击作用强度;c,土壤中黏粒含量;Fd,i,粒径为di的粉尘释放通量;di,3个对数正态分布群体粉尘粒子的中值粒径;ei,3个对数正态分布群体粉尘粒子结合能;p,土壤颗粒密度;,动能通量与水平跃移通量的转化系数;Pi(Dp),跃移颗粒动能在3个对数正态分布群体间的分配比例;Ni,粒径为di的粉尘个数通量;,跃移冲击效率对粉尘粒径和跃移颗粒粒径依赖性的经验方程;f,从凹坑移除颗粒中粉尘所占的比例;b土壤体积密度;p,土壤塑性压力的水平分量;fi,最大分散状况下粒径为di的粉尘在土壤中占比;,风蚀物
22、粒径分布中最小分散土壤粒径分布所占的权重;m,跃移颗粒撞击地表产生凹坑中土壤质量与跃移撞击颗粒质量之比;d1和d2分别为跃移风蚀物粒度分布的下限和上限;C、C、C、Cy,经验系数;fbare,地表裸露土壤的占比;fclay,土壤中黏粒的含量;u*st,标准临界摩阻风速;,团聚体破碎指数;DR,粉尘在悬移颗粒物中的占比;SR,风蚀物中悬移与跃移颗粒物含量之比;CS,跃移颗粒搬运参数。88第 2 期王仁德等:土壤风蚀中粉尘释放问题的研究进展型是第一个具有物理意义的粉尘释放模型,其跃移冲击强度模块是在White93提出的跃移通量方程基础上,考虑沙质土壤表面土壤粒度组成及地表覆盖对临界起沙风速的影响,
23、加入土壤粒级参数和地表粗糙度参数建立的。M-B模型的跃移冲击效率模块借鉴了Shao等42通过风洞实验得出的一定土壤表面粉尘释放通量与水平跃移通量之比为只与土壤性质有关的定值这一结论。根据Gillette38野外观测得到的不同质地土壤表面的粉尘通量与跃移通量数据,拟合得出跃移冲击效率(粉尘通量与跃移通量之比)与土壤中黏粒含量呈指数函数关系,并建立经验性的关系表达(表1)。M-B模型初步反映了粉尘释放的跃移冲击机制,其跃移冲击强度模块考虑了土壤粒度组成、地表粗糙度等因素对临界起沙风速的影响,提高了模型预测精度。该模型适用于疏松、沙尘供给充足的土壤,不能准确模拟沙粒供给有限的情况,不能反映地表土壤变
24、化的影响,亦不能得到释放粉尘的粒度分布特征。另外,该模型的跃移冲击效率模块是根据野外实测结果建立的经验函数,未考虑实际的物理过程,因此,该模型本质上是一个半物理机制的粉尘释放模型。2001年Alfaro等46提出的Dust Production Model模型(简称DPM模型)是在M-B模型基础上加以改进形成的,其跃移冲击强度模块与M-B模型完全相同。同时,为了克服M-B模型跃移冲击效率模块为经验函数的不足,Alfaro 等43,68通过两次风洞吹沙实验对粉尘释放的物理机制做进一步研究,发现粉尘粒径分布可用中值粒径分别为 1.5、6.7、14.2m的3个对数正态群体表示。粉尘粒径越细,相互之间
25、的结合能越大。随着摩阻风速增加,跃移颗粒动能增加,克服粉尘之间结合能的能力增强,从而使更多细粉尘被释放出来,中值粒径较小的粉尘群体比例增加。由此得出,粉尘粒径分布和跃移冲击效率主要取决于粉尘颗粒之间的结合能和跃移颗粒动能25。在假定跃移颗粒动能全部用来克服粉尘颗粒之间结合能的情况下,模拟3个对数正态群体结合能的大小,并根据粉尘粒径分布和克服结合能所消耗的跃移颗粒动能大小,建立DPM模型主要关系方程(表1)。DPM模型是一个基于能量分布的粉尘释放模型,具有明确的物理机制,较好地描述了表土微团粒粒度分布、空气动力学粗糙度、粉尘颗粒结合能和跃移过程对粉尘释放的影响,而且模型输出结果中包含了粉尘粒径分
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 土壤 风蚀 粉尘 释放 问题 研究进展 仁德
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。