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
