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我国西北干旱区由自然因素和人为因素引起的尾闾盐湖干涸湖底广泛分布。大面积干涸湖底疏松富盐沉积物的风蚀扩散形成了严重的盐尘暴灾害。盐尘暴不同于一般的沙尘暴,它含有密度很高粒径极细的硫酸盐、氯化物、杀虫剂粉尘及Mn、As、Rb、Pb、sr、Cr等有害重金属元素。盐尘暴天气过程的频发致使大量盐碱粉尘撒向周围地区,湖滨平原逐渐荒漠化,植被退化,加速形成新的沙漠带。裸露湖底富含盐碱和毒物的粉尘还严重污染空气,给人们的健康与经济活动带来严重影响。研究盐尘暴灾害的发生、发展过程及其生态效应,阐明湖底风蚀随风速及地表性质的关系,揭示不同时间尺度风蚀动态变化和盐尘的输送、沉积过程,对干旱区生态与环境建设、灾害防治和提高人类福祉具有重要意义。本研究以新疆艾比湖干涸湖底为研究区,通过野外实地观测、采样分析、统计分析和风洞模拟实验等手段,主要研究了:①干涸湖底及邻近盐漠区富盐沉积物(盐尘暴源区)的物质组成特征;②不同类型富盐沉积物的临界起动风速、风蚀率与风速的关系、近地面风沙流的垂向分布密度及干涸湖底的年风蚀率与风蚀动态;③近半个世纪盐尘暴输送的动态过程及输送路径;④湖底风蚀与盐尘输送的驱动因素;⑤盐尘的沉积格局、沉积通量及理化组成;⑥盐尘暴的生态效应及风险评估。主要研究结论如下:
干涸湖底是干旱、半干旱地区尾闾盐湖或积水洼地水面退缩后高矿化度浅层地下水蒸发聚盐形成的次生盐漠景观,其物质组成主要是湖相松散富盐细粒沉积物。艾比湖干涸湖底分为由气候变化引起的历史时期的干涸湖底和由人类活动引起的间歇性干涸湖底。历史时期的干涸湖底沉积物以61-1000μm的沙粒为主,间歇性干涸湖底以2-63μm的粉沙粒为主。硫酸盐和氯化物是干涸湖底沉积物的主要化学成分。艾比湖干涸湖底沉积物表层0-30cm有机质含量为0.43%-2.92%,30-60 cm有机质含量为0.15%-2.69%。
干涸湖底富盐沉积物风蚀的临界起动风速为4.3-8 m.s-1,风蚀率与风速成指数关系,大于16 m.s-1的强风是造成艾比湖地区富盐沉积物剧烈风蚀的主要原因,风蚀颗粒的跃移运动主要集中在0-10 cm高度范围内。艾比湖西北部间歇性干涸湖底年风蚀率为0.48-5.6 cm,风蚀率从湖岸线至湖心方向逐渐增大;湖东南部历史时期的干涸湖底年风蚀率为0.24-0.96 cm;富盐沉积物风蚀与湖底盐分表聚富集同步进行,表聚富集弥补了由风蚀造成的盐损失,盐分表聚富集为盐尘暴提供了源源不断的尘源。
近50年干涸湖底盐尘输送呈波动状态,以1975年和2000年为界点,中间为高发期,盐尘暴的年平均发生日数10-48天。此前和此后发生频率与强度都很低,年最大发生日数不超过12天。盐尘输送的年内变化成双峰状态,春季是集中高发期,秋季次之,冬夏是低谷期;盐尘暴的发生强度与湖面面积呈显著的负相关关系。盐尘的输送路径受风场和地形因素的综合作用,大风侵蚀湖底后与博罗克努山斜交分两支,一支向东北方向影响博乐市、87团和温泉县,另一支沿天山北坡向东南方向影响托托乡,古尔图镇,乌苏市。自然因素中对盐尘输送影响最大的是风动力,其次是温度和降水。人为因素中影响最大的是耕地面积,其次是湖面面积和人口数。
艾比湖地区盐尘的年降尘通量为79-381 g.m-2,水溶性盐的年沉积通量为4-61g.m-2,盐尘中的含盐量为43-185 g.kg-1,盐尘中还有Cd、Cr、Pb、Mn、As、Cu、Ni等潜在毒性元素。盐尘的粒径分布以2-63μm的粉沙粒级为主,占63.91%-80.27%,2μm以下的粘粒占9%-13%,大于63μm的沙粒所占比例很小。
盐尘暴在一定程度上可以看作是干旱区内陆湖流域化学物质的再分配,干涸湖底作为“源”,输出粉尘、无机盐、重金属元素及其它化学物质,与流水汇集来的物质形成反向循环,是流域物质化学循环的重要过程。盐尘暴的发生打破了干旱区生态系统中盐分来源的单一格局,把“盐随风来”叠加到“盐随水来”之上,致使生态系统受双重盐害;悬浮的盐粒与全球变暖叠加到一起,进一步加剧山区冰雪消退速度的风险。
本研究对我国西部大开发中灾害防治和生态恢复与建设提供科学支撑,对揭示干旱区干涸湖底及邻近地区自然与人为景观变化及其对全球变化的响应提供了有价值的参考资料,为干旱区尾闾湖地区生态安全和绿洲调控与管理乃至区域可持续发展模式的制定提供科学依据。