以微见大，窥探沙尘暴背后的秘密

 去年春天，我国北方地区频频受到沙尘天气袭扰，其中3月份发生的特大沙尘暴被认为是过去十年来最大的一次。沉睡多年的大规模沙尘暴卷土重来，严重危害到人们的生产生活。那么粉尘的起源在哪里？搬运路径是什么？传输机制怎么样？受到各方的广泛关注。

沙尘虽主要源于干旱、半干旱区，但其影响区域大、范围广

“抓住”尘埃 

都说地学工作者是“地球天书”的解谜者，他们从一粒微尘、一块岩石出发，去探究地球的奥秘。

对于这场罕见沙尘暴的研究，多年来致力于沙漠系统及其环境效应研究的浙江大学地球科学学院杨小平教授，带领科研团队在沙尘天气来临之前，根据预报提前布局，系统采集粉尘样品。

当沙尘暴发生时，西起嘉峪关、东至济南横跨1600多公里的不同地点的降尘，都成为了团队的研究对象。杨小平介绍，团队利用高时间分辨率的遥感数据、实时气象数据，并结合所获珍贵样品的微量/稀土元素组成、锶-钕(Sr-Nd)同位素比值等数据，对这次沙尘暴事件进行了系统分析。

杨小平教授（右四）与梁鹏博士（右三）等在野外考察期间合影

这项综合研究成果，不久前在知名期刊Science Bulletin（《科学通报》）上发表，团队首次从科学角度全面系统阐明了2021年春季我国特大沙尘暴期间的粉尘释放、传输及物质交换过程。课题组博士后梁鹏为论文第一作者，杨小平教授为通讯作者，多位研究生参与其中。

立体“解谜”

沙尘暴发生的第二天，国际知名科研机构根据卫星影像发文称，本次沙尘暴起源于中国西部的塔克拉玛干沙漠并自西向东传播，扩散到整个东亚地区。但是杨小平团队根据已有的经验，认为这一观点并不准确。而随着研究的深入，浙大团队确证：这次罕见沙尘暴由蒙古国中南部向中国北方边境呈辐射状传播。

2021年特大沙尘暴沙尘起源、实时传输路径

为了定量评估不同潜在沙尘暴来源对这次降尘的贡献，浙大研究团队对高度混合、看起来很不起眼的粉尘样品开展了锶-钕同位素研究。他们发现大多数样品难以仅用中国境内的源区来解释，远源的蒙古国贡献明显。更令人惊讶的是，逢沙尘暴必被怀疑是“元凶”的库布齐沙漠和毛乌素沙地对本次粉尘几乎没有贡献。

杨小平说：“包括云-气溶胶激光雷达遥感数据分析在内的多角度研究均证实，由于过去几十年来的国家防沙治沙政策，使得毛乌素沙地及库布齐沙漠的粉尘释放得到了有效抑制。”

MODIS影像显示的“3.15”特大沙尘暴影响区域（a）、不同地点PM₁₀浓度随时间变化过程(f)、以及CALIPSO数据显示的沿不同轨迹粉尘的垂直分布范围（g）

可以说，曾经以“眼见风来沙旋移，经年不省草生时”为特征的沙漠，旧貌已经部分换上了新颜。杨小平认为沙漠是岩石土壤、气候、水文等多要素相互作用的产物。沙漠、沙尘暴研究不仅是认识气候变化过程与机制的关键切入点，而且能为国家防沙治沙、改善生态环境提供科学支撑。

视频显示，呼伦贝尔沙地在国家退牧还草政策落地以来，地表植被覆盖度已明显增加，但由于风蚀作用，渐已固定的沙丘上仍然出现新的风蚀坑。

“意外”收获

过去几年，杨小平团队在国家科技基础资源调查专项资助下，建立了比较完备的中国北方沙漠沙地球化学组成数据库。这就像一个基因库，为粉尘来源研究建立了对照样本。

在采集的众多样品中，有一个来自内蒙古包头市的样品十分特殊。

根据数据库比对，他们发现，包头沙尘暴样品的轻稀土元素相比于上地壳富集约3倍，而其它样品地球化学组成均与上地壳相似。包头被称为稀土之都，是我国轻稀土工业中心。通过文献调研，杨小平团队发现包头日常背景粉尘的轻稀土元素含量相比于上地壳富集5-10倍，这表明沙尘暴期间外来源的沙漠粉尘稀释了异常高轻稀土含量的本地粉尘。

2021年特大沙尘暴期间不同采样地点所获样品的稀土元素配分模式（a）及粒度分布曲线(b)

“一直以来，沙尘暴示踪研究的一个难点就在于物质高度混合，本地物源的贡献难以被定量评估。”杨小平说，正是因为轻稀土元素富集这一包头特有的现象，团队利用质量守恒原理和自展法抽样(Bootstrap sampling)技术，计算了包头样品的本地和外部物源贡献，发现本地物源贡献约为26%，而外源贡献可高达74%。

这一发现十分难得。杨小平说，这正是第四纪地质学、自然地理学研究的魅力所在，利用不同证据相互印证，揭示同一个“秘密”。

这项研究受到国家科技基础资源调查专项(2017FY101000)、国家重点研发计划政府间合作项目(2019YFE0124900)和国家自然科学基金(42001003；41672182)的资助。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.08.014

文字记者：柯溢能

图片由受访团队提供

今日编辑：浙江大学融媒体中心学生记者团 韩鸣筝

责任编辑：马宇丹

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