去年春天，我國北方地區頻頻受到沙塵天氣襲擾，其中3月份發生的特大沙塵暴被認為是過去十年來最大的一次。沉睡多年的大規模沙塵暴捲土重來，嚴重危害到人們的生產生活。那麼粉塵的起源在哪裡？搬運路徑是什麼？傳輸機制怎麼樣？受到各方的廣泛關注。
沙塵雖主要源於乾旱、半乾旱區，但其影響區域大、範圍廣
“抓住”塵埃
都說地學工作者是“地球天書”的解謎者，他們從一粒微塵、一塊岩石出發，去探究地球的奧秘。
對於這場罕見沙塵暴的研究，多年來致力於沙漠系統及其環境效應研究的浙江大學地球科學學院楊小平教授，帶領科研團隊在沙塵天氣來臨之前，根據預報提前佈局，系統採集粉塵樣品。
當沙塵暴發生時，西起嘉峪關、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物件。楊小平介紹，團隊利用高時間解析度的遙感資料、實時氣象資料，並結合所獲珍貴樣品的微量/稀土元素組成、鍶-釹(Sr-Nd)同位素比值等資料，對這次沙塵暴事件進行了系統分析。
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（《科學通報》）上發表，團隊首次從科學角度全面系統闡明了2021年春季我國特大沙塵暴期間的粉塵釋放、傳輸及物質交換過程。課題組博士後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”
沙塵暴發生的第二天，國際知名科研機構根據衛星影像發文稱，本次沙塵暴起源於中國西部的塔克拉瑪干沙漠並自西向東傳播，擴散到整個東亞地區。但是楊小平團隊根據已有的經驗，認為這一觀點並不準確。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，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。他們發現大多數樣品難以僅用中國境內的源區來解釋，遠源的蒙古國貢獻明顯。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。
楊小平說：“包括雲-氣溶膠鐳射雷達遙感資料分析在內的多角度研究均證實，由於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。”
MODIS影像顯示的“3.15”特大沙塵暴影響區域（a）、不同地點PM10濃度隨時間變化過程(f)、以及CALIPSO資料顯示的沿不同軌跡粉塵的垂直分佈範圍（g）
可以說，曾經以“眼見風來沙旋移，經年不省草生時”為特徵的沙漠，舊貌已經部分換上了新顏。楊小平認為沙漠是岩石土壤、氣候、水文等多要素相互作用的產物。沙漠、沙塵暴研究不僅是認識氣候變化過程與機制的關鍵切入點，而且能為國家防沙治沙、改善生態環境提供科學支撐。
影片顯示，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，但由於風蝕作用，漸已固定的沙丘上仍然出現新的風蝕坑。
“意外”收穫
過去幾年，楊小平團隊在國家科技基礎資源調查專項資助下，建立了比較完備的中國北方沙漠沙地球化學組成資料庫。這就像一個基因庫，為粉塵來源研究建立了對照樣本。
在採集的眾多樣品中，有一個來自內蒙古包頭市的樣品十分特殊。
根據資料庫比對，他們發現，包頭沙塵暴樣品的輕稀土元素相比於上地殼富集約3倍，而其它樣品地球化學組成均與上地殼相似。包頭被稱為稀土之都，是我國輕稀土工業中心。透過文獻調研，楊小平團隊發現包頭日常背景粉塵的輕稀土元素含量相比於上地殼富集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取樣地點所獲樣品的稀土元素配分模式（a）及粒度分佈曲線(b)
“一直以來，沙塵暴示蹤研究的一個難點就在於物質高度混合，本地物源的貢獻難以被定量評估。”楊小平說，正是因為輕稀土元素富集這一包頭特有的現象，團隊利用質量守恆原理和自展法抽樣(Bootstrap sampling)技術，計算了包頭樣品的本地和外部物源貢獻，發現本地物源貢獻約為26%，而外源貢獻可高達74%。
這一發現十分難得。楊小平說，這正是第四紀地質學、自然地理學研究的魅力所在，利用不同證據相互印證，揭示同一個“秘密”。
這項研究受到國家科技基礎資源調查專項(2017FY101000)、國家重點研發計劃政府間合作專案(2019YFE0124900)和國家自然科學基金(42001003；41672182)的資助。論文連結：https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.08.014
文字記者：柯溢能
圖片由受訪團隊提供
今日編輯：浙江大學融媒體中心學生記者團 何瑞婧
責任編輯：周亦穎
