全 文 ：文章编号: 1007-0435( 2003) 01-0003-07
中国草原带与东亚沙尘暴
介冬梅1, 2 , 祝廷成1* , 周守标1, 郭继勋1
( 1 东北师范大学国家草地生态工程实验室, 长春 130024; 2 吉林大学地球科学学院, 长春 130062)
摘要: 本文论述了中国草原带的分布特点及其生态系统的服务价值;指出中国草原带对沙尘暴起沙源地的阻挡和
覆盖作用; 从不同时间尺度论述了沙尘暴的形成原因;提出沙尘暴的净化作用、中和作用、提供植物矿质营养和太
阳伞效应等四方面的生态效益;阐述了如何全面认识沙尘暴,预测沙尘暴的出现趋势,为沙尘暴防治提供参考依据。
关键词: 中国草原带; 沙尘暴; 生态效益
中图分类号: S 812　　　文献标识码: A
Steppe Zone of China and Sand-Dust Storm
JIE Dong-mei
1, 2
, ZHU T ing-cheng
1
, ZHOU Shuo-biao
1
, GUO Ji-xun
1
( 1 Nation Laboratory of Grassland Ecological Engineer ing, Northeast Norm al Un ivers ity, Changchun 130024 Ch ina;
2 Ear th S cience Academy of Jilin U nivers ity, Ch angchun 130062 C hina)
Abstract: T he paper review s the dist ribut ion characterist ics and the service value o f dif ferent eco sy stems of
Chinas steppe zone, and analy zes the steppe zones funct ion as g round cover fo r r esist ing sand-dust
storms. Based on the dif ferent t ime scale, the paper discusses the fomat ion o f sand-dust storms and trys to
fo retell their developing tendencies years befo re they actually burst w hile acknow ledging their ecolog ical
benef it s, as they can clean the atmosphere o f some tox ic mat ters, neut ralize the acid deposit ion, pr ovide
miner al fert ilizer for plants, and offer a parasol ef fect . The paper also gives some reference data for the un-
derstanding and control of sand-dust storms.
Key words : Chinese steppe zone; Sand-dust storm; Ecolog ical benef it
1　中国草原带的分布特点及生态系统
服务价值
　　我国以草原植被占优势的草原带,约占国土面
积的 1/ 4[ 1]。这片辽阔的草原带,不仅是我国草地牧
业的物质基础,而且是保护环境的生态屏障。虽然草
原带提供的多种畜产品早已倍受关注, 但是草原生态
系统服务( ecosystem serv ice)的价值却往往被忽略。
作为绿色屏障的我国草原带, 占据着独特的生态空
间,其生态系统的服务价值与生态空间位置密切相关。
1. 1　分布特点
中国草原带与东亚季风( monsoon)近似垂直相
交[ 2]。它略呈弧形延伸, 与我国东部海岸带大致平
行,位于森林带与荒漠带之间。因此,中国草原带既
不像俄罗斯和蒙古人民共和国的草原, 沿着纬度方
向由西向东展开;也不像北美洲的草原,沿着经度方
向由北向南延伸;而是从东北到西南斜向延伸,覆盖
在我国广大的半湿润—半干旱地区, 它的东部大体
上是我国的农牧生态交错带( ecotone)。
1. 2　生态系统服务价值
中国草原带提供广泛的生态系统服务(包括畜
产品,药材,调节气候,抗御干旱,保持水土, 控制侵
收稿日期: 2002-09-12;修回日期: 2002-11-26
基金项目:国家自然科学基金( 40201052) ;国家自然科学基金重大研究计划项目( 90102011) ;国家“973”重点基础研究发展规划项目
( G2000048703) ;东北师范大学青年基金资助
* 通讯联系人
作者简介:介冬梅( 1969-) ,女,辽宁人,副教授,理学博士,主要从事草地生态及沙尘暴的研究; E-mail : Jiedongmei@ nenu. edu . cn
第 11卷　第 1期
　Vo l. 11　　No. 1
草　地　学　报
ACT A AGRESTIA SIN ICA
　2003 年　3月
March 　2003
蚀,降解污染,病虫害的生物防治,促进养分循环,传
粉播种,保健康复, 生态旅游, 休闲娱乐以及自然美
的享受等等) [ 3] ,其价值是永远无法替代的。我国草
原的生态系统服务价值高于森林生态系统。这提醒
人们必须对现有中国草原带生态系统服务的自然资
本存量( natural capital sto ck)予以足够的重视, 大
力加强草原带的保护、恢复和重建。如果中国草原带
被破坏,不再提供这些生态服务,人们将不得不花费
大量的精力用人类工程技术来处理,至少目前我们
的社会还无能为力。据估计,要想通过人类自己来解
决生态系统为我们提供上述的这些服务, 每人每年
至少要花掉 900万美元 [ 4]。
2　中国草原带对沙尘暴的屏障作用
我国位于典型的东亚季风气候区,冬春季节有
来自西伯利亚的西北风,夏秋季节有来自太平洋的
东南风。这些盛行的风向,都和中国草原带垂直相
遇。在草原带上, 多年生禾草与小半灌木混生, 构成
了地上郁闭的草群与地下庞大的根系,具有很强的
防风固沙能力。我国沙尘暴的起沙源地有两大类:一
是荒漠带中的沙漠,如塔克拉玛干沙漠和戈壁, 草原
带对它有一定程度的阻挡作用。二是草原带中的沙
地,如科尔沁沙地, 浑善达克沙地, 草原带对它有强
大的覆盖作用,有力地控制着沙丘群“活化”。所以,
中国草原带对缓冲沙尘暴有着不可替代的功能。生
态系统占据的生态空间是评估其服务价值的重要依
据之一。生态空间因其重要则价值倍增。近年来频
发的沙尘暴, 使我们更加认识到草原带防风固沙等
生态服务的重要性。随着我国西部大开发的进程,草
原带的重要地位将越来越突出。中国草原带不仅是
西部经济发展的动力之一[ 5] ,也是我国乃至于全球
环境稳定的重要保障之一。
3　沙尘暴成因分析
关于沙尘暴的形成原因众说不一,张德二认为
沙尘暴发生对应于冷干气候, 长江流域的扬沙和浮
尘天气与内蒙古中东部的干湿变化有着极好的对应
关系[ 6, 7]。史培军认为中国北方的沙尘活动不仅仅是
一个气候变化的函数, 而且表现为一系列复杂的地
表系统动力学过程。风沙活动的驱动力因素,有气候
变化、地表植被覆盖变化和土地利用变化, 因气候变
暖导致土壤干燥化,土地利用覆盖格局变化中的植
被覆盖比例减少, 是我国北方风沙活动加剧的主要
驱动力[ 8]。高尚玉等指出,中国风沙灾害的加剧是在
气候趋于干燥化的背景下, 人类大面积开发沙区生
产造成的。并认为未来我国风沙灾害的发展主要取
决于气候变暖的背景下降水的时空分布,沙区风力
变化和土地利用格局调整[ 9]。Blank 等美国学者在
研究西北太平洋上空粉尘气溶胶后发现,高空西风
是亚洲粉尘输向太平洋等区域的主要动力,沙尘暴
受行星风系控制 [ 10]。笔者将对不同时间尺度下沙尘
暴出现的规律进行分析, 以期明确沙尘暴形成的根
本原因。
3. 1　沙尘暴的季节变化及其成因分析
根据内蒙古通辽气象站 1951-2002年累计扬沙
和沙尘暴日数的季节变化曲线(图 1) , 笔者发现扬
沙和沙尘暴的季节分布以冬春季为主, 是冬春多夏
秋少型,与我国华北、内蒙古中西部干湿变化规律一
致[ 11]。据张德二统计,公元1470-1901年的 431年间
共查到 24例沙尘记录,其中 22例为春季发生的, 扬
沙和沙尘暴的季节变化与大风日数的季节变化相当
一致(图 1)。这说明扬沙和沙尘暴出现的频率受冬
季风控制, 3月份冬季风在波动中开始减弱,夏季风
从副热带向北移动, 地面解冻,回暖,沙尘源充足, 当
寒潮大风天气到来时地面起沙,夏季风带来水汽促
使沙尘沉降,完成沙尘起沙、传输和沉降过程。东亚
沙尘暴具有春季活动性强的特点,与东亚冬季风的
活动规律一致。
3. 2　沙尘暴的多年变化规律及其成因分析
通辽气象站 1951-2002年沙尘天气发生总日数
为 1589次,其中扬沙发生次数为 1265次、沙尘暴发
生日数为 324次。1951-2002 年扬沙和沙尘暴变化
曲线(图 2)表明扬沙和沙尘暴日数在波动中减少。
20世纪 50年代扬沙和沙尘暴日数最多, 最多年份
发生扬沙 168次。通辽气象站 1992-2002年扬沙和
沙尘暴变化曲线(图 3)表明 90年代扬沙和沙尘暴
很少发生,东亚地区在 90年代很少受到沙尘天气的
影响。2000年扬沙和沙尘暴开始明显增多,韩国和
日本也有同样规律(图 4, 5)。韩国在 1996和 1997
年各发生沙尘暴一次, 2000年 10 次, 2001年发生
27次。日本的 123个站 1992年记录到沙尘天气次
数为 200次, 1995年 100次, 2002年近 800次, 2002
4 草　地　学　报 第 11卷
年发生沙尘天气近 1000次,相当于每站记录到 8次
沙尘天气。通辽地区 2002年春季发生 8次沙尘天
气,其中沙尘暴 2次, 与 20 世纪 90年代相比,沙尘
天气的强度增加, 且向东波及日本和韩国。
　　通辽气象站 1951-2002年在冬季累计发生沙尘
天气 204次, 春季累计发生 991次, 冬春比为 20%。
该站在 20世纪 50年代冬季累计发生沙尘天气 283
次,春季 433次,冬春比为 65%, 50年代冬季气温偏
图 1　通辽气象站 50年月累计扬沙、沙尘暴和大风日数变化曲线
Fig . 1　T he accumula ted curv e of blow ing-sand and sand-dust sto rm and the
str ong w ind day s of Tongliao meteor o lo gical station in fifty year s
图 2　通辽站 1951-2002 年扬沙和沙尘暴日数年际变化曲线
Fig. 2　Cu rve show ing decad e change of b low ing sand and sand-dus t s torm for fif t y years( 1951-2001) at T ongl iao meteorological station
5第 1期 介冬梅:中国草原带与东亚沙尘暴
图 3　通辽气象站 1992-2002 年扬沙
和沙尘暴日数的年际变化曲线
Fig. 3　Curve show ing decade change o f blowing-sand
and sand-dust sto rm during 1992-2002
at Tongliao meteor olog ical station
图 4　韩国汉城 1996-2001 年黄沙日数年际变化曲线
Fig. 4　Curve show ing decade change o f
y ellow -sand dur ing 1996-2001 at
Hangcheng sta tion in sout h Ko rean
图 5　日本国 123 个观测站 1992-2002 年
沙尘日数累计年际变化曲线
F ig . 5　Curve show ing decade change of the
accum ulated day s of sand-dust of 123 station dur ing
1992-2002 in Japan
低(图 6) , 1951-1954年冬季连年干旱,降水量几乎
为零,这种冷干气候使冷高压的势力加强, 冬季沙尘
天气比例增多,结果与张德二[ 6, 7]的研究结论不谋而
合。1951-2000年春季大风日数和沙尘暴日数曲线
(图 7)表明,从廿世纪 60年代开始春季沙尘暴的变
化规律与大风日数的变化规律一致。在50年代大风
日数较少, 连年的冬春干旱低温, 土壤墒情极差, 一
次沙尘过程持续时间很长,因此沙尘天气日数较多。
上述分析表明, 沙尘天气的多少受冬春季寒潮大风
的控制, 而冬春季大风强度与其次数的多少与东亚
冬季风的强度有关[ 12]。
20世纪 70年代东亚冬季风甚强, 从 80年代到
90年代,东亚冬季风甚弱。穆明权、李崇银研究指
出:东亚冬季风与厄尔尼诺事件有密切关系, 东亚冬
季风的强度在厄尔尼诺年弱, 而在拉尼娜年则强, 在
厄尔尼诺年后的冬季东亚大槽偏深, 冬季风偏
强[ 13]。70年代拉尼娜事件占优势,寒潮大风引起扬沙
和沙尘暴较频繁, 80-90年代厄尔尼诺事件占优势,扬
沙和沙尘暴频度较少。1998年 10月开始的拉尼娜年,
2000年达到高峰[ 14] ,导致 21世纪初东亚沙尘暴次数
有所增加, 最近几年春季沙尘暴发生的频次与 20世纪
70-80 年代相似,是 50 年代的三分之一到五分之一。
从春季沙尘暴和大风日数曲线(图7)可以看出, 60-90
年代春季沙尘暴日数的多少与大风日数基本一致,但
70年代与 80年代相比,前者春季沙尘暴日数较大风
日数多得多,而 80年代二者相差不多,这与 70年代冬
春季干旱有关。厄尔尼诺和拉尼娜事件具有 2年和 5
年的气候准周期,在未来几年可能进入气候的厄尔尼
诺年, 同时全球暖冬趋势明显, 气候冷干组合机率减
少。从这个角度预测未来几年扬沙和沙尘暴出现的次
数不会明显增加。据报导二十一世纪第一次厄尔尼诺
年于2002年5月已初步形成[ 15]。
3. 3　人类历史时期和地质历史时期沙尘暴的出现
规律及其成因分析
我国科学家根据中国北方黄土高原的黄土研究
发现,我国的干旱在 2200万年前就有发生。根据地
质记录,在过去的几百万年里,亚洲中纬度干旱和半
干旱区已经是全球沙尘暴发生的源地之一,大量的
大气粉尘被搬运到黄土高原和北太平洋等地。如果
按黄土的堆积年代计算, 我国西北地区的沙尘暴吹
袭已经有二三百万年了。黄土高原 200多米厚的堆
积层就是新生代第四纪以来西方沙漠地带松散的细
粒沉积物,被沙尘暴吹向东南方降落后堆积而成。由
此可见地质历史时期沙尘暴的频繁程度可见一般[ 16]。
因此, 沙尘暴在人类出现之前就已经频繁发生。
6 草　地　学　报 第 11卷
图 6　1951-2002 年通辽气象站冬季气温变化曲线
F ig . 6　The changes of w inter temperat ur e dur ing 1951-2002 at Tong liao m eteor olog ical st ation
图 7　1951-2000 年通辽气象站春季沙尘暴和大风日数变化
F ig . 7　The changes of days fo r sand-dust sto rm in spring and
str ong wind dur ing 1951-2002 at Tongliao meteor olog ical station
　　据史书记载, 公元前就有过沙尘暴的记录, 有
“(汉)成帝建治元年(公元前 32年)四月辛丑,夜,西
北有如火光。壬寅晨,大风从西北起, 云气赤黄, 四塞
天下终日夜。下著地者,黄土尘也⋯⋯”的记载[ 17]。
根据史料记载,明末清初曾比较频繁发生过沙尘暴,
如“成化二十一所( 1485)三月戊子,大名风霾,自辰
迄申,红黄满空,俄黑如夜, 已而雨沙,数日乃止。京
师自正月至三月(阴历—作者注) , 风霾不雨。”[ 18]。
“隆庆三年( 1568)正月初一, 大风扬砂走石, 白昼晦
冥,自北畿抵江浙皆同”。[ 19]由此可见, 沙尘暴面积
之广阔,一直延伸到江苏、浙江。
现代沙尘影响区的南界为温州、湘潭一线, 与张
德二[ 6～7]统计的 1621-1650年典型的干旱时期雨土
的南界(北纬 28. 5°)一致,可见, 扬沙和沙尘暴的影
响范围乃受气候因素控制。
　　我国的高原黄土是地质历史时期沙尘暴沉积的
铁证, 黄土沉积和各种尺度的大气运动有着密切的
关系,黄土的组成由西北到东南,颗粒成分由粗到细
的带状分布特征显然和西北风的风力分选有关。研
究 240万年来黄土沉积的结果表明, 黄土是寒冷的
冰川期阶段的沉积,冬季风强度较大 [ 20] , 粉尘从沙
漠向中国内陆区域尺度的输送方向为西北—东南
向, 显示出与近地面层风场一致的方向 [ 21, 22]。自晚
更新世纪以来亚洲粉尘的区域尺度输送受控于近地
面层东亚冬季风。历史上当西风强或纬向环流发展
期, 与亚洲季风环流相关联的近地面层冷空气活动
会增加其偏西路径的频次和强度。地球上冰川期时
海平面下降,陆地扩大, 西伯利亚高压增强,冷空气
活动更为强大, 内陆更为干燥,干冷气候背景为黄土
堆积的加速期, 而间冰川期则正好相反。在炎热的气
候条件下, 黄土的堆积速度减慢, 土壤化作用加强,
冰川期尘暴的作用明显, 间冰川期粉尘堆积量不取
决于尘暴过程 [ 23] , 在气候类似现今的间冰川期, 只
有发生在亚洲粉尘源区的尘暴才能将粉尘吹至到海
7第 1期 介冬梅:中国草原带与东亚沙尘暴
拔 5000 m 的高空, 并由高空西风携带至东半球甚
至全球的输送 [ 24, 25]。以上说明地质历史时期和人类
历史时期沙尘暴的发生与冬季风的强度有关,发生
的频次和强度受控于冬季风的强度。
笔者发现沙尘暴和扬沙分布的南界, 出现的强
度和频次与东亚冬季风的强度关系极为密切,气候
的厄尔尼诺年和反厄尔尼诺年(即拉尼娜年)的交替
出现是东亚冬季风强度周期性变化的表现, 冬春冷
干的气候组合是沙尘暴高发的有利条件。人为活动
改变地表植被覆盖,调整土地利用格局,只能或多或
少增强或削弱沙尘暴和扬沙的强度,改变大气沙尘
的浓度。
4　沙尘暴的生态效应
沙尘暴是一把“双刃剑”,有正负两方面的作用。
当沙尘暴吹袭时, 人们焦急烦燥,只看到它的负面影
响,忽略了沙尘暴的正面效应。笔者认为沙尘暴还有
以下生态效应:
4. 1　净化大气的作用
沙尘暴是大气的天然“清洁剂”。京津地区每年
约有 100万 t 沙尘吹过。沙尘暴颗粒吸附酸性气体,
以汽车排放气体中 NO 2为例来计算,在京津地区每
年的吸附量约为 1万 t (按美国 CM 车的排放量,单
位: g / km, NO 2: 0. 7～1. 1) , 相当于 30万辆机动车
尾气年硝酸排放量。沙尘暴在空中大规模飘荡、大范
围清洗,减轻了因废气过度积累造成的污染,有净化
大气的作用。
4. 2　中和酸雨的作用
沙尘暴是天然的“中和剂”。根据乘飞机采集沙
尘暴的样品分析, 沙尘本应呈微碱性,但经过韩国和
日本群岛的沙尘样品中,二氧化硫的含量增高 2倍,
变成了酸性, 这是沙尘暴经过酸雨地带中和了酸而
沉降的缘故。模拟试验表明,将沙尘样品装入园形量
筒中, 分别注入 SO 2和 NO 2后, 测定量筒进口和出
口处的浓度得知, 即使 SO 2 量增加较多, 也能被沙
尘吸附, 而 NO 2 量再增加时,则不能被沙尘继续吸
附,在注入 SO 2和 NO 2混合气体后, 沙尘吸附 SO 2
的能力不受 NO 2浓度的影响[ 26]。
从我国吹到日本的沙尘,每年约 100～300万 t ,
降落到地面的沙尘大约 2～3 t / km 2/ a。沙尘暴尘埃
含有较多的Ca、Mg 等碱性粒子成分,每平方公里约
含碳酸钙 50 kg , 中和了日本降水中酸性离子的
10%～20%。可以把日本 3～5月份的酸雨( pH 值
4. 7)中和成普通雨水( pH 值 5. 6) , 相当于增加了
200 mm 降水量的酸雨中和作用。因此,沙尘暴好比
从空中倾泻的“中和剂”, 把酸雨沉降的二氧化硫
(SO 2 )和氮氧化合物( NO 2 )等酸性气体中和掉[ 27] ,
同时也缓冲了土壤的酸化进程。
4. 3　提供植物矿质营养源的作用
沙尘暴是天然的“添加剂”。沙尘暴随着气流越
过太平洋,远达北美洲,一路上落下的沙尘含有矿物
质营养成分,成为陆地和海洋生态系统的的无机营
养供给源。当沙尘暴吹袭的时期,正是陆地植物萌发
的季节,需要矿质营养的供给。落入海洋中的沙尘,
是浅水浮游生物和深水海藻的营养供给源,有利于
海洋生物的生长发育。沙尘暴在速度逐渐变慢的移
动过程中,组成成分的比例也在不断变化,大的沙粒
先行降落, 在接近终点时, 微细颗粒增多,这时的正
面效应表现得更加明显。
东北亚海周围的边缘海域,海盆深度大, 大陆架
面积小,滨海矿藏不丰富。朝鲜半岛和日本群岛多山
地及丘陵, 河流短小而湍急,流域面积狭小,河流携
带入海的陆源矿物质元素较少。日本群岛受火山喷
出物的覆盖较多,因而铁矿奇缺,导致海中缺铁。铁
是形成叶绿素的关键元素,缺铁会引起植物患“缺绿
症”,呈现“黄化现象”,沙尘暴在一定程度上弥补了
这方面的缺欠。如果浮游性植物增加或者“疯长”,则大
量吸收二氧化碳,放出氧气,从而缓解温室效应[ 28]。
4. 4　太阳伞效应
沙尘暴有“太阳伞效应”。沙尘在高空大气中悬
浮, 形成沙雾, 遮挡阳光,使阳光减弱;另一方面, 吸
收太阳光, 蓄存热量, 温暖了周围的大气,并有促进
云层形成和雨滴降落,每次沙尘暴都往往伴随着降雨
或降雪。沙尘暴过后所引起的降水过程可能缓解春旱,
这或许是沙尘暴的另一个比较重要的正面效应。
沙尘暴的上述四大生态效益不容忽视,良好的
生态效益孕育着昂贵的经济效益。
5　全面认识沙尘暴
人类的生产与生活必须尊重自然规律。人类进
8 草　地　学　报 第 11卷
行无度的工农业生产以及长期超负荷的利用自然资
源,大规模的战争以及违背自然规律的改造环境,对
自然界产生污染的破坏效果,当积累到一定程度时,
必然遭到自然界突发和激烈的报复。这种报复大多
以天气变化的形式表现出来。大自然的这种现象即
是在警告人类和惩罚人类,同时又是大自然本身的
自我净化和自我保护。从自然观来看,我国位于典型
的东亚季风气候区,冬春季节, 西风强劲盛行,出现
沙尘暴是必不可避免的。北京出现沙尘暴, 受到暂时
的影响,不要怨天尤人。沙尘暴可称为“陆上台风”,
来势迅猛,铺天盖地,漫山遍野。既然是台风,海上台
风带来的危害比陆上台风更大。尽管如此, 谁能够阻
止海上台风发生呢? 曾有人建议用氢弹爆炸去改变
台风登陆的方向,企图用人为的能力去改变地球的
自然现象,这是不现实的,也不算是保护环境。人类
控制天气的能力还非常有限, 面对陆上台风这种不
可抗拒的天气系统[ 19] ,只能躲避,在局部区域内被
动地抵御。沙尘暴“大面积起沙,高空西风运搬”,不
宜倡导根治, 也是无法彻底根治的。陆地台风过后,
风和日丽。目前, 在环京津地区运用了数百亿元,提
出“把沙尘暴阻挡在承德以北”及“十年灭了沙尘暴”
等口号,兴师动众, 修建防沙林, 好象穿衣服扣错了
纽扣。
我们需要调整思路,科学地认识沙尘暴。沙尘暴
是由于天气过程和地面过程共同作用的产物,对天
气现象当前我们难以改变,目前一方面首先遏制中
国草原带和农牧交错带这两个生态空间进一步沙
化;另一方面建立和完善沙尘天气的监测和预警系
统。一项名为“春季朦胧”研究计划,作为国际地球大
气化学合作研究计划( IGAC)的组成部分,有 6个国
家参加, 开始在亚洲东部地区研究造成“春季朦胧”
的沙尘气雾( aerosol)在大气中的动态及其对环境的
影响,预计4年后得出结论。只有科学地掌握沙尘暴
的规律,才能或多或少在减弱沙尘暴的实践中取得
预期的效果。
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9第 1期 介冬梅:中国草原带与东亚沙尘暴