过去20年中国北方沙尘带尘埃活动的时空演变及其驱动机制

《Environmental Research》：Spatio-temporal evolution and driving mechanisms of dust activity in China's Northern Sandstorm Belt over the past 20 years

中国北方沙尘暴带（NSbelt）2000-2023年PM10时空演变及驱动机制研究。将NSbelt划分为东、中、北、西4个子区，通过Mann-Kendall检验和Sen斜率揭示PM10整体呈显著波动下降趋势，其中中区下降最显著（Sen's slope=-1.83）。西南极端沙尘污染区年沙尘影响天达2487天，东部年清洁天数超345天。降水阈值（400-600mm，50-100mm）导致驱动机制差异：400-600mm区植被覆盖贡献最大（44.26%-77.51%），50-100mm超旱区风速敏感性最高。

　　

赵晨光|叶爱忠|曾小红|吴凌云

中国北京师范大学地理科学学院，地球表面过程与灾害风险降低国家重点实验室，北京100875

摘要

中国北方沙尘带（NSbelt）是主要的沙尘源区域，其沙尘活动直接影响区域生态安全和人类居住环境。大规模的生态恢复项目显著减少了沙尘活动。然而，在不同降水条件下沙尘演变的驱动机制仍不明确。本研究旨在系统揭示2000年至2023年间NSbelt地区PM10的演变特征和沙尘活动驱动机制。研究首先将NSbelt划分为四个子区域：东部、中部、西北部和西南部，划分依据包括地理位置、沙漠分布、水热条件和地表覆盖差异。接着，使用Mann-Kendall检验和Sen的斜率估计方法分析PM10的演变趋势，并通过沙尘污染识别方法区分沙尘影响日和无沙尘日。最后，采用贡献归因方法量化了植被覆盖度（FVC）、降水量（Pre）、风速（Wind）和温度（T）对沙尘活动的相对贡献。研究结果表明：（1）整个地区的PM10浓度呈现显著的下降趋势，其中中部地区的改善最为明显（Sen的斜率=-1.83）；（2）西南部是极端沙尘污染区，累计沙尘影响天数达2487天；（3）降水量对沙尘活动驱动机制有严格限制，在降水量400-600毫米的范围内，植被对沙尘活动的影响最大（斜率=-0.31）；（4）植被覆盖度的增加是区域沙尘减少的主要因素（相对贡献率为44.26-77.51%）。本研究揭示了不同水热条件下环境因素的差异化驱动机制，为未来区域沙尘防治策略提供了重要的科学依据。

引言

全球变暖和强烈的人类活动对环境造成双重压力，导致土地退化和沙漠化成为全球性挑战（Nature Editorial, 2023; Maestre et al., 2025）。这直接威胁区域粮食安全并加剧贫困，同时加剧了沙尘活动的发生（Burrell et al., 2020; Han et al., 2021）。沙尘活动是重要的陆气耦合过程，是地球系统物质和能量循环的关键环节（Dong et al., 2020; Chen et al., 2022; Kok et al., 2023）。该过程涉及大量颗粒物的排放和长距离传输，尤其是空气动力学直径小于或等于10微米的可吸入颗粒物（PM10）（She et al., 2018; Aili et al., 2020; Yang et al., 2021; Zhang et al., 2022; Robinson et al., 2024）。这些颗粒物对全球气候和生态系统有直接影响（Choobari et al., 2014; Wang et al., 2017; Kok et al., 2023; González-Olalla et al., 2024），并通过呼吸系统对人体健康构成严重威胁（D'Amato and Akdis, 2022）。从全球范围来看，北非、亚洲、澳大利亚和北美洲是主要沙尘源地区，其自然沙尘源占总排放量的75%（Tanaka and Chiba, 2006; Ginoux et al., 2012）。因此，在全球变化的背景下，科学评估关键沙尘源地区的沙尘活动时空演变及其驱动机制至关重要，这已成为国际环境和气候研究的前沿热点。

在上述主要沙尘源地区中，亚洲因其广阔的干旱地带而尤为突出。东亚是全球沙尘活动的核心区域，贡献了约20%的全球沙尘排放量（Nagashima et al., 2016）。东亚的沙尘主要来自蒙古和中国北部的干旱地区（Tanaka and Chiba, 2006; Liu and Liu, 2015; Wang et al., 2021）。中国北部处于干旱、半干旱和半湿润气候的过渡带，包括八大沙漠和四个沙质地区，生态环境极为脆弱，对气候变化高度敏感，是PM10污染的主要来源，占中国北部大气PM10总量的30%以上（Wang et al., 2006; Shao et al., 2013; Guan et al., 2019; Zhou et al., 2021），这对区域空气质量及周边内陆地区产生重大影响（Yang et al., 2016; Altindag et al., 2017; Liu, S., Xing et al., 2021; Li et al., 2022; Filonchyk et al., 2024）。过去几十年，该地区经历了深刻的环境变化：气候持续变暖，降水量增加（Chen et al., 2023; Zhu et al., 2024），同时政府实施了大规模生态恢复项目（如“三北防护林工程”），显著改变了地表特征，尤其是植被覆盖（Zhang et al., 2016; Qiu et al., 2017; Zheng et al., 2025）。这些因素共同作用下，中国北部的沙尘活动强度和频率发生了显著变化，因此科学评估过去20年的沙尘活动时空演变至关重要，明确其驱动机制也具有高度科学价值，有助于评估生态工程的效果、制定区域沙尘控制政策，并应对未来气候挑战。

国内外学者对中国北部的沙尘活动进行了大量研究，利用地面观测和卫星遥感数据分析了沙尘活动的时空特征，包括气溶胶光学厚度（AOD）、沙尘光学厚度（DOD）和PM10浓度，发现近几十年来沙尘活动的频率和强度总体呈下降趋势（Zhou and Zhang, 2003; Wang et al., 2017; Guan et al., 2017; Wang et al., 2021; Wu et al., 2022）。关于驱动机制，普遍认为沙尘活动减少是多种因素共同作用的结果（Zhao et al., 2018; Xu et al., 2020; Miri et al., 2021; Wu et al., 2022; Gui et al., 2023），这些因素可分为两类：一是气象动力因素，如风速减弱；二是地表因素，如植被覆盖度增加，植被能抑制沙尘、增加地表粗糙度并固定土壤（Mao et al., 2013; Ebrahimi Khusfi et al., 2020; Li et al., 2020; Wang et al., 2021; Wu et al., 2022; Gui et al., 2023; Bao et al., 2025）。研究方法上，常使用皮尔逊相关分析和传统多元线性回归（MLR）模型量化沙尘强度与驱动因素之间的关系（Liu et al., 2004; Guan et al., 2017; Ebrahimi Khusfi et al., 2020; Li et al., 2020; Shi et al., 2021; Gui et al., 2023; Wang and Zhang, 2024; Yi et al., 2025; Tan et al., 2025）。这些经典统计方法为量化沙尘活动与驱动因素的关系提供了基础。

现有研究取得了成果，但仍存在一些关键问题需深入探讨：首先，不同子区域的沙尘活动时空特征需进一步细化；其次，对驱动机制的空间异质性理解不足；现有方法将区域视为均匀整体，忽视了年降水量变化下的潜在差异；此外，现有分析方法存在局限性，沙尘活动受气象和地表因素共同调控，各因素之间存在高相关性（Rishmawi et al., 2016; Papagiannopoulou et al., 2017; Mao et al., 2024），导致多重共线性问题，影响回归系数估计的稳定性。当前研究缺乏对驱动因素变化相对贡献的定量评估。

因此，本研究选择中国北方沙尘带（NSbelt）作为研究区域，根据地理位置、沙漠和沙质地区分布及内部空间异质性将其划分为四个子区域，分析2000年至2023年间各子区域PM10的演变情况，区分沙尘影响日和无沙尘日，并量化各驱动因素的相对贡献。

研究区域

本研究聚焦中国北方沙尘带（NSbelt），该地区是中国的主要沙尘源，拥有广阔的沙漠、戈壁和沙质地带，地表沉积物具有显著的空间差异。西部和中部以移动和半移动沙丘为主（如塔克拉玛干沙漠和巴丹吉林沙漠），东部则以固定和半固定沙质地带为主。

NSbelt地区PM10的时空变化

图3显示了2000年至2023年间NSbelt四个子区域年均PM10的年际变化，整体呈现下降趋势，表明研究期间沙尘天气条件持续改善，其中中部地区下降速度最快（Sen的斜率=-1.83***），线性回归拟合度最高（R2=0.67）。

宏观尺度的一致性及时空趋势的区域差异

2000年至2023年间，NSbelt四个子区域的PM10浓度呈现显著下降趋势，这与现有文献的普遍结论一致，证实了中国北部沙尘活动的减弱（Qian et al., 2002; Wang et al., 2017; Wang et al., 2018; Wang et al., 2020; Gui et al., 2023）。值得注意的是，这些子区域间的时空趋势相似性和差异性并非仅由外部气候因素决定。

结论

基于2000年至2023年的多源数据，本研究使用Mann-Kendall检验和Sen的斜率估计方法分析了NSbelt东部、中部、西北部和西南部的PM10演变情况，并通过沙尘污染识别方法区分沙尘影响日和无沙尘日，同时利用主成分回归分析驱动机制的差异。

作者贡献声明

吴凌云：撰写、审稿与编辑、数据整理。曾小红：撰写、审稿与编辑、数据整理。叶爱忠：撰写、审稿与编辑、数据整理、项目监督、资金争取、数据整理、概念构建。赵晨光：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据整理、方法论研究、调查、数据整理、概念构建

未引用参考文献

Greenacre et al., 2022; Liu et al., 2021; Wang et al., 2017; Wang et al., 2021.

利益冲突声明

作者声明没有可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明没有可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（编号2024YFF1306305）和国家自然科学基金（编号U25A20750）的支持。