青藏高原东南和西南部冬季积雪化学组成研究_张愉萱.pdf

第 45 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.45，No.1Feb.，2023冰川冻土JOURNAL OF GLACIOLOGY AND GEOCRYOLOGY青藏高原东南和西南部冬季积雪化学组成研究张愉萱1，2，王宁练1，2，3，武小波4，杨雪雯1，2，李瑶5，方振祥1，2（1.陕西省地表系统与环境承载力重点实验室，陕西 西安 710127；2.西北大学 城市与环境学院/地表系统与灾害研究院，陕西 西安 710127；3.中国科学院 青藏高原研究所，北京 100101；4.中国科学院 西北生态环境资源研究院，甘肃 兰州 730000；5.中山大学 大气科学学院，广东 广州 519082）摘要：根据2021年1月在青藏高原东南和西南部所采集的73个积雪样，通过测定积雪中氢氧稳定同位素和可溶性无机离子，结合主成分分析和Hysplit后向轨迹分析，揭示了干季氢氧稳定同位素（D和18O）分馏特征及水汽迁移对积雪剖面化学组分变化的影响，讨论了氢氧稳定同位素与气候的关系和可溶性无机离子组成及来源。结果表明：整个研究区积雪大气水线为D=7.8618O+11.8（R2=0.95），接近拉萨冬季大气水线，且东南部大气水线斜率和截距略低于西南部；D和18O波动分别介于-178.11 -68.07和-23.80-9.61，d-excess值波动范围为11.0323.49，表现为冬季D、18O低值，高d-excess值；雪坑表层相对富集重同位素，同位素值高于下层雪样，且积雪内部的水汽迁移使得分层雪样的D和18O关系曲线的斜率出现差异；主要可溶性无机离子浓度序列为Ca2+SO42-Na+NO3-Cl-K+Mg2+NH4+，其中Ca2+（42.47%）、SO42-（23.53%）分别在阳、阴离子中占比最大，且东南部离子浓度平均值高于西南部；主成分分析结果显示，陆源是积雪中离子的主要来源，NH4+和部分NO3-与人类活动有关；后向气团轨迹显示，水汽来源与高空西风环流控制的水汽输送有关，且离子大多为冬季西风所携带的陆源矿物粉尘。关键词：青藏高原；积雪；氢氧稳定同位素；无机离子中图分类号：P426.63+5；P597+.1 文献标志码：A 文章编号：1000-0240（2023）01-0018-130 引言 雪冰是高海拔地区大气中各种物质重要的存储器，记录着大量反映气候和环境变化的化学信息1-2，氢氧稳定同位素（D和18O）和可溶性无机离子（主要包括：Ca2+、SO42-、Na+、NO3-、Cl-、K+、Mg2+、NH4+）是雪冰化学研究的重要指标。积雪表面不断接收着各种大气成分的干湿沉降，将大气中的化学物质带至地球表面，参与生物地球化学循环，且雪融水也是丰富的淡水资源3-5。同时，积雪消融时所释放的化学组分可能对陆地和水生生态系统产生重要影响6。因此，了解积雪中化学物质的含量、来源及其在积雪中的次生变化等问题，对我国西部冰冻圈气候环境演变过程中人为和自然影响因素的综合评估以及物质在各圈层之间的迁移转化有着重要意义。氢氧稳定同位素是自然水体的重要指标，被广泛用于区分水文循环的各种组成部分，对气候环境变化的响应极为敏感7-10。降雪事件发生后，随着沉积过程的发生，积雪中的氢氧稳定同位素也会发生一系列变化，因而扰乱了雪坑中同位素的垂直分布。过去对青藏高原地区积雪同位素信息的提取进行过广泛的研究，也取得了显著成果。例如，周石硚等11通过对七一冰川降水和冰川表面粒雪氢氧稳定同位素进行分析，发现雪坑剖面的 d-excess值与18O呈明显正相关；康世昌等12对珠穆朗玛峰DOI：10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0363ZHANG Yuxuan，WANG Ninglian，WU Xiaobo，et al.Study on chemical composition of snowpack in southeast and southwest of Tibetan Plateau in winter J.Journal of Glaciology and Geocryology，2023，45（1）：18-30.张愉萱，王宁练，武小波，等.青藏高原东南和西南部冬季积雪化学组成研究 J.冰川冻土，2023，45（1）：18-30.收稿日期：2022-04-08；修订日期：2022-06-04基金项目：第二次青藏高原综合科学考察研究项目（2019QZKK020102）资助作者简介：张愉萱，硕士研究生，主要从事雪冰中氢氧同位素的研究.E-mail：通信作者：王宁练，教授，主要从事冰冻圈与全球变化研究.E-mail：1 期张愉萱等：青藏高原东南和西南部冬季积雪化学组成研究和希夏邦马峰的新雪、老雪以及定日站夏季降水进行氢氧稳定同位素分析，发现在夏季风期间高山冰川区和低海拔地区降水中的氢氧稳定同位素值是相似的，而水汽源地和气团轨迹的差异可能是定日站降水中 d-excess 值远低于珠穆朗玛峰新雪中d-excess值的原因。但过去的研究主要集中在能够较好保存同位素信息的冰川区13-16。由于积雪的消融会使其记录的环境信息发生显著变化，所以探究积雪中氢氧稳定同位素变化为获取青藏高原不同时期积雪后沉积过程的信息提供了平台。积雪是部分积雪区区域内河流的主要补给水源，积雪中的污染物极有可能威胁到人体健康，而对积雪化学组分的研究是判断大气污染物来源的重要途径。由于局地的大气环流和地理环境存在一定差异，不同区域雪冰中的主要离子来源和特征也有所不同17。之前的研究指出，青藏高原雪冰中的 Ca2+和 SO42-主要由中亚干旱地区的大气粉尘控制，远高于世界其他偏远地区的背景浓度值18。所以，了解积雪的化学组成对反映区域尺度的大气环境状况及污染程度至关重要19。近年来，极地地区以及高海拔地区冰川化学特征研究备受关注，例如，南极洲20、北极地区21、阿尔卑斯山22、喜马拉雅山23等地，但对积雪中化学组分和积雪化学性质的研究非常有限24。因此，本文以青藏高原东南和西南部为研究区，通过冬季积雪样品采集与分析，讨论该区域雪层中D和18O与气候的关系以及与水汽迁移相联系的雪变质问题，分析干季氢氧稳定同位素分馏特征以及积雪中可溶性无机离子的主要特征和来源，揭示不同因子对干季积雪化学成分变化影响程度，为了解青藏高原地区积雪的化学组分提供重要数据支撑。1 研究区概况 青藏高原平均海拔在 4 000 m 以上25，是世界上海拔最高的高原，被视为南北极之外的“地球第三极”。青藏高原高原地形复杂，南起喜马拉雅山脉南缘，北至昆仑山-祁连山，东部有唐古拉山和横断山脉，西部为帕米尔高原和喀喇昆仑山脉。此外，青藏高原也是亚洲主要河流的发源地，素有“亚洲水塔”之称。受地形、地貌和大气环流的影响，青藏高原气候复杂多样。总体上呈西北寒冷干燥，东南温暖湿润的特征，年平均气温由东南的20，向西北递减至-6 以下。1月的平均气温为-17，且日较差变幅在1220，是典型的高原大陆性气候。青藏高原的旱季和雨季区分明显，一般每年10月至翌年4月为旱季，5月至9月为雨季，年降水量为400 mm左右26-27。青藏高原是我国主要的积雪区之一，除去藏北高原和柴达木盆地，稳定区积雪面积约230万平方公里28。高原内积雪空间分布不均，主要分布在四周山区，其中以唐古拉山和念青唐古拉山积雪面积最大29。青藏高原东南和西南部地区积雪的采样点如图1所示，东南部主要位于念青唐古拉山脉东段，西南部主要位于喜马拉雅山西段沿线地区。由图1研究区采样点示意图，SE和SW分别为东南部和西南部Fig.1Location map of sampling points in the study area，SE and SW are southeast and southwest respectively1945 卷冰川冻土于冬季青藏高原气温较低且降水量较少，积雪发生淋溶的可能性减小，因此较好地保存了该时段的环境信息。本研究所采用的青藏高原边界数据总集30-33来源于“国家青藏高原科学数据中心”（http：/）。2 样品采集与分析 采样点分布在青藏高原东南部和西南部，沿途选取了 13 个采样点，共计采集了 73 个有效雪样。采样点具体位置以及采样相关信息如表1所示（SE为东南部，SW 为西南部）。采样点选取在远离道路、牧场、人群的开阔平坦处，并且使用GPS测定采样点的经纬度及高程，同时用温度计测量非阳光直射下的气温。采样前严格遵守采样规范，佩戴口罩和PVC清洁手套，用去离子水反复冲洗采样所用的塑料铲。塑料铲在雪层中反复磨蹭至干燥。对积雪进行固定分层采样，每5 cm采集一个样品，同样的方法再采集两组平行样。整个采样过程中均没有连续降水事件发生。雪样装在whirl-pak无菌雪样自封袋中密封保存，并在采样袋上标注编号，随后送于实验室以-18 低温存放，直至处理分析前取出。所有雪样均在陕西省地表系统与环境承载力重点实验室完成测定。测样前将雪样于万级超净实验室室温下融化，避免受到空气中各物质影响，融化后立即进行实验。样品经0.22 m孔径的聚醚砜PES滤头过滤后用Picarro L2130-i激光水汽同位素分析仪测定其D、18O，分析精度分别为0.1和0.02。测试结果以相对于维也纳标准平均海水（VSMOW）的千分值偏差表示。每个样品测试6次，避免记忆效应造成误差，取后三次的平均值作为最终值。阴离子和阳离子由美国戴安公司DIONEX-AQ型离子色谱仪测定，误差小于1%，所有离子检测限度均为1 gL-1。实验过程中用到的电阻率为18.2 M cm超纯水均由Milli-Q IQ7000超纯水仪制备。3 结果与讨论 3.1氢氧稳定同位素特征3.1.1D和18O相关关系分析结果显示（表1），积雪中D值的变化范围在-178.11-68.07之间，平均值为-121.71；18O的变化范围在-23.80-9.61之间，平均值为-16.99，表现为较低的D和18O值，但值均在中国大气降水氢氧稳定同位素组成范围内34（D：-229.6+45.4，18O：-29.47+9.15）。积雪中的氢氧稳定同位素一定程度上反映降水氢氧稳定同位素的组成，由于冬季气温较低，蒸发作用较弱，且受冬季西风环流的影响，漫长的水汽输送使得重同位素逐渐贫化35，其含有的水汽同位素值较低。在全球平均状况下，水汽在其源地非平衡蒸发及在凝结过程中平衡分馏条件下，降水中D和18O存在一定的线性关系，Craig36将这种关系定义为全球大气水线（GMWL）：D=818O+10。降水同位素的组成随时间和空间变化较大，不同的水汽蒸发源地和输送路径，降水中氢氧稳定同位素动力分馏程表1 采样点信息与测试值Table 1 Information and test values of all sampling points采样点编号SE1SE2SE3SW1SW2SW3SW4SW5SW6SW7SW8SW9SW10经度/E96.5095.6195.3386.1282.8882.6781.1981.1881.0180.6280.6080.3680.37纬度/N31.0931.3431.5228.6530.3530.4530.1930.1830.2631.3331.3534.0834.09高程/m4 6454 7954 4724 4604 6624 7954 2004 2434 1704 7454 8055 0394 160样品数量/个91233369666361气温/104372433222-2-318O平均值/-17.10-16.48-13.67-17.23-22.93-16.27-16.75-15.56-18.84-14.39-12.94-21.04-21.00D平均值/-120.59-119.20-90.49-142.06-172.39-106.64-118.79-110.25-137.64-100.20-90.83-155.40-151.73d-excess/16.2312.6118.88-4.2111.0323.4