平頂冰川雪坑離子濃度特征分析范文

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《環境化學雜志》2015年第十期

摘要

運用海鹽離子示蹤法對于2009年8月在天山東段哈密廟爾溝平頂冰川采取的雪坑數據進行分析，結果表明，哈密廟爾溝平頂冰川Ca2+和Na+為主要陽離子，Cl－為主要的陰離子，該雪坑化學離子排名為Cl－＞Na+＞Ca2+＞K+＞SO2－4＞NO－3＞Mg2+＞NH+4，Mg2+是所有離子中變率最大的離子．K+和Ca2+主要來源于陸源物質，而Mg2+和Na+大部分來源于海洋源．部分離子受局地氣候環境和地形影響較大．

關鍵詞

天山東段，廟爾溝平頂冰川，雪冰化學，離子特征．

政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第五次工作報告指出，全球氣候變化異常，氣溫升高，且大氣污染較嚴重，在冰凍圈表現得尤為明顯［1］．由于人類活動加劇，環境污染不斷增加，因此引起的冰川環境問題更加嚴重，隨著全球變化研究的進一步開展，地球表面的各成分化學特征成為重點研究對象．雪冰化學特征研究對于揭示氣候變化具有非凡的意義，冰雪中的離子是反映區域氣候環境污染變化的重要指示因子，因而探求雪冰中陰陽離子等化學物質的特征、來源和變化過程具有重要的參考價值［2-7］．研究該區域的雪冰化學特征對探討東天山東段區域內水源演化以及政府決策具有重要的參考價值．

1樣品的采集和分析

1．1研究區概況廟爾溝平頂冰川(圖1)位于哈爾里克山南坡、哈密市東北方向，積累區朝向西南，屬溫帶荒漠氣候，位于古爾班通古特沙漠、塔克拉瑪干沙漠和鄯善沙漠的環繞之中，氣候干燥、降水量稀少，蒸發嚴重，受局地沙塵暴天氣影響較大［3］．水汽主要來源為西風帶來水汽、北冰洋水汽和印度洋因季風環流所帶來水汽．面積3．64km2，海拔介于3840m至4513m之間，這一區域冰川的冰雪融水是吐哈綠洲區域生態平衡、人畜生存和經濟發展的主要水源地，對于天山東段哈密廟爾溝平頂冰川的雪冰化學研究尤為重要．

1．2數據分析與研究方法2009年8月在廟爾溝平頂冰川積累區4300m海拔點挖取雪坑一個．采樣地點表面平整，積雪較為豐富，雪坑狀況良好．采樣過程嚴格按照雪冰雪坑采樣程序進行［4-5］，著重進行雪冰化學相關研究的科學研究考察工作．該冰川位于中亞沙塵源區，水汽主要是西風帶來的海洋源和中亞區域內湖泊水汽源，夏季的降水占全年降水90%以上，且西風帶來的海洋水汽是冰川補給的主要來源，因而選擇海洋離子示蹤法［5］來探討離子來源意義重大．海鹽示蹤離子的選擇判斷依據如下:若Mg2+/Na+和Cl－/Na+當量比值等于或大于海鹽中離子相應比值(Mg2+/Na+=0．227，Cl－/Na+=1．165)時，則選取Na+為海鹽示蹤離子;若Mg2+/Cl－和Na+/Cl－當量比值等于或大于海鹽中離子相應比值(Mg2+/Cl－=0．195，Na+/Cl－=0．859)時，則選取Cl－為海鹽示蹤離子;若Cl－/Mg2+和Na+/Mg2+當量比值等于或大于海鹽中離子相應比值(Cl－/Mg2+=5．126，Na+/Mg2+=4．403)時，則選取Mg2+為海鹽示蹤離子．通過計算本研究數據，Mg2+/Na+和Cl－/Na+比值分別為0．107和1．180，Mg2+/Cl－和Na+/Cl－比值分別為0．09和0．846，Cl－/Mg2+和Na+/Mg2+比值分別為11．02和9．33，基于結果對比判斷依據，選取Mg2+作為海鹽示蹤離子．利用非海洋源離子含量公式計算。

2結果和討論

2．1雪坑離子整體化學特征表1顯示天山哈密廟爾溝平頂冰川雪坑中主要陽離子是Na+和Ca2+，主要陰離子為Cl－和SO2－4，離子排名為Cl－＞Na+＞Ca2+＞K+＞SO2－4＞NO－3＞Mg2+＞NH+4，且主要陰離子Cl－和主要陽離子Na+濃度均遠遠大于其他離子濃度水平。由表1根據海鹽離子示蹤法計算得出Na+非海洋源占比為29%，從而Na+海洋源占比為71%，Mg2+非海洋源占比44%，海洋源對應為56%，這也就解釋了廟爾溝平頂冰川海洋源離子前兩位Na+、Mg2+和海洋中離子濃度大小順序具有很好的對應關系．

2．2廟爾溝平頂冰川離子變化特征圖2顯示出雪坑離子濃度隨深度變化也表現出不同的特征，造成這種變化的原因可能是由于大氣沙城活動季節變化、水汽來源的季節變化以及雪層在消融期出現淋融作用所引起的結果．圖2顯示出雪坑在10cm處離子濃度較中間部分高，可能與采取數據期間降落新雪，大氣環流和局部地區氣流變化從吐哈盆地工業區帶來一些污染物有關，在10cm和40cm處離子濃度出現兩個明顯的峰值，是非常明顯的兩個污化層，濃度出現峰值可能是因為氣候變化、大氣環流和局地水汽環流所造成的化學物在此范圍內長期沉積而成．這恰恰也說明了環境污染等信息在此范圍內得以很好的保存，也給氣候變化研究和冰芯研究提供相應的佐證．表2結果顯示，Mg2+是8種主要離子中變率最大的離子，變率達到了15．7．2．3哈密廟爾溝平頂冰川雪坑離子來源分析廟爾溝平頂冰川位于古爾班通古特沙漠、塔克拉瑪干沙漠和鄯善沙漠的環繞之中，東、南、北方向外圍均為荒漠戈壁，受局地沙塵暴天氣影響較大．表1顯示廟爾溝平頂冰川Na+和Mg2+是所有海洋源離子中海洋源比重最大的離子，海洋源比例分別占到71%和56%．Ca2+和NH+4是所有的離子中非海洋源比重最大的離子，非海洋源比例為100%，完全是來源于陸地．主要是由于冰川在中亞粉塵源區，周圍被沙漠所環繞，通過西風環流所攜帶的沙漠粉塵在此沉積在冰川，所以導致了Ca2+呈現出非海洋源占比達到100%的比例．由于廟爾溝平頂冰川處在吐哈盆地，吐魯番和哈密是東天山最重要的工農業活動地域，人類不合理的農業活動以及重工業活動所產生的廢氣、廢水和廢渣的排放，導致廟爾溝平頂冰川受到一定程度上的污染．SO2－4和NO－3的主要來源是人類不合理的工農業活動所造成的污染所導致，比如化石燃料的燃燒和生物有機質的燃燒以及牲畜活動和化學肥料的使用．Mg2+作為海洋示蹤離子，是海洋源排名第二的離子，因此Mg2+表現出最大的變率，恰好證明是由于夏季西風帶來水汽形成降水，在冰面得以很好的保存，形成和其他季節不同的離子濃度當量．

3結論

(1)冰川的雪坑離子濃度大小順序Cl－＞Na+＞Ca2+＞K+＞SO2－4＞NO－3＞Mg2+＞NH+4，Cl－是所有離子中當量最大的離子．其中Na+和Ca2+是主要的陽離子，Cl－和SO2－4是主要的陰離子，各種離子濃度在表層和中底層呈現出不同的特征．Mg2+是所有離子中變率最大的離子，NH+4是所有離子中變率最小的離子．(2)廟爾溝平頂冰川雪坑中主要離子主要來源于陸地礦物粉塵和人類工農業活動．其中Ca2+和NH+4是所有的離子中非海洋源比重最大的離子，非海洋源比例為100%，完全是來源于陸地．Na+和Mg2+是所有海洋源離子中海洋源比重最大的離子，海洋源比例占到71%和56%．此外西風環流所帶來的海洋水汽可能也是離子來源的主要途徑．SO2－4和NO－3來源于沙塵源傳輸，且受人類工業活動影響較大．

參考文獻

［1］沈永平，王國亞．IPCC第一工作組第五次評估報告對全球氣候變化認知的最新科學要點［J］．冰川凍土，2013，35(5):1068-1076

［2］WangFT，WangL，KangJ，etal．Chemicalcharacteristicsofsnow-firnpackinAltaiMountainsandit'senvironmentalsignificance［J］JournalofEarthScience，2011，22(4):482-489

［3］崔曉慶，任甲文，秦翔，等．祁連山老虎溝冰芯草酸根和氟離子的記錄及環境意義［J］．環境化學，2011，30(11):1919-1925

［4］董志文，李忠勤，王飛騰，等．天山東部冰川積雪中大氣粉塵的沉積特征［J］．地理學報，2008，63(5):544-552

［5］董志文，李忠勤，張明軍，等．天山奎屯哈希勒根51號冰川雪坑化學特征及環境意義［J］．地理科學，2010，31(1):149-156

［6］李向應，劉時銀，韓添丁，等．天山東部冰川雪坑離子濃度特征的對比研究———以奎屯哈希勒根51號冰川和哈密廟爾溝冰川為例［J］．地球科學進展，2008，23(12):1269-1276

［7］張曉宇，李忠勤，王飛騰，等．中亞天山托木爾峰地區青冰灘72號冰川雪坑化學離子特征及其環境指示意義［J］．地理科學，2012，32(5):641-648

作者：陳物華 李忠勤 懷保娟 單位：西北師范大學地理與環境科學學院 中國科學院寒區旱區環境與工程研究所冰凍圈科學國家重點實驗室 天山冰川試驗站 中國科學院研究生院