拉薩和日喀則地區(qū)雪-冰表面吸光性物質(zhì)特征及其影響因子分析*

高佳佳 戴 睿 黃曉清#

(1.西藏高原大氣環(huán)境科學(xué)研究所，西藏 拉薩 850000；2.西藏自治區(qū)氣候中心，西藏 拉薩 850000)

黑碳(BC)、有機(jī)碳(OC)被稱作吸光性物質(zhì)。當(dāng)吸光性物質(zhì)通過干濕沉降落到冰川或積雪后，能夠加大雪-冰對(duì)短波輻射的吸收，減少雪-冰留存時(shí)間和范圍，導(dǎo)致積雪面積消退、積雪日數(shù)顯著減少，從而加速冰川消融[1-3]。BC作為吸光性物質(zhì)的重要組成部分，主要來自于化石燃料和生物質(zhì)燃料的不完全燃燒[4]5382。隨著城市化的發(fā)展，人類活動(dòng)產(chǎn)生了大量污染物，BC常被用作人類生產(chǎn)活動(dòng)的指示物[5]，在北極的積雪中已經(jīng)檢測(cè)出來源于人類活動(dòng)的BC[6-8]。OC包括一次OC和二次OC。一次OC由排放源直接排放，二次OC是氣態(tài)有機(jī)污染物通過光化學(xué)反應(yīng)等途徑形成的光化學(xué)產(chǎn)物[9-10]。

西藏地區(qū)位于大氣環(huán)流沉降區(qū)，平均積雪面積約占整個(gè)區(qū)域面積的38.16%，拉薩和日喀則位于西藏地區(qū)中南部，是我國大氣最潔凈的地區(qū)，也是對(duì)全球氣候和環(huán)境變化響應(yīng)最敏感的地區(qū)之一。由于鄰近東亞和南亞兩個(gè)世界上最大的碳質(zhì)氣溶膠排放源地[4]5382，吸光性物質(zhì)可能傳輸?shù)皆摰貐^(qū)，進(jìn)而影響該地區(qū)的大氣環(huán)境、氣候變化和冰川消融。因此，在上述兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行雪-冰中吸光性物質(zhì)的研究工作，分析季節(jié)性雪-冰表面吸光性物質(zhì)的變化特征，探討雪-冰中吸光性物質(zhì)的潛在來源和影響因子，有助于為青藏高原冰川保護(hù)提供參考和依據(jù)，也可為人為源碳質(zhì)氣溶膠的減排提供理論支撐。

1 材料和方法

1.1 樣品采集與分析

在西藏地區(qū)較大的城市拉薩和日喀則共設(shè)計(jì)了20個(gè)采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)信息見表1，采集時(shí)間為2018年冬季至2019年春季，在冬春季采樣的主要原因是考慮到采暖導(dǎo)致碳污染排放較重。

表1 各采樣點(diǎn)信息

用清潔的鐵鏟采集表層(0～5 cm)雪-冰樣本，儲(chǔ)存在whirl-Pak無菌采樣袋中，冷凍保存。同時(shí)標(biāo)記樣品采樣點(diǎn)和采樣時(shí)間，并記錄采樣點(diǎn)溫度、濕度、風(fēng)向和風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將采集的雪-冰樣品利用溫水浴或微波爐快速融化，待樣品完全融化后對(duì)樣品進(jìn)行稱重，將BC和OC過濾到預(yù)先500 ℃高溫有氧環(huán)境下灼燒6 h的石英濾膜(Whatman?QMA)上。本次實(shí)驗(yàn)選取約0.5 cm2的濾膜，使用DRI-2015多波段熱/光碳分析儀(美國Atmoslytic Incorporation)分別在580、840 ℃測(cè)定OC、BC。

1.2 后向軌跡分析

拉格朗日混合單粒子軌道模型(HYSPLIT)是由美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的空氣資源實(shí)驗(yàn)室和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的一種用于計(jì)算和分析大氣污染物后向軌跡的專業(yè)模型。該模型具有處理多種氣象要素輸入場(chǎng)、多種物理過程和不同類型污染物排放源功能的較為完整的輸送、擴(kuò)散和沉降模式，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多種污染物在各個(gè)地區(qū)的傳輸和擴(kuò)散研究中[11]。分別在日喀則、拉薩選取編號(hào)分別為9、18的采樣點(diǎn)作為后向軌跡的起始點(diǎn)推算72 h后向軌跡，起始高度選取1 000、2 500、4 000 m 。

2 結(jié)果與討論

2.1 雪-冰表面吸光性物質(zhì)的統(tǒng)計(jì)描述

由表2可以看出，拉薩和日喀則地區(qū)雪-冰中BC的質(zhì)量濃度為5～157 ng/g，平均質(zhì)量濃度為48 ng/g。與青海高原降雪中的BC(151±54 ng/g)[12]相比，本研究得出的BC濃度略低，這可能與采樣點(diǎn)位置不同有關(guān)，青海地區(qū)受人為源影響較西藏地區(qū)大，當(dāng)然也可能與采樣時(shí)間和采樣點(diǎn)的多少有關(guān)。拉薩和日喀則地區(qū)雪-冰中BC的濃度總體低于我國西部地區(qū)的平均質(zhì)量濃度(63 ng/g)，是帕米爾地區(qū)BC濃度的2倍，是祁連山地區(qū)BC濃度的3倍[13]，與內(nèi)蒙古草原(100～600 ng/g)[14]和西伯利亞南緣地區(qū)(50～150 ng/g)[15]相比也低得多。這種格局與BC的排放源分布有關(guān)[16]。以往的研究對(duì)雪-冰中的OC關(guān)注較少，本研究發(fā)現(xiàn)拉薩和日喀則地區(qū)雪-冰中OC的質(zhì)量濃度為26～243 ng/g，平均質(zhì)量濃度為97 ng/g。

表2 拉薩和日喀則各采樣點(diǎn)BC和OC質(zhì)量濃度

拉薩和日喀則兩個(gè)地區(qū)的BC和OC分布具有一定的差異性。日喀則地區(qū)的BC和OC的質(zhì)量濃度分別為(25±16)、(62±28) ng/g；拉薩地區(qū)的BC和OC的質(zhì)量濃度分別為(71±43)、(132±62) ng/g。兩個(gè)地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)差均較大，說明區(qū)域內(nèi)部具有明顯的差異性，表明碳質(zhì)氣溶膠的沉降存在顯著的不均勻性和較大的空間差異性。拉薩地區(qū)的OC和BC濃度均高于日喀則地區(qū)，可能有兩個(gè)原因：一是拉薩地區(qū)的城市發(fā)展水平相對(duì)高于日喀則地區(qū)，交通發(fā)達(dá)，人口眾多，人為源的影響較大；二是與雪深和溫度有關(guān)，研究表明，雪深與BC和OC的濃度具有弱的負(fù)相關(guān)性，與日最高氣溫具有顯著的正相關(guān)性[17]，采樣時(shí)拉薩地區(qū)的雪深遠(yuǎn)小于日喀則地區(qū)，且溫度高于日喀則地區(qū)。另需特別說明的是，冬季青藏高原由于氧氣稀少，牛糞等生物質(zhì)燃料燃燒往往不充分，會(huì)產(chǎn)生更多的BC。

2.2 影響因子分析

2.2.1 風(fēng)

研究的吸光性物質(zhì)來源除需要考慮本地源外還需要考慮外來源，因?yàn)檠芯繀^(qū)域距離東亞和南亞兩個(gè)世界上最大的吸光性物質(zhì)排放源地[4]5382較近，吸光性物質(zhì)可通過大氣運(yùn)動(dòng)傳輸?shù)窖芯繀^(qū)域并沉降至地面。

對(duì)后向軌跡進(jìn)行聚類分析得到4類軌跡，并且兩個(gè)地區(qū)的聚類軌跡呈現(xiàn)出一致性。第1類軌跡來自于本地，即西藏和青海地區(qū)，氣流軌跡數(shù)量在4類軌跡中最少，只占總數(shù)的18%。ZHANG[18]研究認(rèn)為，BC/OC(質(zhì)量比)可在一定程度上反映吸光性物質(zhì)的來源：如果BC/OC在0.11左右，可以認(rèn)為吸光性物質(zhì)主要來源于生物質(zhì)燃燒；BC/OC在0.5左右，則可以認(rèn)為吸光性物質(zhì)主要來源于化石燃料的燃燒。第2類軌跡和第3類軌跡傳輸距離較遠(yuǎn)，主要來自于伊朗、阿富汗、巴基斯坦，氣流軌跡數(shù)量分別占總數(shù)的24%、33%，主要是這些國家工業(yè)較發(fā)達(dá)的城市或礦產(chǎn)資源較豐富的地區(qū)冬季產(chǎn)生大量吸光性物質(zhì)，并附著于沙塵之上，隨著西風(fēng)氣流傳輸至西藏地區(qū)，這與HE等[19]的研究結(jié)果基本一致。第4類軌跡主要來自于印度、尼泊爾，氣流軌跡數(shù)量占總數(shù)的25%。后3類軌跡的軌跡數(shù)較多，與冬季盛行西風(fēng)有關(guān)。冬季西風(fēng)帶受海拔4 000 m以上的高原阻擋會(huì)分成南北兩支。主要是南支氣流，由于途經(jīng)新得里、加得滿都等人口稠密的地區(qū)，而且這些地區(qū)大量使用石油液化氣、燃燒生物質(zhì)等而產(chǎn)生大量BC，因此氣流會(huì)攜帶大量BC越過喜馬拉雅山到達(dá)西藏地區(qū)，沉降于雪-冰表面。

由以上分析綜合可知，拉薩和日喀則地區(qū)的吸光性物質(zhì)以遠(yuǎn)距離運(yùn)輸占大多數(shù)，其次是青海、西藏等鄰近城市的近距離傳輸，再者是本地源。當(dāng)然，后向軌跡只能判斷氣流的一般路徑，并不能精確的判斷氣流路徑，會(huì)有15%左右的誤差[20]。

2.2.2 海 拔

海拔可以影響水熱的垂直分布，因此也是影響吸光性物質(zhì)分布的一個(gè)重要因素[21]。由圖1可以看出，BC、OC濃度總體上均與海拔呈現(xiàn)出一定的負(fù)相關(guān)性，計(jì)算發(fā)現(xiàn)，BC、OC濃度與海拔的相關(guān)性系數(shù)分別為-0.44、-0.51。YE等[22]也曾得出類似結(jié)論，即青藏高原高海拔地區(qū)，積雪中的BC含量與海拔高度呈負(fù)相關(guān)。原因可解釋為：低海拔地區(qū)人為活動(dòng)多，所以碳含量相對(duì)較高；另一方面，高海拔地區(qū)一般位于山頂，在雪水融化或雨水沖刷的作用下會(huì)把吸光性物質(zhì)帶下來，導(dǎo)致碳在低海拔地區(qū)堆積。有研究指出，坡位也是影響碳含量的重要因子，坡上的BC含量往往小于坡下[23]。

2.2.3 土地利用類型

不同的土地利用類型會(huì)導(dǎo)致土壤的理化性質(zhì)及地上植被的不同，從而會(huì)導(dǎo)致吸光性物質(zhì)在不同土地利用類型上的分布表現(xiàn)出一定的差異。一般而言，建設(shè)用地、郊區(qū)用地的BC含量較高，農(nóng)田用地、牧區(qū)用地的BC含量較低。在本研究中，不同土地利用類型中BC含量大小分布依次為：郊區(qū)用地>建設(shè)用地>農(nóng)田用地>牧區(qū)用地。另外，本研究發(fā)現(xiàn)，不同土地利用類型中OC含量大小分布依次為：郊區(qū)用地>農(nóng)田用地>建設(shè)用地>牧區(qū)用地。本研究的BC分布與其他研究基本一致，而OC分布呈現(xiàn)郊區(qū)用地高于農(nóng)田用地和建設(shè)用地，牧區(qū)用地中最低。農(nóng)田附近有防護(hù)林可能是導(dǎo)致農(nóng)田OC含量偏高的原因。因?yàn)榉雷o(hù)林是OC的有效碳庫，有研究計(jì)算得出，防護(hù)林土壤中的OC質(zhì)量濃度約為0.59 g/kg，一般高于其他土壤[24]。郊區(qū)的OC含量最高，除少量來自于植物外，大部分是由人為原因造成的，如城市生活垃圾、工業(yè)有機(jī)廢物等的遺棄，另外郊區(qū)也會(huì)有部分菜地會(huì)使用少量化肥，以及一些植物殘?bào)w留在土壤中形成OC[25]。

圖1 BC和OC隨海拔的變化Fig.1 The BC and OC varied with altitude

3 結(jié) 論

(1) 拉薩和日喀則地區(qū)雪-冰中BC和OC的質(zhì)量濃度分別為5～157、26～243 ng/g，平均質(zhì)量濃度分別為48、97 ng/g。拉薩和日喀則兩個(gè)地區(qū)的吸光性物質(zhì)分布也具有一定的差異性。日喀則地區(qū)的BC和OC的質(zhì)量濃度分別為(25±16)、(62±28) ng/g；拉薩地區(qū)的BC和OC的質(zhì)量濃度分別為(71±43)、(132±62) ng/g。

(2) 通過對(duì)吸光性物質(zhì)的影響因子分析發(fā)現(xiàn)：冬春季節(jié)，吸光性物質(zhì)的遠(yuǎn)距離傳輸對(duì)研究區(qū)域的污染貢獻(xiàn)較大；吸光性物質(zhì)在高海拔地區(qū)的含量較少，低海拔地區(qū)的含量較多；不同土地利用類型中BC含量大小分布依次為：郊區(qū)用地>建設(shè)用地>農(nóng)田用地>牧區(qū)用地，OC含量大小分布依次為：郊區(qū)用地>農(nóng)田用地>建設(shè)用地>牧區(qū)用地。