青藏高原近地表大氣氧含量的新認(rèn)識(shí)

馬偉東，陳彥強(qiáng)，王靜愛(ài)

摘 要：氧氣是大氣中體積含量?jī)H次于氮?dú)獾慕M分。已有研究表明，在所有海拔高度上，氧含量幾乎保持不變。然而最新研究表明，氧含量與先前的共識(shí)有顯著差異，并呈現(xiàn)一定的空間和季節(jié)差異。2018—2021年對(duì)青藏高原近地表大氣氧含量的野外采樣結(jié)果表明，氧含量為19.91%～20.78%，低于全球大氣氧含量的平均水平（20.95%）。夏季氧含量高于冬季，白天氧含量高于夜晚。除海拔外，氣象因子（如氣溫）和植被條件（如植被覆蓋度、葉面積指數(shù)等）也對(duì)青藏高原近地表氧含量產(chǎn)生影響。在全球變暖背景下，未來(lái)青藏高原氣溫持續(xù)上升，植被覆蓋條件趨好，這很可能進(jìn)一步減緩本地區(qū)人口缺氧健康風(fēng)險(xiǎn)。這些發(fā)現(xiàn)為深入理解青藏高原缺氧環(huán)境提供了新的視角。

關(guān)鍵詞：大氣氧含量;青藏高原;海拔;人口健康;高原反應(yīng);氣溫

中圖分類號(hào)：K903? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1005-5207（2022）01-0010-03

氧是人體進(jìn)行新陳代謝的關(guān)鍵物質(zhì)，是人和動(dòng)物生命活動(dòng)的第一需要。在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史中，大氣氧含量發(fā)生了劇烈變化，對(duì)地表生物地球化學(xué)過(guò)程和生命進(jìn)化產(chǎn)生了重大影響。但當(dāng)前大氣氧含量一直被認(rèn)為接近常量，如法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫于1772年在研究空氣的成分時(shí)發(fā)現(xiàn)氧氣在空氣中的體積約為五分之一。通過(guò)對(duì)空氣成分的進(jìn)一步研究表明，在離地面100 km高度以內(nèi)空氣的成分幾乎是不變的，以體積含量計(jì)算時(shí)氧含量為20.95%[1]?？瓶即诒本?0°到南緯60°之間海洋上的測(cè)量結(jié)果也表明，干燥空氣中的氧含量幾乎恒定不變[2-3]。

青藏高原被稱為“世界屋脊”，位于北緯26°00′～39°47′，東經(jīng)73°19′～104°47′之間，面積約2.5×106 km2，平均海拔超過(guò)4 000m，屬典型的寒冷干燥高山氣候，部分地區(qū)絕對(duì)氧含量（即氧含量與空氣密度的乘積[4]，表征單位體積空氣中的氧氣質(zhì)量）僅為平原地區(qū)的40%。由于高海拔、強(qiáng)輻射和空氣稀薄等特點(diǎn)，青藏高原的環(huán)境條件非常惡劣，但它對(duì)中國(guó)乃至亞洲的水土保持和生物多樣性保護(hù)至關(guān)重要，并以復(fù)雜的熱力和動(dòng)力作用過(guò)程，深刻影響著周邊廣大范圍內(nèi)（如東亞和南亞）的天氣和氣候[5]。

高原反應(yīng)（High altitude reaction），亦稱高原病、高山病，是人體急速進(jìn)入海拔3 000m以上高原暴露于低壓、低氧環(huán)境后產(chǎn)生的各種不適，是青藏高原等高海拔地區(qū)特有的常見(jiàn)病。高寒缺氧的環(huán)境致使初入高原的人員副交感神經(jīng)活動(dòng)明顯減少[6]，同時(shí)交感神經(jīng)活動(dòng)增強(qiáng)，出現(xiàn)與交感神經(jīng)興奮相關(guān)的一系列異常表現(xiàn)，如頭昏、頭痛、乏力、呼吸困難、心率加快、動(dòng)脈壓增高等[7]。例如，高原缺氧對(duì)于駕駛員的認(rèn)知能力、情緒情感等方面均會(huì)產(chǎn)生一定的影響，即隨著氧含量的減少，各項(xiàng)認(rèn)知能力（涵蓋視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、記憶力、思維和注意力等）會(huì)有不同程度的下降[8]。過(guò)去幾十年，尤其是青藏鐵路開(kāi)通以來(lái)，因旅游、出差、運(yùn)輸、探險(xiǎn)等原因進(jìn)入青藏高原的短居人口越來(lái)越多。但青藏高原地區(qū)嚴(yán)酷的自然環(huán)境、欠發(fā)達(dá)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平和醫(yī)療衛(wèi)生保障體系，以及愈來(lái)愈多的人口暴露和人類較低的適應(yīng)能力，使得這一區(qū)域的人口環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)居高不下[9]。例如，2018年12月27日，貨車司機(jī)倪某夫婦的遺體在109國(guó)道青海省曲麻萊縣五道梁段被警方發(fā)現(xiàn)，后經(jīng)法醫(yī)鑒定死因?yàn)槿毖踔舷?。這一事件的發(fā)生為忽視高原缺氧環(huán)境的現(xiàn)狀敲響了警鐘。在全球變暖的大背景下，厘定青藏高原近地表氧含量，對(duì)于深入理解區(qū)域人口與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，提高高海拔地區(qū)居民和游客的健康與安全水平，促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

一、青藏高原大氣氧含量原有認(rèn)知的解讀

高寒缺氧是公眾對(duì)青藏高原的首要印象。在對(duì)青藏高原的探索過(guò)程中，公眾已經(jīng)認(rèn)識(shí)到青藏高原“氧含量”遠(yuǎn)低于平原地區(qū)，同時(shí)也深刻體會(huì)到了其危害性。但實(shí)際上，此處所說(shuō)的“氧含量”即上文提及的“絕對(duì)氧含量”。大氣中的氧含量一直被認(rèn)為幾乎是常量，具體數(shù)值為20.95%[1-3]。

利用青藏高原及周邊105個(gè)氣象站點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果表明，絕對(duì)氧含量可利用以下公式計(jì)算得到[10]。

y=?0.026 3x+283.8

式中，y為絕對(duì)氧含量（g/m3），x為海拔（m）。據(jù)此，可根據(jù)海拔數(shù)據(jù)計(jì)算得到整個(gè)青藏高原的絕對(duì)氧含量，其空間分布如圖1所示。

青藏高原絕對(duì)氧含量的空間分布與海拔高度呈現(xiàn)反相關(guān)的關(guān)系，整體介于57～282 g/m3之間。絕對(duì)氧含量的高值區(qū)為高原南部的喜馬拉雅山脈南麓，東部的河湟谷地和橫斷山區(qū)的河谷區(qū)域，北部的柴達(dá)木盆地和青海湖地區(qū)，這些區(qū)域絕對(duì)氧含量為187～282 g/m3;絕對(duì)氧含量的次高區(qū)為高原東部的部分地區(qū)以及祁連山—柴達(dá)木盆地邊緣，其絕對(duì)氧含量為167～187 g/m3;絕對(duì)氧含量的中等區(qū)主要位于高原中部以及西部高大山體之間的較低區(qū)域，這些區(qū)域絕對(duì)氧含量為158～167 g/m3;絕對(duì)氧含量的次低區(qū)位于高原腹地中西部高大山體之間的過(guò)渡區(qū)域，其絕對(duì)氧含量為150～158 g/m3;絕對(duì)氧含量的低值區(qū)位于昆侖山脈、岡底斯山脈以及喜馬拉雅山脈等高大山脈的高海拔地區(qū)，這些區(qū)域絕對(duì)氧含量為57～150 g/m3。

二、青藏高原大氣氧含量特征的再認(rèn)識(shí)

本研究在青藏高原的各個(gè)地區(qū)開(kāi)展了一系列針對(duì)大氣氧含量的野外實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)主要探究以下問(wèn)題：①青藏高原的大氣氧含量是否存在明顯的空間差異？②不同時(shí)間的大氣氧含量是否存在差異？③哪些因素影響著大氣氧含量，其各自的貢獻(xiàn)率是多少？[3-4，9]

1.針對(duì)青藏高原大氣氧含量特征的探究

針對(duì)青藏高原的大氣氧含量是否存在空間差異的問(wèn)題，研究共采集了582個(gè)野外樣本點(diǎn)，結(jié)果表明青藏高原近地表大氣氧含量的觀測(cè)值為19.91%～20.78%，整體低于已有研究的20.95%。測(cè)定結(jié)果表明青藏高原邊緣（塔里木盆地、青海湖地區(qū)、祁連山區(qū)、橫斷山區(qū)和云貴高原等地）的氧含量相對(duì)較高，而高原腹地的氧含量相對(duì)較低[3]。

針對(duì)不同時(shí)間的大氣氧含量是否存在差異的問(wèn)題，從祁連山夏、冬季相同點(diǎn)位采集的近地表大氣氧含量數(shù)據(jù)來(lái)看，夏季平均氧含量（20.47%）比冬季（20.16%）高出0.31%。北京房山站的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，從大氣氧含量的月平均值來(lái)看，最高氧含量出現(xiàn)在6月，最低氧含量出現(xiàn)在1月。這一觀測(cè)結(jié)果與青藏高原野外驗(yàn)證點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果較為一致，即夏季的大氣氧含量要明顯高于冬季的大氣氧含量。進(jìn)一步在日變化上觀測(cè)大氣氧含量的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)最小值出現(xiàn)在北京時(shí)間的4：00至7：00 h，最大值在13：00至15：00 h之間，因此可以判斷夜間的大氣氧含量低于白天的大氣氧含量。

針對(duì)哪些因素影響著大氣氧含量，其各自的貢獻(xiàn)率是多少的問(wèn)題，首先可以從前兩個(gè)問(wèn)題的研究結(jié)果進(jìn)行預(yù)判，大氣氧含量存在晝夜差異和季節(jié)差異，晝夜差異的直觀反映即晝夜的溫度差異，而季節(jié)差異的直觀反映除了溫度差異以外，還有降水的差異以及植被覆蓋狀況的差異。由于氧氣主要來(lái)自綠色植物的光合作用，因此植被覆蓋狀況也是影響大氣氧含量的重要因素。綜上考慮，可以將海拔、溫度、降水以及植被覆蓋狀況等因素作為影響大氣氧含量的可能影響因素來(lái)進(jìn)行分析，在野外數(shù)據(jù)采集中，由于降水存在偶然性而暫不考慮。研究將野外樣本點(diǎn)的以上因素與大氣氧含量進(jìn)行了相關(guān)性分析，最終結(jié)果表明：海拔是影響大氣氧含量最主要的因素，其相對(duì)貢獻(xiàn)率超過(guò)40%;其次是氣溫因素，相對(duì)貢獻(xiàn)率超過(guò)30%，植被覆蓋狀況的相對(duì)貢獻(xiàn)率不足10%[9]。

2.大氣氧含量特征及其影響因素的新認(rèn)識(shí)

本文在氧含量數(shù)值、空間分布、時(shí)間變化及其影響因素等維度上，對(duì)青藏高原近地表大氣氧含量的原有認(rèn)識(shí)與新認(rèn)識(shí)進(jìn)行了對(duì)比（表1）。對(duì)青藏高原近地表大氣氧含量形成如下新認(rèn)識(shí)。

第一，青藏高原大氣氧含量低于一般認(rèn)為的20.95%，且存在明顯的空間異質(zhì)性。這一新認(rèn)識(shí)使得青藏高原地區(qū)的大氣氧含量能夠被定量表達(dá)，后續(xù)可以為公眾個(gè)體及儀器設(shè)備進(jìn)入青藏高原時(shí)針對(duì)其本身的耐受范圍來(lái)進(jìn)行比較，初步判斷個(gè)體或儀器設(shè)備能否適應(yīng)青藏高原高寒缺氧的環(huán)境特征。

第二，青藏高原大氣氧含量會(huì)隨著季節(jié)和晝夜的交替而變化，夏季的大氣氧含量高于冬季，夜間的大氣氧含量低于白天。這一認(rèn)識(shí)表明大氣氧含量是動(dòng)態(tài)變化的，且其變化的律動(dòng)與季節(jié)和晝夜的交替是同步的。這就使我們認(rèn)識(shí)到，冬季的夜間大氣氧含量將達(dá)到其最低值，而夏季的白天是大氣氧含量最充足的時(shí)刻。上文提及的因缺氧而造成窒息死亡的夫婦，其事發(fā)時(shí)正是冬季的夜間，大氣氧含量在那時(shí)處于最低水平，因此造成了悲劇的發(fā)生。

第三，海拔、氣象條件以及植被覆蓋狀況影響大氣氧含量的變化。這一新認(rèn)識(shí)詮釋了為什么大氣氧含量會(huì)隨著季節(jié)和晝夜變化，由于夏季的時(shí)候植被覆蓋狀況較好，更多的氧氣通過(guò)植物產(chǎn)出，冬季植被覆蓋狀況要劣于夏季，因此產(chǎn)氧量較低。白天植物因光合作用而產(chǎn)出氧氣，而在夜晚，由于光合作用停止，植物的呼吸作用反而會(huì)消耗一部分氧氣，因此使得夜晚的氧含量要低于白天?？梢哉f(shuō)，白天植被是“氧源”，而夜間植被是“氧匯”。

三、結(jié)語(yǔ)

在氣候變暖的背景下，青藏高原的植被條件整體持續(xù)向好，這將在一定程度上提高生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)氧能力?？紤]到全球高海拔地區(qū)越來(lái)越多的人口暴露，科學(xué)界和利益相關(guān)者應(yīng)更多地關(guān)注青藏高原氧含量這一被忽視的問(wèn)題，并通過(guò)采樣和固定的連續(xù)觀測(cè)，在更精細(xì)的時(shí)空尺度上進(jìn)一步驗(yàn)證和更新對(duì)大氣氧含量的現(xiàn)有認(rèn)識(shí)，使其更為完善、更為科學(xué)。

從以上對(duì)青藏高原近地表大氣氧含量的新認(rèn)識(shí)中可以看出，對(duì)地理現(xiàn)象或規(guī)律的認(rèn)識(shí)，建立在兩個(gè)基本內(nèi)容的相互聯(lián)系中：一是廣延性，即從空間維的角度去認(rèn)識(shí)地理現(xiàn)象或規(guī)律的異質(zhì)性;二是連續(xù)性，即從時(shí)間維的角度去認(rèn)識(shí)地理現(xiàn)象或規(guī)律的波動(dòng)性[12]。對(duì)于青藏高原大氣氧含量來(lái)說(shuō)，公眾的主要認(rèn)識(shí)集中在點(diǎn)上的空間認(rèn)識(shí)，而由于缺少一定時(shí)間序列上的觀測(cè)數(shù)據(jù)，因此在時(shí)間上的認(rèn)識(shí)僅來(lái)自個(gè)例時(shí)間片段內(nèi)的歷史經(jīng)驗(yàn)?？梢钥闯?，對(duì)于受到普遍重視的空間性而言，時(shí)間維度的認(rèn)知視角往往容易被忽視。

同時(shí)，想要對(duì)青藏高原大氣氧含量的特征有全面而深刻的認(rèn)識(shí)，需要在地理學(xué)基本理念的基礎(chǔ)上，結(jié)合大氣科學(xué)、生物科學(xué)、物理學(xué)以及化學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)去解釋氧含量的時(shí)空分布和形成機(jī)理。目前正在開(kāi)展的中國(guó)第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究，就是在基于多學(xué)科交叉融合的基礎(chǔ)上，去揭示青藏高原環(huán)境變化機(jī)理，以此推動(dòng)青藏高原地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)。因此，對(duì)于自然地理現(xiàn)象或事物，很難從單一學(xué)科的角度去認(rèn)識(shí)它的時(shí)空分布特征，想要全面揭示其存在及運(yùn)移特征，需要從多學(xué)科交融互通的視角去進(jìn)行深入分析，以揭示其機(jī)理。

通訊作者：王靜愛(ài)

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