冰川區積雪中NO3-與粉塵記錄的對比研究——以天山烏魯木齊河源1號冰川為例

王圣杰,張明軍,*,王飛騰,李忠勤,,李亞舉 (.西北師范大學地理與環境科學學院,甘肅 蘭州 730070；.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/天山冰川站,甘肅 蘭州 730000)

冰川區積雪中NO3-與粉塵記錄的對比研究
——以天山烏魯木齊河源1號冰川為例

王圣杰1,張明軍1,2*,王飛騰2,李忠勤1,2,李亞舉1(1.西北師范大學地理與環境科學學院,甘肅 蘭州 730070；2.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/天山冰川站,甘肅 蘭州 730000)

為研究山岳冰川積雪中NO3-與粉塵記錄之間的聯系,利用2003～2005年間新疆天山烏魯木齊河源1號冰川東支積累區的雪樣,分析了雪層中NO3-與不溶微粒的對應關系.研究發現,沙塵活動季節初期,表層雪中 NO3-濃度與不溶微粒濃度呈正相關,而與其平均粒徑呈負相關,表明NO3-可以通過吸附在粉塵細顆粒表面遠距離傳輸.雪層剖面中 NO3-濃度峰值與污化層之間的相對位置在冬半年可基本保持穩定,但夏半年以淋溶作用為主的后沉積過程,會強烈改造NO3-與粉塵記錄之間的聯系.

硝酸根；粉塵；雪層；天山；不溶微粒

冰芯記錄是全球變化研究中重要的氣候代用指標.冰芯中的NO3-濃度與粉塵微粒具有一定的環境意義[1-7],可以作為冰芯定年的參考依據[8].在適宜的條件下,NO3-可以吸附在不溶微粒表面通過大氣進行遠距離傳播.中亞冰川雪冰中的NO3

-在很大程度上來自于粉塵的輸送

[9-10].強烈的沙塵活動會在雪層中形成含有大量不溶微粒的污化層[11-13].一些研究發現,在雪層中污化層所對應的位置上,NO3-濃度較高[14-15].極地的研究還表明,陸源粉塵的存在,可能有利于 NO3-在雪層中的積累[4-5].

由于成冰過程伴隨著一系列復雜的物理化學變化,因此利用冰芯中NO3-與粉塵記錄重建古環境信息的過程中,必須對其在雪層中的演化過程有深入的認識[11,16-20].受到觀測條件的限制,有關冰芯中NO3-濃度與粉塵記錄的相位差產生機理研究并不多,而雪層中NO3-濃度與粉塵記錄關系的長時間連續監測則更為少見.本研究基于天山烏魯木齊河源 1號冰川積累區多年高頻率的雪坑連續采樣,系統地分析了冰川區積雪中NO3-與粉塵記錄的關系.

1 材料與方法

1.1 樣品采集與運輸

天山烏魯木齊河源 1號冰川(43°06′N, 86°49′E,簡稱 1號冰川),位于我國新疆維吾爾自治區境內,在亞歐大陸腹地山岳冰川中具有很好的代表性.本研究的采樣地點位于1號冰川東支海拔4130m處,該位置處在冰川滲浸積累區,坡向朝北,日照時間短,適宜開展雪坑連續觀測[21].雪樣采集于2003年10月至2005年10月間,取樣頻率為1次/周,共挖取104組雪坑.其中,表層雪樣品一般取自雪坑表層3～5cm處,其他雪坑樣品自表層以下每隔 10cm依次采樣,直至底層附加冰附近為止.為了保證雪層剖面的連續性,每次采樣后雪坑被重新填埋,直至下次采樣時在上次采樣位置重新挖開并向前挖進至少 50cm,在與上次相同的層位上取樣.前期的研究表明,該系列雪坑中離子濃度[20,22]、不溶微粒濃度[11]、pH值與電導率[23]等理化性質均表現出一定的連續性.雪樣在采集和運輸過程中采取嚴格的操作規范,樣品密封后在冰凍狀態下從野外運回蘭州的中國科學院天山冰川觀測試驗站實驗室后低溫保存.

1.2 樣品分析

為防止雪樣受到外界空氣的污染,分析前將其置于稱量瓶(用電阻率為18.2M??cm的超純水洗凈)中,在室溫下待其自然融化后立即進行分析.樣本中的NO3-濃度采用美國戴安公司制造的Dionex-320型離子色譜儀進行測定,分析時使用AS11-HC(4mm×250mm)分 離 柱 ,AG11-HC (4mm×50mm)保護柱,ASRS-4mm抑制器(抑制電流 52mA),15mmol/L NaOH淋洗液(流速為1.4mL/min),測量精度可達到ng/g量級[24].不溶微粒測定使用美國 PSS公司制造的 AccuSizer 780A光學粒徑檢測儀,該檢測儀采用單粒子光學傳感技術,重復性誤差＜5%,0.5～400μm的測量范圍符合本研究需要[25].

2 結果與討論

2.1 表層雪中NO3-濃度與不溶微粒的相關性

表層雪對大氣環境的變化較為敏感,在一定程度上反映了物質的來源[21].天山山脈四周均有沙漠與戈壁分布,新疆沙塵天氣主要出現在4～10月,其中4～6月為高發時段[26].北疆沙塵天氣峰值出現在5月,南疆在4月[27],而春夏季節也是境外中亞地區沙塵天氣的多發時段[28].圖1是2005年沙塵活動季節前后表層雪中NO3-濃度、不溶微粒濃度與平均粒徑的變化,沙塵活動季節大致從3月下旬開始,直到8月上旬.

圖1 典型沙塵活動季節前后表層雪中NO3-濃度與不溶微粒平均粒徑和濃度的變化Fig.1 Variation of NO3- concentration, mean diameter and concentration of insoluble microparticle in surface snow around a typical sand season

根據圖1中NO3-與不溶微粒對應關系的差異,可以將沙塵活動季節進一步劃分為2個階段,即3月下旬～5月下旬為初期,6月上旬～8月上旬為后期.沙塵活動季節初期,NO3-濃度與不溶微粒平均粒徑存在負相關關系,而與不溶微粒濃度存在正相關關系.前者的相關系數為-0.644,而后者的相關系數為 0.706.前期的研究[21]表明在完整的年尺度下,1號冰川表層雪中NO3-與不溶微粒濃度的相關性很低,僅為 0.33.而本研究中,沙塵活動季節初期NO3-與不溶微粒濃度之間的相關性則高得多,可見在這一時段二者的傳輸存在著很大的伴生性.值得一提的是,當 NO3-濃度出現峰值時,不溶微粒平均粒徑為谷值,而不溶微粒濃度卻為峰值.不溶微粒粒徑波動范圍較大,就檢測限而言,最大值可能達到最小值的數百倍.因此其粒徑平均值受到粗微粒的控制,粒徑平均值較大時意味著微粒以粗顆粒為主.由于粒徑小的粉塵比表面積大,對 NO3-的吸附量較大,NO3-峰值與不溶微粒平均粒徑谷值出現明顯的對應關系.1號冰川表層雪粉塵中的細顆粒主要來源于中亞粉塵源區[13],這也進一步證明了NO3-與中亞粉塵的密切關系,細顆粒是遠源NO3-的良好載體.

而在沙塵活動季節后期,上述對應關系發生了明顯變化,不溶微粒濃度和平均粒徑都與NO3-濃度失去顯著相關性.雖然沙塵季節后期的沙塵天氣可能不如初期那么頻繁,但仍有沙塵活動出現,表層雪中的不溶微粒依然呈波動趨勢.由于該時段1號冰川降水較多,氣溫相對較高,淋溶作用顯著,NO3-的損失量較大,表層雪中的 NO3-濃度處于相對低值.

2.2 不同層位NO3-濃度與不溶微粒相關性的差異

在1號冰川開展的研究表明,以淋溶作用為主的后沉積過程會對冰川的化學記錄產生重要的影響[17,19].淋溶作用一方面可以加速雪層中化學物質峰值以及污化層的遷移,一方面可以稀釋、合并與富集化學物質的峰值.離子淋溶強度受多方面因素的影響.積雪中的NO3-很難進入冰晶格內,主要存在于晶粒的邊界位置[29].積雪融化時,NO3-率先進入融水內,導致最初融水內的離子濃度遠高于積雪內的離子濃度.而在晶粒結點處的富集程度有所差異,也致使各種離子的淋溶程度不同[30].

盡管沙塵活動季節初期表層雪中 NO3-與粉塵記錄表現出了較好的相關性,但是這種對應關系隨著雪深的變化表現出很大的差異.表1是沙塵活動季節初期表層至某一深度雪樣中 NO3-濃度、不溶微粒平均粒徑和濃度的相關系數.不溶微粒的平均粒徑與 NO3-濃度的明顯對應關系僅表現在表層雪之中,而在表層以下相關系數明顯降低.平均粒徑之所以迅速與 NO3-失去相關性,主要因為NO3-附著在小顆粒表面,而在淋溶過程中小顆粒最先隨融水流失,雪冰中常見硝酸鹽普遍溶于水,導致 NO3-亦流失嚴重.平均粒徑主要反映了大顆粒的存在特征,因此二者的相關性在較短時間內發生變化.

表1 典型沙塵活動季節初期雪層各深度范圍內NO3-濃度與不溶微粒平均粒徑和濃度的相關系數Table 1 Pearson correlation coefficient between NO3-concentration, and mean diameter or concentration of insoluble microparticle at different depth ranges in snowpack during the early period of a typical dust season

與平均粒徑不同,NO3-與不溶微粒濃度的相關系數,由表層至底層表現出逐漸遞減的趨勢.在靠近表層的雪層中,NO3-與不溶微粒的濃度仍表現出相對較高的相關性.這種由于NO3-與粉塵同期輸入產生的對應關系,會隨著后沉積過程而逐漸減弱.由于NO3-與不溶微粒的淋溶強度有差異,因此原有的濃度峰值可能稀釋、合并甚至局部富集最終沉降至雪層底部.這種差異的形成是漸進的,不會出現類似不溶微粒平均粒徑的突變現象.

2.3 后沉積過程對NO3-濃度峰值與污化層相對位置的改造

通過典型層位示蹤的方法可以對雪層中NO3-濃度峰值與污化層相對位置的變化差異進行分析.由于本研究中雪層剖面的層位特點具有一定的連續性[11,20,22-23],選取7個代表性剖面進行討論(圖2).0cm處為雪坑底部的附加冰.

圖2 雪層中NO3-濃度剖面與污化層的演化過程Fig.2 Vertical profiles of NO3- concentration and dust layers in snowpack

不難發現,NO3-濃度峰值與污化層的相對位置在冬半年可以長時間地保持穩定,但在夏半年變化劇烈.2003年 10月之前雪層中下部已經出現2個明顯污化層(即D1與D2),根據長期觀測記錄,推測D1與D2可能分別形成于2002年與2003年[11].雪層中下部亦出現 2個 NO3-濃度峰值,即P1與P2.在研究初期,P1與D1、P2與D2均表現出較好的對應關系,NO3-濃度峰值略高于污化層5～10cm左右.2004年春季,在沙塵天氣的作用下,雪層上部出現新的污化層D3.直到8月,雪層下部依然保持著 P1與D1的對應關系.但是雪層上部在7～8月NO3-濃度峰值與污化層的位置則經歷了復雜的變化.上層的NO3-在強降水與高氣溫的影響下,峰值稀釋、合并與富集現象十分明顯.與此同時,污化層也迅速下移,D2與 D3間的距離也在短時間內縮短,從6月的90～100cm減小到7月的20～30cm并相對穩定下來.P2這一峰值在夏季淋溶作用影響后與 D2的對應關系不再明顯,峰值更靠近新形成的污化層D3.2004年9月以后,雪層下部NO3-濃度峰值與污化層之間的相對關系變化不大.2005年春季以后,隨著降水增多、氣溫升高,冰川融水增多,雪層上部再次形成了多個NO3-濃度的小峰值,5月污化層D4出現在距離表層雪20～40cm處,之后D3與D4之間的距離再次急劇縮小.由此可見,NO3-濃度峰值與污化層的對應關系是動態的,經過后沉降作用NO3-濃度峰值與污化層并不存在簡單的直接對應關系,且雪層下部的NO3-濃度也明顯低于上部,這揭示了表1中相關系數變化的原因.

3 結論

3.1 沙塵活動季節初期,表層雪中的 NO3-與不溶微粒存在相關性,相關系數明顯高于非沙塵活動季節;NO3-濃度與不溶微粒濃度呈正相關,而與不溶微粒的平均粒徑呈負相關,可見春季NO3-濃度上升與粉塵輸入可能有一定的聯系.

3.2 以夏季淋溶作用為主的后沉積過程對雪層中的NO3-與粉塵記錄間的關系產生深刻的影響.NO3-濃度峰值與污化層的對應關系是動態的,經過后沉降作用NO3-濃度峰值出現稀釋、合并與富集,因而與污化層可能并非簡單的直接對應關系.

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Relationship between nitrate and dust record in snowpack of glacier area: A case study of Glacier No.1 at the Headwaters of Urumqi River, Tianshan Mountains.

WANG Sheng-jie1, ZHANG Ming-jun1,2*, WANG Fei-teng2, LI Zhong-qin1,2, LI Ya-ju1(1.College of Geography and Environment Sciences, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China；2.State Key Laboratory of Cryospheric Sciences/Tianshan Glaciological Station, Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China). China Environmental Science, 2011,31(6)：991～995

In order to investigate the relationship between nitrate (NO3-) and dust record in snowpack of mountain glaciers, based on the snow samples collected at the east branch of Glacier No.1 at the Headwaters of Urumqi River, eastern Tianshan Mountains from 2003 to 2005, correlation between nitrate and insoluble microparticle was analyzed. During the early period of dust season, nitrate concentration was positively correlated with insoluble microparticle concentration, and negatively correlated with mean diameter of insoluble microparticle, which indicated that nitrate could be transported with fine dust particle. Generally, the relative position of nitrate concentration peaks and dust layers in snowpack kept steadily in the winter half year, but in the summer half year the post-depositional process (especially for the eluviation effect) could significantly change the relationship between nitrate and dust records.

nitrate；dust；snowpack；Tianshan Mountains；insoluble microparticle

X142；P426.63.5；P343.6

A

1000-6923(2011)06-0991-05

2010-10-10

國家自然科學基金資助項目(40701035,40571033,40701034);教育部新世紀優秀人才支持計劃項目(NCET-10-0019);國家“973”項目(2010CB951003);中國科學院知識創新工程重要方向項目(KZCX2-EW-311);西北師范大學知識與科技創新工程創新團隊項目(NWNU-KJCXGC-03-66)

* 責任作者, 教授, mjzhang2004@163.com

致謝：本項研究是中國科學院天山冰川站開展的雪冰現代過程項目的一部分,謹此對參加本項研究的觀測人員表示衷心感謝.

王圣杰(1987-),男,陜西漢中人,西北師范大學碩士研究生,主要從事全球變化與環境研究.發表論文18篇.