青藏高原近地表大氣氧含量的新認識

馬偉東，陳彥強，王靜愛

摘 要：氧氣是大氣中體積含量僅次于氮氣的組分。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有顯著差異，并呈現一定的空間和季節差異。2018—2021年對青藏高原近地表大氣氧含量的野外采樣結果表明，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、葉面積指數等）也對青藏高原近地表氧含量產生影響。在全球變暖背景下，未來青藏高原氣溫持續上升，植被覆蓋條件趨好，這很可能進一步減緩本地區人口缺氧健康風險。這些發現為深入理解青藏高原缺氧環境提供了新的視角。

關鍵詞：大氣氧含量;青藏高原;海拔;人口健康;高原反應;氣溫

中圖分類號：K903? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1005-5207（2022）01-0010-03

氧是人體進行新陳代謝的關鍵物質，是人和動物生命活動的第一需要。在漫長的地質歷史中，大氣氧含量發生了劇烈變化，對地表生物地球化學過程和生命進化產生了重大影響。但當前大氣氧含量一直被認為接近常量，如法國化學家拉瓦錫于1772年在研究空氣的成分時發現氧氣在空氣中的體積約為五分之一。通過對空氣成分的進一步研究表明，在離地面100 km高度以內空氣的成分幾乎是不變的，以體積含量計算時氧含量為20.95%[1]。科考船在北緯50°到南緯60°之間海洋上的測量結果也表明，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73°19′～104°47′之間，面積約2.5×106 km2，平均海拔超過4 000m，屬典型的寒冷干燥高山氣候，部分地區絕對氧含量（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量）僅為平原地區的40%。由于高海拔、強輻射和空氣稀薄等特點，青藏高原的環境條件非常惡劣，但它對中國乃至亞洲的水土保持和生物多樣性保護至關重要，并以復雜的熱力和動力作用過程，深刻影響著周邊廣大范圍內（如東亞和南亞）的天氣和氣候[5]。

高原反應（High altitude reaction），亦稱高原病、高山病，是人體急速進入海拔3 000m以上高原暴露于低壓、低氧環境后產生的各種不適，是青藏高原等高海拔地區特有的常見病。高寒缺氧的環境致使初入高原的人員副交感神經活動明顯減少[6]，同時交感神經活動增強，出現與交感神經興奮相關的一系列異常表現，如頭昏、頭痛、乏力、呼吸困難、心率加快、動脈壓增高等[7]。例如，高原缺氧對于駕駛員的認知能力、情緒情感等方面均會產生一定的影響，即隨著氧含量的減少，各項認知能力（涵蓋視覺、聽覺、記憶力、思維和注意力等）會有不同程度的下降[8]。過去幾十年，尤其是青藏鐵路開通以來，因旅游、出差、運輸、探險等原因進入青藏高原的短居人口越來越多。但青藏高原地區嚴酷的自然環境、欠發達的基礎設施建設水平和醫療衛生保障體系，以及愈來愈多的人口暴露和人類較低的適應能力，使得這一區域的人口環境風險居高不下[9]。例如，2018年12月27日，貨車司機倪某夫婦的遺體在109國道青海省曲麻萊縣五道梁段被警方發現，后經法醫鑒定死因為缺氧窒息。這一事件的發生為忽視高原缺氧環境的現狀敲響了警鐘。在全球變暖的大背景下，厘定青藏高原近地表氧含量，對于深入理解區域人口與經濟系統的環境風險，提高高海拔地區居民和游客的健康與安全水平，促進區域可持續發展具有重要的意義。

一、青藏高原大氣氧含量原有認知的解讀

高寒缺氧是公眾對青藏高原的首要印象。在對青藏高原的探索過程中，公眾已經認識到青藏高原“氧含量”遠低于平原地區，同時也深刻體會到了其危害性。但實際上，此處所說的“氧含量”即上文提及的“絕對氧含量”。大氣中的氧含量一直被認為幾乎是常量，具體數值為20.95%[1-3]。

利用青藏高原及周邊105個氣象站點相關數據的計算結果表明，絕對氧含量可利用以下公式計算得到[10]。

y=?0.026 3x+283.8

式中，y為絕對氧含量（g/m3），x為海拔（m）。據此，可根據海拔數據計算得到整個青藏高原的絕對氧含量，其空間分布如圖1所示。

青藏高原絕對氧含量的空間分布與海拔高度呈現反相關的關系，整體介于57～282 g/m3之間。絕對氧含量的高值區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的河谷區域，北部的柴達木盆地和青海湖地區，這些區域絕對氧含量為187～282 g/m3;絕對氧含量的次高區為高原東部的部分地區以及祁連山—柴達木盆地邊緣，其絕對氧含量為167～187 g/m3;絕對氧含量的中等區主要位于高原中部以及西部高大山體之間的較低區域，這些區域絕對氧含量為158～167 g/m3;絕對氧含量的次低區位于高原腹地中西部高大山體之間的過渡區域，其絕對氧含量為150～158 g/m3;絕對氧含量的低值區位于昆侖山脈、岡底斯山脈以及喜馬拉雅山脈等高大山脈的高海拔地區，這些區域絕對氧含量為57～150 g/m3。

二、青藏高原大氣氧含量特征的再認識

本研究在青藏高原的各個地區開展了一系列針對大氣氧含量的野外實驗，實驗主要探究以下問題：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，其各自的貢獻率是多少？[3-4，9]

1.針對青藏高原大氣氧含量特征的探究

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

針對不同時間的大氣氧含量是否存在差異的問題，從祁連山夏、冬季相同點位采集的近地表大氣氧含量數據來看，夏季平均氧含量（20.47%）比冬季（20.16%）高出0.31%。北京房山站的連續觀測數據表明，從大氣氧含量的月平均值來看，最高氧含量出現在6月，最低氧含量出現在1月。這一觀測結果與青藏高原野外驗證點的測量結果較為一致，即夏季的大氣氧含量要明顯高于冬季的大氣氧含量。進一步在日變化上觀測大氣氧含量的變化規律，發現最小值出現在北京時間的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。

針對哪些因素影響著大氣氧含量，其各自的貢獻率是多少的問題，首先可以從前兩個問題的研究結果進行預判，大氣氧含量存在晝夜差異和季節差異，晝夜差異的直觀反映即晝夜的溫度差異，而季節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進行分析，在野外數據采集中，由于降水存在偶然性而暫不考慮。研究將野外樣本點的以上因素與大氣氧含量進行了相關性分析，最終結果表明：海拔是影響大氣氧含量最主要的因素，其相對貢獻率超過40%;其次是氣溫因素，相對貢獻率超過30%，植被覆蓋狀況的相對貢獻率不足10%[9]。

2.大氣氧含量特征及其影響因素的新認識

本文在氧含量數值、空間分布、時間變化及其影響因素等維度上，對青藏高原近地表大氣氧含量的原有認識與新認識進行了對比（表1）。對青藏高原近地表大氣氧含量形成如下新認識。

第一，青藏高原大氣氧含量低于一般認為的20.95%，且存在明顯的空間異質性。這一新認識使得青藏高原地區的大氣氧含量能夠被定量表達，后續可以為公眾個體及儀器設備進入青藏高原時針對其本身的耐受范圍來進行比較，初步判斷個體或儀器設備能否適應青藏高原高寒缺氧的環境特征。

第二，青藏高原大氣氧含量會隨著季節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。這一認識表明大氣氧含量是動態變化的，且其變化的律動與季節和晝夜的交替是同步的。這就使我們認識到，冬季的夜間大氣氧含量將達到其最低值，而夏季的白天是大氣氧含量最充足的時刻。上文提及的因缺氧而造成窒息死亡的夫婦，其事發時正是冬季的夜間，大氣氧含量在那時處于最低水平，因此造成了悲劇的發生。

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。這一新認識詮釋了為什么大氣氧含量會隨著季節和晝夜變化，由于夏季的時候植被覆蓋狀況較好，更多的氧氣通過植物產出，冬季植被覆蓋狀況要劣于夏季，因此產氧量較低。白天植物因光合作用而產出氧氣，而在夜晚，由于光合作用停止，植物的呼吸作用反而會消耗一部分氧氣，因此使得夜晚的氧含量要低于白天。可以說，白天植被是“氧源”，而夜間植被是“氧匯”。

三、結語

在氣候變暖的背景下，青藏高原的植被條件整體持續向好，這將在一定程度上提高生態系統的產氧能力。考慮到全球高海拔地區越來越多的人口暴露，科學界和利益相關者應更多地關注青藏高原氧含量這一被忽視的問題，并通過采樣和固定的連續觀測，在更精細的時空尺度上進一步驗證和更新對大氣氧含量的現有認識，使其更為完善、更為科學。

從以上對青藏高原近地表大氣氧含量的新認識中可以看出，對地理現象或規律的認識，建立在兩個基本內容的相互聯系中：一是廣延性，即從空間維的角度去認識地理現象或規律的異質性;二是連續性，即從時間維的角度去認識地理現象或規律的波動性[12]。對于青藏高原大氣氧含量來說，公眾的主要認識集中在點上的空間認識，而由于缺少一定時間序列上的觀測數據，因此在時間上的認識僅來自個例時間片段內的歷史經驗。可以看出，對于受到普遍重視的空間性而言，時間維度的認知視角往往容易被忽視。

同時，想要對青藏高原大氣氧含量的特征有全面而深刻的認識，需要在地理學基本理念的基礎上，結合大氣科學、生物科學、物理學以及化學等多學科的知識去解釋氧含量的時空分布和形成機理。目前正在開展的中國第二次青藏高原綜合科學考察研究，就是在基于多學科交叉融合的基礎上，去揭示青藏高原環境變化機理，以此推動青藏高原地區的可持續發展和生態文明建設。因此，對于自然地理現象或事物，很難從單一學科的角度去認識它的時空分布特征，想要全面揭示其存在及運移特征，需要從多學科交融互通的視角去進行深入分析，以揭示其機理。

通訊作者：王靜愛

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