平顶冰川雪坑离子浓度特征分析范文

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《环境化学杂志》2015年第十期

摘要

运用海盐离子示踪法对于2009年8月在天山东段哈密庙尔沟平顶冰川采取的雪坑数据进行分析，结果表明，哈密庙尔沟平顶冰川Ca2+和Na+为主要阳离子，Cl－为主要的阴离子，该雪坑化学离子排名为Cl－＞Na+＞Ca2+＞K+＞SO2－4＞NO－3＞Mg2+＞NH+4，Mg2+是所有离子中变率最大的离子．K+和Ca2+主要来源于陆源物质，而Mg2+和Na+大部分来源于海洋源．部分离子受局地气候环境和地形影响较大．

关键词

天山东段，庙尔沟平顶冰川，雪冰化学，离子特征．

政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次工作报告指出，全球气候变化异常，气温升高，且大气污染较严重，在冰冻圈表现得尤为明显［1］．由于人类活动加剧，环境污染不断增加，因此引起的冰川环境问题更加严重，随着全球变化研究的进一步开展，地球表面的各成分化学特征成为重点研究对象．雪冰化学特征研究对于揭示气候变化具有非凡的意义，冰雪中的离子是反映区域气候环境污染变化的重要指示因子，因而探求雪冰中阴阳离子等化学物质的特征、来源和变化过程具有重要的参考价值［2-7］．研究该区域的雪冰化学特征对探讨东天山东段区域内水源演化以及政府决策具有重要的参考价值．

1样品的采集和分析

1．1研究区概况庙尔沟平顶冰川(图1)位于哈尔里克山南坡、哈密市东北方向，积累区朝向西南，属温带荒漠气候，位于古尔班通古特沙漠、塔克拉玛干沙漠和鄯善沙漠的环绕之中，气候干燥、降水量稀少，蒸发严重，受局地沙尘暴天气影响较大［3］．水汽主要来源为西风带来水汽、北冰洋水汽和印度洋因季风环流所带来水汽．面积3．64km2，海拔介于3840m至4513m之间，这一区域冰川的冰雪融水是吐哈绿洲区域生态平衡、人畜生存和经济发展的主要水源地，对于天山东段哈密庙尔沟平顶冰川的雪冰化学研究尤为重要．

1．2数据分析与研究方法2009年8月在庙尔沟平顶冰川积累区4300m海拔点挖取雪坑一个．采样地点表面平整，积雪较为丰富，雪坑状况良好．采样过程严格按照雪冰雪坑采样程序进行［4-5］，着重进行雪冰化学相关研究的科学研究考察工作．该冰川位于中亚沙尘源区，水汽主要是西风带来的海洋源和中亚区域内湖泊水汽源，夏季的降水占全年降水90%以上，且西风带来的海洋水汽是冰川补给的主要来源，因而选择海洋离子示踪法［5］来探讨离子来源意义重大．海盐示踪离子的选择判断依据如下:若Mg2+/Na+和Cl－/Na+当量比值等于或大于海盐中离子相应比值(Mg2+/Na+=0．227，Cl－/Na+=1．165)时，则选取Na+为海盐示踪离子;若Mg2+/Cl－和Na+/Cl－当量比值等于或大于海盐中离子相应比值(Mg2+/Cl－=0．195，Na+/Cl－=0．859)时，则选取Cl－为海盐示踪离子;若Cl－/Mg2+和Na+/Mg2+当量比值等于或大于海盐中离子相应比值(Cl－/Mg2+=5．126，Na+/Mg2+=4．403)时，则选取Mg2+为海盐示踪离子．通过计算本研究数据，Mg2+/Na+和Cl－/Na+比值分别为0．107和1．180，Mg2+/Cl－和Na+/Cl－比值分别为0．09和0．846，Cl－/Mg2+和Na+/Mg2+比值分别为11．02和9．33，基于结果对比判断依据，选取Mg2+作为海盐示踪离子．利用非海洋源离子含量公式计算。

2结果和讨论

2．1雪坑离子整体化学特征表1显示天山哈密庙尔沟平顶冰川雪坑中主要阳离子是Na+和Ca2+，主要阴离子为Cl－和SO2－4，离子排名为Cl－＞Na+＞Ca2+＞K+＞SO2－4＞NO－3＞Mg2+＞NH+4，且主要阴离子Cl－和主要阳离子Na+浓度均远远大于其他离子浓度水平。由表1根据海盐离子示踪法计算得出Na+非海洋源占比为29%，从而Na+海洋源占比为71%，Mg2+非海洋源占比44%，海洋源对应为56%，这也就解释了庙尔沟平顶冰川海洋源离子前两位Na+、Mg2+和海洋中离子浓度大小顺序具有很好的对应关系．

2．2庙尔沟平顶冰川离子变化特征图2显示出雪坑离子浓度随深度变化也表现出不同的特征，造成这种变化的原因可能是由于大气沙城活动季节变化、水汽来源的季节变化以及雪层在消融期出现淋融作用所引起的结果．图2显示出雪坑在10cm处离子浓度较中间部分高，可能与采取数据期间降落新雪，大气环流和局部地区气流变化从吐哈盆地工业区带来一些污染物有关，在10cm和40cm处离子浓度出现两个明显的峰值，是非常明显的两个污化层，浓度出现峰值可能是因为气候变化、大气环流和局地水汽环流所造成的化学物在此范围内长期沉积而成．这恰恰也说明了环境污染等信息在此范围内得以很好的保存，也给气候变化研究和冰芯研究提供相应的佐证．表2结果显示，Mg2+是8种主要离子中变率最大的离子，变率达到了15．7．2．3哈密庙尔沟平顶冰川雪坑离子来源分析庙尔沟平顶冰川位于古尔班通古特沙漠、塔克拉玛干沙漠和鄯善沙漠的环绕之中，东、南、北方向外围均为荒漠戈壁，受局地沙尘暴天气影响较大．表1显示庙尔沟平顶冰川Na+和Mg2+是所有海洋源离子中海洋源比重最大的离子，海洋源比例分别占到71%和56%．Ca2+和NH+4是所有的离子中非海洋源比重最大的离子，非海洋源比例为100%，完全是来源于陆地．主要是由于冰川在中亚粉尘源区，周围被沙漠所环绕，通过西风环流所携带的沙漠粉尘在此沉积在冰川，所以导致了Ca2+呈现出非海洋源占比达到100%的比例．由于庙尔沟平顶冰川处在吐哈盆地，吐鲁番和哈密是东天山最重要的工农业活动地域，人类不合理的农业活动以及重工业活动所产生的废气、废水和废渣的排放，导致庙尔沟平顶冰川受到一定程度上的污染．SO2－4和NO－3的主要来源是人类不合理的工农业活动所造成的污染所导致，比如化石燃料的燃烧和生物有机质的燃烧以及牲畜活动和化学肥料的使用．Mg2+作为海洋示踪离子，是海洋源排名第二的离子，因此Mg2+表现出最大的变率，恰好证明是由于夏季西风带来水汽形成降水，在冰面得以很好的保存，形成和其他季节不同的离子浓度当量．

3结论

(1)冰川的雪坑离子浓度大小顺序Cl－＞Na+＞Ca2+＞K+＞SO2－4＞NO－3＞Mg2+＞NH+4，Cl－是所有离子中当量最大的离子．其中Na+和Ca2+是主要的阳离子，Cl－和SO2－4是主要的阴离子，各种离子浓度在表层和中底层呈现出不同的特征．Mg2+是所有离子中变率最大的离子，NH+4是所有离子中变率最小的离子．(2)庙尔沟平顶冰川雪坑中主要离子主要来源于陆地矿物粉尘和人类工农业活动．其中Ca2+和NH+4是所有的离子中非海洋源比重最大的离子，非海洋源比例为100%，完全是来源于陆地．Na+和Mg2+是所有海洋源离子中海洋源比重最大的离子，海洋源比例占到71%和56%．此外西风环流所带来的海洋水汽可能也是离子来源的主要途径．SO2－4和NO－3来源于沙尘源传输，且受人类工业活动影响较大．

参考文献

［1］沈永平，王国亚．IPCC第一工作组第五次评估报告对全球气候变化认知的最新科学要点［J］．冰川冻土，2013，35(5):1068-1076

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

［3］崔晓庆，任甲文，秦翔，等．祁连山老虎沟冰芯草酸根和氟离子的记录及环境意义［J］．环境化学，2011，30(11):1919-1925

［4］董志文，李忠勤，王飞腾，等．天山东部冰川积雪中大气粉尘的沉积特征［J］．地理学报，2008，63(5):544-552

［5］董志文，李忠勤，张明军，等．天山奎屯哈希勒根51号冰川雪坑化学特征及环境意义［J］．地理科学，2010，31(1):149-156

［6］李向应，刘时银，韩添丁，等．天山东部冰川雪坑离子浓度特征的对比研究———以奎屯哈希勒根51号冰川和哈密庙尔沟冰川为例［J］．地球科学进展，2008，23(12):1269-1276

［7］张晓宇，李忠勤，王飞腾，等．中亚天山托木尔峰地区青冰滩72号冰川雪坑化学离子特征及其环境指示意义［J］．地理科学，2012，32(5):641-648

作者：陈物华 李忠勤 怀保娟 单位：西北师范大学地理与环境科学学院 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室 天山冰川试验站 中国科学院研究生院