青藏高原南部槍勇冰川雪冰中痕量元素的組成特征及其環境意義

李月芳, 田立德, 時曉蘭, 姚檀棟

(1. 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, 甘肅 蘭州 730000; 2. 中國科學院 青藏高原研究所, 北京 100086)

0 引 言

地球偏遠地區雪冰中痕量元素記錄了人類活動對地球大氣環境的污染歷史、程度和趨勢。例如, 對格陵蘭雪冰中痕量元素的研究發現, 人類活動對地球大氣中重金屬的污染始于古希臘、羅馬和文藝復興時期[1–2]; 工業革命以來, 人類活動對地球大氣的污染呈現增加趨勢[3–4]; 隨著20世紀30年代含鉛汽油的使用, 格陵蘭雪冰中鉛的濃度開始增加, 到60年代達到高峰; 隨著含鉛汽油的禁止使用, 格陵蘭雪冰中鉛的含量也呈下降趨勢[5]。

就區域而言, 人類活動帶來的大氣中痕量元素的污染不僅記錄在格陵蘭雪冰中, 也記錄在南極雪冰中[6]。歐洲阿爾卑斯和南美玻利維亞的山地冰川雪冰中也記錄了人類活動對這些地區大氣中痕量元素的擾動[7–9]。

青藏高原山地冰川雪冰中痕量元素近年來才受到人們的關注。然而, 較高的海拔和極端惡劣的生態環境使得雪冰中痕量元素方面的研究受到限制。盡管如此, 對青藏高原慕士塔格峰[10–13]、珠穆朗瑪峰東絨布冰川[14–18]和東天山[19–20]等地冰川雪冰以及納木錯流域降水[21]中痕量元素的研究揭示了人類活動已經對研究地區大氣中痕量元素自然循環的擾動。

然而, 這些研究僅涉及到個別地點的冰川, 這對于認識和評價青藏高原大氣中痕量元素存在水平和污染程度遠遠不夠, 需要對青藏高原更多冰川雪冰中痕量元素包含的環境信息進行研究, 才能豐富我們對這方面的認識。

槍勇冰川位于喜馬拉雅山的北側, 屬于夏季印度季風影響的雨影區。與喜馬拉雅山地區主山脊的冰川不同, 該地區降水主要集中于夏季。而且槍勇冰川更接近人類活動區域, 周邊地區的農牧業生產以及交通的影響都可能通過大氣環流記錄到該冰川中。槍勇冰川屬于大陸性冰川, 冰川朝向北, 長4.6 km, 最大寬度2.8 km。該冰川所在的羊卓雍錯流域夏季降雨量占全年降雨量的90%以上。到目前為止, 關于槍勇冰川化學記錄方面的研究僅見個別報道[22–23], 尚沒有關于槍勇冰川雪冰中痕量元素方面的研究報道。對槍勇冰川中痕量元素的研究,有助于我們初步認識和了解西藏南部地區大氣中痕量元素的背景值以及人為污染的可能性以及影響程度。

本研究對2009年4月19日在槍勇冰川海拔6100 m采集的45 cm深的雪坑樣品中15個痕量元素Al、Fe、Pb、Cd、Zn、Ba、Co、Cr、Cu、Li、Ni、Sb、Sr、U和V的組成特征進行研究, 目的在于獲取研究地區大氣中多種痕量元素的背景組成特征及其包含的環境信息。

1 實 驗

1.1 樣品采集和處理方法

槍勇冰川雪坑樣采自2009年4月19日, 采樣位置位于 28°50′56.3″N, 90°13′11.9″E, 海拔 6100 m。雪坑深度為40 cm, 共采集7個雪坑樣品, 自上而下的 5個雪坑樣均代表新降雪樣, 每 5 cm采集一個,第 6個樣為污化層, 介于軟硬粒雪之間, 最后一個樣為粒雪, 深度為10 cm。

雪坑樣品采集方法按照下面步驟進行: 采集人員戴兩層一次性聚乙烯手套, 位于下風向, 用自制聚乙烯塑料鏟鏟開新鮮雪坑剖面, 用自制的聚乙烯采樣筒垂直雪坑剖面自下而上采集雪坑樣品。采集一個樣品后, 更換外層聚乙烯手套, 再進行下一個樣品的采集。雪樣采集到采樣桶后轉移到樣品瓶中,用塑料袋包好, 在塑料袋外層用記號筆寫上編號。在采集下一個雪坑樣之前將采樣桶在同層雪層中清洗后再進行下一個雪坑樣的采樣。所有采樣器具在使用前均經過了嚴格的酸洗, 詳細的酸洗方法見有關文獻[10,12]。

所有樣品前處理在1000級凈化實驗室內100級超凈工作臺內進行。樣品在室溫下自然溶化后, 用超純硝酸酸化, 使得樣品中硝酸的質量分數為1%。酸化后的樣品在室溫中放置一周后再次放入冰箱中冷凍保存, 直到測試前一天取出溶化后測試。

1.2 痕量元素測試方法

雪坑中痕量元素的測試在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1000級凈化實驗室中進行。所有元素的濃度均通過高分辨電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS, Element,Finnigan MAT)測試。樣品經50 μL/min微量物化器引入ICP中經過去溶劑、汽化、原子化和電離等過程之后引入質譜儀中進行測量。儀器進樣區域位于100級層流罩中以防止樣品在引入過程中受到污染。1 ng/g In溶液調節儀器靈敏度使得靈敏度最大并且穩定, 用10 ng/g多元素混合溶液進行質量校正。痕量元素的測試方法在原來建立的測試方法[24]的基礎上, 采用添加內標的方法, 即在空白、標準和樣品中添加一定濃度的In作為內標元素, 用來補償靈敏度漂移。

檢測限定義為空白溶液中痕量元素信號強度標準偏差的 3倍對應的濃度值, 痕量元素的檢測限列于表1中。

表1 標準參考物質SLRS-4中痕量元素濃度的測定值和參考值的比較Table 1 Comparison of measured concentrations of trace elements with certificated values of SLRS-4

痕量元素的測試精度是通過4次重復測試1個雪坑樣品中痕量元素的濃度并計算相對標準偏差來表示的。結果表明, 痕量元素的測試精度一般優于10%。

通過測試河水中痕量元素的國際標準參考物質SLRS-4 (National Research Council Canada, Ottawa,Canada)來控制分析測試的質量, 對比測試值和參考值來檢驗和評價測試數據的質量。表 1中列出了該標準物質的參考值和測試值。

從表1中可以看出, 除Zn、Cd的測定值明顯高于參考值, 以及Sr、Ba、Pb稍高于測定值外, 其余痕量元素的測定值和參考值一致。

2 結果和討論

2.1 測試結果

表2中列出了槍勇冰川40 cm雪坑中15個痕量元素的濃度統計數據。從表中可以看出, 痕量元素之間濃度變化幅度很大, 從Cd的0.004 ng/g變化到Fe的8628 ng/g。從痕量元素濃度最小值來看, Fe和Al在50~100 ng/g之間變化, Sr略大于1 ng/g, 其余則小于1 ng/g。痕量元素濃度最大值特點: Fe和Al濃度最大, 接近10 μg/g, Sr的最大值略大于100 ng/g,其余則在30 ng/g以下。

表2 槍勇冰川雪坑中痕量元素濃度(ng/g)數據統計結果Table 2 Statistic data of trace elements of snow pit from the Qiangyong glacier

同種痕量元素濃度變化較大, 最大值/最小值比值從13 (Cd)變化到94 (Sr)。較大的最大值/最小值比值與元素較大的季節變化有關。

2.2 痕量元素濃度隨深度變化

雪坑樣品采樣時間為2009年4月19日, 時間在季風降水之前。因此, 該雪坑對應時間內大氣沉降尚未受到季風降水的影響, 也就是說大氣中氣溶膠主要來自非季風降水期間隨西風環流輸送而來的物質。

從圖 1中可以看出, 所有痕量元素的濃度隨深度變化幅度較大。同時, 所有痕量元素的濃度在深度上的變化趨勢比較一致, 同巖石和粉塵的代用指標元素Al和Fe的變化一致, 說明痕量元素和地殼粉塵共同被傳輸到冰川地區大氣中并沉降下來。

雪坑中痕量元素濃度最小值揭示了大氣傳輸較弱的時間內研究地區大氣中痕量元素的本底組成特征。在所有元素濃度出現最小值時, Fe和Al的濃度大于50 ng/g, 而U、Cd和Sb的最小值小于10 pg/g。而在所有元素濃度出現最大值時, Cd的濃度最小(50 pg/g), Fe和Al的濃度則介于7~9 μg/g之間。

2.3 地殼富集系數(EFc)

大氣中痕量元素的來源包括自然源和人為源。自然源包括地殼粉塵、海鹽、火山活動、陸地和海洋生物顆粒及揮發物、生物燃燒(如森林火災)等[25]。

盡管如此, 不同區域環境背景差異很大, 各種自然源的貢獻會有很大的不同。在干旱半干旱的大氣環境條件下, 來自地殼粉塵的貢獻相對高, 而在植被覆蓋茂密的地區, 大氣中來自生物釋放的痕量元素所占的比例較大。

利用元素的地殼富集系數(crustal enrichment factor, EFc)可對來自地殼粉塵(以下簡稱粉塵)的貢獻進行估計。EFc定義為樣品中一種元素與Ba濃度比值跟上陸殼(upper continental crust, UCC)中相應比值的比值。地殼富集系數方法是一種被廣泛地應用在判斷雪冰中某一元素相對于地殼源富集的方法。以Sb為例, EFc定義為:

EFc(Sb) = [Sb/Ba]snow/ice/[Sb/Ba]UCC式中: [Sb/Ba]UCC為上陸殼的平均組成中Sb與Ba的濃度比值。一般利用Wedepohl et al.[26]提供的上陸殼平均組成代表研究區域巖石和土壤的平均組成。但是, 由于地殼物質組成的不均一性, 一般認為 EFc值在 0.1~10之間, 則主要來自粉塵的貢獻; 而 EFc值高于10, 則存在其他來源的重要貢獻。

圖2中顯示了痕量元素地殼富集系數的均值和范圍。不同元素的EFc值存在很大的差異。Ba、Fe、Sr、Co、Cr、V和U的EFc均值大多在5以下, 最大值均在10以下, 說明它們的來源以粉塵為主。而Pb、Zn、Cu、Li、Ni、Cd和 Sb的 EFc均值大于 10,說明人為源是這些元素的重要來源。

圖1 槍勇冰川雪坑中痕量元素在深度上的變化Fig.1 Depth profiles of trace elements in snow pit from the Qiangyong glacier

圖2 槍勇冰川雪坑中痕量元素的地殼富集系數及標準偏差(虛橫線表示EFc = 10)Fig.2 EFc values and standard deviations of trace elements in snow pit from the Qiangyong glacier

從槍勇冰川所處的地理位置可知, 除粉塵是痕量元素的主要自然來源外, 其他自然源如海鹽、火山釋放、森林火災、陸地和海洋生物源等不可能導致槍勇冰川雪坑中痕量元素有較高的EFc值。首先,海鹽氣溶膠不是重要來源。統計表明, 世界范圍內海鹽對Pb的貢獻僅為16%, 對其余痕量元素的貢獻在10%以內[25]。而且, 槍勇冰川距離海洋比較遠, 因此來自海鹽的貢獻就更少, 海鹽生物源也不會成為重要來源。陸地生物源也不可能是處于干旱半干旱環境的槍勇冰川痕量元素的主要來源。火山活動的釋放也不可能是雪坑對應的整個時段內痕量元素的重要來源。那么, 能夠解釋 EFc值較高的主要來源只能是人為污染源。

從全球尺度上而言, 各種人為源向大氣中釋放的痕量元素的量已經超過了它們的自然源[27]。統計表明, 亞洲是全球大氣中痕量元素的最大釋放地區[28]。而且, 化石燃料的燃燒和有色金屬礦產的開采和冶煉是亞洲大氣中痕量元素的兩個主要的人為來源;除此之外, 含Pb的、低含 Pb汽油的燃燒也是大氣中Pb的重要來源。槍勇冰川地區大氣中痕量元素可能與上述來源有關。另外, 生物質的燃燒和垃圾焚燒也是該地區大氣中痕量元素的可能來源。

2.4 與其他地區痕量元素濃度的比較

為了進一步認識槍勇冰川雪坑中痕量元素較高的濃度水平, 將該冰川雪坑中痕量元素和中亞其他地區以及格陵蘭和南極相關冰川進行了比較(表3)。需要指出的是, 為了便于比較, 來自文獻[16]的絨布冰川雪坑數據僅僅是非季風降水期間對應的雪坑中相應元素濃度數據。從表 3中可看出, 槍勇冰川雪坑中痕量元素的濃度高于喜馬拉雅東絨布冰川、帕米爾東部慕士塔格峰冰川、帕米爾 Fedchenko冰川雪冰中的相應濃度, 更高于格陵蘭冰川雪冰中的濃度, 遠遠高于南極冰川雪冰中的濃度。例如, 來自粉塵中的痕量元素 Al的濃度是珠穆朗瑪峰絨布冰川的 9倍, 慕士塔格峰冰川的 15倍, 帕米爾Fedchenko冰川的36倍, 格陵蘭冰川的239倍, 南極冰川的10151倍; Fe的濃度是慕士塔格峰冰川的19倍, 帕米爾 Fedchenko冰川的 47倍, 南極冰川的50000倍。來自人為污染源的元素中, Sb的濃度是絨布冰川的 25倍, 慕士塔格峰冰川的4.5倍, 帕米爾Fedchenko冰川的 4.5倍, 格陵蘭冰川的 49倍; Cd的濃度是絨布冰川的8倍, 帕米爾Fedchenko冰川的1.3倍, 格陵蘭冰川的16倍, 南極冰川的76倍; Pb的濃度是絨布冰川的11~23倍, 慕士塔格峰冰川的3倍, 帕米爾Fedchenko冰川的3.3倍, 格陵蘭冰川的88倍, 南極冰川的376 倍; Zn的濃度是絨布冰川的3~6倍, 格陵蘭冰川的90倍。

表3 槍勇冰川雪坑中痕量元素濃度均值(pg/g)與其他地區冰川雪冰中的對比Table 3 Comparison of averaged concentrations of trace elements in snow pit samples from the Qiangyong glacier and other sites

由此可見, 槍勇冰川地區大氣中痕量元素具有較高的背景濃度。不僅來自粉塵的痕量元素背景值高, 來自人為污染的元素背景值也高。

3 結 論

對青藏高原南部槍勇冰川雪坑中多種可溶性痕量元素的組成和濃度隨深度變化的初步研究揭示了青藏高原南部喜馬拉雅雨影區大氣中Pb、Zn、Cu、Li、Ni、Cd和 Sb存在較高的背景值。這些痕量元素較高的地殼富集系數表明這些痕量元素已經存在人為污染的影響。

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