拉薩和日喀則地區(qū)雪-冰表面吸光性物質(zhì)特征及其影響因子分析*

高佳佳 戴 睿 黃曉清#

(1.西藏高原大氣環(huán)境科學研究所，西藏 拉薩 850000；2.西藏自治區(qū)氣候中心，西藏 拉薩 850000)

黑碳(BC)、有機碳(OC)被稱作吸光性物質(zhì)。當吸光性物質(zhì)通過干濕沉降落到冰川或積雪后，能夠加大雪-冰對短波輻射的吸收，減少雪-冰留存時間和范圍，導致積雪面積消退、積雪日數(shù)顯著減少，從而加速冰川消融[1-3]。BC作為吸光性物質(zhì)的重要組成部分，主要來自于化石燃料和生物質(zhì)燃料的不完全燃燒[4]5382。隨著城市化的發(fā)展，人類活動產(chǎn)生了大量污染物，BC常被用作人類生產(chǎn)活動的指示物[5]，在北極的積雪中已經(jīng)檢測出來源于人類活動的BC[6-8]。OC包括一次OC和二次OC。一次OC由排放源直接排放，二次OC是氣態(tài)有機污染物通過光化學反應等途徑形成的光化學產(chǎn)物[9-10]。

西藏地區(qū)位于大氣環(huán)流沉降區(qū)，平均積雪面積約占整個區(qū)域面積的38.16%，拉薩和日喀則位于西藏地區(qū)中南部，是我國大氣最潔凈的地區(qū)，也是對全球氣候和環(huán)境變化響應最敏感的地區(qū)之一。由于鄰近東亞和南亞兩個世界上最大的碳質(zhì)氣溶膠排放源地[4]5382，吸光性物質(zhì)可能傳輸?shù)皆摰貐^(qū)，進而影響該地區(qū)的大氣環(huán)境、氣候變化和冰川消融。因此，在上述兩個區(qū)域進行雪-冰中吸光性物質(zhì)的研究工作，分析季節(jié)性雪-冰表面吸光性物質(zhì)的變化特征，探討雪-冰中吸光性物質(zhì)的潛在來源和影響因子，有助于為青藏高原冰川保護提供參考和依據(jù)，也可為人為源碳質(zhì)氣溶膠的減排提供理論支撐。

1 材料和方法

1.1 樣品采集與分析

在西藏地區(qū)較大的城市拉薩和日喀則共設計了20個采樣點，采樣點信息見表1，采集時間為2018年冬季至2019年春季，在冬春季采樣的主要原因是考慮到采暖導致碳污染排放較重。

表1 各采樣點信息

用清潔的鐵鏟采集表層(0～5 cm)雪-冰樣本，儲存在whirl-Pak無菌采樣袋中，冷凍保存。同時標記樣品采樣點和采樣時間，并記錄采樣點溫度、濕度、風向和風速等氣象數(shù)據(jù)。

實驗時，將采集的雪-冰樣品利用溫水浴或微波爐快速融化，待樣品完全融化后對樣品進行稱重，將BC和OC過濾到預先500 ℃高溫有氧環(huán)境下灼燒6 h的石英濾膜(Whatman?QMA)上。本次實驗選取約0.5 cm2的濾膜，使用DRI-2015多波段熱/光碳分析儀(美國Atmoslytic Incorporation)分別在580、840 ℃測定OC、BC。

1.2 后向軌跡分析

拉格朗日混合單粒子軌道模型(HYSPLIT)是由美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的空氣資源實驗室和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的一種用于計算和分析大氣污染物后向軌跡的專業(yè)模型。該模型具有處理多種氣象要素輸入場、多種物理過程和不同類型污染物排放源功能的較為完整的輸送、擴散和沉降模式，已經(jīng)被廣泛應用于多種污染物在各個地區(qū)的傳輸和擴散研究中[11]。分別在日喀則、拉薩選取編號分別為9、18的采樣點作為后向軌跡的起始點推算72 h后向軌跡，起始高度選取1 000、2 500、4 000 m 。

2 結(jié)果與討論

2.1 雪-冰表面吸光性物質(zhì)的統(tǒng)計描述

由表2可以看出，拉薩和日喀則地區(qū)雪-冰中BC的質(zhì)量濃度為5～157 ng/g，平均質(zhì)量濃度為48 ng/g。與青海高原降雪中的BC(151±54 ng/g)[12]相比，本研究得出的BC濃度略低，這可能與采樣點位置不同有關，青海地區(qū)受人為源影響較西藏地區(qū)大，當然也可能與采樣時間和采樣點的多少有關。拉薩和日喀則地區(qū)雪-冰中BC的濃度總體低于我國西部地區(qū)的平均質(zhì)量濃度(63 ng/g)，是帕米爾地區(qū)BC濃度的2倍，是祁連山地區(qū)BC濃度的3倍[13]，與內(nèi)蒙古草原(100～600 ng/g)[14]和西伯利亞南緣地區(qū)(50～150 ng/g)[15]相比也低得多。這種格局與BC的排放源分布有關[16]。以往的研究對雪-冰中的OC關注較少，本研究發(fā)現(xiàn)拉薩和日喀則地區(qū)雪-冰中OC的質(zhì)量濃度為26～243 ng/g，平均質(zhì)量濃度為97 ng/g。

表2 拉薩和日喀則各采樣點BC和OC質(zhì)量濃度

拉薩和日喀則兩個地區(qū)的BC和OC分布具有一定的差異性。日喀則地區(qū)的BC和OC的質(zhì)量濃度分別為(25±16)、(62±28) ng/g；拉薩地區(qū)的BC和OC的質(zhì)量濃度分別為(71±43)、(132±62) ng/g。兩個地區(qū)的標準差均較大，說明區(qū)域內(nèi)部具有明顯的差異性，表明碳質(zhì)氣溶膠的沉降存在顯著的不均勻性和較大的空間差異性。拉薩地區(qū)的OC和BC濃度均高于日喀則地區(qū)，可能有兩個原因：一是拉薩地區(qū)的城市發(fā)展水平相對高于日喀則地區(qū)，交通發(fā)達，人口眾多，人為源的影響較大；二是與雪深和溫度有關，研究表明，雪深與BC和OC的濃度具有弱的負相關性，與日最高氣溫具有顯著的正相關性[17]，采樣時拉薩地區(qū)的雪深遠小于日喀則地區(qū)，且溫度高于日喀則地區(qū)。另需特別說明的是，冬季青藏高原由于氧氣稀少，牛糞等生物質(zhì)燃料燃燒往往不充分，會產(chǎn)生更多的BC。

2.2 影響因子分析

2.2.1 風

研究的吸光性物質(zhì)來源除需要考慮本地源外還需要考慮外來源，因為研究區(qū)域距離東亞和南亞兩個世界上最大的吸光性物質(zhì)排放源地[4]5382較近，吸光性物質(zhì)可通過大氣運動傳輸?shù)窖芯繀^(qū)域并沉降至地面。

對后向軌跡進行聚類分析得到4類軌跡，并且兩個地區(qū)的聚類軌跡呈現(xiàn)出一致性。第1類軌跡來自于本地，即西藏和青海地區(qū)，氣流軌跡數(shù)量在4類軌跡中最少，只占總數(shù)的18%。ZHANG[18]研究認為，BC/OC(質(zhì)量比)可在一定程度上反映吸光性物質(zhì)的來源：如果BC/OC在0.11左右，可以認為吸光性物質(zhì)主要來源于生物質(zhì)燃燒；BC/OC在0.5左右，則可以認為吸光性物質(zhì)主要來源于化石燃料的燃燒。第2類軌跡和第3類軌跡傳輸距離較遠，主要來自于伊朗、阿富汗、巴基斯坦，氣流軌跡數(shù)量分別占總數(shù)的24%、33%，主要是這些國家工業(yè)較發(fā)達的城市或礦產(chǎn)資源較豐富的地區(qū)冬季產(chǎn)生大量吸光性物質(zhì)，并附著于沙塵之上，隨著西風氣流傳輸至西藏地區(qū)，這與HE等[19]的研究結(jié)果基本一致。第4類軌跡主要來自于印度、尼泊爾，氣流軌跡數(shù)量占總數(shù)的25%。后3類軌跡的軌跡數(shù)較多，與冬季盛行西風有關。冬季西風帶受海拔4 000 m以上的高原阻擋會分成南北兩支。主要是南支氣流，由于途經(jīng)新得里、加得滿都等人口稠密的地區(qū)，而且這些地區(qū)大量使用石油液化氣、燃燒生物質(zhì)等而產(chǎn)生大量BC，因此氣流會攜帶大量BC越過喜馬拉雅山到達西藏地區(qū)，沉降于雪-冰表面。

由以上分析綜合可知，拉薩和日喀則地區(qū)的吸光性物質(zhì)以遠距離運輸占大多數(shù)，其次是青海、西藏等鄰近城市的近距離傳輸，再者是本地源。當然，后向軌跡只能判斷氣流的一般路徑，并不能精確的判斷氣流路徑，會有15%左右的誤差[20]。

2.2.2 海 拔

海拔可以影響水熱的垂直分布，因此也是影響吸光性物質(zhì)分布的一個重要因素[21]。由圖1可以看出，BC、OC濃度總體上均與海拔呈現(xiàn)出一定的負相關性，計算發(fā)現(xiàn)，BC、OC濃度與海拔的相關性系數(shù)分別為-0.44、-0.51。YE等[22]也曾得出類似結(jié)論，即青藏高原高海拔地區(qū)，積雪中的BC含量與海拔高度呈負相關。原因可解釋為：低海拔地區(qū)人為活動多，所以碳含量相對較高；另一方面，高海拔地區(qū)一般位于山頂，在雪水融化或雨水沖刷的作用下會把吸光性物質(zhì)帶下來，導致碳在低海拔地區(qū)堆積。有研究指出，坡位也是影響碳含量的重要因子，坡上的BC含量往往小于坡下[23]。

2.2.3 土地利用類型

不同的土地利用類型會導致土壤的理化性質(zhì)及地上植被的不同，從而會導致吸光性物質(zhì)在不同土地利用類型上的分布表現(xiàn)出一定的差異。一般而言，建設用地、郊區(qū)用地的BC含量較高，農(nóng)田用地、牧區(qū)用地的BC含量較低。在本研究中，不同土地利用類型中BC含量大小分布依次為：郊區(qū)用地>建設用地>農(nóng)田用地>牧區(qū)用地。另外，本研究發(fā)現(xiàn)，不同土地利用類型中OC含量大小分布依次為：郊區(qū)用地>農(nóng)田用地>建設用地>牧區(qū)用地。本研究的BC分布與其他研究基本一致，而OC分布呈現(xiàn)郊區(qū)用地高于農(nóng)田用地和建設用地，牧區(qū)用地中最低。農(nóng)田附近有防護林可能是導致農(nóng)田OC含量偏高的原因。因為防護林是OC的有效碳庫，有研究計算得出，防護林土壤中的OC質(zhì)量濃度約為0.59 g/kg，一般高于其他土壤[24]。郊區(qū)的OC含量最高，除少量來自于植物外，大部分是由人為原因造成的，如城市生活垃圾、工業(yè)有機廢物等的遺棄，另外郊區(qū)也會有部分菜地會使用少量化肥，以及一些植物殘體留在土壤中形成OC[25]。

圖1 BC和OC隨海拔的變化Fig.1 The BC and OC varied with altitude

3 結(jié) 論

(1) 拉薩和日喀則地區(qū)雪-冰中BC和OC的質(zhì)量濃度分別為5～157、26～243 ng/g，平均質(zhì)量濃度分別為48、97 ng/g。拉薩和日喀則兩個地區(qū)的吸光性物質(zhì)分布也具有一定的差異性。日喀則地區(qū)的BC和OC的質(zhì)量濃度分別為(25±16)、(62±28) ng/g；拉薩地區(qū)的BC和OC的質(zhì)量濃度分別為(71±43)、(132±62) ng/g。

(2) 通過對吸光性物質(zhì)的影響因子分析發(fā)現(xiàn)：冬春季節(jié)，吸光性物質(zhì)的遠距離傳輸對研究區(qū)域的污染貢獻較大；吸光性物質(zhì)在高海拔地區(qū)的含量較少，低海拔地區(qū)的含量較多；不同土地利用類型中BC含量大小分布依次為：郊區(qū)用地>建設用地>農(nóng)田用地>牧區(qū)用地，OC含量大小分布依次為：郊區(qū)用地>農(nóng)田用地>建設用地>牧區(qū)用地。