冰川区积雪中NO3-与粉尘记录的对比研究——以天山乌鲁木齐河源1号冰川为例

王圣杰,张明军,*,王飞腾,李忠勤,,李亚举 (.西北师范大学地理与环境科学学院,甘肃 兰州 730070；.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/天山冰川站,甘肃 兰州 730000)

冰川区积雪中NO3-与粉尘记录的对比研究
——以天山乌鲁木齐河源1号冰川为例

王圣杰1,张明军1,2*,王飞腾2,李忠勤1,2,李亚举1(1.西北师范大学地理与环境科学学院,甘肃 兰州 730070；2.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/天山冰川站,甘肃 兰州 730000)

为研究山岳冰川积雪中NO3-与粉尘记录之间的联系,利用2003～2005年间新疆天山乌鲁木齐河源1号冰川东支积累区的雪样,分析了雪层中NO3-与不溶微粒的对应关系.研究发现,沙尘活动季节初期,表层雪中 NO3-浓度与不溶微粒浓度呈正相关,而与其平均粒径呈负相关,表明NO3-可以通过吸附在粉尘细颗粒表面远距离传输.雪层剖面中 NO3-浓度峰值与污化层之间的相对位置在冬半年可基本保持稳定,但夏半年以淋溶作用为主的后沉积过程,会强烈改造NO3-与粉尘记录之间的联系.

硝酸根；粉尘；雪层；天山；不溶微粒

冰芯记录是全球变化研究中重要的气候代用指标.冰芯中的NO3-浓度与粉尘微粒具有一定的环境意义[1-7],可以作为冰芯定年的参考依据[8].在适宜的条件下,NO3-可以吸附在不溶微粒表面通过大气进行远距离传播.中亚冰川雪冰中的NO3

-在很大程度上来自于粉尘的输送

[9-10].强烈的沙尘活动会在雪层中形成含有大量不溶微粒的污化层[11-13].一些研究发现,在雪层中污化层所对应的位置上,NO3-浓度较高[14-15].极地的研究还表明,陆源粉尘的存在,可能有利于 NO3-在雪层中的积累[4-5].

由于成冰过程伴随着一系列复杂的物理化学变化,因此利用冰芯中NO3-与粉尘记录重建古环境信息的过程中,必须对其在雪层中的演化过程有深入的认识[11,16-20].受到观测条件的限制,有关冰芯中NO3-浓度与粉尘记录的相位差产生机理研究并不多,而雪层中NO3-浓度与粉尘记录关系的长时间连续监测则更为少见.本研究基于天山乌鲁木齐河源 1号冰川积累区多年高频率的雪坑连续采样,系统地分析了冰川区积雪中NO3-与粉尘记录的关系.

1 材料与方法

1.1 样品采集与运输

天山乌鲁木齐河源 1号冰川(43°06′N, 86°49′E,简称 1号冰川),位于我国新疆维吾尔自治区境内,在亚欧大陆腹地山岳冰川中具有很好的代表性.本研究的采样地点位于1号冰川东支海拔4130m处,该位置处在冰川渗浸积累区,坡向朝北,日照时间短,适宜开展雪坑连续观测[21].雪样采集于2003年10月至2005年10月间,取样频率为1次/周,共挖取104组雪坑.其中,表层雪样品一般取自雪坑表层3～5cm处,其他雪坑样品自表层以下每隔 10cm依次采样,直至底层附加冰附近为止.为了保证雪层剖面的连续性,每次采样后雪坑被重新填埋,直至下次采样时在上次采样位置重新挖开并向前挖进至少 50cm,在与上次相同的层位上取样.前期的研究表明,该系列雪坑中离子浓度[20,22]、不溶微粒浓度[11]、pH值与电导率[23]等理化性质均表现出一定的连续性.雪样在采集和运输过程中采取严格的操作规范,样品密封后在冰冻状态下从野外运回兰州的中国科学院天山冰川观测试验站实验室后低温保存.

1.2 样品分析

为防止雪样受到外界空气的污染,分析前将其置于称量瓶(用电阻率为18.2MΩ⋅cm的超纯水洗净)中,在室温下待其自然融化后立即进行分析.样本中的NO3-浓度采用美国戴安公司制造的Dionex-320型离子色谱仪进行测定,分析时使用AS11-HC(4mm×250mm)分 离 柱 ,AG11-HC (4mm×50mm)保护柱,ASRS-4mm抑制器(抑制电流 52mA),15mmol/L NaOH淋洗液(流速为1.4mL/min),测量精度可达到ng/g量级[24].不溶微粒测定使用美国 PSS公司制造的 AccuSizer 780A光学粒径检测仪,该检测仪采用单粒子光学传感技术,重复性误差＜5%,0.5～400µm的测量范围符合本研究需要[25].

2 结果与讨论

2.1 表层雪中NO3-浓度与不溶微粒的相关性

表层雪对大气环境的变化较为敏感,在一定程度上反映了物质的来源[21].天山山脉四周均有沙漠与戈壁分布,新疆沙尘天气主要出现在4～10月,其中4～6月为高发时段[26].北疆沙尘天气峰值出现在5月,南疆在4月[27],而春夏季节也是境外中亚地区沙尘天气的多发时段[28].图1是2005年沙尘活动季节前后表层雪中NO3-浓度、不溶微粒浓度与平均粒径的变化,沙尘活动季节大致从3月下旬开始,直到8月上旬.

图1 典型沙尘活动季节前后表层雪中NO3-浓度与不溶微粒平均粒径和浓度的变化Fig.1 Variation of NO3- concentration, mean diameter and concentration of insoluble microparticle in surface snow around a typical sand season

根据图1中NO3-与不溶微粒对应关系的差异,可以将沙尘活动季节进一步划分为2个阶段,即3月下旬～5月下旬为初期,6月上旬～8月上旬为后期.沙尘活动季节初期,NO3-浓度与不溶微粒平均粒径存在负相关关系,而与不溶微粒浓度存在正相关关系.前者的相关系数为-0.644,而后者的相关系数为 0.706.前期的研究[21]表明在完整的年尺度下,1号冰川表层雪中NO3-与不溶微粒浓度的相关性很低,仅为 0.33.而本研究中,沙尘活动季节初期NO3-与不溶微粒浓度之间的相关性则高得多,可见在这一时段二者的传输存在着很大的伴生性.值得一提的是,当 NO3-浓度出现峰值时,不溶微粒平均粒径为谷值,而不溶微粒浓度却为峰值.不溶微粒粒径波动范围较大,就检测限而言,最大值可能达到最小值的数百倍.因此其粒径平均值受到粗微粒的控制,粒径平均值较大时意味着微粒以粗颗粒为主.由于粒径小的粉尘比表面积大,对 NO3-的吸附量较大,NO3-峰值与不溶微粒平均粒径谷值出现明显的对应关系.1号冰川表层雪粉尘中的细颗粒主要来源于中亚粉尘源区[13],这也进一步证明了NO3-与中亚粉尘的密切关系,细颗粒是远源NO3-的良好载体.

而在沙尘活动季节后期,上述对应关系发生了明显变化,不溶微粒浓度和平均粒径都与NO3-浓度失去显著相关性.虽然沙尘季节后期的沙尘天气可能不如初期那么频繁,但仍有沙尘活动出现,表层雪中的不溶微粒依然呈波动趋势.由于该时段1号冰川降水较多,气温相对较高,淋溶作用显著,NO3-的损失量较大,表层雪中的 NO3-浓度处于相对低值.

2.2 不同层位NO3-浓度与不溶微粒相关性的差异

在1号冰川开展的研究表明,以淋溶作用为主的后沉积过程会对冰川的化学记录产生重要的影响[17,19].淋溶作用一方面可以加速雪层中化学物质峰值以及污化层的迁移,一方面可以稀释、合并与富集化学物质的峰值.离子淋溶强度受多方面因素的影响.积雪中的NO3-很难进入冰晶格内,主要存在于晶粒的边界位置[29].积雪融化时,NO3-率先进入融水内,导致最初融水内的离子浓度远高于积雪内的离子浓度.而在晶粒结点处的富集程度有所差异,也致使各种离子的淋溶程度不同[30].

尽管沙尘活动季节初期表层雪中 NO3-与粉尘记录表现出了较好的相关性,但是这种对应关系随着雪深的变化表现出很大的差异.表1是沙尘活动季节初期表层至某一深度雪样中 NO3-浓度、不溶微粒平均粒径和浓度的相关系数.不溶微粒的平均粒径与 NO3-浓度的明显对应关系仅表现在表层雪之中,而在表层以下相关系数明显降低.平均粒径之所以迅速与 NO3-失去相关性,主要因为NO3-附着在小颗粒表面,而在淋溶过程中小颗粒最先随融水流失,雪冰中常见硝酸盐普遍溶于水,导致 NO3-亦流失严重.平均粒径主要反映了大颗粒的存在特征,因此二者的相关性在较短时间内发生变化.

表1 典型沙尘活动季节初期雪层各深度范围内NO3-浓度与不溶微粒平均粒径和浓度的相关系数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

与平均粒径不同,NO3-与不溶微粒浓度的相关系数,由表层至底层表现出逐渐递减的趋势.在靠近表层的雪层中,NO3-与不溶微粒的浓度仍表现出相对较高的相关性.这种由于NO3-与粉尘同期输入产生的对应关系,会随着后沉积过程而逐渐减弱.由于NO3-与不溶微粒的淋溶强度有差异,因此原有的浓度峰值可能稀释、合并甚至局部富集最终沉降至雪层底部.这种差异的形成是渐进的,不会出现类似不溶微粒平均粒径的突变现象.

2.3 后沉积过程对NO3-浓度峰值与污化层相对位置的改造

通过典型层位示踪的方法可以对雪层中NO3-浓度峰值与污化层相对位置的变化差异进行分析.由于本研究中雪层剖面的层位特点具有一定的连续性[11,20,22-23],选取7个代表性剖面进行讨论(图2).0cm处为雪坑底部的附加冰.

图2 雪层中NO3-浓度剖面与污化层的演化过程Fig.2 Vertical profiles of NO3- concentration and dust layers in snowpack

不难发现,NO3-浓度峰值与污化层的相对位置在冬半年可以长时间地保持稳定,但在夏半年变化剧烈.2003年 10月之前雪层中下部已经出现2个明显污化层(即D1与D2),根据长期观测记录,推测D1与D2可能分别形成于2002年与2003年[11].雪层中下部亦出现 2个 NO3-浓度峰值,即P1与P2.在研究初期,P1与D1、P2与D2均表现出较好的对应关系,NO3-浓度峰值略高于污化层5～10cm左右.2004年春季,在沙尘天气的作用下,雪层上部出现新的污化层D3.直到8月,雪层下部依然保持着 P1与D1的对应关系.但是雪层上部在7～8月NO3-浓度峰值与污化层的位置则经历了复杂的变化.上层的NO3-在强降水与高气温的影响下,峰值稀释、合并与富集现象十分明显.与此同时,污化层也迅速下移,D2与 D3间的距离也在短时间内缩短,从6月的90～100cm减小到7月的20～30cm并相对稳定下来.P2这一峰值在夏季淋溶作用影响后与 D2的对应关系不再明显,峰值更靠近新形成的污化层D3.2004年9月以后,雪层下部NO3-浓度峰值与污化层之间的相对关系变化不大.2005年春季以后,随着降水增多、气温升高,冰川融水增多,雪层上部再次形成了多个NO3-浓度的小峰值,5月污化层D4出现在距离表层雪20～40cm处,之后D3与D4之间的距离再次急剧缩小.由此可见,NO3-浓度峰值与污化层的对应关系是动态的,经过后沉降作用NO3-浓度峰值与污化层并不存在简单的直接对应关系,且雪层下部的NO3-浓度也明显低于上部,这揭示了表1中相关系数变化的原因.

3 结论

3.1 沙尘活动季节初期,表层雪中的 NO3-与不溶微粒存在相关性,相关系数明显高于非沙尘活动季节;NO3-浓度与不溶微粒浓度呈正相关,而与不溶微粒的平均粒径呈负相关,可见春季NO3-浓度上升与粉尘输入可能有一定的联系.

3.2 以夏季淋溶作用为主的后沉积过程对雪层中的NO3-与粉尘记录间的关系产生深刻的影响.NO3-浓度峰值与污化层的对应关系是动态的,经过后沉降作用NO3-浓度峰值出现稀释、合并与富集,因而与污化层可能并非简单的直接对应关系.

[1] Rothlisberger R, Hutterli M A, Sommer S, et al. Factors controlling nitrate in ice cores: Evidence from the Dome C deep ice core [J]. Journal of Geophysical Research, 2000,105(D16): 20565-20572.

[2] Rothlisberger R, Hutterli M A, Wolff E W, et al. Nitrate in Greenland and Antarctic ice cores: a detailed description of post-depositional processes [J]. Annals of Glaciology, 2002, 35(1):209-216.

[3] Laluraj C M, Thamban M, Naik S S, et al. Nitrate records of a shallow ice core from East Antarctica: Atmospheric processes, preservation and climatic implications [J]. The Holocene, 2010, doi: 10.1177/0959683610374886.

[4] 王圣杰,张明军,王飞腾,等.雪冰中 NO3-浓度记录的研究进展[J]. 冰川冻土, 2010,32(6):1162-1169.

[5] Kang S, Mayewski P A, Yan Y, et al. Dust records from three ice cores: relationships to spring atmospheric circulation over the Northern Hemisphere [J]. Atmospheric Environment, 2003, 37(34):4823-4835.

[6] Xu J, Hou S, Qin D, et al. A 108.83-m ice-core record of atmospheric dust deposition at Mt. Qomolangma (Everest), Central Himalaya [J]. Quaternary Research, 2010,73(1):33-38.

[7] Wu G, Yao T, Xu B, et al. Dust concentration and flux in ice cores from the Tibetan Plateau over the past few decades [J]. Tellus B, 2010,62(3):197-206.

[8] 张明军,效存德,任贾文,等.南极冰芯定年综述 [J]. 自然杂志, 2004,26(2):63-68.

[9] Williams M W, Tonnessen K A, Melack J M, et al. Sources and spatial variation of the chemical composition of snow in the Tien Shan, China [J]. Annals of Glaciology, 1992,16(1):25-32.

[10] Wake C P, Mayewski P A, Xie Z, et al. Regional distribution of Monsoon and desert dust signals recorded in Asian glaciers [J]. Geophysical Research Letters, 1993,20(14):1411-1414.

[11] 尤晓妮,李忠勤,王飞腾,等.乌鲁木齐河源 1号冰川不溶微粒的季节变化特征 [J]. 地球科学进展, 2006,21(11):1164-1170.

[12] Dong Z, Li Z, Wang F, et al. Characteristics of atmospheric dust deposition in snow on the glaciers of the eastern Tien Shan, China [J]. Journal of Glaciology, 2009,55(193):797-804.

[13] Dong Z, Li Z, Xiao C, et al. Characteristics of aerosol dust in fresh snow in the Asian dust and non-dust periods at Urumqi glacier no.1 of eastern Tian Shan, China [J]. Environmental Earth Sciences, 2010, 60(7):1361-1368.

[14] 盛文坤,姚檀栋,李月芳,等.古里雅冰帽硝酸根离子的来源分析[J]. 冰川冻土, 1996,18(4):353-359.

[15] 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——以奎屯河哈希勒根51号冰川和哈密庙尔沟平顶冰川为例 [J]. 地球科学进展, 2008,23(12):1268-1276.

[16] 皇翠兰,李忠勤,侯书贵,等.离子淋溶作用对冰川化学记录形成的影响 [J]. 科学通报,1996,41(23):2171-2173.

[17] 侯书贵,秦大河.积雪淋溶作用对冰川雪层内主要阴、阳离子记录的影响 [J]. 地理科学, 1999,19(6):536-542.

[18] Hou S, Qin D, Ren J. Different post-depositional processes of NO3-in snow layers in East Antarctica and on the northern Qinghai-Tibetan Plateau [J]. Annals of Glaciology, 1999,29(1): 73-76.

[19] Hou S, Qin D. The effect of postdepositional process on the chemical profiles of snow pits in the percolation zone [J]. Cold Regions Science and Technology, 2002,34(2):111-116.

[20] Zhao Z, Li Z, Edwards R, et al. Atmosphere-to-snow-to-firn transfer of NO3-on Urumqi glacier No. 1, eastern Tien Shan, China [J]. Annals of Glaciology, 2006,43(1):239-244.

[21] Li Z, Edwards R, Mosley-Thompson E, et al. Seasonal variability of ionic concentrations in surface snow and elution processes in snow-firn packs at the PGPI site on Urumqi glacier No.1, eastern Tien Shan, China [J]. Annals of Glaciology, 2006,43(1):250-256.

[22] Wang F, Li Z, You X, et al. Seasonal evolution of aerosol stratigraphy in Urumqi glacier No.1 percolation zone, eastern Tien Shan, China [J]. Annals of Glaciology, 2006,43(1):245-249.

[23] Li X, Li Z, Ding Y, et al. Seasonal Variations of pH and Electrical Conductivity in a Snow-firn Pack on Glacier No.1, Eastern Tianshan, China [J]. Cold Regions Science and Technology, 2007, 48(1):55-63.

[24] 赵中平,李忠勤.离子色谱法测定大气气溶胶中的可溶性离子[J]. 现代科学仪器, 2004,(5):46-49.

[25] 朱宇漫,李忠勤,尤晓妮.AccuSizer780A光学粒径检测仪在冰川微粒研究中的应用 [J]. 现代科学仪器, 2006,(3):81-84.

[26] 何 清,杨青,李红军.新疆40a来气温、降水和沙尘天气变化 [J].冰川冻土, 2003,25(4):423-427.

[27] 马 禹,王 旭,黄 镇,等.新疆沙尘天气的演化特征及影响因子 [J]. 干旱区地理, 2006,29(2):178-185.

[28] Orlovsky L, Orlovsky N, Durdyev A. Dust storms in Turkmenistan [J]. Journal of Arid Environments, 2005,60(1):83-97.

[29] Wolff E W. Location, movement and reactions of impurities in solid ice [C]//Wolff E W, Bales R C. Chemical exchange between the atmosphere and polar snow, NATO ASI Series (Vol. I43). Berlin: Springer Verlag, 1996:541-560.

[30] 侯书贵.乌鲁木齐河源冬季积雪淋溶作用的实验结果 [J]. 冰川冻土, 2000,22(4):362-365.

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

国家自然科学基金资助项目(40701035,40571033,40701034);教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-10-0019);国家“973”项目(2010CB951003);中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX2-EW-311);西北师范大学知识与科技创新工程创新团队项目(NWNU-KJCXGC-03-66)

* 责任作者, 教授, mjzhang2004@163.com

致谢：本项研究是中国科学院天山冰川站开展的雪冰现代过程项目的一部分,谨此对参加本项研究的观测人员表示衷心感谢.

王圣杰(1987-),男,陕西汉中人,西北师范大学硕士研究生,主要从事全球变化与环境研究.发表论文18篇.