中国北方典型积雪区积雪中水溶性离子分布特征及来源研究

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积雪中的离子与水汽来源、大气环境状况及其变化等密切相关。对典型积雪区积雪中离子及其含量变化的分析与研究,可以揭示不同区域水汽的来源,也可以指示积雪中不同化学成分含量变化的环境意义,对气候环境变化研究具有重要意义。本文研究了2018年冬季1月24日至2月4日在新疆、青藏高原东部和东北典型积雪区积雪野外观测试验所获得63个雪剖面近200个积雪样品,通过离子色谱测定积雪中水溶性离子(Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+、F-、Cl-、NO2-、SO42-和NO3-)含量,利用相关分析法、主成分分析、富集因子法等对来源进行探讨,通过对采样点后向轨迹进行聚类分析和潜在源贡献作用(PSCF)得到了典型采样点主要的污染物传输路径及积雪中SO42-和NO3-的潜在源区。研究结果表明:1、中国北方典型积雪区积雪中的水溶性离子Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+、F-、Cl-、NO2-、SO42-和NO3-的浓度范围分别在0.069-10.872mg/L,0.052-10.102mg/L,0.022-4.898mg/L,0.018-3.211mg/L,0.053-20.516mg/L,0.006-2.092mg/L,0.046-15.847mg/L,0.096-2.464mg/L,0.127-50.890mg/L,以及0.162-34.770mg/L,平均浓度大小依次为:SO42->Ca2+>NO3->Cl->NH4+>Na+>NO2->K+>Mg2+>F-。积雪中离子总浓度分区域依次为:东北平原>青藏高原东部>天山地区>大兴安岭地区>准噶尔盆地。Ca2+为积雪中主要阳离子,占14.46~54.72%;SO42-为积雪中主要阴离子,占13.99~31.62%。积雪中离子浓度远高于南极地区、格陵兰冰盖,也普遍高于喜马拉雅山、阿尔卑斯山等高亚洲地区,表明受到不同程度的地表矿物粉尘和人为污染物排放的影响。2、积雪中SO42-/NO3-比值变化范围为0.23~8.07,受区域内人口密度、出行方式和地区能源结构性差异导致了空间尺度上的异质性。青藏高原东部积雪中的SO42-/N O3-的比值大于3表明该地区主要为燃煤型污染,东北地区机动车保有量的大幅增加,同时依托丰富的煤铁资源,集中在哈尔滨、长春等城市附近的石油化工、钢铁等重工业和城市集中供暖排放导致东北平原呈硝酸、硫酸的混合型污染。其余地区积雪中的SO42-/NO3-的比值大都介于0.5~3表明是燃煤型和机动车排放的混合污染。3、积雪中Cl-与Na+相关性为0.91,表明Cl-与Na+主要来自于海盐气溶胶或海洋飞沫。F-与SO42-和NO3-的相关性都大于0.7,表明F-也来源于煤炭燃烧等人为排放。NH4+和NO3-、SO42-的相关性大于0.6表明大气中铵类化合物以硫酸铵和硝酸铵的形式存在。Mg2+和Ca2+相关性较高,表明具有相同的风沙、扬尘等陆相来源。主成分分析提取4个主要因子,分别代表自然或人为来源的混合来源、海洋源、NO2-潜在来源和人为源。富集因子法指出积雪中的K+、Ca2+、Mg2+、SO42-和Cl-相对于海洋源的EFsea平均值分别为24.47、106.69、1.97、44.9和1.12;K+、Na+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3-和F-相对于地壳源的平均EFcrustl值分别为0.25、0.65、0.35、32.24、48.25、628.27和29.48,K+和Mg2+相对于地壳源被稀释,表明其来源于岩土粉尘。SO42-、NO3-和F-高度富集,表明主要受人为排放源的影响。5个区域积雪中人为源对SO42-、NO的输入分别占到84.3%和95.9%以上;Cl-主要由海洋源主控,输入占比达到75.5%以上;K+、Mg2+和Ca2+主要来自于地壳源,输入占比分别达到98.1%、78.4%和85.8%以上。4、后向轨迹聚类分析结果表明天山地区主要的污染物传输路径来自西北和西南路径,准噶尔盆地边缘主要的污染物传输路径来自西和西北路径,局地排放的污染物对北疆地区积雪水溶性离子含量贡献大;青藏高原东部主要的大气气团传输路径来自于西和西南路径,南亚气团远距离传输所携带的污染物质影响积雪中离子浓度。大兴安岭地区污染物沿西北路径传输,采样点上风向区域人口密度小,工业产业欠发达,积雪中所受到的外源污染较小;东北平原地区主要沿北径和西北路径方向传输,局部区域人为排放的大气污染物和污染物质、沙尘远距传输的共同作用造成积雪中离子浓度较高。潜在源贡献作用PSCF分析显示北疆地区积雪中SO42-和NO3-高潜在源区位于哈萨克斯坦巴尔喀什湖东部的阿克斗卡地区,该地的铜矿开采等工业活动对积雪中的二次污染物质有很大贡献。青藏高原东部积雪中SO42-和NO3-高潜在源集中在印度北部城市群周边。东北平原积雪中SO42-潜在源在渤海湾北部和韩国首尔北部地区,由于水运船舶和渔船的在中国海域活动排放导致,NO3-高潜在源区位于蒙古乌兰巴托市北部一带。
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