冰冻圈化学/冰冻圈科学丛书

第1章绪论 在人类活动已深刻影响和改变自然环境的背景下，冰冻圈中各环境介质亦受到人类排放化学成分的深刻影响。冰冻圈的化学成分不仅可以记录自然与人类活动的历史，而且参与生物地球化学循环，对全球气候与环境产生深刻的影响。在全球变暖背景下，研究冰冻圈各要素中化学组分特征、时空格局、迁移转化归趋过程及其对气候和环境的影响机理，可为我们认识和应对当今人类社会所面对的环境问题提供重要科技支撑。冰冻圈化学是冰冻圈科学的重要分支，亦是认识冰冻圈变化及其影响的学科基础。在冰冻圈科学的总框架体系之下，本章全面阐述了冰冻圈化学的研究范畴、研究意义、发展历程及研究内容。 1.1 冰冻圈化学研究范畴 冰冻圈科学是研究自然背景条件下，冰冻圈各要素形成和变化的过程与内在机理，冰冻圈与气候系统其他圈层相互作用，以及冰冻圈变化的影响和适应的新兴交叉学科。冰冻圈化学是研究冰冻圈各要素化学组分的时空格局、来源、迁移、转化、归趋及其对气候和环境影响的一门学科。它涉及冰冻圈化学成分的地域特性、源和汇特征、生物地球化学循环过程，以及冰冻圈与其他圈层界面的化学过程等。通过建立立体观测网络体系，获得冰冻圈化学成分及其迁移转化的观测资料，结合实验室分析测试和模拟，科学精准认知冰冻圈化学变化的自然和人为过程、机理和影响，为社会经济可持续发展服务，是冰冻圈化学研究的主要范畴。 冰冻圈化学主要研究对象包括冰冻圈中微量气体、无机和有机化学组分、稳定和放射性同位素、微生物等，研究空间范围包括大气冰冻圈（如冰晶、冰核、冰雹等）、陆地冰冻圈（冰川、冻土、积雪、河冰、湖冰等）和海洋冰冻圈（海冰、冰架、海底多年冻土等），研究时间范围覆盖多个不同的时间尺度。广义的雪冰化学研究包括冰川、积雪、海冰、河冰、湖冰等介质化学成分及其化学过程等；广义的冻土化学研究包括陆地多年冻土和海底多年冻土的生物地球化学过程等。在人类活动已深刻影响和改变自然环境的背景下，冰冻圈中各环境介质亦受到人类排放化学成分的深刻影响，如雪冰或冻土中含有各种不同历史时期或不同环境状态下源自人类工农业活动释放的化学组分信息。因此，研究冰冻圈各要素化学组分特征、时空格局、迁移转化归趋过程及其对气候和环境的影响机理，可为我们认识和应对当今人类社会所面对的环境问题提供重要科技支撑。 1.2 冰冻圈化学研究意义 冰冻圈是气候系统中昀为敏感的圈层，也是全球变化的放大器。由于远离人类活动区，冰川和冰盖内记录的地球各圈层化学信息相对容易分辨，有利于提取各环境因子的全球或区域本底。例如，北极、南极和青藏高原的海陆格局、气候特点、距离人类活动区的远近等差异显著，有利于获取不同自然环境因子和人类活动强弱的信息。因此，冰冻圈化学研究的昀终目标是通过多化学指标时空分布，了解过去全球环境变迁历史和机理，并预测未来变化和服务人类发展。同时，冰冻圈是全球生物地球化学循环中的重要圈层，特别是多年冻土在全球碳、氮循环中扮演重要角色。在冰冻圈快速萎缩的背景下，冰冻圈在生物地球化学循环中的地位越来越重要。冰冻圈的快速变化导致冰冻圈化学过程的改变，为气候变化和环境带来强烈的反馈效应。因此，开展冰冻圈化学研究具有重要的科学意义。 1.2.1 自然与人类活动历史 自工业革命以来，人类活动在加速改变社会发展历史进程的同时，也给环境造成了巨大破坏，并逐渐成为影响环境中化学成分再分配的重要因素。化学成分一般以很低的天然含量广泛存在于自然界中，但人为排放污染物的增多已经造成了全球范围的环境污染。冰冻圈自身人类活动稀少且远离工业污染源区，受人类活动直接排放的干扰较小。然而，人类活动释放的污染物通过大气传输对全球环境已产生了重要影响，冰冻圈成为评价人类活动污染程度和历史变化的理想研究场所。因此，人类释放污染物在极地和山地冰川等冰冻圈环境中的时空变化可以作为评价人类活动对大气环境影响的代用指标。 冰川和冰盖是记录全球气候变化信息重要载体，其化学记录作为一种独特的气候和环境变化代用资料，与其他资料相比具有记录连续、分辨率高、保真性强、沉积后变化微弱的优势，能够较为准确地记录古气候和环境的变化历史，可以用于重建轨道尺度和亚轨道尺度（万年到几十万年）的变化。因此，冰冻圈化学记录就像一部史书，记录不同时期雪冰物理化学状况，为我们“解读”过去的气候和环境变化提供基础。特别是冰川（冰盖）作为冰冻圈的主要组成部分，其化学成分来自大气的干湿沉降，是大气成分的天然档案库。针对冰冻圈化学指标记录的季节变化及地理分布格局等现代过程研究，以及冰冻圈化学与地球系统要素之间相互作用与相互耦合过程研究，是全球变化研究中重建古环境和监测当代全球环境变化的重要内容。国际地圈 –生物圈计划（ IGBP）中的数项核心计划都将冰冻圈记录列为重要组成部分。总之，鉴于对未来气候和环境变化的准确预测在一定程度上依赖于对古气候和环境变化的认知水平，雪冰化学记录的气候和环境变化仍是当前全球变化研究的热点和优先研究领域之一。 1.2.2 生物地球化学循环 冰冻圈化学对于认知地表生物地球化学循环规律具有重要的研究意义，同时也是全球变化研究中探讨全球尺度地表物理、化学及生物地球化学循环过程的重要内容。冰冻圈化学成分参与冰冻圈与大气圈、水圈、生物圈、岩石圈、人类圈的相互作用，冰冻圈的变化将显著影响化学组分在各圈层之间的格局，迁移、转化和归趋等过程。在气候持续变暖和人类活动增强的背景之下，亟须研究冰冻圈生物地球化学循环对自然和人文双重变化的响应。随着全球变化研究的开展，对各种成分在地表的生物地球化学循环研究逐渐成为热点科学问题。 冻土是冰冻圈的重要组成部分，多年冻土约占北半球陆地面积的 24%，季节冻土约占 30%。由于冻土分布广泛且具有较为独特的水热特性，使它成为陆地表层环境过程中非常重要的气候和环境因子。冻土和气候系统之间的相互作用显著。一方面，冻土是气候变化的敏感指示器，气候变化将引起冻土地区环境和冻土工程特性的显著变化；另一方面，由于冻土所具有的水热特性以及其广泛分布的地理区域特征，冻土的变化对气候系统的反馈作用显著。近年来由于气温升高而导致冻土活动层加深、生态系统各种要素（如植被群落结构、生物生产量以及生物多样性等）发生了显著变化，同时释放大量温室气体，并引起区域水循环发生深刻变化，继而对整个气候系统将产生重要影响。 全球变暖导致的多年冻土退化亦会使存储的有机碳分解释放，从而驱使多年冻土可能由碳汇变为碳源，特别是冻土温度升高和水分的变化，将会导致微生物活动增强。多年冻土中储存的碳在微生物作用下以温室气体的形式释放到大气，使得大气中温室气体的含量进一步增加，进而促使全球变暖加剧。多年冻土退化对全球变暖的正反馈效应，是目前全球变化极为关注的科学问题之一。开展多年冻土的生物地球化学循环研究，探讨化学组分的迁移转化过程（特别是碳循环过程），对于揭示冻土环境对全球变化的响应特征，及探究冻土变化与气候系统相互作用关系具有重要意义。 1.2.3 气候与环境效应 冰冻圈化学组分的变化将深刻影响当今的气候与环境现状。例如，通过改变辐射强迫和雪冰反照率以及与云的相互作用等反馈机制，大气中黑碳和棕碳气溶胶能显著影响大气与冰冻圈之间的能量平衡，对气候系统具有独特而重要的作用，被认为是除温室气体之外昀强的人为辐射强迫因子。当黑碳、粉尘等吸光性杂质沉降到雪冰表面之后，能够显著降低表面反照率，进而导致雪冰加速消融。积雪 –气溶胶反照率反馈效应可以改变冰冻圈地表的能量和水分平衡，对区域和全球气候系统带来显著影响。冰冻圈化学组分（如黑碳、吸光性杂质等）引起的雪冰加速消融将深刻改变水文和水资源现状，从而进一步影响到社会经济的可持续发展。 冰冻圈退缩（冰川、多年冻土、海冰等）引起化学成分的快速释放已受到国内外众多学者关注。当今正在执行的化学品禁 /限用国际公约（如关于持久性有机污染物的《斯德哥尔摩公约》、关于汞的《水俣公约》等）所涉及的污染物均可以在全球冰冻圈中检测到其“踪影”，这些污染物大多具有半挥发性，极易沉降和积累于高寒的冰冻圈区域，且诸多证据均指明其来自人类活动的释放，并经过远距离传输沉降到冰冻圈。对于人类居住区更为接近的中低纬度陆地冰冻圈而言，冰川径流是干旱区动植物和人类赖以生存的重要水资源。随着全球气候变暖加剧，冰川融水将大量“二次释放”的污染物带入河流，将改变水质状况并对下游地区生态系统产生潜在的环境风险。例如，从冰川消融释放进入河流中的有毒重金属元素（如汞），在湿地及河湖沉积物中发生甲基化作用，生成毒性增强的甲基汞。甲基汞可以在生物体内富集，对营养级较高的动物甚至人类产生潜在危害。因此，开展冰冻圈化学研究可以更好地预测和评估未来冰冻圈水资源和水质变化，为减缓有毒污染物对冰冻圈影响区生态系统的环境影响提供应对策略。 1.3 冰冻圈化学研究内容 冰冻圈化学是综合物理学、化学、生物学、大气科学、生态学和环境学等知识内容的一门新兴交叉学科。冰冻圈化学主要阐述冰冻圈中重要的化学组分的时空格局、迁移、转化和归趋规律及其与气候和环境变化的直接和间接关系，并涉及经济社会的可持续发展，是当前冰冻圈科学体系中重要的新兴研究领域。冰冻圈化学的学科架构如图 1-1所示。研究内容主要包括三个方面： （1）冰冻圈化学相关的基本物理、化学和生物过程：大气成分的干湿沉降、清除过程、雪冰离子淋融和脉冲、冻土淋溶作用、海冰排盐等过程；化学过程主要包括同位素分馏、光化学作用、氧化还原反应等；生物过程包括甲基化、微生物过程、硝化与反硝化等。 （2）冰冻圈化学组分的时空格局及其来源：研究大气冰冻圈、陆地冰冻圈、海洋冰冻圈中的无机成分（化学离子、不溶微粒、元素、黑碳等）和有机成分（如有机质、持久性有机污染物等）的时空分布、传输和来源等，特别是利用同位素的指纹特征研究化学成分的自然和人为来源；利用雪冰记录研究人类活动排放污染物的变化历史。 图 1-1 冰冻圈化学学科架构 （3）冰冻圈生物地球化学循环的影响与效应：研究冰冻圈不同要素的关键生物地球化学过程，评估气候变暖和人类活动加剧双重影响下，冰冻圈生物地球化学循环的气候和环境效应，为应对未来气候环境变化提供支撑。 1.4 冰冻圈化学研究历史 自 20世纪 70年代末以来，人类面临着严峻的资源、环境和发展等重大问题。人类活动在很大程度上已改变了人类原有的居住环境，威胁着人类的生存家园。 20世纪 80年代，科学家提出“全球变化”概念，并逐步将地球的大气圈、水圈、生物圈、岩石圈、冰冻圈和人类圈的变化纳入“全球变化”范畴，并突出强调地球多圈层相互作用及其环境变化。作为连接不同圈层的核心纽带，冰冻圈化学为全球变化的各个方面，如环境污染、气候变化、生物地球化学循环、人类活动、海平面变化、地质和宇宙事件等诸多科学研究提供了直接或间接依据。 雪冰作为冰冻圈昀为核心的组成要素，其中的化学成分种类繁多，不同的成分有其特殊的环境意义。自 20世纪 60年代以来，极地冰盖和中低纬度冰川的雪冰化学研究发展迅猛。较早的研究建立了雪冰中氢、氧稳定同位素比率与气温的关系，并通过这种时间序列重建了古气候变化。随后通过不溶微粒、硫酸盐等研究火山喷发，并利用放射性元素来研究核爆试验等人为污染。此后在雪冰中主要阴阳离子、生物有机酸、重金属元素等方面有了很大进展，近十几年在左旋葡聚糖、有机碳、黑碳、非传统稳定同位素等方面开展了大量的工作。 我国的雪冰化学研究始于 20世纪 60年代，早期仅限于喜马拉雅山脉的希夏邦马峰和珠穆朗玛峰（简称“珠峰”）地区的冰川，主要针对雪冰开展化学组分调查。 1979年之后，随着冰川考察的迅速展开，冰冻圈化学研究在青藏高原地区迅猛发展，研究区域涉及阿尔泰山喀纳斯冰川、天山托木尔峰西琼台兰冰川、乌鲁木齐河源 1号冰川、祁连山水关河冰川、敦德冰川、横断山脉贡嘎山冰川和玉龙山白水河冰川