冰冻圈化学：解密气候环境和人类活动的指纹

冰冻圈化学与气候环境变化及人类活动

冰冻圈化学组分与人类活动和自然环境变化密切相关。在极少人类活动干扰状态下，冰冻圈化学组分及其变化由自然环境过程所主导。然而，当人类活动深刻影响和改变自然环境的背景下，冰冻圈中化学成分及其变化则受到人类排放污染物的主导。冰冻圈化学组分的时空格局、迁移、转化和归趋等过程与气候和环境产生直接关联，很大程度上已重塑冰冻圈化学组分的生物地球化学循环规律。冰冻圈化学在气候和环境变化研究中有诸多应用，起到了重要的支撑作用，本文仅列举比较典型的研究例证。

 冰冻圈化学与气候环境变化

冰冻圈环境介质如冰川是记录全球气候变化信息的重要载体，其化学记录作为一种独特的气候变化代用资料，使冰冻圈化学广泛应用于全球气候变化研究之中，已取得一系列重要气候变化发现。例如，20 世纪 50 年代研究人员发现高纬度冰冻圈地区降水中稳定同位素与气温之间存在显著的正相关关系，正是这一发现，使气候变化研究迈入新的里程。迄今已有大量冰芯氢氧稳定同位素历史重建结果与近百年来器测资料研究结果相一致，表明全球气候正在经历快速变暖过程。

冰冻圈化学中氧及硫元素同位素的非质量分馏（MIF）效应在气候环境变化研究中受到研究人员的极大关注，其在大气（包括古大气）的氧化能力及氧化过程、矿床成因、火山活动对气候的影响，以及硫循环等研究中显示出了强大的示踪能力。近年来，MIF 效应也被成功应用到冰冻圈相关研究领域。通过分析格陵兰冰盖计划 2（GISP2）深冰芯中硝酸盐 δ¹⁷O 信号，重建了过去 10 万年大气氧化能力的变化情况，揭示了大气（古大气）氧化能力随气候变化的关键信息；通过对珠峰南坡墎其尔（Gokyo）湖泊沉积物中硫酸盐 δ³³S 及 δ³⁶S 信号的分析，重建了过去 200 年珠峰地区硫循环历史，进一步促进了人们对高海拔地区环境变化特征的认识。

此外，冰芯中粉尘及其他化学组分不但记录干旱化等自然过程，而且能够敏感地记录大气环流模态和强度的变化，在反映气候系统演化方面具有独特的优势。全球冰冻圈区域冰芯中粉尘化学记录反映出大气粉尘荷载量和大气环流等变化历史异同。例如，冰芯粉尘记录表明青藏高原中部和南部 20 世纪以来粉尘活动由于环流强度变化而呈现出减弱的趋势。

 冰冻圈化学与人类活动

冰冻圈化学记录就像是一部史书，记录了不同时期雪冰的化学状况，这为“解读”过去的气候和环境变化提供了基础。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元素再分配的重要因素。化学污染物组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。冰冻圈主要处于偏远地区，人口相对稀少且远离工、农业排放源区，受人类活动直接干扰较小。因此，可以将人类释放污染物在极地和山地冰川等冰冻圈环境中的变化过程，作为评价人类活动对大气环境影响的代用指标。

冰川（冰盖）和高山湖泊作为冰冻圈的重要组成部分，其化学成分主要来自大气的干湿沉降，是大气成分的天然档案库。与其他资料相比，冰川和高山湖泊的相关研究资料具有记录连续、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人类释放污染物的变化历史。

冰芯和冰冻圈高山湖泊化学记录是解密人类排放污染物历史变化的重要“指纹”。以重金属汞（Hg）污染物为例，全球已有多支冰芯和湖芯历史记录研究。从图 2 来看，自工业革命以来，全球冰冻圈区域大气汞沉降均呈现快速上升的趋势，与全球人类活动大量生产汞和快速释放汞污染物密切相关。随着人类的环境保护意识增强，近几十年来欧洲和北美发达国家采取强力减排措施，这些地区的人类活动释放的汞污染物也呈一定的下降趋势（图 2）。然而，亚洲地区阿尔泰山和各拉丹冬冰芯汞浓度在最近几十年仍表现为显著增加趋势，这与亚洲快速的经济和工业发展密切相关。研究表明，亚洲已成为人类活动汞排放的最重要的源区，约占全球总排放量的一半以上。

青藏高原冰芯和湖芯亦共同记录了自工业革命以来尤其是二战之后，大气汞沉降通量快速增加；该记录与南亚地区近期人为汞排放的增长相对应，揭示出南亚地区人为排放污染物是影响青藏高原大气汞本底和沉降通量的主要原因。以上事实表明，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，因此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。通过冰冻圈介质忠实记录的事实，可以警示各国政府应当严格管控和削减大气污染物的排放。