研究院田立德团队发现在过去100年青藏高原中部冰芯铵根离子变化与大气环流有关

近日，国际河流与生态安全研究院田立德团队基于青藏高原中部羌塘1号冰川百年尺度的NH+ 4冰芯记录，研究发现冰芯中NH+ 4不同于大气粉尘的物质来源，而是反映了青藏高原周边特别是南亚和中亚地区人类活动排放对该地区大气环境的影响，发现西风环流的变化对于周边污染物向青藏高原内部传输有着重要作用。该研究成果发表在国际知名学术期刊Journal of Geophysical Research: Atmospheres上，论文题目为“A century ammonium record retrieved from the central Tibetan Plateau”。

NH₃作为大气中重要的含氮物质，在全球氮循环中发挥着重要作用。进入20世纪以来，化肥的广泛使用、畜牧业和工业的快速发展等增强的人类活动，增加了向大气中相关污染物的排放，导致大气氮沉降的大幅增加。过量的大气氮沉降会对生态系统产生影响，造成土壤或水体酸化、富营养化和生物多样性降低等负面影响，引起植物种群多样性及生物圈功能的改变。然而，由于缺乏足够的监测数据，特别是对大气NH₃的连续长期测量，限制了我们对其自然时空变异和人类排放历史的认识。高海拔冰川的高分辨率冰芯记录被认为是古气候和古环境的理想档案。NH+ 4作为冰芯中常见的阳离子，其主要来自于大气中NH₃的转化，冰芯记录中的NH+ 4提供了更长时间尺度大气NH₃的演化历史。

研究团队基于2014年在青藏高原中部羌塘1号冰川钻取的冰芯，重建了1900-2011年间的高分辨率NH+ 4浓度记录。经验正交函数分解和离子间相关分析表明，羌塘冰芯铵根离子具有不同于地壳粉尘的来源或传输途径。在20世纪50年代后，羌塘冰芯中NH+ 4浓度与高原南部(ER)和西部(MZTG)地区冰芯记录都表现出上升趋势（图1），表明南亚和中亚地区人类活动增强NH₃排放增加，并最终被记录到青藏高原中部冰川内容。但不同于高原南部和西部地区的冰芯NH+ 4浓度在20世纪末明显升高，青藏高原内部冰芯NH+ 4浓度记录在相同时期的升高趋势相对较弱，同时在1990年后表现出一个下降趋势，表明羌塘冰芯记录受到源区排放强度变化的影响相对较弱。进一步与大气环流变率模态关系的研究发现，1955-2011年羌塘冰芯NH+ 4浓度记录与12-4月北极涛动（AO）有着显著的正相关性（r = 0.46, p < 0.01, n =57）。结合大气环流合成分析，探究了AO与NH+ 4离子存在相关性的可能影响机制。研究发现，在AO正相期间，西风环流增强，该情景下有利于中亚或南亚的大气污染物传输至高原内部，致使冰芯记录中NH+ 4浓度的升高。AO与羌塘冰芯NH+ 4浓度记录这种可能的影响过程为后者在1990年后的下降提供了一种解释。即在1990年以后，虽然青藏高原周边地区人类排放相关污染物仍在继续增加，而羌塘冰芯中NH+ 4离子表现出相反的下降趋势，可能是由于AO由正向负相位转变，从北非到印度北部及青藏高原地区500 hPa位势高度场的持续升高，异常的高压致使这些地区上空西风减弱，不利于周边地区污染物向高原内部的大气输送（图2）。

图1 羌塘冰芯NH+ 4和Ca²⁺离子浓度变化与青藏高原其他冰芯记录对比

图2 1990-2011年500 hPa位势高度场变化趋势以及风场图，西风减弱不利于向高原中部污染物传输，导致冰芯中NH+ 4浓度降低

该论文第一作者为云南大学博士后汪诚，通讯作者为田立德研究员和汪诚。该研究工作得到国家自然科学基金、中科院战略先导科技专项和云南省科技厅“双一流”专项的资助。