环境科学  2014, Vol.35 Issue (2): 504-512   PDF    
引用本文
董志文, 秦大河, 秦翔, 杜志恒, 陈记祖, 任贾文. 祁连山老虎沟12号冰川积雪中飞灰颗粒物的特征[J]. 环境科学, 2014, (2): 504-512.  
DONG Zhi-wen, QIN Da-he, QIN Xiang, DU Zhi-heng, CHEN Ji-zu, REN Jia-wen. Characteristics of Fly Ash Particles Deposition in the Snowpack of Laohugou Glacier No.12 in Western Qilian Mountains, China[J]. Environmental Science, 2014, (2): 504-512.  
祁连山老虎沟12号冰川积雪中飞灰颗粒物的特征
董志文1,2, 秦大河1, 秦翔1, 杜志恒1,3, 陈记祖2, 任贾文1    
1. 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, 祁连山冰川与生态环境综合观测研究站, 兰州 730000;
2. 兰州大学西部环境教育部重点实验室, 兰州 730000;
3. 中国科学院大学, 北京 100049
收稿日期: 2013-6-9; 修订日期: 2013-7-12.
基金项目： 国家自然科学基金项目（41301065）；中国博士后科学基金项目（2013T60898）；兰州大学西部环境教育部重点实验室开放基金、中国沙漠气象科学研究基金项目（Sqj2012001）；冰冻圈科学国家重点实验室开放基金项目（SKLCS2012-04）
作者简介：董志文 (1984~), 男,博士,助理研究员,主要研究方向为冰冻圈与全球变化,E-mail:dongzhiwen@lzb.ac.cn
摘要：冰川积雪中的飞灰颗粒物可指示由大气沉降的人类活动污染物. 本研究基于2012年6月在青藏高原东北缘的祁连山老虎沟12号冰川夏季野外观测取样、实验室扫描电子显微镜与X射线能谱仪联用系统 （SEM-EDX） 分析了积雪粉尘中球形颗粒物的特征信息，以弄清冰川区沉降的球形飞灰颗粒物的理化特征及其环境意义. 结果表明，在所选取的雪层不同深度的9个积雪样品中，都存在着一定数量的飞灰颗粒，这些颗粒物通常是人类生产活动中的化石燃料高温燃烧所形成的. 基于EDX能谱分析了飞灰颗粒物的化学元素成分组成，认为沉积在祁连山冰川积雪中的飞灰主要分为3种类型，分别为“富Si类”、“富Fe类”和“富Ti类”颗粒物. 总体上，“富Si类”和“富Fe类”颗粒占了球形飞灰颗粒的绝大部分. 这些不同组分的飞灰代表了污染物的不同生产活动来源，其平均粒径要相对大于雪层中自然来源的所有矿物粉尘颗粒物，反映了大气传输远距离中密度对粉尘颗粒的重要性. 结合NOAA Hysplit气团后向传输轨迹分析认为，中亚地区和我国新疆地区城市、及研究区周边的工业燃烧物通过大气传输是祁连山老虎沟12号冰川积雪中飞灰颗粒的主要可能来源.
关键词： 祁连山12号冰川     飞灰颗粒物     粉尘     扫描电镜     微观分析    
Characteristics of Fly Ash Particles Deposition in the Snowpack of Laohugou Glacier No.12 in Western Qilian Mountains, China
DONG Zhi-wen1,2, QIN Da-he1, QIN Xiang1, DU Zhi-heng1,3, CHEN Ji-zu2, REN Jia-wen1    
1. State Key Laboratory of Cryospheric Sciences, Qilian Shan Station of Glaciology and Ecologic Environment, Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China;
2. Key Laboratory of West China's Environmental System, Ministry of Education, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: This research aimed to identify and characterize individual spherical fly ash particles extracted from surface snow at Laohugou Glacier No.12, western Qilian Mountains, China. Characterization of the spherical particles (i.e. morphology, chemical composition and genesis) was obtained by scanning electron microscopy coupled with energy dispersive X-ray spectrometer (SEM-EDX). Spherical particles and agglomerates were identified according to their morphology in nine snow samples. Prevalent particle types in all samples were granular spherical particles, hollow spherical particles, and agglomerates. The vast majority of spherical particles in our samples had mostly smooth and glossy surfaces. Individual particle analyses of elemental composition showed that particles formed in combustion were mainly composed of silicon, aluminum and trace elements. On the basis of chemical information obtained from EDX, the fly ash particles deposited in the snow could be classified into three types, which were Si-dominant particles, Fe-dominant particles, and Ti-dominant spherical particles. Backward air mass trajectory and dispersion analysis suggested that the developed urban regions of central Asia and surrounding Yumen city contributed the primary fly ash particles from industrial combustion to the study site through the high-level atmospheric circulation.
Key words: Glacier No.12     fly ash     dust     SEM-EDX     morphology    

随着全球变化研究的深入，对各种成分在地球表面的生物地球化学循环研究逐渐成为热点问题. 雪冰化学研究是冰川学中的重要方向，可以揭示大气环境和区域环境演化的信息[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. 高海拔地区冰川和积雪是保存大气环境信息的良好介质，为研究高空大气成分的特征和演化提供了条件. 尽管在祁连山山脉的冰川区已经开展了部分雪冰化学和气溶胶的研究[6， 7]，但是研究主要集中在可溶离子的分析上，冰川区粉尘气溶胶单颗粒微观形貌及元素组成的研究至今仍较为薄弱. 气溶胶单颗粒分析是近年来表征大气颗粒物化学行为的一种重要手段[9]，它能够提供整体颗粒分析方法中无法提供的大量信息. 雪冰粉尘中的飞灰颗粒可被用作指示由大气沉降的化石燃料燃烧过程所产生的污染物[11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18]. 目前国际上在大气环境和污染相关研究中, 已经越来越重视对不溶微粒中飞灰颗粒的分析. 空气传播的飞灰颗粒与矿物粉尘传输类似，还可作为相关污染物的传输载体, 如重金属、 硫和有机组分等[5]，而飞灰颗粒的粒径信息可被用于示踪污染物的来源和扩散路径. 沉降到冰川上的飞灰和黑炭等深色杂质颗粒物可以降低冰川反照率, 使得冰川吸收更多的热量，影响冰川表面的能量平衡，对冰雪加速消融产生一定的影响[25, 26, 27]. 尽管如此，对中亚粉尘源区的冰川雪坑中的球形飞灰颗粒物的沉降特征研究开展仍然很少.

青藏高原东北缘的祁连山老虎沟冰川区位于亚洲内陆、 青藏高原和西北干旱区交汇处，同时大气环境受西方环流影响，气候环境影响因素复杂. 祁连山老虎沟12号冰川区位于亚洲粉尘的源区范围内(图 1)，周边沙漠和干旱区荒漠广布[16]，大气环境受到了亚洲沙尘活动的重大影响. 粉尘在大气传输中携带了大量的化学要素和其他微量物质，对生物地球化学循环和污染物的传输起到了一定的作用. 为了探索该区冰川积雪中飞灰单颗粒物的物理和化学特性及其环境意义, 2012年6月期间, 在祁连山老虎沟12号冰川采集雪坑和表层雪样品进行研究. 本研究应用扫描电子显微镜与X 射线能谱仪联用系统 (SEM-EDX)，获取冰川积雪中飞灰颗粒物的形貌、 粒径分布和化学组成等信息及其环境意义. 同时，结合NOAA Hysplit 气团后向轨迹模型来反演祁连山老虎沟12号冰川积雪中飞灰单颗粒的可能来源.

图 1 祁连山老虎沟12号冰川所处研究区位置示意 Fig. 1 Location map showing the Laohugou Glacier No.12 in Qilian Mountains
1 样品采集与实验分析

祁连山西段位于我国青藏高原东北缘、 西北干旱区中心位置，亚洲粉尘活动的源区范围内，周边大沙漠、 戈壁以及荒漠广布(图 1)，而祁连山山颠发育了众多的高海拔山岳冰川. 老虎沟小流域冰川区位于祁连山西段边缘的北坡，地理位置为北纬39°05′~39°40′，东经96°07′~97°04′，该区具有典型的极大陆性气候特征. 老虎沟12号冰川处于山系边缘的北坡，是祁连山冰川区发育最具代表性的冰川，该冰川由东西两支构成，于海拔4560 m处汇合，呈NNW向流出山谷. 其风向受局地地形影响较大，常年盛行东南风，同时受西风环流控制. 夏季，由于强对流作用，降水丰沛，占全年降水量的70%左右. 总体上，冰川表面较为平整洁白, 裂隙不甚发育，有利于雪层的很好积累和大气环境信息的保存.

2012年6月在祁连山老虎沟12号冰川积累区挖取2个雪坑，并沿冰川主流线在不同海拔带(海拔4300~5000 m)采集20多个冰川表雪样品 (代号为BS，如表 1). 雪坑深度分别为SP1为90 cm，SP2为130 cm. 通过取样观测，结合雪层剖面化学浓度和污化层分析认为，雪层基本反映了2011~2012年夏季将近两年时期的冰川积雪； 所挖雪坑底部到达冰面，采样密度为10 cm一个样品，共取得雪样59个. 样品的储存保持在-18℃冷冻状态，直至在实验室分析. 采样过程中，使用事先经过酸洗的NALGENE 聚乙烯广口瓶作样品铲和保存容器采样, 最后将样品冷冻保存运输至实验室以待过滤. 为了全面分析不同深度层位所代表的的不同季节的雪样中飞灰颗粒，进行了样品的针对性选择，即选择时期代表性和具有污化层的层位(表 1)，据此，选取了其中的9个积雪样品在室温下融化, 并采用直径为47 mm 和0.8 μm孔径的聚碳酸酯滤膜(英国Whatman) 过滤样品. 粉尘中粒径大于0.8 μm的颗粒物被收集到滤膜之上以便进一步分析. 本研究的9个积雪样品的具体采集信息见表 1. 积雪中不同层位的雪样代表了2011~2012年夏季的不同期间的降雪，具有全年的大气粉尘颗粒物传输沉积的代表性. 所有样品的过滤和前处理过程均在位于兰州的中国科学院冰冻圈科学国家重点实验室的1000级洁净室内完成.

表 1 祁连山老虎沟12号冰川的9个积雪样品的野外采集情况 Table 1 Sampling in the snow on Glacier No.12 in Laohugou during 2012

本研究中过滤粉尘颗粒物所使用的聚碳酸酯滤膜适于扫描电镜观察, 由于其表面光滑且质地均匀, 孔隙清晰可见，这使得它比其他类型的滤膜更容易辨别单个颗粒物(图 2). 扫描电镜实验在中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室完成，实验方法和步骤在之前的研究中已有详述[9]. 本研究中，分别在500~40000倍的不同放大倍率下采集并保存扫描电子显微镜的观察图像. 在获得颗粒形貌的同时，对选定的颗粒进行X射线能谱分析，使用能谱仪自带的软件对颗粒物的元素成分含量自动进行ZAF校正.

图 2 祁连山老虎沟12号冰川积雪中扫描电子显微镜观察到的不同类型颗粒典型形貌特征 Fig. 2 Typical morphology of different particles observed by SEM imaging

实验中，在3000倍的低放大倍率下的观测视野内, 进行人工查找规则形貌的球形颗粒实验. 一旦球形飞灰颗粒物被发现, 将采用不同的放大倍率对其进行观察并拍摄其形貌图像[2]. X-射线分析系统采用超薄窗口的Si (Li) 能量散射探测器, 可以进行广泛的化学元素分析，计算单颗粒中各元素的重量百分比[21]. 单颗粒中各种氧化物的丰度则通过EDX 的标准氧化法获取, 详细原理在以前的研究中的已有详述[9]. 本研究中观察到的各种粉尘颗粒总数约为800000个, 但仅鉴别到205个规则形貌的球状颗粒物, 并采用EDX对其元素组成和可能的矿物组成进行了单颗粒研究. 实验过程中获取的扫描电子显微镜图像通过图像分析软件Image-Pro Plus 6.0作进一步分析[2]. 本研究中总计175个球形飞灰颗粒通过手动形貌测量来分析积雪中飞灰颗粒物的粒径分布和形态特征.

2 结果与讨论
2.1 积雪粉尘中飞灰颗粒物的微观形貌 扫描电镜 (SEM) 图像可以清晰地显示粉尘颗粒物的微观形貌，结合X射线能谱技术 (EDX) 可以对粉尘颗粒物的化学元素组成进行进一步分析. 图 3显示了扫描电子显微镜观察到的不同类型颗粒物的典型形貌特征. 实验观测中，冰川积雪中沉降的粉尘微粒化学组成、 形态(大小、 形状)、 物理和光学特性是扫描电子显微镜视野下所获取的颗粒重要信息. 在人工鉴定飞灰颗粒时, 首先需要区分滤膜上存在的自然来源颗粒物和人类活动污染颗粒物, 而通过颗粒形貌特征和EDX能谱成分可以有效区分以上类型, 如图 3所示. 形状不规则的矿物粉尘颗粒物为自然来源颗粒物，在祁连山老虎沟12号冰川积雪中较为普遍，在所有颗粒中占的比例较大(大多数), 通常主要为富含Si、 Al、 Ca、 K、 Fe等地壳元素的矿物粉尘颗粒，如石英、 钠长石、 方解石、 高岭石等矿物. 除了矿物粉尘颗粒外，积雪粉尘中还存在着数量不少的飞灰颗粒物和为数不多的生物颗粒物，而这些飞灰颗粒物通常为人为来源的颗粒物.
图 3 祁连山老虎沟12号冰川不同类型飞灰颗粒物的EDX能谱图及其形貌 Fig. 3 EDX spectra of fly ash particles with different morphologies

本研究中, 从老虎沟12号冰川积雪中的不溶粉尘微粒中观察到大量的规则球形颗粒物 (图 2)，这种颗粒物与矿物粉尘颗粒有着明显的区别. 矿物粉尘微粒一般具有尖锐的边缘，结合形状和EDX能谱对其化学成分进行鉴定，可以区别和认定其矿物组成 (如图 2). 而且，飞灰球形颗粒物都具有一个质地看似光滑的表面, 形貌都明显类似规则的球体，同时还发现该类球形颗粒物具有一定的化学成分类似. 已有的研究表明，在大多数情况下, 由燃烧所产生的球形颗粒, 通常具有由于经历熔化过程而在其形成过程表现为球体的特点[2]. 经统计，在本研究中测获取的球形飞灰颗粒的粒径介于0.8~11.8 μm, 平均粒径为3.21 μm (中值粒径为2.35 μm).

图 3显示了祁连山老虎沟12号冰川积雪飞灰颗粒物主要形貌的不同类型和化学成分. 结果表明，在所有分析的175个飞灰颗粒物中, 通常存在的颗粒类型主要表现为表面光滑或粗糙的球状颗粒、 以及亚微米级的聚合体颗粒等3种类型，笔者在数据统计时发现以规则的球状飞灰颗粒物为主. 分析认为，表面光滑的球形飞灰颗粒[如图 3(a)、 3(d)、 3(e)、 3(f)], 通常由燃煤产生，主要由燃煤供热站和火电厂所排放[28, 29, 30]. 而表面粗糙的飞灰 [如图 3(g)、 3(i)、 3(j)]，通常由金属铸造熔炉, 由多种金属元素所组成且金属元素主要以氧化物的形式存在. 此外，还有一些其他类型的颗粒, 也同样显示出具有明显的人为活动污染物来源的形貌，例如，由众多超细小的亚微米级颗粒凝聚而形成的聚合体颗粒[粒径<1 μm， 如图 3(h)]，也是高温燃烧后快速聚合在一起的超细颗粒物，也是人类活动污染物排放的重要指示物.

2.2 积雪中飞灰颗粒物的化学成分组成 在扫描电镜研究中，应用EDX能谱仪对单颗粒进行化学元素组成分析, 可以为飞灰单颗粒化学分类和识别可能来源提供辅助信息. 图 3中显示了冰川积雪样品中不同类型形貌的球形颗粒物的EDX能量谱分析图. 本研究的9个雪样中的飞灰颗粒化学成分主要由硅、 铁、 铝和部分微量元素组成. 图 3(a)~3 (e)中显示了不同表面形貌(大小、 光滑或粗糙)和成分组成的球形飞灰颗粒的典型代表, 主要由元素硅、 铝、 铁、 钾、 钙等组成. 值得注意的是, 样品中部分球形飞灰颗粒主要由元素铁组成且伴有一定组成数量的重金属元素钛和镍, 笔者推测类颗粒为钢铁厂或锻造厂所产生的球形飞灰颗粒物. 图 3(g)~3 (j)中颗粒的EDX 能谱图显示了飞灰颗粒主要由铁元素、 硫、 硅、 镍等所组成的特征. 该类球形颗粒中的铁氧化物可能以赤铁矿 (Fe2O3) 或磁铁矿 (Fe3O4) 形式存在. 图 3(h)颗粒物的聚合体形貌说明这些颗粒可能是在温度极高的炼钢过程中经过迅速冷凝而形成[31, 32, 33]. 该类颗粒以丰度最高的元素铁以及种类繁多的痕量金属元素为典型特征，推测最有可能形成于高温的钢铁的生产过程的再熔及精炼过程, 因为这些工业过程中通常含有上述的重金属合金成分[7]. 以往的研究认为，雪冰中的粉尘可以作为载体携带重金属元素沉降到高海拔冰川区[2]，那么祁连山雪冰中保存的重金属元素如何传播并沉降到雪冰之中，与飞灰颗粒的关系如何值得探讨.

通常情况下, 不易散失的元素 (如铬、 铁、 锰、 镍、 铅、 锌等) 有可能通过排放的细颗粒物(如煤灰)而被携带到大气之中[34]，金属元素可以通过大气运输并沉降到遥远的高海拔冰川区和南北极地区. 一些球形飞灰颗粒中含有重金属元素 (如铁、 镍、 锌等，如图 3), 说明飞灰颗粒可能成为祁连山高海拔地区雪冰中重金属元素的携带媒介之一，与大气中的矿物粉尘一起影响着大气环境的变化和区域间的生物地球化学循环.

同时，根据EDX能谱分析获取的单颗粒化学组成信息, 对沉降到祁连山12号冰川积雪中的飞灰颗粒类型进行了化学成分分类, 主要分为3类 (表 2)，化学类型的确定主要依据其化学主导元素, 如硅、 铁和钛. 由于SiO2、 Al2O3、 MgO等的熔点要比Fe2O3和TiO2的熔点高得多，因此, “富硅类”球形颗粒可以作为燃煤工业高温过程的指示器[25], 典型代表包括燃煤供热站或火电厂排放的飞灰颗粒[26]. 而“富铁类”和“富钛类”球形颗粒可用于指示温度稍低的燃煤过程, 例如钢铁厂和铸造厂[2, 31， 33]. 根据化学分类, 所有9个雪样都含有数量最多的“富硅类”颗粒 (平均直径为2.18 μm)，共132个这类颗粒，占所有飞灰颗粒物数量的75.4%. 由此推断, 燃煤工业产生的飞灰颗粒是老虎沟12号冰川积雪中飞灰污染的主要贡献来源. 所有样品的“富铁类”颗粒 (平均直径为3.23 μm) 含量仅次于“富硅类”颗粒, 这说明祁连山12号冰川积雪中飞灰污染不仅仅来自于一种类型的工业活动(钢铁厂、 轧钢厂、 热电站、 电厂等)或城市冬、 春季燃煤, 而是多种类型的混合. 值得注意的是，表 2样品BS-060、 BS-006、 BS-049中所发现的球形飞灰颗粒数量显得很少，这可能是因为这几个表雪样品都是新降雪，与雪坑中长时期沉降和累积的样品相比，所携带的飞灰颗粒物数量相对较少.

表 2 基于EDX能谱对12号冰川飞灰颗粒化学分类情况Table 2 Chemical types of fly ash particles on Glacier No.12 as evaluated by EDX
2.3 飞灰颗粒物的粒径分布和来源 积雪中飞灰单颗粒的粒径及其分布反映了其形成条件、 过程、 搬用距离等，因而粒径分布特征的研究具有重要意义. 当飞灰在大气中传输时, 球形飞灰颗粒的粒径分布将受到影响, 但化学特性不会发生变化[23]. 因此, 飞灰颗粒的粒径分布成为定位污染散源的重要参数. 借助图像处理软件Image-Pro Plus, 扫描电子显微镜图像中颗粒物的粒径数据可以通过直接手工测量而获取. 图 4(a)显示了祁连山老虎沟12号冰川积雪中球形飞灰颗粒的粒径统计结果，粒度分布总体上呈现出双峰模式, 且具有一个显著的主峰. 从图 4(a)中清晰可见, 样品在粒径2.4 μm 处具有最大峰，而在4.5~5.5 μm 处分布有次高峰. 图 4(b)是对两类主要化学类型的颗粒粒径分布进行比较，发现“富硅类”颗粒呈现单峰分布模式，而“富铁类”飞灰颗粒表现出双峰分布模式. 结合图 5(a)和5(b)进行综合分析, 突出主峰代表了化学类型为“富硅类”且主要源自高温工业用煤燃烧过程(超过1500℃)的球形飞灰颗粒，而粒径在4.5~5.5 μm 处的次高峰对应源自温度稍低燃烧过程产生的“富铁类”飞灰颗粒. 然而，需要注意的是，上述的观测统计结果，只是基于视野放大3000倍的情况下，粒径大于0.8 μm的飞灰颗粒，对于更细微的飞灰颗粒在此不进行讨论.

图 4 祁连山12号冰川10个积雪样本中飞灰颗粒的粒径分布 Fig.4 Size distribution of fly ash particles in snow samples

本研究的结果相对于乌鲁木齐河源1号冰川来看[2]，飞灰颗粒物的形貌类型和化学类型有一定的类似性，然而其平均粒径分布要小于天山1号冰川，中值粒径和平均粒径相对较小，可能是因为飞灰颗粒的传输距离更长的结果造成的，使得较大的颗粒在大气远距离传输中沉降和清除掉了. 祁连山冰川中飞灰颗粒的粒径分布众数 (2.4 μm) 总体上也小于中亚地区雪冰中粉尘颗粒的平均粒径众数(大约10 μm)[7， 12]. 在西班牙地中海地区，雪冰中微粒平均粒径变化范围是4~30 μm，是一个多模式结构，由4~7 μm和18~22 μm组成； 撒哈拉地区污化层从2.5~10 μm 的平均体积粒径分布，中亚一些冰川粉尘沉积的体积粒径分布也表现出相似的体积-粒径范围； 日本中部Tateyama 山积雪中粉尘的粒径众数值介于6~21 μm，而北极格陵兰岛Penny冰帽积雪和冰芯中粉尘的粒径众数值是大约1~2 μm. 这些结果说明了飞灰颗粒只是雪冰中粉尘微粒的组成中重要的一段，一般集中分布在细颗粒部分. 由于气溶胶细颗粒在大气中的长时期存在和不易沉降，这对大气环境变化有着重要的影响. 然而，这些不同组分的飞灰代表了污染物的不同生产活动来源，其平均粒径(不同于粒径众数)要相对大于祁连山老虎沟12号雪层中自然来源的矿物粉尘的细颗粒物(平均粒径为1.8 μm，本研究中<0.8 μm的细颗粒均未被过滤到滤膜上，因而不再详细讨论，文献2), 反映了大气传输远距离中密度对粉尘颗粒的重要性.

此外，通过NOAA HYSPLIT 气团后向轨迹模型验证祁连山老虎沟12号冰川积雪中的飞灰颗粒物传输途径以及可能的来源, HYSPLIT 后向轨迹反演模型目前已被广泛应用到众多研究之中[9， 11，19]. 图 5显示了自祁连山老虎沟12号冰川表层雪样采集点地面上空500 m处为期3 d的后向气团反演轨迹. 可以发现, 大部分气团主要来自西方, 与该地盛行西风环流相吻合. 大部分气团均途经可以贡献大量工业燃烧飞灰颗粒的中亚发达城市区域 (例如, 哈萨克斯坦首都阿拉木图等). 此外，新疆的乌鲁木齐市是我国污染最为严重的城市之一，尤其是冬季，大气中排放了大量燃烧生成的颗粒物. 同时, 祁连山积雪中的这些污染物的另一个可能来源便是位于采样点东北方向的玉门市. 图 6是结合HYSPLIT颗粒物后向扩散模型，对12号冰川区的大气颗粒物扩散模型反演结果. 通过图 5和图 6清晰可见, 研究区周边环境对冰川区大颗粒物扩散有着明显的影响，个别后向气团反演轨迹似乎途经玉门和酒泉市区，如1月18日和11月11日. 因此, 可以推断源自玉门市的人为污染颗粒物对研究样品中飞灰颗粒的贡献量是有可能存在的，然而，这些城市污染相对于中亚地区要小得多，所以其来源所占的比例应当很小. 结合后向气团轨迹分析表明, 总体上样品中的球形飞灰颗粒主要通过强烈的西风环流系统而进行了长距离的大气传输(图 5和图 6).

图 5 祁连山老虎沟12号冰川表层雪样采集点地面上空500 m处3 d后向气团反演结果 Fig.5 Backward trajectories terminated at 500 m above the ground level of the field observation site at Laohugou Glacier No.12

图 6 祁连山老虎沟12号冰川区的大气颗粒物后向扩散模型反演结果 Fig.6 Backward dispersion model for particles terminated at 500 m above the ground level of the field
3 结论

(1)在位于雪层不同深度的9个积雪样品中, 都存在着颗粒形貌类型为表面光滑或粗糙的球状颗粒，这些颗粒物通常是人类生产活动中的高温燃烧所形成的. 基于EDX能谱分析获取了飞灰颗粒物的化学元素成分组成, 沉积在祁连山冰川积雪中的飞灰颗粒物主要分为3种类型，分别为“富Si类”颗粒 (平均粒径为2.18 μm), “富Fe类”颗粒 (平均粒径3.23 μm) 和“富Ti类”颗粒.

(2) 总体上,“富Si类”和“富Fe类”颗粒占了球形飞灰颗粒的绝大部分, 其平均粒径要相对大于雪层中自然来源的矿物粉尘颗粒(为1.8 μm), 反映了大气传输中对粉尘密度的重要性，高海拔冰川区沉降时密度较小的飞灰颗粒的粒径显得更大. 这些不同组分的飞灰代表了污染物的不同生产活动来源.

(3)结合NOAA Hysplit后向气团轨迹分析表明, 中亚和我国新疆地区城市的工业燃烧物通过西风环流传输成为祁连山老虎沟12号冰川表雪中飞灰颗粒的主要可能贡献源； 研究区周边的城市如玉门市和酒泉市也是不可忽视的次要污染源，基于本研究的颗粒化学性质和粒径分析，对这些近源的物质贡献量尚不确定.

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