伊朗西北部乌尔米亚湖盆地中干涸湖床沉积物与空气中的颗粒物之间的地球化学关联

《Environmental Pollution》：Geochemical linkage between desiccated lakebed sediments and airborne particulate matter in the Lake Urmia basin, northwestern Iran

　　

摘要

本研究通过结合粉尘地球化学特征与干涸高盐度湖床沉积物的成分，探讨了伊朗西北部乌尔米亚湖盆中空气动力学直径≤2.5微米的颗粒物（PM_2.5）的来源。2024年期间，研究人员从乌尔米亚和大不里士两座城市采集了PM_2.5样本，同时从暴露的乌尔米亚湖床沉积物中采集了表层沉积物样本。研究采用了多种地球化学分析方法，包括元素浓度分析、特征元素比值分析、帕克风化指数分析、上地壳标准化稀土元素模式分析、三元图分析以及皮尔逊相关性分析。研究结果表明，大不里士采集的PM_2.5在地球化学特征上与乌尔米亚湖床沉积物高度相似，二者在元素浓度范围、轻稀土元素富集的上地壳标准化稀土元素模式、稀土元素三元图中的聚集特征以及元素对之间的相关性方面都存在显著一致性。此外，帕克风化指数与特征元素比值在两处采样点之间也表现出高度相关性。而乌尔米亚采集的PM_2.5则表现出较弱的元素一致性、较少的强相关性，且部分元素对之间存在负相关关系。尽管乌尔米亚湖距离大不里士更远，但乌尔米亚湖对大不里士地区颗粒物的影响仍然显著，这一现象与该地区的西南至东北风向以及物质传输路径相符。与其他正在干涸的湖泊相比，乌尔米亚湖的干涸程度更为严重，加之有利的风向条件，使得湖泊沉积物对大不里士地区PM_2.5的贡献异常高。这些研究结果表明，乌尔米亚湖已从一种受水文因素制约的湖泊盆地转变为一种对大气环境有重要影响的尘埃来源。

引言

随着含盐及重金属的空气颗粒物日益成为影响空气质量、生态系统以及人类健康的重要因素，干涸的湖泊已成为值得关注的环境问题（Abbas等人，2024；Grineski等人，2024）。乌尔米亚湖曾是世界上最大的高盐度湖泊之一，位于乌尔米亚和大不里士两座城市之间。由于气候变化、人类活动的影响、长期干旱、河流调控、大坝建设以及过度农业用水等原因，该湖在近几十年来逐渐干涸（AghaKouchak等人，2015；Garousi等人，2017；Alizade等人，2018）。如今，湖泊的大部分区域已经暴露在外，形成了广阔的盐壳平原，打破了该盆地的地球化学与生态平衡（Khatami和Berndtsson，2024；Taraghi等人，2025）。干涸湖床上富含蒸发岩的细粒沉积物的暴露，使得乌尔米亚湖盆成为一种高效的空气颗粒物来源，这些颗粒物的空气动力学直径≤2.5微米，且其中含有大量蒸发岩矿物和微量金属，极易受到风蚀并发生长距离传输（Gholampour等人，2015；Ahmadi等人，2024）。尤其是PM_2.5这类细颗粒物，会在空气中悬浮较长时间，从而影响区域空气质量、农业发展以及水生系统（Mardi等人，2018；Grineski等人，2024）。这些颗粒物中所含的有毒元素可能通过沉降、吸入、摄入或皮肤接触等方式对环境和人类健康造成危害（Soleimani和Kaghazchi，2023）。伊朗西北部地区面积约为8万平方公里，人口超过850万，这些地区正日益受到上述问题的影响（伊朗统计中心，2025）。乌尔米亚和大不里士两座城市恰好位于主要的PM_2.5传输路径上（Javan和Karimi，2022；Ahmadi等人，2024）。值得注意的是，尽管大不里士距离乌尔米亚湖更远，但其PM_2.5的地球化学特征却与乌尔米亚湖床沉积物极为相似，这一现象引发了关于PM_2.5来源、传输机制以及污染源归属的诸多疑问（Mardi等人，2018；IRIMO，2024；UNDP，2025）。这一矛盾凸显出有必要开展系统的、基于地球化学分析的研究，以便区分来自湖泊的区域性污染源与由干涸湖床产生的本地人为污染源（Reheis等人，2002；Mardi等人，2018）。

要准确确定空气颗粒物的来源，就需要利用能够反映源区岩石类型以及沉积后变化特征的地球化学指纹，这些变化包括风化作用和传输过程（Armstrong-Altrin等人，2021；Reheis等人，2002；Abdi-Vishkaee等人，2024）。多元素地球化学分析，包括主量元素、微量元素以及稀土元素的分析，已被证明是识别沉积物和粉尘来源的有效方法（McLennan，2001；Yang等人，2024）。碱金属元素、碱土金属元素、过渡金属元素以及镧系金属元素的不同行为，可以为判断源区的特征、矿物组成以及化学变化程度提供有力依据（Armstrong-Altrin等人，2021）。元素比值和地球化学指数可以通过消除粒度带来的影响并反映风化强度，从而提高源区识别的准确性（Boraiy等人，2024；Yang等人，2024）。一些涉及可移动元素与不可移动元素的比值，如Ca/Sr、Rb/Sr、Na/Ti，以及帕克风化指数等，可以用来量化由碱金属和碱土金属消耗所引发的风化作用（Parker，1970；Armstrong-Altrin等人，2021）。同样，稀土元素的模式以及镧系三元图也是区分不同沉积环境中的源区以及进行元素分馏分析的有效工具（Cullers，2000；McLennan，2001；Ciborowski和Nash，2024）。在干旱和半干旱地区，以往的粉尘来源研究已经运用了多种元素比值，如Rb/Sr、Na/Ti、Ca/Sr、Sr/U、Mg/Al以及Mg/Ca，以此来判断风化强度、沉积物的循环过程以及源区岩石类型（Muhs等人，2008；Liu等人，2008；Boraiy等人，2024）。不过，这些指标的诊断效果在很大程度上取决于当地的沉积环境、主要源区物质以及沉积后的各种地质过程。因此，本研究针对乌尔米亚湖盆中的蒸发岩湖床沉积物以及区域性的粉尘来源，设计了一套专门的多元素地球化学分析框架。

尽管乌尔米亚湖具有重要的环境价值，但目前仍缺乏将暴露的湖床沉积物地球化学特征与周边城市地区空气颗粒物特征直接关联的综合研究（Gholampour等人，2015；Soleimani和Kaghazchi，2023；Ahmadi等人，2024）。例如，Walker等人（2025）成功运用稀土元素和同位素技术追踪了大盐湖的粉尘来源，Ben Amor等人（2024）则分析了北非蒸发岩干湖床中的PM_2.5的稀土元素特征，但针对乌尔米亚湖盆的此类综合研究尚未出现。这一不足限制了人们对湖泊沉积物对城市地区PM_2.5贡献程度的定量评估，也难以区分自然因素与人为因素对PM_2.5形成的影响（Reheis等人，2002；Grineski等人，2024）。为弥补这一缺陷，本研究采用了一套综合的地球化学指纹分析方法，旨在探究乌尔米亚湖周边空气动力学直径≤2.5微米的颗粒物的来源及其特征一致性。研究对来自暴露湖床的乌尔米亚湖床沉积物以及来自乌尔米亚和大不里士城市的PM_2.5样本进行了主量元素、微量元素和稀土元素的分析。研究目标包括：（一）分析并比较湖泊沉积物与城市地区PM_2.5的元素组成及变化特征，找出两者之间的地球化学相似之处与差异；（二）通过上地壳标准化的稀土元素分布模式以及镧系三元图，明确PM_2.5的来源及其特征一致性；（三）通过结合帕克风化指数与特征元素比值，分析与风化作用相关的特征，从而了解风化过程与源区形成之间的关联；（四）通过分析元素间的相关性，揭示其中的地球化学联系、共同起源以及可能的二次变化过程。通过这些相互补充的分析方法，本研究旨在确定下风地区的PM_2.5在地球化学特征上是否与干涸的乌尔米亚湖床沉积物更为相似，从而为分析干涸湖泊系统中的PM_2.5来源提供有力的、基于过程导向的依据。

章节节选

研究区域

乌尔米亚湖位于伊朗西北部，地理坐标为北纬37°4'至38°17'，东经45°至46°，属于贫营养咸水湖。该湖在旱季的表面积约为4,750平方公里，雨季则扩大到6,100平方公里，最大深度为16米，湖面海拔高度为1,250米（Eimanifar和Mohebbi，2007）。该湖的流域面积达51,876平方公里，占伊朗国土总面积的3.15%（见图1）。该地区属于寒冷的半干旱气候，年降水量为350毫米，年平均气温为13摄氏度（IRIMO，2025）。大不里士位于……

元素浓度模式与变化特征

通过对大不里士和乌尔米亚的PM_2.5样本以及乌尔米亚湖床沉积物样本的元素浓度进行对比分析（见表S1），可以发现大不里士地区的粉尘地球化学特征与乌尔米亚湖床沉积物的特征更为相似，而与乌尔米亚地区的粉尘特征差异较大，这说明二者很可能具有相同的来源。具体而言，大不里士地区亲石元素和微量元素的平均浓度与乌尔米亚湖床沉积物的数值十分接近，往往处于同一数量级，同时还存在一定的富集现象……

来源的完整性

通过对46种元素进行的统计分析，结果详见表S1。分析显示，大不里士地区的气溶胶与干涸的乌尔米亚湖床沉积物在地球化学特征上存在高度一致性，这充分表明乌尔米亚湖是该地区的主要尘埃来源。一些关键的地球化学示踪元素，如铷、锶、钛、铝，在两组数据中的平均浓度几乎没有差异，标准差也相当，这说明二者来源于同一个地球化学库。尤为重要的是，这些元素的变异系数在大不里士地区明显更低，仅为10%至15%，而乌尔米亚地区的这一数值则超过25%，这一统计结果进一步证明了二者来源的相似性……

结论

本研究建立了一套综合的地球化学分析框架，用于确定乌尔米亚湖盆中空气颗粒物的来源，将粉尘的成分与干涸高盐度湖床的沉积物特征相联系。通过结合元素浓度分析、特征元素比值分析、帕克风化指数分析、上地壳标准化稀土元素模式分析以及基于相关性分析的地球化学网络分析，本研究为确定颗粒物的来源提供了有力的多指标分析依据。所有地球化学分析结果都表明……

CRediT作者贡献说明

Mahdi Rajabi： 文章撰写——审阅与编辑，文章撰写——初稿撰写，数据验证，研究方法设计，实地调查，正式数据分析，数据整理，研究概念构建。Bubak Souri： 文章撰写——审阅与编辑，文章撰写——初稿撰写，研究指导，项目管理，研究方法设计，实地调查，正式数据分析，研究概念构建

未引用参考文献

Ahmadi等人，2024；国际标准化组织，1995；联合国环境规划署，2026；世界卫生组织，2025。

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢伊朗西部和东部阿扎尔巴伊詹省的环保部门，在本研究期间为获取乌尔米亚市和大不里士市的空气颗粒物样本所提供的帮助。

Mahdi Rajabi|Bubak Souri

伊朗库尔德斯坦大学自然资源学院环境科学系，邮政信箱416，萨南达吉市