综述：青藏高原冰川沉积铅源定量时空演化：基于铅同位素再分析的见解

《Journal of Hazardous Materials》：Quantitative Spatiotemporal Evolution of Deposited Lead Sources in Tibetan Plateau Glaciers: Insights from Lead Isotopic Reanalysis

　　

铅（Pb）因其高毒性和低水平环境暴露而被国际管制。然而，在青藏高原（TP）的偏远冰川中已检测到人为铅信号。在本综述中，我们汇编了来自多种冰川档案（冰芯、雪坑、冰碛物和降水）的可用铅同位素数据（n=439），并采用浓度依赖的MixSIAR同位素混合模型，定量重建了青藏高原冰川中铅源在时空维度上的演化。首先，对铅同位素的多介质分布和时空格局进行了定性总结。冰芯和雪坑中的铅同位素组成呈现出相对集中的分布，而降水则显示出更为分散的同位素模式。冰川记录揭示了系统的时空同位素变化，其特征是时间上向贫放射成因特征偏移，空间上沿南北向梯度增加。其次，为了更好地在全球视角下定位青藏高原冰川中铅同位素特征，我们将其与全球极地和低地排放热点地区的记录进行了比较，发现青藏高原冰川中铅同位素呈更高的放射成因特征。最后，利用浓度依赖的MixSIAR模型，我们定量重建了青藏高原冰川中铅源在时空维度上的演化。来自东绒布寺冰芯的定量分析表明，人为源对冰芯中铅的贡献从10.7%增加到46.8%。雪坑源解析同样揭示出高原范围内人为铅的影响更为显著（估计为59.6%–81.4%），其中华南燃煤贡献最为突出，并呈现明显的由南向北衰减特征。通过数据整合，本综述为人为铅侵入高原提供了定量理解。

引言

铅（Pb）是最具危害性和毒性的重金属之一，其广泛使用已在全球范围内造成了严重的环境污染、人体暴露和重大公共健康问题。由于其丰富性、快速生物积累和长生物半衰期，铅可导致显著的人体暴露和危及生命的健康效应。一旦通过摄入和吸入进入人体，铅可产生多系统毒性，包括神经损伤、行为改变、心血管疾病和肾脏损害。重要的是，由于尚未确立铅暴露的安全阈值，即使是低水平暴露也被认为是有害的，这对全球疾病负担贡献显著。根据健康指标与评估研究所，2021年全球有超过150万人的死亡归因于铅暴露，主要与其心血管影响有关。

铅普遍存在于各类岩石中，并通过岩石风化等地质过程持续释放到地表环境中。然而，快速的社会经济发展已深刻改变了其自然循环，将原本局限于岩石圈中的铅重新活化，并将其纳入活跃的人为循环中，伴随着连续和间歇性的人为铅排放。根据美国地质调查局数据，截至2021年，全球含铅矿石的累计产量达到约460万吨，比20世纪初的开采量增加了六十多倍。这一急剧增长反映了铅在工业和社会领域广泛而多样的应用。因此，人为铅排放表现出高度异质且复杂的源特征。主要来源包括燃煤燃烧、有色金属冶炼和采矿活动。

大气是铅的主要储库和有效传输介质，使其能够进行全球尺度的扩散和长距离再分配。快速工业化和持续的人为排放已从根本上重塑了全球大气铅循环，人为输入量超出自然源1-2个数量级。含铅气溶胶可跨大陆传输并沉降于偏远地区，包括北极、南极和青藏高原。这种广泛扩散和沉降有可能干扰生物地球化学循环，并对食物和水安全构成风险，在冰圈区域影响尤为显著，因为这些地区环境原始、对外源输入的敏感性高。鉴于铅普遍的大气足迹，高分辨率源解析对于解析其空间分布、传输路径和循环至关重要。可靠的源识别进一步为评估环境暴露风险和排放控制措施的有效性提供了关键基础。

铅有四种天然同位素（204Pb、206Pb、207Pb和208Pb），其组成通常以比值表示，如206Pb/204Pb、206Pb/207Pb和208Pb/207Pb。其中，206Pb/207Pb比值最为常用，因其分析精度高且这两种同位素相对丰度较高。由于铅同位素之间原子质量差异很小，在自然物理、化学和生物过程中的同位素分馏通常可以忽略不计。这种保守特性在人为活动相关的高温燃烧过程中也能观察到，从而使得源自特定来源的同位素特征得以保存。因此，铅同位素组成为自然和人为源提供了可区分的"指纹"，使其成为大气铅的有力示踪剂。与铁、锌等其他稳定金属同位素相比——后者的变异性主要反映源之间的差异——铅同位素表现出独特的源特异性和显著的区域异质性。这种双重特性大大增强了其作为识别区域排放源和重建跨境大气铅长程传输的强有力示踪剂的有效性。

青藏高原是地球上仅次于极地的最大冰川储量所在，因此被称为"亚洲水塔"。这些冰川为超过三分之一世界人口提供可靠水源的关键来源。由于其低温和高海拔特性，青藏高原冰川作为大气环境信息的自然档案，敏感地记录了中上层大气中污染物的历史演化和当代分布。青藏高原毗邻亚洲主要沙漠地区，不可避免地暴露于自然铅的影响中。这种暴露由于地理位置靠近亚洲人为铅排放热点而显著加剧。一旦这些铅输入沉积到冰川表面，它们会随时间累积，放大潜在的毒性效应，并对脆弱的冰圈生态系统构成风险。不利影响不仅限于冰川本身，融水会促进遗留铅的重新活化和向下游输送，对依赖冰川融水的水生态系统和人类社区构成潜在风险。随着全球变暖持续和冰川加速退缩，这些风险预计将进一步加剧。

青藏高原广泛分布的冰川已显著受到外源人为铅输入的影响，最早信号可追溯至欧洲工业革命初期。冰芯、雪坑和冰碛物作为互补的环境档案，能够在年际和年代际尺度上高分辨率重建铅的沉降。青藏高原冰芯铅同位素记录主要集中在中部普若岗日、南部东绒布寺和大苏浦以及西北部古里雅，各显示出不同的铅同位素分布模式。相比之下，雪坑记录捕获了更近期的年际尺度大气沉降。目前可用的青藏高原雪坑铅同位素记录始于2005年，并断续持续至2016年。雪坑中测得的206Pb/207Pb和208Pb/207Pb比值在青藏高原上呈现出显著的空间梯度，南部放射成因值更高，表现为206Pb/207Pb和208Pb/207Pb比值较高；北部放射成因值较低，表现为相应比值较低。同样，记录相对短时间尺度大气铅沉降的冰碛物仅在青藏高原东南部被研究过。最近的研究发现了冰碛物铅同位素组成独特的空间梯度，其特征是该地区同位素比值呈现渐进的向东递减。源解析结果确定印度燃煤是该地区铅沉降的主要贡献者，凸显了跨喜马拉雅山脉长程大气传输的重要性。尽管这些有价值见解，目前青藏高原冰川的铅源重建仍主要停留在定性层面，对区域源贡献和传输路径的可靠定量约束仍然不足。

因此，我们汇编了来自青藏高原多种冰川档案（包括冰芯、雪坑、冰碛物和降水）的全面铅同位素数据集。这些数据提供了广泛的时间和空间覆盖，使得能够从时间和空间两个角度对青藏高原冰川沉积铅的演化进行全面解释和重建。本综述结构如下。首先，我们综合了不同冰川档案中铅同位素组成（206Pb/207Pb和208Pb/207Pb）的多介质分布和时空格局。其次，通过与北极、南极和主要人为排放热点地区的铅同位素数据集进行比较，将这些记录置于更广阔的全球背景中，从而突出铅大气循环的区域特异性和全球共性。第三，我们应用浓度依赖的MixSIAR同位素混合模型定量评估青藏高原冰川中铅源的时空演化。

与以往研究相比，本综述的关键进展如下：（i）使用更新且约束良好的铅端元数据库增强数据可解释性。这使得对已发表结果进行统一重新评估成为可能，并提供了对青藏高原冰川沉积铅源演化、传输和循环更深入、更全面的理解；（ii）系统比较青藏高原冰川记录与北极、南极及全球主要排放热点地区的记录。这种全球综合扩展了传统的区域解释，并凸显了青藏高原冰圈作为大气铅高海拔整合器的先前被低估的作用；（iii）超越定性解释，对多种冰川档案中的铅源进行定量重建，在统一的端元约束框架下提供了首个全高原范围的源解析。这使我们能够更好地评估人为影响对青藏高原冰川的程度，并识别关键源，从而为在冰川加速融化背景下评估生态影响提供科学依据，并为环境管理和有针对性的缓解策略提供参考。

分节摘录

铅同位素数据收集与再分析

在本综述中，我们汇编了来自先前已发表研究的439个铅同位素测量数据集，涵盖青藏高原多种冰川档案，包括冰芯、雪坑、冰碛物和降水。这些记录具有广泛的空间覆盖和长时间连续性，跨越公元1502年至2024年。铅同位素记录涵盖从1502年至2024年的时期，包括欧洲工业革命的启动等人类社会发展的关键阶段。

冰川环境中铅同位素组成的多介质分布

图2展示了冰川环境中206Pb/207Pb和208Pb/207Pb在不同介质中的分布。尽管在二维同位素空间中将不同介质的数据集整合在一起不可避免地会平滑时间变异性，并可能掩盖季节性或事件尺度上的沉降脉冲（如季风与非季风输入），但它仍然能够识别大气铅信号在时间整合上的差异。从这个意义上说，多介质比较提供了……

结论与未来展望

本综述汇编了青藏高原冰川相关档案的铅同位素数据集，并将其与浓度依赖的MixSIAR模型结合，定量重建了冰川沉积铅源的时空演化。结果显示了不同的多介质同位素模式：冰芯和雪坑呈现出相对集中的分布，而降水则显示出更为分散的同位素特征，反映了时间整合尺度的差异。

环境意义

本综述定量地证明，人为铅已通过长程大气传输广泛渗透至偏远的青藏高原冰川，在近期沉积物中贡献率高达约80%。随着气候变暖导致冰川持续退缩，先前储存的铅可能会被重新活化进入下游生态系统，对水质和人类健康构成新兴风险。这些发现凸显了跨境排放控制的迫切需求……

CRediT作者贡献声明

Ting Wei：撰写——初稿、可视化、资源、项目管理、方法学、调查、形式分析、数据管理、概念化。Zhiwen Dong：撰写——审阅与编辑、监督。Yumei Li：可视化、软件、方法学、调查。

康世昌：撰写 – 审阅与编辑，指导。
利益冲突声明
作者声明不存在利益冲突。
致谢
本研究由多个资金来源支持，包括国家自然科学基金（42371139）、水安全湖泊与流域科学国家重点实验室（2024SKL014）和甘肃省青年人才计划（2026QNGR004）。
魏婷 | 李毓美 | 董智文 | 康世昌
中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程与寒区水生态国家重点实验室，甘肃兰州，730000，中国