贝加尔湖上颗粒物浓度的空间分布及其决定因素

《Journal of Great Lakes Research》：Spatial distribution and factors determining the level of particulate matter over Lake Baikal

　　

摘要

本研究展示了2023至2025年间对贝加尔湖上空大气层中细颗粒物（PM_2.5）空间分布的调研结果。实验数据记录了三个航行时期（2023年7月至10月、2024年5月至10月以及2025年5月至9月）的观测情况。测量设备为安装在“G. Yu. Vereshchagin”研究船上的WoMaster ES-104颗粒计数器，该仪器以1分钟的时间分辨率自动运行。研究发现PM_2.5浓度呈现出系统性上升趋势：2023年为2.9 μg/m³，2024年升至3.7 μg/m³，2025年达到9.2 μg/m³。这一变化与伊尔库茨克州工业排放量的增加以及该地区火灾活动的加剧有关。分析显示，在整个观测期间，贝加尔湖南部流域的PM_2.5浓度持续偏高，主要高峰出现在塞伦加河和安加拉河附近以及沿湖岸的居民点。2024至2025年间，最高浓度区域转移到了湖泊的中北部。这些高浓度现象的主因是来自区域性野火产生的烟尘物质的传输。PM_2.5/PM₁₀比值分析表明，季节平均比值介于0.73至0.77之间，这表明细颗粒物（PM_2.5）在气溶胶中占比较大，暗示了长距离传输和次生气溶胶形成过程的贡献。

引言

贝加尔湖是联合国教科文组织世界遗产，它是世界上最深且最干净的湖泊之一，拥有全球约20%的淡水资源和俄罗斯80%以上的淡水储量。湖中栖息着超过1700种植物和动物，其中三分二是特有物种（Galaziy, 1987）。

对于贝加尔湖地区而言，气溶胶污染问题尤为严峻，因为近年来由于该地区的工业发展、旅游基础设施的扩展以及沿湖岸休闲区的增加，人为活动对湖泊生态系统的影晌日益加剧。此外，野火频发的现象已在某些区域引发了不可逆的破坏性后果（Kravtsova等人，2014；Timoshkin等人，2016）。湖泊所属的大气圈特征是复杂的气溶胶形成系统，以及PM_2.5和PM₁₀含量的显著空间梯度，这是由湖泊地形、微风作用、湖内环流以及冷水表面与周围陆地之间的温度差异共同作用造成的（Arshinov等人，2001）。

颗粒物（PM）是由自然和人为来源产生的固态和液态气溶胶颗粒组成的复杂分散系统（Bellouin等人，2020；Seinfeld和Pandis，2016）。根据空气动力学直径，PM通常分为PM₁₀（直径≤10 μm）、PM_2.5（直径≤2.5 μm）和PM₁（直径≤1 μm）三类。特别是PM_2.5和PM₁由于颗粒体积小、在大气中的停留时间长，以及能够参与区域性和长距离传输，具有重要的生态学意义（Seinfeld和Pandis，2016）。持续关注颗粒物污染问题源于其对环境多方面的负面影响：细颗粒物（PM_2.5）会损害空气质量，影响人类健康（Lelieveld等人，2015；Tiotiu等人，2020；Zhou等人，2015），干扰大气放射性平衡（Pósfai和Buseck，2010；Yu，2006），影响云形成过程（Li等人，2025），并改变陆地和水面的性质（Liu等人，2025；Nemirovskaya和Shevchenko，2020）。

根据俄罗斯自然资源监管局（Rosprirodnadzor，2025）提供的年度大气保护数据，2025年伊尔库茨克州是俄罗斯固定污染源排放量第四大的地区，总排放量为977.9万吨，比2024年增加了135.1万吨，比2023年增加了209.2万吨。同时，伊尔库茨克州的工业结构正在发生变化：除了南部传统的污染源外，北部和中部地区也出现了新的大型工业设施。2021年投产了泰谢特铝冶炼厂，2025年又在乌斯特-库特新建了伊尔库茨克聚合物工厂。此外，该地区中部地区的石油和天然气产量也在增加（Verkhnechonskoye、Kovyktinskoye和Yaraktinskoye油田）。在贝加尔湖东部边的布里亚特共和国，虽然增速较低，但也呈现类似的趋势。2025年固定污染源排放量为126.9万吨，2024年为125.3万吨，2023年为108.1万吨。

先前的研究表明（Zhamsueva等人，2022；Molozhnikova等人，2023；Pol'kin等人，2025），贝加尔湖南部流域受到区域人为排放的影响更为显著。这主要是由于位于该流域周边50-100公里范围内的区域热电厂排放的气体和气溶胶混合体传输（Obolkin等人，2014；Popovicheva等人，2021）。其次，南部湖岸人口密集，基础设施发达，有许多居民点和旅游设施，小型船舶航行活动频繁。而在湖泊的中部和北部，居民点较为稀少且分散。因此，在温暖季节，野火产生的燃烧产物是主要污染源；寒冷季节则主要由本地污染源主导。此外，冷的湖面会减弱对流混合作用，导致气溶胶在低层大气中长时间滞留，从而加剧气溶胶场的环境异质性（Nasonov等人，2024）。

贝加尔湖地区设有覆盖范围较广的大气监测站网络（https://www.feerc.ru/baikal/ru/monitoring/air/ask_overall），但这些监测站分布不均，主要集中在大型工业区和人口密集区（Khuriganova等人，2023），而沿湖岸的大气状态系统观测仅在一处科学站开展。其中四处监测站位于湖泊南部（Listvyanka、Tankhoy、Boyarsky、Bolshie Koty），一处位于北部（Davsha）。全年持续观测仅在Listvyanka、Tankhoy和Davsha站点进行（Khodzher等人，2019；Nasonov等人，2020；Zhamsueva等人，2022）。

这限制了夏季按气溶胶负荷对水区进行详细分区的能力，也增加了分析年际污染源差异的复杂性。因此，本文旨在研究2023至2025年航行期间贝加尔湖大气边界层中PM_2.5的时空分布，并识别影响该区域气溶胶污染的自然和人为因素。

章节摘录

研究地点描述

研究区域位于俄罗斯亚洲部分（东经103–110°，北纬51–56°）。研究对象为贝加尔湖大气圈。湖泊从西南向东北延伸636公里，平均宽度为48公里，水域面积为31,722平方公里。湖泊分为南部、中部和北部三个流域，由塞伦加浅滩和学术水下山脉分隔（图1 B）。

贝加尔湖大气中的PM_2.5含量

通过自动监测，获得了观测期间PM_2.5和PM₁₀气溶胶颗粒的浓度数据，以及温度、相对湿度、大气压力、风速和风向等气象参数。总共进行了543,000次各参数的原始测量。在初步处理过程中，根据风向等因素对PM_2.5和PM₁₀的测量结果进行了筛选（

贝加尔湖大气中PM_2.5/PM₁₀质量浓度比的分析

PM_2.5/PM₁₀质量浓度比是一种常用的诊断参数，可用于表征气溶胶颗粒的组成，并间接识别主要污染源类型和气溶胶形成机制（Santos等人，2025；Xu等人，2017）。该比值量化了细颗粒物（空气动力学直径<2.5 μm）对可吸入颗粒物（直径<10 μm）总质量的贡献。

结论

通过对三个航行期间贝加尔湖上空大气中颗粒物时空分布的全面研究，得出以下结论：

•

研究期间贝加尔湖上空的PM_2.5浓度持续上升：2023年的中位浓度为2.9 μg/m³，2025年升至9.2 μg/m³。这一增长可归因于多种因素的综合作用

CRediT作者贡献声明

Maxim Shikhovtsev：负责撰写、审稿与编辑；原始草稿撰写；数据可视化；方法研究；数据分析；概念框架设计。Ilya Aslamov：负责撰写、审稿与编辑；验证；数据分析。Artem Shikhovtsev：负责撰写、审稿与编辑；软件开发；数据分析。Yelena Molozhnikova：负责撰写、审稿与编辑；项目监督；概念框架设计。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了俄罗斯科学基金会（项目编号：25-27-00653）的财政支持，研究课题为“贝加尔湖中部生态区大气化学成分中地方性和区域性污染源的作用”。研究工作使用“G. Yu. Vereshchagin”研究船进行。

Maxim Shikhovtsev|Ilya Aslamov|Artem Shikhovtsev|Yelena Molozhnikova