冰川前缘冰舌区可培养细菌多样性及抗辐射-抗氧化特征——以老虎沟12号冰川为例

全球变化导致气温上升加速冰川退缩,冰川前缘进化出大量抗辐射-抗氧化微生物资源。细菌作为影响冰川前缘演替过程的重要类群之一,对其冰舌区新融化的冰碛物生境中抗辐射-抗氧化细菌的研究却较为少见。基于16S rRNA基因序列系统发育学的研究,不仅对老虎沟12号冰川前缘冰舌区冰碛物生境可培养细菌多样性进行研究,同时对菌株的抗辐射和抗氧化能力进行筛选和评估。研究表明,研究区域分离出的259株细菌分别归属于放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)和异常球菌-栖热菌门(Deinococcus-Thermus),其中放线菌门的菌株数量最多,其次是变形菌门>拟杆菌门>厚壁菌门>异常球菌-栖热菌门;在物种多样性方面,放线菌门和变形菌门是物种丰富度最高的门。TN、TOC、WC和pH是影响可培养细菌群落结构的主要因素。UVC辐照强度的D10(致死率为10%)剂量高于100 J·m^(-2)的菌株占可培养细菌总数的94.9%,过氧化氢耐受浓度的D10剂量高于10 mmol·L^(-1)的菌株占100%;其中有20株抗辐射菌株氧化胁迫后的存活率在90%以上。此外,氧化胁迫后存活率高于Deinococcus-radiodurans R1的菌株均是100 J·m^(-2)UVC辐照后抗辐射存活率高于50%的抗辐射菌株。该研究不仅可以为冰川前缘环境中细菌的多样性和生态适应性提供理论基础,也可以为后续辐照、氧化损伤保护机制的研究提供丰富的抗辐射-抗氧化冰川细菌资源。

1991—2020年祁连山老虎沟12号冰川能量-物质平衡模拟研究

本文基于评估和订正后的高亚洲精细再分析数据集(HAR v2),利用COSIMA单点能量−物质平衡模型系统分析了祁连山老虎沟12号冰川消融区4550 m自动气象站处2012年物质和能量交换过程及其对气候变化的响应特征,并在此基础上首次重建了1991—2020年能量和物质平衡序列。研究结果表明:①HAR v2数据集在研究区具有良好的适用性,由此驱动的COSIMA模型显示2012年冰川消融区模拟年累积物质平衡为-2333 mm w.e.。净短波辐射是冰川消融的主要能量来源(90.1%),净长波辐射是能量的主要输出项(58.6%);②该冰川物质平衡对降水变化总体保持线性响应,但对气温变化的响应表现出非对称性和非线性响应特征;③近30 a冰川表面能量收入项中净短波辐射、感热通量多年平均占比分别为89.2%、10.8%,而能量支出项中净长波辐射、消融耗热、潜热通量和地热通量多年平均占比依次为58.6%、26.5%、12.4%和2.5%。该冰川消融区长期处于物质高亏损状态,多年平均消融量为−2392 mm w.e.。在云量以及相对湿度、风速等其它气象因素影响下,净短波辐射的变幅大大超过感热通量、净长波辐射和潜热通量等能量项的变幅是该冰川消融强、弱年形成的主要原因。此外,固态降水也是制约冰川物质平衡的重要因素。

祁连山老虎沟12号冰川积累区消融期能量平衡特征

为研究冰川消融期积累区的能量平衡,利用2006年6月21日—7月31日祁连山老虎沟12号冰川海拔5 040m气象观测资料,分析了冰川的能量平衡各分量变化特征,估算了冰川表面的能量平衡组成.结果表明:冰川消融期,净辐射是冰川的主要热量来源(占82.1%),其次是感热通量(占17.9%);冰川消融耗热是主要的能量支出项(占70.8%),其次是潜热通量(占29.2%).通过能量平衡方程计算的冰川蒸发/升华量日平均值为0.8mm w.e.,物质亏损量为473mm w.e.,与实测物质亏损量492mm w.e.相差不大,冰川累积物质亏损量计算值和观测值的趋势变化吻合较好.

祁连山老虎沟12号冰川运动特征分析

以南方灵锐S82 GPS接收机为数据获取平台,借助RTK测量技术对均匀布设在祁连山老虎沟12号冰川表面的花杆网阵进行表面运动速度观测.2008年6—8月和2008—2009年整年的观测资料显示：2008—2009年间该条冰川表面流速最大值出现在海拔4 750~4 850 m,其中西支表面流速达到32.6 m.a-1,出现在海拔4830 m附近,东支表面流速达到32.4 m.a-1,出现在海拔4770 m附近.相比1959年的观测结果,该条冰川流速减慢了11%.

祁连山老虎沟12号冰川积雪化学特征及环境意义

2012年6月在祁连山老虎沟12号冰川采集雪坑和表层雪样品,结合相关分析法、海盐示踪法、气团轨迹法等方法,对冰川积雪的主要化学离子特征、来源及环境意义进行分析研究.结果表明,积雪中平均离子浓度Ca2+>SO24->NH4+>NO3->Cl->Na+>Mg2+>K+.雪坑中Ca2+是主要的阳离子,SO24-是主要的阴离子;各种离子在雪坑中的平均浓度要远大于表层雪,而且雪坑中的化学离子浓度峰值与污化层有着很好的对应性.同时,与青藏高原、中亚天山、阿尔泰山以及北半球其他区域高海拔雪冰化学特征进行比较,发现祁连山老虎沟12号冰川区积雪化学特征受亚洲粉尘源区陆源矿物影响较大.然而,雪坑中的离子(尤其是Na+和Cl-)除了陆源矿物粉尘之外,部分还来源于海洋源.结合NOAA Hysplit模型对冰川区积雪化学离子来源进行了后向轨迹反演验证.

祁连山老虎沟12号冰川浅冰芯记录的气候环境信息

2006年6月在祁连山西段大雪山的老虎沟12号冰川钻取了一支20.12m的浅冰芯,对冰芯中化学组成成分的浓度变化特征和来源分析进行了研究.结果表明,冰芯中δ18 O和可溶性离子含量变化均显示了明显的周期性变化,δ18 O与祁连山西段温度有很好的正相关关系.通过相关分析和HYS-PLIT后向轨迹分析表明,老虎沟12号冰川冰芯中可溶性离子主要来源于我国西北干旱、半干旱区的陆源矿物粉尘和冰川区周边的盐湖矿物风化物.

祁连山老虎沟12号冰川表面能量和物质平衡模拟

采用HOCK的分布式能量物质平衡模型对老虎沟12号冰川消融期的物质平衡进行了模拟,时间步长为1 h,空间分辨率为30 m.模型结果利用物质平衡观测数据和气象站观测数据验证,模型模拟时期为2012年6月1日-9月30日.模型模拟结果表明,地形因子对太阳辐射影响相当显著;散射辐射在总辐射中的比例较大为39%,模拟期冰川表面物质平衡为-506 mm w.e..在模拟期整个冰川平均上净辐射占能量收入的84%,感热通量占有16%;消融耗热则是能量的主要支出占有62%,潜热通量占有能量支出的38%.

祁连山老虎沟12号冰川雷达测厚和冰下地形特征研究

冰川地形是构建冰川流动模型的基础,对于认识冰川响应气候变化的动力机制具有重要意义.在2009年和2014年消融季,使用探地雷达对祁连山老虎沟12号冰川进行了厚度测量和冰下地形观测,获得了沿冰川中流线和多条横剖面的厚度资料,并对中流线上的厚度分布特征和槽谷形态进行了研究.研究结果表明,东、西支冰川的平均厚度分别为190 m和150 m,东支冰川冰下地形起伏大于西支,支冰川的表面坡度都较缓和.东、西支冰川进入汇合区时厚度分别为122 m和157 m,由于支冰川的横向挤压和汇流,汇合区中部冰川厚度增加到162 m.冰川槽谷形态具有空间差异,东、西支冰川槽谷形态近似于对称的V型,但是在冰川汇合区,槽谷底部变宽,边坡变缓,发育有不对称槽谷.

祁连山老虎沟12号冰川近地层微气象特征分析

利用2009年9月1日-2010年8月31日祁连山老虎沟12号冰川海拔4 550m气象观测资料,分析并讨论了气温、降水、比湿、气压、风速、风向、总辐射、感热和潜热通量的变化特征。结果表明,在冰川下垫面影响下,气温的逐时变化呈现出升温比降温要快,但季节变化则相反,气温变化的位相比风速要超前;降水主要集中在5～9月,占全年降水的68.1%;冬季平均风速最大,夏季最小,春季高于秋季,春、秋季冰川风的强度要大于谷风,夏季则相反,冬季冰川风占绝对主导地位,且冰川风对地气间的能量交换有重要影响;全年感热通量日平均值大部分都为正值,而潜热通量基本都为负值,在气温较高、风速较大的情况下二者均有明显的增加;夏季感热和潜热通量的绝对值都比冬季要大。

祁连山老虎沟12号冰川积累区微气象特征

利用2008年10月1日-2009年9月30日祁连山老虎沟12号冰川积累区海拔5040m自动气象站观测资料,初步分析了该地区气温、冰川表面温度、降水、相对湿度、空气和冰川表面比湿、气压、风速、风向、感热和潜热通量等气象要素的平均日变化和季节变化特征。结果表明,气温年平均值为-11.8℃,全年正积温仅为16.5℃,具有日较差小、年较差大的气温特征;降水主要集中在5-9月,约占全年的85%,年降水量为424.2mm;气压冬季低、夏季高,属于典型的高山型;年平均风速为3.7m·s-1,冰川风显著;感热通量要强于潜热通量,大气与冰川表面的湍流交换中,大气以损失热量为主。

祁连山老虎沟12号冰川退缩对细菌优势种群影响的初步研究

随着全球冰川正在越来越多的地区融化,冰川微生物资源很可能会由于冰川退缩而未被人类所发现就已受到生存的威胁而濒危.以祁连山老虎沟12号冰川消融区和末端雪样及末端土样为研究对象,采用培养方法、分子鉴定,研究冰川雪样优势菌群在冰川末端土样的分布状况及生理生化指标变化情况,分析冰川细菌优势菌群在冰川退缩后适应非雪环境的能力.结果表明:冰川末端雪样优势菌为1BW1和1BW2所代表的Pedobacter,该属在冰川消融区雪样和冰川末端土样中未分离到;冰川消融区雪样优势菌为2BW所代表的Acinetobacter,该属在冰川末端雪样中的数量较少,在冰川末端土样中的数量更少.不同采样位点16SrRNA序列相似性高的菌株其生理生化特征比相同采样位点的大.因此,冰川冰退缩可能会引发冰川雪样中的优势种群不能适应新环境而灭绝.应加强冰川细菌资源利用和保护的研究基础.

祁连山老虎沟12号冰川微粒在沉积后过程的变化特征

2008年10月和2009年10月在祁连山老虎沟12号冰川积累区采集了2个雪坑样品,通过样品中δ18O、可溶性离子、不溶性微粒的变化特点划分了雪坑季节.2008年雪坑季节变化信号明显,而2009年雪坑不明显,微粒浓度、Ca2+与Mg2+含量在春季较高.离子平衡、p H值、电导率及同期气象记录观测资料均显示,2009年雪坑受淋溶影响较大.淋溶强烈时,受融水造成的粉尘溶解及离子淋溶的影响,雪坑中微粒与Ca2+、Mg2+变化趋势不甚一致;与Ca2+相比,Mg2+变化能够较好表征微粒的变化;d>5μm的微粒可能更易于溶解迁移.通过分析室内雪冰样品在液态下的变化,发现伴随静置过程微粒的质量浓度呈下降的趋势,期间Ca2+、Mg2+却呈现增加的变化,可能与碳酸盐矿物的溶解有关.

2000-2014年祁连山西段老虎沟12号冰川高程变化

祁连山冰川自1990s以来持续萎缩,冰川融水径流变化对邻近的干旱区水资源产生重要影响。以往遥感与实测研究显示祁连山西段老虎沟12号冰川面积减少、末端退缩、运动速度降低及平衡线高度升高。为了进一步验证老虎沟12号冰川变化规律,利用高分辨率Terra SAR-X/Tan DEM-X微波影像数据,与SRTM-C DEM进行差分干涉,得出老虎沟12号冰川2000-2014年高程年平均变化值为(-0.29±0.09)m·a-1。为了验证遥感观测结果,利用RTK-GPS对老虎沟12号冰川表面进行测高,并与SRTM-C DEM上相应点的高程值进行比较,计算测量点的高程年变化值,结果显示两种方法获得的年平均变化值之间具有很好的正相关性,表明利用Terra SAR-X/Tan DEM-X微波影像数据及差分干涉技术监测祁连山冰川高程变化具有较好的可行性。

青藏高原北部多温型山谷冰川不同海拔处冰温变化研究——以祁连山老虎沟12号冰川为例

冰川温度是表征冰川物理属性和响应气候变化的关键指标。2010年7月至2011年11月在祁连山老虎沟12号冰川积累区(5040 m)、多年平衡线处(4900 m)和消融区(4550 m)开展了活动层(22 m深,1 m间隔)冰温连续观测。2011年10月在冰川积累区4971 m处钻得165 m深孔获取了115 m深层冰温廓线。研究发现:三个区域活动层下界的深度均在约17 m处,多年平衡线处冰温最低(-7.4℃),消融区次之(-3.68℃),积累区活动层下界冰温最高(-2.74℃)且波动最为持续,可能主要与常年积雪覆盖有关。冰温年波动随深度增加均逐渐降低,对气温变化的响应周期亦逐渐增大。与其他冰川最低温相比,老虎沟12号冰川冰温对气候变化响应敏感,过去50年来受全球变暖影响冰温显著增加。积累区深孔冰温显示50 m深度之下冰温呈线性上升,垂直增温率为0.033℃·m^-1,据此推测其底部冰温为0.02℃,主要与底部应变热有关。

祁连山老虎沟12号冰川消融区不同天气条件下的能量收支特征

冰川表面能量平衡模型建立了冰川与大气之间的联系。为探讨不同天气条件对冰川能量收支的影响,利用祁连山老虎沟12号冰川海拔4 550m处的气象资料(2011年8月24日-9月6日),结合能量平衡模型,分析了不同天气条件下的能量收支变化特征。结果表明:受云量影响,晴天条件下向下短波辐射(318.3W·m-2)是多云条件下的1.5倍,是阴天条件下的3倍。三种天气条件下的向下长波辐射,晴天(215.4W·m-2)<多云(267.4W·m-2)<阴天(291.6W·m-2)。受固态降水的影响,阴天条件下冰川反照率(0.50)是晴天时的2倍多。而三种天气下的最大消融耗热,晴天(739.6W·m-2)>多云(582.8W·m-2)>阴天(324.5W·m-2)。在能量收入项中,净短波辐射是主要来源(98%),但是受天气条件影响,能量支出各项所占比例有明显差异;在三种天气条件下,净长波辐射所占比例分别为35%、31%和23%,消融耗热所占比例分别为62%、64%和75%,潜热通量所占比例相差不大。

云量对祁连山老虎沟12号冰川表面能量平衡的影响

为探讨云量对冰川表面能量平衡(SEB)的影响,利用架设在老虎沟12号冰川(简称12号冰川)消融区(4 550m a. s. l.)的自动气象站资料,结合能量平衡模型计算各能量分量并分析其季节变化,通过云量参数化方案获取云量因子并量化其对冰川表面能量收支的影响。结果表明:净短波辐射为冰川表面主要的能量来源(92%),净长波辐射为主要能量支出(61%),二者均受云量影响,但云的短波辐射效应更强(-37W·m^(-2))。云量通过影响辐射收支和湍流通量进而影响冰川表面能量收支,随云量的增加,冰川表面获得的能量减少,冰川消融速率降低。与其他区域的冰川表面能量收支对比,除地理位置、反照率、气温等因素外,海拔和云量的影响也非常显著。

青藏高原典型大陆性冰川表面消融期溶解性有机质演化特征分析——以祁连山老虎沟12号冰川为例

冰尘是冰川消融区表面黑色或棕色的球状聚合体,是冰川表面微生物的主要聚集区,同时含有丰富的溶解性有机质(dissolved organic matter,DOM),在冰川物质能量平衡、生物地球化学循环特别是碳循环中发挥着重要作用。在冰川消融期,受环境条件和微生物活动水平等方面的影响,冰川表面DOM的含量是动态变化的。为了研究冰尘中DOM的演化过程,于2017年7月在青藏高原东北部典型大陆性冰川老虎沟12号冰川消融区表面开展了为期18天的冰尘原位培养实验。结果显示:培养初期(第0~6天),冰尘水样中溶解性有机碳(DOC)浓度从13.41 mg∙L^(-1)显著降低到4.47 mg∙L^(-1),培养后期(第6~18天),增加至6.71 mg∙L^(-1);用特征紫外吸光度SUVA254分析培养期间“光-生物”演化过程对DOC吸光性的影响,结果表明:SUVA254的值先显著降低后显著升高,表明长时间的光照和微生物作用导致DOC浓度增加的同时,具有光吸收作用的化合物含量也显著增加。利用傅立叶离子回旋共振质谱分析DOM的分子组分发现,整个培养过程中(第0~18天),DOM中多肽类和脂类分子含量明显减少,不饱和烃类、芳烃类以及多环芳烃类化合物含量增加。分析第0天,第6天,第9天和第18天四个培养时段特有DOM分子组成的变化发现,“光-生物”演化过程使得冰尘中DOM的组成不断由脂类和多肽类向不饱和烃类、芳烃类以及多环芳烃类化合物转化。

祁连山老虎沟12号冰川辐射各分量年变化特征

在资料比较稀少的山地冰川进行辐射收支研究对于揭示现代冰川发育的水热条件以及冰川与气候的相互关系具有重要意义。利用祁连山老虎沟12号冰川海拔5 040 m自动气象站资料,分析了2008年10月20日至2009年10月19日的辐射各分量年变化和平均日变化特征,结果表明:整年气温月平均值都高于冰川表面温度,大气是冰川的感热热源。受高海拔、云和地形的共同作用,老虎沟地区的太阳总辐射年总量达6 937.9 MJ/m2;有21天瞬时总辐射超过太阳常数,最大值为1 675 W/m2;总辐射和反射辐射的平均日变化呈单峰型,春夏季节辐射强度相差不大,冬季最小;大气和地面长波辐射的平均日变化呈单峰单谷型,夏季辐射强度最强,冬季最弱,春秋相差不大;秋冬季反照率大于春夏季,年平均值为0.74;净辐射日变化出现明显的季节差异,在4～8月为正值,其他月份为负,冰川表面辐射能量全年收入小于支出。

祁连山老虎沟12号冰川冰内结构特征分析

利用探地雷达(Ground Penetration Radar,GPR)调查冰川冰内结构和冰层厚度是一种监测冰川变化常用手段。应用麦克斯维(Maxwell)方程的二维时域有限差分(FDTD)方法,通过将模拟图像与老虎沟12号冰川的实测图像的对比,分析了雷达剖面中的几种反射特征,如冰裂隙、融洞、暖冰等。对比结果表明,GPR的反射图像会受到诸多因素的影响,除了介电常数,还包括介质的厚度,形态,粗糙度等因素的影响。探测结果表明,具有极大陆型特征的老虎沟12号冰川的局部的冰内温度呈现出较高的态势。同时,FDTD模拟也为我们未来利用GPR来监测冰川随气候的变化提供了很好的分析手段。

祁连山老虎沟12号冰川冰下形态特征分析

利用探地雷达对老虎沟12号冰川进行了多个剖面观测,分析了雷达图像反映的冰川内部特征。结果表明通过分析雷达图像中的纹理和位置,雷达波形的振幅和极性变化等信息能够有效的辅助识别冰川内部介质的变化界面位置和估算其规模。在老虎沟12号冰川的部分剖面内部存在冰内空洞、冰内融水空洞、冰下裂隙、冰下河等地貌形态,在冰岩界面和冰川边缘存在规模不等的碎屑层。这说明即使在典型的大陆型冰川,冰川内部结构也可能较为复杂,在冰岩界面处可能存在较强的冰川作用。