青藏高原近地表大气氧含量的新认识

马伟东，陈彦强，王静爱

摘 要：氧气是大气中体积含量仅次于氮气的组分。已有研究表明，在所有海拔高度上，氧含量几乎保持不变。然而最新研究表明，氧含量与先前的共识有显著差异，并呈现一定的空间和季节差异。2018—2021年对青藏高原近地表大气氧含量的野外采样结果表明，氧含量为19.91%～20.78%，低于全球大气氧含量的平均水平（20.95%）。夏季氧含量高于冬季，白天氧含量高于夜晚。除海拔外，气象因子（如气溫）和植被条件（如植被覆盖度、叶面积指数等）也对青藏高原近地表氧含量产生影响。在全球变暖背景下，未来青藏高原气温持续上升，植被覆盖条件趋好，这很可能进一步减缓本地区人口缺氧健康风险。这些发现为深入理解青藏高原缺氧环境提供了新的视角。

关键词：大气氧含量;青藏高原;海拔;人口健康;高原反应;气温

中图分类号：K903        文献标识码：A        文章编号：1005-5207（2022）01-0010-03

氧是人体进行新陈代谢的关键物质，是人和动物生命活动的第一需要。在漫长的地质历史中，大气氧含量发生了剧烈变化，对地表生物地球化学过程和生命进化产生了重大影响。但当前大气氧含量一直被认为接近常量，如法国化学家拉瓦锡于1772年在研究空气的成分时发现氧气在空气中的体积约为五分之一。通过对空气成分的进一步研究表明，在离地面100 km高度以内空气的成分几乎是不变的，以体积含量计算时氧含量为20.95%[1]。科考船在北纬50°到南纬60°之间海洋上的测量结果也表明，干燥空气中的氧含量几乎恒定不变[2-3]。

青藏高原被称为“世界屋脊”，位于北纬26°00′～39°47′，东经73°19′～104°47′之间，面积约2.5×106 km2，平均海拔超过4 000m，属典型的寒冷干燥高山气候，部分地区绝对氧含量（即氧含量与空气密度的乘积[4]，表征单位体积空气中的氧气质量）仅为平原地区的40%。由于高海拔、强辐射和空气稀薄等特点，青藏高原的环境条件非常恶劣，但它对中国乃至亚洲的水土保持和生物多样性保护至关重要，并以复杂的热力和动力作用过程，深刻影响着周边广大范围内（如东亚和南亚）的天气和气候[5]。

高原反应（High altitude reaction），亦称高原病、高山病，是人体急速进入海拔3 000m以上高原暴露于低压、低氧环境后产生的各种不适，是青藏高原等高海拔地区特有的常见病。高寒缺氧的环境致使初入高原的人员副交感神经活动明显减少[6]，同时交感神经活动增强，出现与交感神经兴奋相关的一系列异常表现，如头昏、头痛、乏力、呼吸困难、心率加快、动脉压增高等[7]。例如，高原缺氧对于驾驶员的认知能力、情绪情感等方面均会产生一定的影响，即随着氧含量的减少，各项认知能力（涵盖视觉、听觉、记忆力、思维和注意力等）会有不同程度的下降[8]。过去几十年，尤其是青藏铁路开通以来，因旅游、出差、运输、探险等原因进入青藏高原的短居人口越来越多。但青藏高原地区严酷的自然环境、欠发达的基础设施建设水平和医疗卫生保障体系，以及愈来愈多的人口暴露和人类较低的适应能力，使得这一区域的人口环境风险居高不下[9]。例如，2018年12月27日，货车司机倪某夫妇的遗体在109国道青海省曲麻莱县五道梁段被警方发现，后经法医鉴定死因为缺氧窒息。这一事件的发生为忽视高原缺氧环境的现状敲响了警钟。在全球变暖的大背景下，厘定青藏高原近地表氧含量，对于深入理解区域人口与经济系统的环境风险，提高高海拔地区居民和游客的健康与安全水平，促进区域可持续发展具有重要的意义。

一、青藏高原大气氧含量原有认知的解读

高寒缺氧是公众对青藏高原的首要印象。在对青藏高原的探索过程中，公众已经认识到青藏高原“氧含量”远低于平原地区，同时也深刻体会到了其危害性。但实际上，此处所说的“氧含量”即上文提及的“绝对氧含量”。大气中的氧含量一直被认为几乎是常量，具体数值为20.95%[1-3]。

利用青藏高原及周边105个气象站点相关数据的计算结果表明，绝对氧含量可利用以下公式计算得到[10]。

y=−0.026 3x+283.8

式中，y为绝对氧含量（g/m3），x为海拔（m）。据此，可根据海拔数据计算得到整个青藏高原的绝对氧含量，其空间分布如图1所示。

青藏高原绝对氧含量的空间分布与海拔高度呈现反相关的关系，整体介于57～282 g/m3之间。绝对氧含量的高值区为高原南部的喜马拉雅山脉南麓，东部的河湟谷地和横断山区的河谷区域，北部的柴达木盆地和青海湖地区，这些区域绝对氧含量为187～282 g/m3;绝对氧含量的次高区为高原东部的部分地区以及祁连山—柴达木盆地边缘，其绝对氧含量为167～187 g/m3;绝对氧含量的中等区主要位于高原中部以及西部高大山体之间的较低区域，这些区域绝对氧含量为158～167 g/m3;绝对氧含量的次低区位于高原腹地中西部高大山体之间的过渡区域，其绝对氧含量为150～158 g/m3;绝对氧含量的低值区位于昆仑山脉、冈底斯山脉以及喜马拉雅山脉等高大山脉的高海拔地区，这些区域绝对氧含量为57～150 g/m3。

二、青藏高原大气氧含量特征的再认识

本研究在青藏高原的各个地区开展了一系列针对大气氧含量的野外实验，实验主要探究以下问题：①青藏高原的大气氧含量是否存在明显的空间差异？②不同时间的大气氧含量是否存在差异？③哪些因素影响着大气氧含量，其各自的贡献率是多少？[3-4，9]

1.针对青藏高原大气氧含量特征的探究

针对青藏高原的大气氧含量是否存在空间差异的问题，研究共采集了582个野外样本点，结果表明青藏高原近地表大气氧含量的观测值为19.91%～20.78%，整体低于已有研究的20.95%。测定结果表明青藏高原边缘（塔里木盆地、青海湖地区、祁连山区、横断山区和云贵高原等地）的氧含量相对较高，而高原腹地的氧含量相对较低[3]。

针对不同时间的大气氧含量是否存在差异的问题，从祁连山夏、冬季相同点位采集的近地表大气氧含量数据来看，夏季平均氧含量（20.47%）比冬季（20.16%）高出0.31%。北京房山站的连续观测数据表明，从大气氧含量的月平均值来看，最高氧含量出现在6月，最低氧含量出现在1月。这一观测结果与青藏高原野外验证点的测量结果较为一致，即夏季的大气氧含量要明显高于冬季的大气氧含量。进一步在日变化上观测大气氧含量的变化规律，发现最小值出现在北京时间的4：00至7：00 h，最大值在13：00至15：00 h之间，因此可以判断夜间的大气氧含量低于白天的大气氧含量。

针对哪些因素影响着大气氧含量，其各自的贡献率是多少的问题，首先可以从前两个问题的研究结果进行预判，大气氧含量存在昼夜差异和季节差异，昼夜差异的直观反映即昼夜的温度差异，而季节差异的直观反映除了温度差异以外，还有降水的差异以及植被覆盖状况的差异。由于氧气主要来自绿色植物的光合作用，因此植被覆盖状况也是影响大气氧含量的重要因素。综上考虑，可以将海拔、温度、降水以及植被覆盖状况等因素作为影响大气氧含量的可能影响因素来进行分析，在野外数据采集中，由于降水存在偶然性而暂不考虑。研究将野外样本点的以上因素与大气氧含量进行了相关性分析，最终结果表明：海拔是影响大气氧含量最主要的因素，其相对贡献率超过40%;其次是气温因素，相对贡献率超过30%，植被覆盖状况的相对贡献率不足10%[9]。

2.大气氧含量特征及其影响因素的新认识

本文在氧含量数值、空间分布、时间变化及其影响因素等维度上，对青藏高原近地表大气氧含量的原有认识与新认识进行了对比（表1）。对青藏高原近地表大气氧含量形成如下新认识。

第一，青藏高原大气氧含量低于一般认为的20.95%，且存在明显的空间异质性。这一新认识使得青藏高原地区的大气氧含量能够被定量表达，后续可以为公众个体及仪器设备进入青藏高原时针对其本身的耐受范围来进行比较，初步判断个体或仪器设备能否适应青藏高原高寒缺氧的环境特征。

第二，青藏高原大气氧含量会随着季节和昼夜的交替而变化，夏季的大气氧含量高于冬季，夜间的大气氧含量低于白天。这一认识表明大气氧含量是动态变化的，且其变化的律动与季节和昼夜的交替是同步的。这就使我们认识到，冬季的夜间大气氧含量将达到其最低值，而夏季的白天是大气氧含量最充足的时刻。上文提及的因缺氧而造成窒息死亡的夫妇，其事发时正是冬季的夜间，大气氧含量在那时处于最低水平，因此造成了悲剧的发生。

第三，海拔、气象条件以及植被覆盖状况影响大气氧含量的变化。这一新认识诠释了为什么大气氧含量会随着季节和昼夜变化，由于夏季的时候植被覆盖状况较好，更多的氧气通过植物产出，冬季植被覆盖状况要劣于夏季，因此产氧量较低。白天植物因光合作用而产出氧气，而在夜晚，由于光合作用停止，植物的呼吸作用反而会消耗一部分氧气，因此使得夜晚的氧含量要低于白天。可以说，白天植被是“氧源”，而夜间植被是“氧汇”。

三、结语

在气候变暖的背景下，青藏高原的植被条件整体持续向好，这将在一定程度上提高生态系统的产氧能力。考虑到全球高海拔地区越来越多的人口暴露，科学界和利益相关者应更多地关注青藏高原氧含量这一被忽视的问题，并通过采样和固定的连续观测，在更精细的时空尺度上进一步驗证和更新对大气氧含量的现有认识，使其更为完善、更为科学。

从以上对青藏高原近地表大气氧含量的新认识中可以看出，对地理现象或规律的认识，建立在两个基本内容的相互联系中：一是广延性，即从空间维的角度去认识地理现象或规律的异质性;二是连续性，即从时间维的角度去认识地理现象或规律的波动性[12]。对于青藏高原大气氧含量来说，公众的主要认识集中在点上的空间认识，而由于缺少一定时间序列上的观测数据，因此在时间上的认识仅来自个例时间片段内的历史经验。可以看出，对于受到普遍重视的空间性而言，时间维度的认知视角往往容易被忽视。

同时，想要对青藏高原大气氧含量的特征有全面而深刻的认识，需要在地理学基本理念的基础上，结合大气科学、生物科学、物理学以及化学等多学科的知识去解释氧含量的时空分布和形成机理。目前正在开展的中国第二次青藏高原综合科学考察研究，就是在基于多学科交叉融合的基础上，去揭示青藏高原环境变化机理，以此推动青藏高原地区的可持续发展和生态文明建设。因此，对于自然地理现象或事物，很难从单一学科的角度去认识它的时空分布特征，想要全面揭示其存在及运移特征，需要从多学科交融互通的视角去进行深入分析，以揭示其机理。

通讯作者：王静爱

参考文献：

[1] 林忠宁， 蓝崇钰. 空气氧含量及其与健康效应关系[J]. 生态科学， 2000（1）： 91-94.

[2] Machta L & Hughes E. Atmospheric oxygen in 1967 to 1970[J]. Science， 1970， 168： 1582-1584.

[3] Peijun S， Yanqiang C， Gangfeng Z， et al. Factors contributing to spatial-temporal variations of observed oxygen concentration over the Qinghai-Tibet Plateau[J]. Scientific Reports， 2021（11）： 1-8.

[4] 史培军， 陈彦强， 张安宇， 等. 青藏高原大气氧含量影响因素及其贡献率分析[J]. 科学通报， 2019， 64（7）： 715-724.

[5] 周军. 神奇的世界屋脊——青藏高原[J]. 地理教育， 2019（8）： 13.

[6] 隆敏， 覃军， 黄岚， 等. 自主神经功能在急性高原反应发病中的意义 [J]. 解放军医学杂志， 2007， 32（4）： 405-408.

[7] 佟长青， 薄海， 李海英， 等. 急进高原对武警官兵心血管功能的影响[J]. 现代预防医学杂志， 2012， 39（1）： 8-10.

[8] 冯丙丙， 孙小端， 贺玉龙， 等. 青藏高原地区空气氧含量对大、小车运行速度差的影响[J]. 交通运输研究， 2016， 2（4）： 45-53.

[9] 史培军， 陈彦强， 马恒， 等. 再论青藏高原近地表大气相对氧含量影响因素的贡献率[J]. 科学通报， 2021， 66（31）： 4028-4035.

[10] Liu Jinhao， Xin Zhongbao， Huang Yanzhang， et al. Climate suitability assessment on the Qinghai-Tibet Plateau[J]. Science of The Total Environment， 2021， 151653， https：//doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.151653.

[11] Yanqiang C， Gangfeng Z， Zongyan C， et al. A warming climate may reduce health risks of hypoxia on the Qinghai-Tibetan Plateau[J]. Science Bulletin， 2021：1-4.

[12] 丁生军. 地理过程及其认知的意义[J].中学地理教学参考（上半月）， 2015（10）： 16-18.