千里巖濕沉降中的營養鹽特征、來源及生態效應研究*

楊思奇, 王玲燕**, 劉素美,2

(1.中國海洋大學深海圈層與地球系統前沿科學中心 海洋化學理論與工程技術教育部重點實驗室, 山東 青島 266100;2.嶗山實驗室 海洋生態與環境科學功能實驗室, 山東 青島 266237)

大氣沉降不僅是清除大氣污染物、凈化空氣、改善空氣質量的有效途徑,也是海洋中外源性營養鹽(N、P、Si)的重要輸入途徑[1-3]。研究表明,全球范圍內通過大氣沉降輸送入海的N約占陸源輸入的一半以上[4]。地中海西北部地區濕沉降占DOP沉降總量的80%[5]。在日本海東南部,通過濕沉降輸送的TDN通量約占總沉降通量的58%[6]。這表明大氣濕沉降是海洋營養鹽的主要來源之一,因此營養鹽濕沉降一直是國內外研究的熱點。

已有不少學者對黃海西部千里巖島營養鹽的濕沉降進行研究。于志剛等[7]研究發現,千里巖大氣濕沉降N/P比值遠高于Redfield比值,將對該海域的營養鹽結構產生一定的影響。劉昌嶺等[8]研究發現,千里巖降水中營養鹽濃度的季節變化明顯,春、冬季節高于夏、秋季節。韓麗君等[9]通過統計多年來黃海西部營養鹽年平均濃度的變化特征發現,沙塵暴活動對大氣濕沉降中營養鹽的濃度有明顯影響。然而以往的研究多關注于濕沉降中營養鹽的濃度分析,對其來源的分析研究則相對有限。

通過大氣沉降輸送進入海洋的營養鹽影響著海洋上層水體中的營養鹽結構,支撐著浮游植物的生長,并引起海洋初級生產力的響應[3,19-22]。相較干沉降而言,濕沉降往往呈現出偶發性和集中性的特點,降水能快速將氣溶膠及附著其上的營養鹽等物質沖刷至地面或水體中,突發性強降水甚至可能會導致表層海水的暫時富營養化,影響浮游植物的種群結構,并可引起赤潮、水華等現象的發生[9,23-25]。

本文通過分析測定2020年3月—2021年2月在千里巖收集的雨水樣品,討論雨水中營養鹽的濃度與組成,利用后向軌跡聚類分析法和濃度權重軌跡分析法(CWT)解析氣團主要傳輸路徑和營養鹽潛在源區,初步分析通過濕沉降輸入的營養鹽對黃海生態系統的影響。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

1.1.1 樣品采集 2020年3月—2021年2月以降雨事件為基礎在位于黃海西北部的近岸島嶼千里巖島(36°16′N,121°23′E)采集雨水樣品(一天內多次降雨的合并為一個雨水樣品),當地人為污染較少,大氣污染物主要來自于臨近漁港、過往船舶和大陸氣團的遠距離輸送[26]。樣品使用采雨器采集(采雨器預先經1/10(V/V)HCl浸泡3 d,使用Milli-Q水洗凈,待干燥后用潔凈塑料袋包好),每次降雨發生前打開采雨器,降雨結束后立即取回并將樣品置于-20 ℃冰箱冷凍保存,同時記錄降雨量和降雨期間的溫度、濕度、風向、風速、氣壓等各項氣象參數。

1.2 數據處理

1.2.1 加權平均濃度(CVWM)和沉降通量(FW) 雨水中各項化學組分的加權平均濃度(μmol/L)和沉降通量(mmol·m-2·a-1)的計算公式如下:

(1)

式中:n為統計時間內降雨的次數;Ci為單次降雨中營養鹽的濃度(μmol/L);Qi為單次降雨量 (mm);FW為濕沉降通量。雨水pH值的平均值根據雨水中H+的加權平均濃度計算[28]。本研究中出現的平均濃度均為降雨量加權平均濃度。

1.2.2 海鹽離子質量濃度([ss-X])和非海鹽離子質量濃度([nss-X]) 為了區分人為來源和海洋來源對離子濃度的影響,對雨水樣品中海鹽離子質量濃度和非海鹽離子質量濃度進行計算,計算公式如下:

[ss-X]=[Na+]sample×([X]/[Na+])seawater,

[nss-X]=[X]sample-[ss-X]。

(2)

式中:[Na+]sample為雨水樣品中Na+的濃度,([X]/[Na+])seawater為海水中相應離子與Na+的比值[29]。

1.3 氣團后向軌跡分析及后向軌跡聚類分析

HYSPLIT4模型是由美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)和澳大利亞氣象局共同研發的一種用于分析大氣氣團的來源、輸送和擴散軌跡的模型,該模型目前已廣泛應用于全球大氣沉降化學組分的來源解析研究。

以降雨事件的開始時刻為起始時間,1 500 m為起始高度,利用全球數據同化系統(GDAS)氣象數據(http://www.arl.noaa.gov/ready/hysplit4.html)和HYSPLIT氣團后向軌跡模式(http://ready.arl.noaa.gov/HY-SPLIT.php)計算得到觀測期間內發生的所有降雨事件的氣團72 h后向軌跡。通過Meteoinfo軟件中的TrajStat插件進行后向軌跡聚類分析[30-31],將其中相似方向和速率的軌跡進行合并歸類以代表一類氣團輸送路徑。

1.4 濃度權重軌跡分析法(CWT)

濃度權重軌跡分析法(CWT)是一種利用氣團軌跡結合某要素值以判斷該要素可能的排放源位置并給出不同源區強度的方法[16],將研究區域劃分為1°×1°的網格單元(i,j),每個網格單元的CWT值為:

(3)

式中:CWTij為網格(i,j)的平均權重濃度,CWTij的值越大意味著網格(i,j)對采樣地點相應要素的貢獻越高;l為氣團軌跡;M為軌跡的總數;Cl為軌跡l經過網格(i,j)時對應的化學組分濃度;τijl為軌跡l經過網格(i,j)的端點數。當通過網格的端點數較小時,計算結果可能會有很大的不確定性。為了減少這種不確定性,通常需要引入權重系數Wij對CWTij進行校正得到WCWTij,nave為每個網格中軌跡端點數的平均值。

(4)

2 結果與討論

2.1 營養鹽的濃度與組成

2020年3月—2021年2月一年時間內在千里巖共采集49個雨水樣品,總降雨量為1 017.3 mm,遠高于以往觀測到的300～600 mm的年均降雨量[32-35]。雨水的pH值范圍為4.35～6.85,平均值為5.45。

圖1 千里巖降雨量和雨水營養鹽濃度隨時間變化

(參考文獻[6,28,37,40-43]。Referenced from[6,28,37,40-43].)圖2 不同區域雨水中氮組分平均濃度的對比

千里巖雨水中營養鹽的濃度受降雨量影響,較高的營養鹽濃度通常出現在降雨量較小的降雨事件中(見圖1)。降雨量及營養鹽濃度隨時間的變化較為明顯,觀測期間降雨量分布嚴重不均,夏季(6—8月)降雨量約占全年總降雨量的78%,頻繁的降雨對大氣顆粒物的清除和稀釋作用高,因此雨水中的各項營養鹽濃度均較低;與之相比,由于降雨量較小,早春(3—4月)和秋季(9—11月)的雨水中各項營養鹽濃度均較高,特別是在8月28日—10月15日長達49天的時間內未收集到降雨,因此10月16日的降雨中各項營養鹽濃度均出現高值。

2.2 氣團后向軌跡聚類分析

對獲得的所有后向軌跡進行聚類分析發現,研究期間影響千里巖雨水的氣團分為4類(見圖3):包括來自南方陸?；旌显?A)、北方陸源(B)、東南海源(C)和西北陸源(D)的氣團,分別影響20、20、5和4個雨水樣品。根據不同方向的氣團來源分類,統計不同來源氣團影響雨水的化學組成特征如表1所示?？傮w而言,陸源氣團影響的雨水中各項營養鹽濃度普遍高于混合源和海源氣團。

表1 不同來源氣團的雨水中降雨量(mm)、營養鹽濃度(μmol/L)和無機離子濃度(μmol/L)

圖3 千里巖雨水樣品采集期間氣團后向軌跡聚類

2.3 濃度權重軌跡分析

圖4 千里巖雨水中各項營養鹽的濃度權重分布

結合氣團后向軌跡可以看出,千里巖雨水樣品中各項營養鹽的潛在貢獻源區主要為周邊陸地地區。出現WCWT高值的區域通常位于北方陸源氣團B經過的途徑上,東南海源氣團C經過的海上部分地區有一定貢獻,但其貢獻程度較低,南方陸?；旌显礆鈭FA經過的大部分地區WCWT值都很低,證明其貢獻較小。雖然西北陸源氣團D影響的雨水樣品中各項營養鹽濃度較高,但影響的降雨事件較少,因此經過的地區較少出現WCWT的高值。

2.4 濕沉降對黃海的影響

表2 黃海外源營養鹽年輸入通量

3 結論

(2)影響雨水的氣團來自南方陸?；旌显?41%)、北方陸源(41%)、東南海源(10%)和西北陸源(8%),不同來源的氣團對雨水中營養鹽濃度的影響存在差異。陸源氣團影響的雨水中各項營養鹽濃度普遍高于混合源和海源。

(4) 黃海大氣TDN的全年濕沉降通量為103.0 mmol·m-2·a-1,對新生產力的貢獻可達29.9%。強降雨帶來的大量營養鹽輸入會在短時間內對黃海新生產力產生重要影響。通過大氣沉降輸入的營養鹽對黃海中部海域的氮限制狀況存在一定的緩沖作用。