海洋降水中無機(jī)離子濃度及濕沉降通量
——中國海及西北太平洋降水的研究

林久人,祁建華,謝丹丹,孟祥斌 (中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266100)

海洋降水中無機(jī)離子濃度及濕沉降通量
——中國海及西北太平洋降水的研究

林久人,祁建華*,謝丹丹,孟祥斌 (中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266100)

于2016年春夏季搭載航次采集了黃、東、南海及西北太平洋的海洋降水,用離子色譜法測定了其中的Cl-、NO3-、SO42-、PO43-、Na+、NH4+、K+、Mg2+和Ca2+離子濃度,并計(jì)算了其濕沉降通量及對海洋初級生產(chǎn)力的影響.結(jié)果表明,海洋降水樣品主要受海洋影響,海鹽離子濃度較高且不同海域主要離子類似;西北太平洋主要離子為 Cl-、Na+、SO42-、Mg2+,黃海主要離子NO3-、SO42-、Ca2+、Cl-,東海和南海主要離子均為Cl-、Na+、NO3-、SO42-.海洋降水中總離子濃度(mmol/L)的空間分布為西北太平洋(1.27)＞南海(0.53)＞東海(0.40)＞黃海(0.31).海洋降水中無機(jī)氮主要以硝態(tài)氮的形式存在,在氣團(tuán)由陸地向海洋傳輸?shù)倪^程中,硝態(tài)氮在無機(jī)氮中的貢獻(xiàn)也不斷增加.Cl-、NO3-、SO42-、PO43-、Na+、NH4+、K+、Mg2+和Ca2+的濕沉降通量[mg/(m2·h)]范圍分別是:3.47～451.43、0.60～49.36、1.13～124.02、0.0015～0.094、1.21～383.37、0.06～7.57、0.25～28.86、0.17～47.39和0.37～27.24.在靠近源區(qū)、降水量多的區(qū)域主要無機(jī)離子的濕沉降通量較高.估算結(jié)果顯示,每小時(shí)降水所含氮磷可為各海域提供占初級生產(chǎn)力0.13‰～32.08%的新生產(chǎn)力.

降水；無機(jī)離子；濕沉降通量；新生產(chǎn)力；西北太平洋

人類活動(dòng)對海洋中營養(yǎng)物質(zhì)的影響途徑有陸地徑流輸入和大氣沉降輸入.在陸地徑流較少的地區(qū),大氣物質(zhì)干濕沉降則成為主要途徑[1].大氣沉降是氮、磷營養(yǎng)鹽進(jìn)入我國湖泊近海生態(tài)系統(tǒng)的重要渠道[2].研究發(fā)現(xiàn),通過大氣沉降進(jìn)入杭嘉湖地區(qū)的氮、磷分別相當(dāng)于農(nóng)業(yè)源的氮、磷入河量的 39.6%和 5.9%[3],大氣干濕總沉降向黃海輸入的 NH4+-N、DI(NO3-+NO2-)、SiO32--Si和PO43--P分別占大氣沉降和河流輸入總量的87%、47%、3%和 53%[4].而濕沉降占沉降總量的比例可高達(dá) 80%～90%[5].嵊泗黃龍島的雨水帶來的新生產(chǎn)力約為東海陸架初級生產(chǎn)力的13%[6].可見,濕沉降產(chǎn)生的新生產(chǎn)力對海洋的貢獻(xiàn)不容忽視.強(qiáng)降雨在短時(shí)間內(nèi)可以顯著提高表層海水的初級生產(chǎn)力[4],同時(shí)海區(qū)富營養(yǎng)化程度也顯著增大,從而影響赤潮發(fā)生,對近海生態(tài)環(huán)境造成諸多不利影響[7].因此,研究營養(yǎng)物質(zhì)對海洋的大氣濕沉降通量,將促進(jìn)認(rèn)識大氣污染和傳輸過程對海洋環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的影響.

國外對于濕沉降的研究起步較早,在降水中離子濃度和通量及濕沉降在物質(zhì)沉降中的貢獻(xiàn)方面均有相關(guān)研究.塔拉華州和百慕大降水中主要無機(jī)離子濃度在0.07～6.78mg/L范圍[8].北大西洋(57°N,20°W)的降水中NH4+、NO3-和 SO42-的平均濃度分別為 4.0μmol/L、3.1μmol/L 和4.0μmol/L,硫和氮的濕沉降通量分別為硫 0.1g/ (m2·a)和氨氮0.05g/(m2·a)、硝態(tài)氮0.04g/(m2·a)[9].西北太平洋靠近北極部分海域大氣無機(jī)氮濕沉降通量平均為33μmol/(m2·d),且主要以NH4+形式沉降[10].在地中海東部,主要來自海洋和地殼的Cl-、Na+、K+、Mg2+、Ca2+離子干沉降通量比濕沉降通量要高,而主要源為人為源的NH4+、NO3-和SO42-離子則濕沉降通量要高于干沉降通量[11].希臘西北部濕沉降對主要離子總沉降的貢獻(xiàn)可達(dá) 60%～80%[12],西北太平洋的大氣物質(zhì)濕沉降占總沉降的 72%[10].大西洋(10～11°N,24～27°W)大氣氮的總沉降可提供觀測所得海洋初級生產(chǎn)力的 0.1%～4.7%,營養(yǎng)鹽干濕沉降通量是等量級的[13].

我國對于近海濕沉降的研究主要集中于黃、東海的島嶼及近岸陸地觀測.張國森等[14]分析了嵊泗群島和千里巖島兩個(gè)觀測站濕沉降樣品中的F-、Cl-、NO3-和SO42-四種陰離子,兩個(gè)觀測站陰離子的濃度為 Cl-＞SO42-＞NO3-＞F-,SO42-和NO3-值小于近岸城市,說明這兩地的降水受海洋的影響比較大.姜曉璐[6]發(fā)現(xiàn)伏龍山全年各季度雨水中NH4+比NO3-+NO2-濃度高,尤其是夏秋季NH4+平均濃度為63.2μmol/L,是NO3-+NO2-的2.6倍;雨水中DIP年平均濃度為0.20μmol/L,秋季最高;DI(NO3+NO2)、DINH4和DIP的年沉降通量分別為 411.1、339.3、4.1mmol/(m2·a),DIP所支持的新生產(chǎn)力占同期膠州灣初級生產(chǎn)力的0.21%～5.84%.除島基海洋降水研究外,航次觀測也是獲得海洋大氣降水組分濃度和沉降通量的重要手段.吳玉霞等[15]于 1994年航次采集到東海春季降水,發(fā)現(xiàn)降水受季風(fēng)影響較大,在東南季風(fēng)作用下,降水中化學(xué)組分表現(xiàn)為海洋化學(xué)特征,而在東北風(fēng)作用下,降水中非海鹽源 SO42-的濃度受朝鮮半島和日本方面污染源影響而顯著增加.2013年南海西沙永興島夏季降水中離子濃度高 低 為 Cl-＞SO42-＞NO3-和 Na+＞Ca2+＞Mg2+＞NH4+＞K+,表現(xiàn)出海洋性大氣降水的特征[16].

濕沉降是營養(yǎng)物通過大氣輸入海洋的重要途徑之一,但由于海上降水樣品采集存在很大困難,相關(guān)研究仍然很缺乏.本文采集了 2016年 2個(gè)航次中國海和西北太平洋的海洋降水樣品,分析了其中的主要無機(jī)離子(Cl-、NO3-、SO42-、PO43-、Na+、NH4+、K+、Mg2+和Ca2+)的濃度分布特征,并討論了無機(jī)離子的濕沉降通量及其對初級生產(chǎn)力的影響.

1 樣品采集與分析

1.1 樣品采集與保存

分別于2016年3～4月和5～6月,搭載“東方紅2號”科學(xué)調(diào)查船,采集了中國海及西北太平洋海上降水樣品,采樣站位如圖1所示(每個(gè)樣品均選取航跡中點(diǎn)).采雨器為直徑20cm、高度20cm的圓柱形不銹鋼桶,配有不銹鋼蓋子.采樣前用蒸餾水洗凈后用Milli-Q水沖洗3～4次至干凈,于潔凈實(shí)驗(yàn)臺內(nèi)自然晾干.采雨器平時(shí)蓋上蓋子并用干凈的塑料袋封好放置在潔凈實(shí)驗(yàn)臺內(nèi),降水時(shí)打開,降水結(jié)束立即關(guān)閉.采雨架固定在船頂無遮擋無干擾的位置,采雨器距地面高度為 1.5m.雨量計(jì)用膠帶纏于采雨器旁,記錄降雨量,同時(shí)記錄采樣經(jīng)緯度、時(shí)間和相關(guān)氣象數(shù)據(jù)(氣壓、溫度、風(fēng)速、風(fēng)向).

圖1 樣品采集站位點(diǎn)(每個(gè)樣品均選取航跡中點(diǎn))Fig. 1 The location of sampling stations (each solid black dot representing a sample site, located in the mid-point of each cruise route of each sample)

表1 雨水樣品采集信息Table 1 Information on the precipitation samples

盛放雨水用的聚乙烯塑料瓶需要進(jìn)行預(yù)處理.在實(shí)驗(yàn)室的潔凈實(shí)驗(yàn)臺內(nèi),將聚乙烯瓶在體積比1:5的鹽酸溶液中浸泡3d,用蒸餾水淋洗6遍再用Milli-Q水沖洗3遍,烘干后用潔凈聚乙烯塑料袋包好.采樣結(jié)束后,采雨器中的雨水經(jīng)由孔徑為0.45μm的醋酸纖維膜過濾后移入聚乙烯瓶中冷凍(-20℃)保存.采樣信息見表1.

1.2 樣品處理與分析

樣品中各無機(jī)離子的濃度用美國Dionex公司出產(chǎn)的ICS-1100離子色譜儀測定,測定的離子有Cl-、NO3-、SO42-、PO43-、Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+.

離子的濕沉降通量Fw由降水中離子濃度和降水率根據(jù)式(1)計(jì)算得出.

式中:Cr為降水中某離子的濃度,mg/L;P為降水量,mm/h.

根據(jù)Redfield比(C:N:P=106:16:1),由下述公式(2)、(3)計(jì)算營養(yǎng)鹽濕沉降輸入的新生產(chǎn)力(以C質(zhì)量計(jì)).

式中:PNew-N、PNew-P分別為由無機(jī)氮、無機(jī)磷產(chǎn)生的新生產(chǎn)力,mg/(m2·h);Fw為某離子濕沉降通量,mg/(m2·h);M 為元素或離子的相對質(zhì)量, g/mol;Cnitrate、Cammonium和Cphosphate分別為樣品中NO3-、NH4+和 PO43-離子濃度,mg/L;P為降水量,mm/h.

2 結(jié)果與討論

2.1 降水中各離子濃度

2.1.1 降水中離子組成特征 2016年3～4月共收集到有效雨水樣品4個(gè),其中3個(gè)在西北太平洋海域,1個(gè)在東海東北部;5～6月共收集到有效雨水樣品7個(gè),其中黃海2個(gè)、南海5個(gè).將各海域樣品中不同離子濃度用降水量加權(quán)平均,得到不同海域離子濃度百分比見圖2.

結(jié)果顯示,不同海域降水中主要離子是類似的,除黃海樣品中含量最高的陰陽離子是NO3-和Ca2+外,西北太平洋、東海和南海這 3個(gè)海域降水樣品中含量最高的均為Cl-和Na+離子.除黃海含量最低的陰陽離子為 PO43-和 Mg2+外,其余三海域均為PO43-和NH4+濃度最低. 在這四個(gè)海域中,主要離子基本為SO42-、Cl-、Na+和NO3-,但在黃海Ca2+含量要高于Na+;而在西北太平洋遠(yuǎn)海,其降水中 Mg2+為主要離子,含量高于 NO3-離子.從主要離子占總離子濃度的比例來看,西北太平洋主要離子為Cl-、Na+、SO42-、Mg2+,占總離子濃度的89.63%;黃海主要離子NO3-、SO42-、Ca2+、 Cl-占 86.53%;東海和南海主要離子均為 Cl-、Na+、NO3-、SO42-,分別占86.20%和88.40%.可見,海洋降水主要受海洋影響,呈現(xiàn)出高海鹽、主要離子類似的特征,但是邊緣海受到一定的陸地影響,NO3-和 SO42-濃度較高.在研究海域中,黃海降水中的 NO3-(46.53%)、NH4+(2.78%)、SO42-(18.90%)對總離子濃度的貢獻(xiàn)明顯高于其他三個(gè)海域,說明黃海上空受源自陸地的污染氣流影響較大,大氣組分明顯受到更多的人為影響,這點(diǎn)同張國森等[14]的研究結(jié)果一致.

2.1.2 降水中離子濃度特征 不同海域樣品中不同離子質(zhì)量濃度及9種離子總摩爾濃度見圖2.

圖2 不同海域樣品中不同離子質(zhì)量濃度百分比Fig.2 The percentage contribution of different ions to total ions over the four sampling marine regions

本研究所測定 9種無機(jī)離子的濃度總和在各個(gè)海域分別為:西北太平洋1.27mmol/L、黃海0.31mmol/L、東海0.40mmol/L、南海0.53mmol/L,表現(xiàn)為西北太平洋濃度最高,黃海最低的特點(diǎn),東海的離子總濃度要低于南海.黃海、東海、南海同為邊緣海,其降水中離子總濃度差別不大,要遠(yuǎn)低于西北太平洋;而西北太平洋降水中離子含量高與在西北太平洋高風(fēng)速下產(chǎn)生較多海鹽氣溶膠、海鹽離子進(jìn)入大氣中有關(guān).

在海洋降水中,Na+、Cl-和 Mg2+主要來源于海鹽粒子[10],是海洋源的代表.在研究的各個(gè)海域中,Na+的濃度為 0.88～13.77mg/L,Cl-的濃度為1.39～16.02mg/L,Mg2+的濃度為 0.26～1.79mg/L.這 3種離子均是在西北太平洋濃度最高,其次是東海,東海高于南海,在黃海濃度最低.表明西北太平洋的降水主要受海洋影響,而黃海因風(fēng)速較低、受陸地影響較大,其降水受海洋影響在該四海域中最小.海洋源對 Na+的貢獻(xiàn)要明顯的高于Cl-,根據(jù)海水中Cl-/Na+的質(zhì)量比為1.795[17],各海域的Cl-/Na+的質(zhì)量比分別為:1.16、1.56、1.29、1.27,說明有氯虧損現(xiàn)象,這與人類活動(dòng)的工業(yè)和汽車等排放污染物傳輸至海洋與海鹽氣溶膠作用有關(guān)[18].

圖3 不同海域樣品中不同離子質(zhì)量濃度及9種離子總摩爾濃度Fig.3 The mean mass concentrations (mg/L) of each ion as well as their total volume concentration (mmol/L) among different ocean regions

NH4+和 NO3-是重要的無機(jī)氮,同時(shí)也是二次來源的代表,其生成與燃煤排放含氮?dú)怏w、農(nóng)田化肥施用和生物活動(dòng)等有關(guān)[19].二者在各海域的總濃度大小為:黃海(7.48mg/L)＞東海(2.29mg/L)＞南 海 (2.08mg/L)＞西北太平洋(1.75mg/L).黃海沿岸工業(yè)和農(nóng)業(yè)的發(fā)展對其大氣有較大影響,同時(shí)春季降水較少,亦使其無機(jī)氮含量較高;西北太平洋為遠(yuǎn)海,遠(yuǎn)離陸地受人類活動(dòng)影響小,無機(jī)氮含量在各海域中最低;東海和南海沿岸工業(yè)發(fā)展也相對發(fā)達(dá),二者無機(jī)氮含量相差不大且略高于西北太平洋.對宋宇然等[1,20-24]給出的降水中離子含量數(shù)據(jù)加權(quán)降雨量取平均值知,青島作為沿海城市,降水中的主要離子同海洋降水相似,但青島主要離子 NH4+濃度(1.74mg/L)要高于本研究中黃海降水的濃度(0.42mg/L),而 NO3-濃度(1.49mg/L)則低于黃海降水(7.06mg/L).各海域無機(jī)氮均以硝態(tài)氮(NO3--N)為主,其在四海域所占比例(均為氮元素質(zhì)量比,下同)分別為:西北太平洋 84.08%、黃海82.95%、東海71.62%、南海72.47%,對應(yīng)的氨氮中氮(NH4+-N)的占比為:15.92%、17.05%、28.38%、27.53%.本研究及宋宇然等[1,20-24]的研究表明,中國海沿岸陸地、近海和大洋大氣中硝態(tài)氮占無機(jī)氮的比例分別為:沿岸陸地 5.01%～29.21%、近海 27.95%～82.95%、大洋 88.55%,對應(yīng)的氨氮占比為:沿岸陸地76.06%～94.99%、近海 17.05%～72.05%、大洋 11.45%.可以看出,大氣在沿“陸地→近?！h(yuǎn)?！狈较虻妮斔瓦^程中,無機(jī)氮在硝態(tài)氮和氨氮這兩種存在形式上,更傾向于以硝態(tài)氮的形式存在.

根據(jù)韓麗君[4]的研究,黃海 2011～2012年降水中氨氮和硝態(tài)氮在總無機(jī)氮中的占比分別為53.68%、46.32%,東海2010～2012年降水中氨氮和硝態(tài)氮在總無機(jī)氮中的占比分別為 56.49%、43.51%;而本研究中,黃海降水氨氮和硝態(tài)氮的占比分別為17.05%、82.95%,東海氨氮和硝態(tài)氮的占比分別為 28.38%、71.62%.可見,近年來,海洋大氣中無機(jī)氮更多的以硝態(tài)氮的形式存在,氨氮在總無機(jī)氮中占比減小.Huang等[25]的研究發(fā)現(xiàn)深圳地區(qū)在過去 20年里,雨水中 NO3-濃度有明顯的上升趨勢,而 NH4+濃度卻降低,與本研究一致.盡管如此,總無機(jī)氮的濃度總體呈上升趨勢.大氣中 NH4+/NO3-比值與人類活動(dòng)產(chǎn)生的大氣排放物組成有很大關(guān)系.一般農(nóng)業(yè)活動(dòng)較多的地區(qū) NH4+/NO3-比值較高,工業(yè)比較發(fā)達(dá)的地區(qū)NH4+/NO3-的比值較低[20].過度使用有機(jī)肥會產(chǎn)生大量氨氣造成污染[26],近年來,施肥量受控、過度施肥現(xiàn)象減輕,同時(shí),我國工業(yè)水平不斷提高,海洋降水受人類活動(dòng)影響,降水中 NH+和 NO-43的濃度及二者在無機(jī)氮中的占比也隨之改變.

SO42-既有海洋源又有人為源,一部分來自海鹽粒子,一部分來自二次源;其前驅(qū)物既有海洋浮游生物產(chǎn)生的二甲基硫(DMS),又有人為排放的SO2.各海域 SO42-的濃度范圍為 1.70～5.00mg/L,離子濃度大小順序?yàn)槲鞅碧窖?5.00mg/L)＞黃海(2.87mg/L)＞東海(2.29mg/L)＞南海(1.70mg/L).同Na+、Cl-和Mg2+三種離子一樣,SO42-在西北太平洋最高.西北太平洋大氣受人類活動(dòng)影響小,主要受海洋的影響,風(fēng)浪影響下大量海鹽中的SO42-進(jìn)入大氣;而黃海沿岸人類活動(dòng)等產(chǎn)生 SO2多,經(jīng)過空氣中污染物傳輸轉(zhuǎn)化,使得海洋降水中SO42-濃度較高.

海洋源、生物質(zhì)燃燒等都會對K+有所貢獻(xiàn),該離子受多種源影響.樣品中 K+濃度順序?yàn)?西北太平洋(1.06mg/L)＞東海(0.71mg/L)＞黃海(0.58mg/L)＞南海(0.47mg/L).西北太平洋降水中的K+主要來源于海鹽,高風(fēng)速下海鹽氣溶膠的形成使 K+進(jìn)入大氣中;盡管海洋源是主要來源,土壤源也可貢獻(xiàn)部分 K+[27],東海的樣品采集時(shí)為空氣干燥的春季,揚(yáng)塵的遠(yuǎn)距離傳輸也提供了少量 K+,連同海洋源的貢獻(xiàn),共同使東海的雨水中K+含量高于其他風(fēng)浪較小的近海.南海風(fēng)浪小、降水多,因而其K+濃度最低.

PO43-受人為源的影響比較大,來源包括各種磷酸鹽產(chǎn)品的工業(yè)生產(chǎn)、鳥類的排泄物、固體廢物的傾倒、土壤揚(yáng)塵、磷酸鹽化肥的施用、燃煤和海洋源等[28],各海域 PO43-的濃度大小順序?yàn)辄S海(0.0041mg/L)＞南海(0.0038mg/L)＞東海(0.0037mg/L)＞西北太平洋(0.0031mg/L).黃海沿岸陸地農(nóng)業(yè)用地多,磷酸鹽肥料的施用以及工業(yè)生產(chǎn)等活動(dòng)使相對多的磷酸鹽進(jìn)入大氣中;南海沿岸工廠較多,同時(shí)夏季施肥量僅次于春季,這兩個(gè)因素使得南海樣品中 PO43-濃度較高;西北太平洋為遠(yuǎn)海,PO43-占比為各海域中最小,體現(xiàn)出遠(yuǎn)海受人類活動(dòng)影響小的特點(diǎn).

作為典型的地殼金屬元素的 Ca2+主要來自地表土壤和揚(yáng)塵.各海域中 Ca2+的濃度分布為黃海(1.81mg/L)＞西北太平洋(1.42mg/L)＞南海(0.68mg/L)＞東海(0.50mg/L).黃海樣品中 Ca2+多來自陸地土壤揚(yáng)塵的傳輸,西北太平洋亦如此,因此這兩個(gè)海域雨水中 Ca2+濃度遠(yuǎn)高于另外兩者.但在傳輸過程中物質(zhì)不斷沉降,因此在從陸地向近海再到遠(yuǎn)海的沿線上 Ca2+濃度不斷減小.東海和南海的 Ca2+濃度差異不大,作為邊緣海受其陸地影響情況相近.

2.1.3 降水中離子濃度的空間分布特征 根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道值、相關(guān)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)及前期積累數(shù)據(jù),比較了不同地區(qū)降水的離子濃度,列于表2.其中,降水中離子濃度值為加權(quán)雨量的平均值.

表2 不同地區(qū)雨水離子濃度 (mg/L)Table 2 The concentrations of ions in precipitation across different regions (mg/L)

本研究中黃海降水的各離子濃度相較于文獻(xiàn)報(bào)道 2000～2002年所采的千里巖降水而言,Cl-、SO42-、Na+、NH4+、Mg2+離子濃度明顯降低,K+、Ca2+離子濃度基本不變,而NO3-濃度則明顯升高;本研究的東海降水相較于文獻(xiàn)中2000～2001年嵊泗群島的降水而言,NO3-、K+離子濃度顯著升高,而 NH4+濃度明顯降低,Cl-、SO42-、Na+、Mg2+、Ca2+離子濃度無明顯變化.兩海域降水中NO3-濃度明顯升高、NH4+濃度降低這一現(xiàn)象同前文一致,而黃、東海降水中其余離子濃度變化與采樣時(shí)間有關(guān).

由表 2可見,Cl-的含量呈現(xiàn)出海洋高陸地低的特點(diǎn),西北太平洋和渤海均較高,黃海、東海和南海水平相差不大.Na+表現(xiàn)出西北太平洋和渤海高、東海和南海中等而黃海最低的特征.同時(shí)在黃海和東海,海洋降水的 Na+含量要低于陸地.Mg2+在西北太平洋和渤海均較高,而黃海最低,東海和南海大致持平處于中等水平,陸地上呈現(xiàn)出北高南低的特征.由此可知,從近海到遠(yuǎn)海,海洋大氣中物質(zhì)濃度受海洋源的影響逐漸增大,近海中黃海、渤海和東海大氣物質(zhì)受人類影響較大.

NO3-和NH4+表現(xiàn)出總濃度內(nèi)陸、近岸高到遠(yuǎn)海逐步降低以及北高南低的特點(diǎn).NO3-濃度表現(xiàn)為海洋高于陸地,海洋上北高南低、內(nèi)陸低于沿海;而 NH4+濃度除渤海及其沿岸外,均是陸地高于海洋,呈現(xiàn)海洋上北高南低的特征.

K+在遠(yuǎn)海含量相較近海高,海洋含量高于陸地,說明海洋源對其貢獻(xiàn)要大于人為源.PO43-數(shù)據(jù)較少,在現(xiàn)有數(shù)據(jù)中,其表現(xiàn)為內(nèi)陸、近岸高于海洋,渤海含量較高、其他海域水平相當(dāng).

SO42-濃度表現(xiàn)出北高南低的特點(diǎn),內(nèi)陸地區(qū)西北部含量最高,北方城市空氣干燥、降水少,SO2的去除效果差于南方,且北方冬季燃煤取暖,使得SO2的濃度分布北高南低[37],SO2在大氣傳輸過程中反應(yīng)被氧化為 SO42-.同時(shí),我國沿岸陸地及近海相較于其他國家高.

Ca2+濃度表現(xiàn)為陸地高于海洋,北部高于南部.大氣中的Ca2+主要來源于地表土壤和揚(yáng)塵,同時(shí),沿海陸地大氣中的Ca2+部分來自于海洋[38].

2.2 濕沉降通量

本研究計(jì)算得到的離子濕沉降通量列于表3,不同地區(qū)濕沉降通量的文獻(xiàn)及網(wǎng)絡(luò)報(bào)道值列于表 4.其中,月均沉降通量為每月通量加權(quán)雨量的平均值.

可以看出,在西北太平洋和南海,Na+和Cl-是濕沉降通量最高的兩種離子,在東海則是NO3-和Cl-通量最高,在黃海是 NO3-和 SO42-的濕沉降通量最高.PO43-在所有海域均是濕沉降通量最少的離子.

Na+和 Cl-在海洋的濕沉降通量范圍分別為1.21～383.37mg/(m2·h)和 3.47～451.43mg/(m2·h),這兩種離子的濕沉降通量在西北太平洋最高,其次是南海,且均遠(yuǎn)高于黃海和東海.Mg2+在海洋的濕沉降通量范圍為 0.17～47.39mg/(m2·h),空間分布同上述離子一樣.結(jié)合陸地?cái)?shù)據(jù)來看,Cl-的濕沉降通量表現(xiàn)出明顯的海洋高陸地低的特征,Na+、Mg2+亦如此.表明海洋源為海洋大氣中Na+、Mg2+、Cl-主要的來源.

海洋大氣中無機(jī)氮離子(NO3-和 NH4+)的濕沉降通量分別為 0.60～49.36mg/(m2·h)和 0.06～7.57mg/(m2·h),黃海的無機(jī)氮濕沉降通量最高,其次是降雨量多的南海,東海的無機(jī)氮濕沉降通量最低,這和東海近岸地區(qū)的無機(jī)氮素濕沉降通量在我國沿海地區(qū)中最低的情況一致(見表4).沿海城市較內(nèi)陸地區(qū)而言,其NO3-的濕沉降通量高于內(nèi)陸,而 NH4+的濕沉降通量則反之,這一點(diǎn)同上述無機(jī)氮濃度的分布特征相一致.

SO42-在海洋的濕沉降通量范圍是 1.13～124.02mg/(m2·h),南海、西北太平洋遠(yuǎn)高于黃海和東海.南海因降水較多而通量高,西北太平洋則因大量的海洋源硫酸鹽而通量較高,東海因降水量和南方大氣中 SO2較北方少而通量低.陸地上,SO42-的濕沉降通量在黃、渤海近岸和南海近岸地區(qū)較高,在內(nèi)陸地區(qū)較低,這同降水量和 SO2的空間分布有關(guān).

表4 不同地區(qū)各離子濕沉降通量[mg/(m2·mon)]Table 4 The wet deposition flux of ions in different regions [mg/(m2·mon)]

K+在海洋大氣中濕沉降通量范圍是 0.25～28.86mg/(m2·h),各海域的通量高低分布同 SO42-一致.PO43-的濕沉降通量值在所測離子中最少,范圍在 0.0015～0.094mg/(m2·h),這與其在大氣顆粒物中含量少有關(guān).南海 PO43-的濕沉降通量最高,其次是黃海,西北太平洋的沉降量最少,呈現(xiàn)出近海向遠(yuǎn)海遞減的趨勢.陸地大氣中 K+和PO43-濕沉降通量的數(shù)據(jù)量較少,在此不做討論.

Ca2+在海洋的濕沉降通量范圍在 0.37～27.24mg/(m2·h),在南海最高,其次是西北太平洋,在東海其濕沉降通量最低.通量值在南海最高主要因其降水多,西北太平洋通量高則主要由土壤揚(yáng)塵的傳輸所致,黃海同西北太平洋原因一致,降水量的不同造成了濕沉降通量在西北太平洋和黃海的差異.陸地上,盡管西北部降水較少,但其Ca2+含量很高,因此 Ca2+的濕沉降通量總體呈沿岸和海洋低于內(nèi)陸特別是西北部內(nèi)陸的特征,考慮其與地表多砂石多揚(yáng)塵有關(guān).

2.3 海洋降水對初級生產(chǎn)力的影響

新生產(chǎn)力是初級生產(chǎn)力的一部分,它由真光層外輸入的營養(yǎng)鹽支持[40],可以用Redfield比值(C:N:P=106:16:1)計(jì)算得出營養(yǎng)鹽由于濕沉降而對海洋輸入的新生產(chǎn)力.結(jié)果顯示,研究期間降水樣品 N、P可為西北太平洋提供新生產(chǎn)力(以 C元素計(jì),下同)2.20～96.83mg/(m2·h)、0.0193～1.26mg/(m2·h);可為黃海提供新生產(chǎn)力 40.10～81.76mg/(m2·h)、0.15～0.30mg/(m2·h);可為東海提供新生產(chǎn)力 10.03mg/(m2·h)、0.086mg/(m2·h);可為南海提供新生產(chǎn)力 15.50～122.73mg/(m2·h)、0.16～0.67mg/(m2·h).

根據(jù)研究,黃海2000年4月的初級生產(chǎn)力為1157.993mg/(m2·d)[41],估計(jì)每小時(shí)降水所含N、P所提供的新生產(chǎn)力占每日初級生產(chǎn)力的3.46%～7.06%和0.13‰～0.25‰;東海北部2005年春季初級生產(chǎn)力為 1359mg/(m2·d)[42],估算出每小時(shí)降水所含N、P所提供的新生產(chǎn)力占每日初級生產(chǎn)力的7.38‰和0.063‰;南海北部5月的初級生產(chǎn)力平均為 356.7mg/(m2·d)[43],估算出每小時(shí)降水所含N、P所提供的新生產(chǎn)力占每日初級生產(chǎn)力的 3.39%～32.08%和 0.38‰～5.42‰.可見,海洋降水對初級生產(chǎn)力的影響不容忽視.在不考慮營養(yǎng)鹽受限的情況下,無機(jī)氮引起的新生產(chǎn)力要高于磷酸鹽,研究海洋大氣物質(zhì)濕沉降有助于了解大氣污染對海洋環(huán)境的影響.

3 結(jié)論

3.1 降水中無機(jī)離子總濃度空間分布特征為西北太平洋＞南海＞東海＞黃海.海洋降水主要受海洋影響,呈現(xiàn)出高海鹽離子、主要離子相似的特征,但是邊緣海受到一定的陸地影響,硝酸鹽和銨鹽濃度較高.

3.2 海洋降水中無機(jī)氮更多的以硝態(tài)氮的形式存在,近年其對無機(jī)氮的貢獻(xiàn)明顯增加;在大氣由陸地向海洋傳輸?shù)倪^程中,也存在硝態(tài)氮對無機(jī)氮貢獻(xiàn)增加的現(xiàn)象.

3.3 不同離子的濕沉降通量受到其來源和降水量的雙重影響,從陸地到海洋具有一定規(guī)律: Na+、Mg2+、Cl-、K+、PO43-、Ca2+、SO42-離子表現(xiàn)為在靠近源區(qū)、降水量多的區(qū)域濕沉降通量高的特點(diǎn);NO3-在海洋的濕沉降通量要高于陸地,而NH4+反之,但二者均在降水量多的地區(qū)有較高的濕沉降通量.

3.4 每小時(shí)降水中的氮磷可為各海域提供占初級生產(chǎn)力 0.13‰～32.08%的新生產(chǎn)力,對初級生產(chǎn)力的影響不容忽視.

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致謝：感謝中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)為本研究提供降雨量等相關(guān)數(shù)據(jù).

The concentrations and wet depositions fluxes of inorganic ions in oceanic precipitation--Study on precipitation over the China Sea and Northwest Pacific Ocean.

LIN Jiu-ren, QI Jian-hua*, XIE Dan-dan, MENG Xiang-bin (Key Laboratory of Marine Environment and Ecology,Ministry of Education,Ocean University of China, Qingdao 266100, China). China Environmental Science, 2017,37(5)：1706～1715

The precipitation samples were collected in the Yellow Sea, the East China Sea, the South China Sea and the Northwest Pacific Ocean during two-period of cruise in spring and summer of 2016. The concentrations of Cl-, NO3-, SO42-, PO43-, Na+, NH4+, K+, Mg2+and Ca2+were measured by ion chromatograph, and the wet deposition fluxes of these ions, as well as their impact on marine primary productivity, were estimated. Considering the common features such as high concentration of sea salt ions and comparable major ions among the East China Sea, the South China Sea and the Northwest Pacific Ocean, the precipitation over the wide ocean was likely dominated by the localized ocean effect. The major ions in the precipitation were Cl-, Na+, SO42-and Mg2+over the Northwest Pacific Ocean, NO3-, SO42-, Ca2+and Clover the Yellow Sea and Cl-, Na+, NO3-and SO42-over the East China Sea and South China Sea. The magnitude of the mean concentration (mmol/L) of total ions in precipitation among the four sampling regions was in the order of the Northwest Pacific Ocean (1.27) ＞ the South China Sea (0.53) ＞ the East China Sea (0.40) ＞ the Yellow Sea (0.31). Inorganic nitrogen mainly existed in the form of nitrate and the contribution of nitrate to total inorganic nitrogen continues to increase during the air mass transport from the land to ocean. The wet deposition fluxes[mg/(m2·h)]of Cl-, NO3-, SO42-, PO43-, Na+, NH4+, K+, Mg2+and Ca2+were in range of 3.47～451.43, 0.60～49.36, 1.13～124.02, 0.0015～0.094, 1.21～383.37, 0.06～7.57, 0.25～28.86, 0.17～47.39and 0.37～27.24, respectively. In regions near the emission source and abundance of precipitation, the wet deposition flux of major ions was relatively high. The inorganic nitrogen and phosphorus in precipitation was able to provide new productivity, approximately accounting for 0.13‰～32.08% of the primary productivity per hour on average.

precipitation；inorganic ion；wet deposition fluxes；new productivity；the Northwest Pacific Ocean

X51,X522

A

1000-6923(2017)05-1706-10

林久人(1992-),女,山東煙臺人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榇髿獬两?

《中國環(huán)境科學(xué)》喜獲中國科協(xié)精品科技期刊TOP50項(xiàng)目資助

2016-10-15

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2014CB953701)

* 責(zé)任作者, 教授, qjianhua@ouc.edu.cn

《中國環(huán)境科學(xué)》2015年6月獲得中國科協(xié)精品科技期刊TOP50項(xiàng)目資助.中國科協(xié)精品科技期刊TOP50項(xiàng)目按照“以獎(jiǎng)促建”的原則,通過以獎(jiǎng)代補(bǔ)方式,遴選支持一批高端精品科技期刊,形成學(xué)科導(dǎo)航期刊集群.推動(dòng)其加快成長為促進(jìn)科技知識生產(chǎn)傳播的重要渠道、促進(jìn)學(xué)術(shù)交流的重要平臺和促進(jìn)學(xué)術(shù)生態(tài)建設(shè)的苗圃花壇,為我國科技期刊的發(fā)展發(fā)揮示范引領(lǐng)作用.經(jīng)過專家評審和公示,最終確定入選的期刊均為學(xué)術(shù)影響力強(qiáng)、引證指標(biāo)好、在學(xué)術(shù)交流與學(xué)科建設(shè)中起到重要作用、服務(wù)科技工作者成效顯著、學(xué)術(shù)出版道德規(guī)范的優(yōu)秀中文科技期刊.