膠州灣夏秋季大氣濕沉降中的營(yíng)養(yǎng)鹽及其入海的生態(tài)效應(yīng)

邢建偉, 宋金明, 袁華茂, 李學(xué)剛, 李 寧, 段麗琴, 王啟棟, 左九龍

1 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所, 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 青島 2660712 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 1000493 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室, 青島 266237

膠州灣夏秋季大氣濕沉降中的營(yíng)養(yǎng)鹽及其入海的生態(tài)效應(yīng)

邢建偉1,2, 宋金明1,3,*, 袁華茂1,3, 李學(xué)剛1,3, 李 寧1,3, 段麗琴1,3, 王啟棟1,2, 左九龍1,2

1 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所, 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 青島 2660712 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 1000493 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室, 青島 266237

為揭示大氣濕沉降對(duì)膠州灣營(yíng)養(yǎng)鹽的輸送通量及其生態(tài)效應(yīng),分別于2015年6—8月(夏季)、9—11月(秋季)采集膠州灣降水樣品,測(cè)定了降水中不同形態(tài)N、P、Si的濃度。結(jié)果表明,降水中不同形態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度變化較大,且均與降水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,其中NH4-N和NO3-N的濃度較高,溶解有機(jī)氮(DON)占溶解態(tài)總氮(DTN)含量的25.9%,而NO2-N, PO4-P和SiO3-Si的濃度均很低。溶解無機(jī)氮(DIN)、DON、PO4-P以及SiO3-Si的濕沉降通量分別為141.7、61.87、0.35 mmol m-2a-1和0.12 mmol m-2a-1。受降水量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來源制約,各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽濕沉降通量時(shí)間變化顯著。農(nóng)業(yè)活動(dòng)導(dǎo)致的無機(jī)氮排放構(gòu)成了膠州灣濕沉降DIN的主要來源。大氣濕沉降DIN、DON、PO4-P和SiO3-Si分別占膠州灣總輸入負(fù)荷的9.04%、10.24%、0.57%和0.17%,濕沉降輸入的PO4-P在夏、秋季分別可以支持0.575 mg C m2d-1和1.42 mg C m2d-1的新生產(chǎn)力；雨水中DIN/P比值高達(dá)1 617,突發(fā)性強(qiáng)降雨帶來的營(yíng)養(yǎng)鹽輸入會(huì)加劇表層水體的P限制和Si限制,對(duì)膠州灣浮游植物群落結(jié)構(gòu)和粒級(jí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響。大氣濕沉降是膠州灣生源要素生物地球化學(xué)過程的重要一環(huán),對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)收支的貢獻(xiàn)及可能引發(fā)的生態(tài)效應(yīng)不容忽視。

營(yíng)養(yǎng)鹽；大氣濕沉降通量；生態(tài)效應(yīng)；膠州灣；夏季；秋季

大氣濕沉降是氣溶膠及其中所含元素隨自然界發(fā)生的雨、雪等降水形式沉降至地表及水體表面的過程。對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)來講,濕沉降中含有浮游植物生長(zhǎng)所必需的N、P、Si等生源要素,是陸源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸送入海的重要途徑之一,也是生源要素海洋生物地球化學(xué)循環(huán)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[1- 2],短時(shí)突發(fā)性強(qiáng)降雨帶來的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大量輸入可能會(huì)導(dǎo)致表層海水的暫時(shí)富營(yíng)養(yǎng)化,并可引起赤潮的發(fā)生[3- 4]。因此,濕沉降帶來的生源要素輸入及其入海的生態(tài)效應(yīng)一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[2,5- 7]。從全球尺度上看,N的大氣沉降量通常等于或大于河流向海洋的輸入量[8],Zhang[3]研究發(fā)現(xiàn)大氣濕沉降分別占黃海溶解無機(jī)氮(DIN)和溶解無機(jī)磷(DIP)輸送量的65%和70%。在新加坡濱海下游區(qū)域,N的濕沉降占總氮(TN)輸入量的70%以上[9],這些都表明大氣濕沉降是海洋N、P營(yíng)養(yǎng)鹽的主要來源之一。黃海和東海降水中5種營(yíng)養(yǎng)鹽組分的濃度呈現(xiàn)NH4-N>NO3-N>SiO3-Si>NO2-N>PO4-P的規(guī)律,雨水的N/P摩爾比值在東海和黃海分別為1319和394,均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于海水中的N/P比值(20—80)和Redfield比值,表明突發(fā)性的大氣降水可以短時(shí)顯著改變黃、東海表層海水的營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu),進(jìn)而對(duì)初級(jí)生產(chǎn)力及浮游植物群落結(jié)構(gòu)造成顯著影響[10]。

膠州灣位于山東半島東南,黃海西岸,為青島市區(qū)、膠州市以及國(guó)家級(jí)青島西海岸新區(qū)環(huán)繞,面積374.4 km2,平均水深7 m,僅在東南角通過一個(gè)狹窄的灣口與黃海相通。膠州灣生態(tài)系統(tǒng)既受到東亞季風(fēng)和黃海冷水團(tuán)等自然因素的影響,同時(shí)也受到沿岸日益增強(qiáng)的人類活動(dòng)如陸源物質(zhì)排放、海水養(yǎng)殖等的影響[11],是我國(guó)北方一個(gè)受自然變化和人類活動(dòng)雙重影響的典型半封閉型海灣。近幾十年來,受青島市經(jīng)濟(jì)社會(huì)迅猛發(fā)展、人口激增以及霧霾和沙塵天氣頻發(fā)等多種人文和自然因素的共同影響,大氣沉降在陸源污染物質(zhì)向膠州灣輸送過程中的作用日益凸現(xiàn)。特別是近年來,隨著青島市“環(huán)灣保護(hù),擁灣發(fā)展”發(fā)展戰(zhàn)略的深入實(shí)施,膠州灣入海河流徑流量及輸沙量降低,工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水排放逐步得到治理。相對(duì)河流輸入和沿岸非點(diǎn)源污染排放,大氣沉降,特別是濕沉降在膠州灣營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷中所占比重勢(shì)必會(huì)增大。因此,膠州灣大氣濕沉降的研究日益受到人們的重視。然而目前有關(guān)膠州灣大氣沉降營(yíng)養(yǎng)鹽通量及入海生態(tài)效應(yīng)的研究還非常少,且不成系統(tǒng),而濕沉降方面的研究就更少了。

為深入了解大氣濕沉降對(duì)膠州灣海洋生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)鹽輸入的貢獻(xiàn)及效應(yīng),本研究通過岸基站位定點(diǎn)收集膠州灣2015年6—11月份的大氣濕沉降樣品,系統(tǒng)分析了降水中溶解無機(jī)態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽(NO3-N、NO2-N、NH4-N、PO4-P、SiO3-Si)和溶解有機(jī)氮(DON)的濃度、變化、沉降通量、來源及其影響因素,在此基礎(chǔ)上剖析了大氣濕沉降營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入對(duì)膠州灣生態(tài)系統(tǒng)的影響,研究結(jié)果可為揭示膠州灣?！?dú)饨缑婊瘜W(xué)物質(zhì)交換過程及通量,量化大氣濕沉降對(duì)膠州灣營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)收支的貢獻(xiàn)及影響,以及進(jìn)一步闡明膠州灣這一受人為活動(dòng)影響顯著海域生源要素的生物地球化學(xué)循環(huán)過程提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

在青島市市南區(qū)海邊近岸的南海路7號(hào)中國(guó)科學(xué)院海洋研究所水族樓樓頂(36°03′19.46″N,120°20′25.11″E)進(jìn)行濕沉降樣品的采集(圖1)。該站點(diǎn)位于膠州灣外南黃海山東半島南岸沿岸,距高潮水位岸線直線距離20 m。采樣點(diǎn)距地面垂直高度15 m,通風(fēng)良好,周圍100 m內(nèi)無高大建筑物及局部污染源影響。使用DH- 200型降雨降塵自動(dòng)采樣器(青島盛鼎環(huán)境儀器有限公司)收集降水樣品,該儀器采樣可以實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化運(yùn)行,無需人員值守,且性能穩(wěn)定,取樣操作簡(jiǎn)單,完全滿足采樣要求。采樣過程中逢雨必采,若24 h降水量小于0.5 mm,則舍棄；24 h降水量大于0.5 mm,則使用聚乙烯瓶(預(yù)先經(jīng)1:10鹽酸浸泡3 d,依次使用自來水、去離子水和Milli-Q水洗凈后烘干)收集,同時(shí)記錄降水量。采樣期間共收集了33個(gè)濕沉降樣品。為研究濕沉降營(yíng)養(yǎng)鹽濃度隨降水時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過程,分別于2015年8—11月分時(shí)間段收集了13個(gè)連續(xù)降雨樣品。

圖1 大氣濕沉降采樣站點(diǎn)(圖中★所示)Fig.1 Sampling site for atmosphere wet deposition in the Jiaozhou Bay (★represents the sampling site)

收集的雨水樣品用0.45 μm醋酸纖維膜(預(yù)先經(jīng)pH=2的鹽酸浸泡24 h,Milli-Q水洗至中性,50℃下烘干)過濾,濾液- 20 ℃冷凍保存,并盡快上機(jī)分析。使用德國(guó)產(chǎn)QuAAtro連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定5項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽(NO3-N、NO2-N、NH4-N、PO4-P、SiO3-Si)。溶解態(tài)總氮(DTN)采用過硫酸鉀高溫氧化法消解后上機(jī)測(cè)定。全部測(cè)定過程中均進(jìn)行質(zhì)量控制(表1),根據(jù)公式DIN=(NH4-N)+(NO3-N)+(NO2-N),DON=DTN-DIN差減計(jì)算得出。

表1 營(yíng)養(yǎng)鹽測(cè)定方法及質(zhì)量控制

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

降水中營(yíng)養(yǎng)鹽的平均濃度是指降水量的加權(quán)平均值。營(yíng)養(yǎng)鹽的降水量加權(quán)平均濃度及沉降通量的計(jì)算方法如下[12]：

(1)

(2)

圖2 膠州灣2015年夏秋季降水量的變化 Fig.2 Variation of precipitation in Jiaozhou Bay in summer and autumn 2015

式中,CVWM代表一定時(shí)間內(nèi)降水中營(yíng)養(yǎng)成分的降雨量加權(quán)平均濃度(VWM)(μmol/L),n為一定時(shí)間內(nèi)的降水次數(shù),Ci為單次降水中的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度(μmol/L),Qi為單次降水量(mm)；FW為濕沉降通量(μmol/m2)。

本研究中所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析借助于SPSS 16.0軟件進(jìn)行,圖片利用Surfer 8.0和Origin 8.0軟件繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品采集期間降水量

觀測(cè)期間膠州灣的總降水量為625.5 mm,由于沒有計(jì)入春、冬季降水量數(shù)據(jù),因而與膠州灣地區(qū)年平均總降水量745 mm相比較小[13]。歷次降水量變化趨勢(shì)如圖2所示。從圖中可以看出,各次降雨的降水量差異顯著。觀測(cè)期間共發(fā)生降水量超過30 mm的降水7次,其中6、7、8月份各有1次,而9月和11月各有2次。夏季(6—8月)、秋季(9—11月)總降水量分別為256.5 mm和369.0 mm。秋季降水量占比(59.0%)顯著高于夏季(41.0%),可見2015年膠州灣降水主要集中在秋季,特別是11月份,高達(dá)178.5 mm。而往年膠州灣降水集中在夏季的7、8月份,這2個(gè)月的降水量幾乎可占全年的一半[13-14]。2015年是強(qiáng)厄爾尼諾年,可能是該事件引發(fā)的氣候反常導(dǎo)致了膠州灣2015年與往年降水量季節(jié)分配的差異。

2.2 降水中營(yíng)養(yǎng)鹽的水平與變化

2.2.1 降水中不同形態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度水平、結(jié)構(gòu)與變化特征

膠州灣2015年夏秋季雨水中各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度范圍和雨量加權(quán)平均濃度見表2。從中可以看出,NH4-N和NO3-N在濕沉降中的濃度較高,其中NH4-N可占DIN濃度的64.8%,(NO3-N+NO2-N)占35.2%,與膠州灣2009—2010年的調(diào)查結(jié)果相當(dāng)[14],同時(shí)與朱玉梅等在東海的觀測(cè)結(jié)果較為相似[15]；DON加權(quán)濃度均值可占DTN的25.9%,與之前的研究結(jié)果相比差別不大[16-17],表明膠州灣雨水中各形態(tài)N營(yíng)養(yǎng)鹽的整體來源和組成較為穩(wěn)定。且膠州灣雨水中DON占DTN的比例與青島沿海大氣氣溶膠中DON占DTN的比例(22%)相當(dāng)[14],暗示雨水中的N主要來自于對(duì)氣溶膠中含N粒子的沖刷和淋溶。膠州灣降水中五種營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度均值呈現(xiàn)NH4-N>NO3-N>NO2-N>PO4-P>SiO3-Si的特征,與黃、東海略有差異[10]。與N相比,雨水中PO4-P和SiO3-Si的濃度很低,加權(quán)濃度均值分別僅0.23 μmol/L和0.12 μmol/L。由圖3也可以看出,膠州灣降水中NH4-N和NO3-N構(gòu)成了N營(yíng)養(yǎng)鹽的主體,且各個(gè)月份中NH4-N濃度均高于NO3-N,這與長(zhǎng)江口[4,18]以及中國(guó)多數(shù)沿海地區(qū)降水中DIN的組成相似[19]。

表2 2015年夏秋季膠州灣大氣濕沉降營(yíng)養(yǎng)鹽濃度

VWM：雨量加權(quán)平均濃度Volume-weighted mean；DIN：溶解無機(jī)氮Dissolved Inorganic NitrogenDON：溶解有機(jī)氮Dissolved Organic Nitrogen；DTN：溶解態(tài)總氮Dissolved Total Nitrogen

由圖3可以看出,降水中不同形態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽的月均濃度變化非常明顯。NH4-N、NO3-N、NO2-N和DIN、DON以及DTN隨降水量的變化趨勢(shì)非常相似,均呈現(xiàn)出先升高、后降低、又升高、再降低的波浪雙峰型變化趨勢(shì)。除DON和PO4-P外,其它各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽均在7月和10月出現(xiàn)兩個(gè)極高值,其中NH4-N和NO3-N的最高濃度分別達(dá)最低濃度的4倍和3倍,不同于以往的研究結(jié)果[20],可能與這兩個(gè)月份降水量較少有關(guān)。將各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度與降水量進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果顯示,各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度與降水量之間均呈現(xiàn)不同程度的負(fù)相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)在-0.010—-0.350之間),從而支持了這一推斷。降水中PO4-P和SiO3-Si的濃度均很低,變化也相對(duì)平穩(wěn)。相關(guān)的研究表明,大氣P和Si的主要來源均為礦物沙塵[15,21-22],而P還有一部分來自于燃燒過程中釋放的煙塵[23]。本研究的調(diào)查季節(jié)為夏、秋季,膠州灣盛行東南風(fēng),基本沒有受到來自西北的沙塵天氣以及冬季燃煤供暖的影響,因而雨水中較低的PO4-P和SiO3-Si濃度可能與二者在調(diào)查期間的來源較少有關(guān)。研究表明,降水中的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度不僅與降水量有關(guān),還取決于大氣氣溶膠粒子的濃度[15,24],這從上文雨水和氣溶膠中無機(jī)/有機(jī)氮的含量比例相似也可以得到證實(shí),而大氣氣溶膠粒子的濃度同時(shí)受到污染物來源[15]以及風(fēng)向、風(fēng)速等氣象因素的制約[25- 28]。調(diào)查期間8月份的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南偏南風(fēng),來自南黃海的海洋氣溶膠對(duì)膠州灣大氣顆粒物的濃度造成了一定的稀釋,因而雖然8月份的降水量也較低,但雨水中各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度卻并沒有出現(xiàn)極高值。此外,膠州灣2015年秋季降水量顯著高于夏季,因此,秋季降水中N營(yíng)養(yǎng)鹽濃度均值普遍低于夏季,而PO4-P和SiO3-Si與之相反(表2),可能是秋季受到西北地區(qū)沙塵的遠(yuǎn)距離輸送以及局地排放源(如農(nóng)作物秸稈焚燒以及大風(fēng)引起的土壤揚(yáng)塵等)增強(qiáng)的緣故[16-17]。

圖3 膠州灣夏秋季濕沉降營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的月際變化Fig.3 Monthly variation of average nutrients concentrations of atmospheric wet deposition in Jiaozhou Bay in summer and autumn 2015DIN：溶解無機(jī)氮，Dissolved Inorganic Nitrogen；DON：溶解有機(jī)氮，Dissolved Organic Nitrogen；DTN：溶解態(tài)總氮，Dissolved Total Nitrogen

為進(jìn)一步研究連續(xù)性降雨條件下,降水中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度隨降水持續(xù)時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,分別于2015年6月25—26日,7月17—19日,8月6—8日,9月1日2:30—15:30,10月26日5:30—22:30以及11月4日19:50—6日10:40分時(shí)段收集降水樣品13個(gè),測(cè)定各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度,結(jié)果見表3。

從表3可以看出,各類營(yíng)養(yǎng)鹽大體上呈現(xiàn)出降水后期濃度低于前期的特征,如7月份的連續(xù)降雨中,前、后期降水量相當(dāng),但后期降水中除DON外,其它各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度均出現(xiàn)顯著降低,特別是在前期降水量較小而后期降水量較大的情況下,后期降水中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度會(huì)呈現(xiàn)迅猛降低的趨勢(shì),此現(xiàn)象在8月和11月的兩次降水事件中表現(xiàn)尤為明顯。這表明隨著降雨的持續(xù),雨水對(duì)氣溶膠中營(yíng)養(yǎng)元素的不斷沖刷和淋溶,使得氣溶膠中相應(yīng)離子的濃度越來越低,最終導(dǎo)致后期降水中營(yíng)養(yǎng)成分的濃度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì),進(jìn)一步證明降水中營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度與降水量以及氣溶膠中相應(yīng)營(yíng)養(yǎng)鹽成分的濃度密切相關(guān)。然而雨水中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度還受到云內(nèi)雨除及其它氣象條件等的綜合制約[28],機(jī)制比較復(fù)雜,部分后期降水樣品中營(yíng)養(yǎng)成分濃度高于前期降水,其中的原因還需要進(jìn)一步的研究揭示。

表3 連續(xù)降水中不同時(shí)間段營(yíng)養(yǎng)鹽的含量

根據(jù)中國(guó)氣象局降雨量等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)劃分；表中“/”表示未檢出

表4列出了不同區(qū)域降水中營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度?？梢钥闯?與2009—2010年[14]、2006—2008年[17]以及2004—2005年[16]夏秋季相比,本研究膠州灣降水中各項(xiàng)無機(jī)氮的濃度均明顯偏高,而DON除與2006—2008年秋季大致相當(dāng)外均明顯偏高,表明近年來膠州灣周邊大氣N污染在加劇,而PO4-P和SiO3-Si的濃度與2004—2005年相比顯著降低,但本研究測(cè)得的PO4-P濃度比2009—2010年略偏高。同時(shí),膠州灣濕沉降各項(xiàng)N營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度均明顯高于大亞灣[29]、黃海[12]、東海[15]的水平,與長(zhǎng)江口[4]相差不大,但遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于太平洋降水中各項(xiàng)無機(jī)氮的濃度[30],大致呈現(xiàn)出沿岸>近海>大洋的變化趨勢(shì),進(jìn)一步證實(shí)降水中各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度除了受降水量影響外,還受制于氣溶膠濃度以及排放源的區(qū)域性差異,這主要體現(xiàn)為人為活動(dòng)的影響。此外,排放到大氣中的陸源污染物隨氣團(tuán)由大陸向遠(yuǎn)洋的輸送路徑也會(huì)影響相應(yīng)區(qū)域降水中的離子組成。如姜曉璐通過氣團(tuán)后向軌跡研究發(fā)現(xiàn),青島地區(qū)降水云團(tuán)大部分來自西北和華北地區(qū),因此膠州灣降水中各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度必然會(huì)在一定程度上受到上述地區(qū)風(fēng)沙和人為污染物的影響[17]。相對(duì)而言,膠州灣大氣濕沉降中PO4-P和SiO3-Si的濃度顯著低于長(zhǎng)江口,可能是兩地的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和自然條件差異造成的。長(zhǎng)江三角洲是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū),高強(qiáng)度的工業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)致的工業(yè)煙塵的大量排放以及崇明島農(nóng)業(yè)耕作導(dǎo)致的土壤中磷肥的釋放可能是引起降水中PO4-P濃度升高的重要原因。同時(shí),調(diào)查期間兩地氣象條件的差異以及局部污染也可能造成雨水中SiO3-Si含量的變動(dòng)。

表4 不同海區(qū)降水中的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度

(1)本研究結(jié)果；(2)為NO3-N和NO2-N之和；(3)為年均濃度；“/”表示文中無此數(shù)據(jù)

2.2.2 大氣濕沉降營(yíng)養(yǎng)鹽通量及其變化

膠州灣2015年各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽濕沉降通量見表5(由于缺乏春、冬季濕沉降營(yíng)養(yǎng)鹽數(shù)據(jù),故參考姜曉璐[17]、朱玉梅[14]的研究結(jié)果,取夏秋季NH4-N、NO3-N、DON以及PO4-P和SiO3-Si的濕沉降通量分別約占全年濕沉降通量的75%、75%、60%、40%和60%估算)?？梢钥闯?2004—2015年膠州灣各形態(tài)N營(yíng)養(yǎng)鹽濕沉降通量出現(xiàn)較大幅度的增長(zhǎng),其中2006—2008年N、P營(yíng)養(yǎng)鹽高沉降通量的出現(xiàn)可能與這些年份較高的降水量密切相關(guān)；而PO4-P和SiO3-Si通量出現(xiàn)一定程度的降低,尤其是SiO3-Si的降低幅度可達(dá)幾十倍,表明近十幾年來青島市大氣N污染(主要為NH4-N、NO3-N、DON的前體物NOx和NH3)有加重的趨勢(shì)。2015年夏秋季膠州灣各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽的時(shí)間變化如圖4所示?？梢钥闯?除DON外,膠州灣NH4-N、NO3-N、NO2-N、DIN以及DTN的濕沉降通量均在7月份達(dá)到最高,而DON濕沉降通量在9月出現(xiàn)最高值。相應(yīng)的,各形態(tài)N的濕沉降通量最低值均出現(xiàn)在10月份。同樣,PO4-P和SiO3-Si的通量最高值均出現(xiàn)在11月,而最低值分別出現(xiàn)于6月和8月。將上述各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽濕沉降通量與降水量進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),其均與降水量呈現(xiàn)不同程度的線性正相關(guān),相關(guān)系數(shù)r分別為0.310,0.307,0.388,0.319,0.652,0.874,0.439和0.319,表明降水量對(duì)各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽的濕沉降通量有較大的促進(jìn)作用。這是由于降水可以沖刷并淋溶氣溶膠中含有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的顆粒,降水量越大,對(duì)氣溶膠中顆粒物的沖刷越徹底。然而氣溶膠中顆粒物的含量是一定的,隨著降雨量的不斷加大,雨水中營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度會(huì)逐漸下降(表3),進(jìn)而導(dǎo)致濕沉降通量不能持續(xù)呈線性增長(zhǎng)。因此,營(yíng)養(yǎng)鹽的濕沉降通量受到雨水中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度和降水量的雙重制約,導(dǎo)致各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽濕沉降通量月際間呈波浪狀變化。

圖4 膠州灣營(yíng)養(yǎng)鹽濕沉降通量月際變化Fig.4 Monthly variations of atmospheric wet deposition fluxes of nutrients in Jiaozhou Bay

與國(guó)內(nèi)其它海域如長(zhǎng)江口[4]、黃東海[12,15]、珠江口[19]、大亞灣[31]相比較(表5),膠州灣大氣N濕沉降的通量都處于較高水平。與國(guó)外一些海區(qū)相比,膠州灣大氣NH4-N濕沉降通量分別為Barnegat Bay[32]和東地中海[33]的4.9倍和13.7倍,NO3-N濕沉降通量分別為上述海區(qū)的1.7倍和5.1倍。而對(duì)PO4-P,膠州灣與大亞灣[31]相差不大,但顯著高于東海[15]和長(zhǎng)江口[4]的水平。2015年膠州灣SiO3-Si濕沉降通量較小,與長(zhǎng)江口[4]相差不大,但均比黃海[12]和東海[15]小1個(gè)數(shù)量級(jí)。

表5 膠州灣及其它海區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽的濕沉降通量

(1)本研究數(shù)據(jù)；(2)為NO3-N和NO2-N之和; “/”表示文中無此數(shù)據(jù)

圖5為膠州灣夏秋季營(yíng)養(yǎng)鹽濕沉降通量相對(duì)組成。從中可以看出,膠州灣大氣濕沉降中DTN可占全部營(yíng)養(yǎng)鹽總沉降通量的99.85%,高于大亞灣86.34%的水平[29],其中DIN和DON大致呈現(xiàn)3∶1的格局,與珠江口橫門(DIN∶DON=1∶1)不同[19],表明DIN是膠州灣大氣N濕沉降的主體,但DON的濕沉降通量亦不可忽視。國(guó)外的研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn),不同區(qū)域的降水中DON可占DTN沉降通量的11%—56%[34],然而以往研究中往往忽略了DON的濕沉降,這將會(huì)嚴(yán)重低估膠州灣大氣N濕沉降的輸入通量。相比之下,PO4-P和SiO3-Si的濕沉降通量所占比例甚微。N濕沉降通量中,又以NH4-N為主,與長(zhǎng)江口[4]以及丹江口水庫[35]的觀測(cè)結(jié)果相似；NO3-N和DON次之,且二者通量相近,而NO2-N濕沉降通量非常微小。

圖5 膠州灣夏秋季營(yíng)養(yǎng)鹽濕沉降通量的相對(duì)組成Fig.5 The relative proportions of wet deposition fluxes of different nutrients in Jiaozhou Bay in summer and autumn 2015

2.3 降水中營(yíng)養(yǎng)鹽來源初步解析

2.3.1 相關(guān)性分析

運(yùn)用SPSS 16.0軟件將不同形態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽之間進(jìn)行兩兩Pearson相關(guān)性分析,來判定不同形態(tài)N、P、Si的來源是否具有一致性,結(jié)果如表6所示。各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽之間均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān),而無機(jī)氮之間的相關(guān)性更為明顯,表明它們可能具有較為一致的來源。PO4-P和SiO3-Si之間的相關(guān)性也很明顯,而DON與其它各營(yíng)養(yǎng)鹽成分之間的相關(guān)系數(shù)均較低,暗示DON可能還有其它一些來源。已有的研究表明,大氣中的有機(jī)氮還來源于生物釋放和海洋表層的氣泡破碎[36],可能是這些來源導(dǎo)致了DON與其它營(yíng)養(yǎng)鹽成分間相關(guān)性的差異。

表6 降水中不同營(yíng)養(yǎng)鹽之間的相關(guān)系數(shù)矩陣

**示顯著性水平P<0.01(雙尾),極顯著相關(guān)；*示顯著性水平P<0.05(雙尾),顯著相關(guān)

2.3.2 NH4-N/NO3-N比值

一般認(rèn)為,降水中氮含量高低與當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平密切相關(guān)。若采樣點(diǎn)靠近工、農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū),則雨水中NO3-N和NH4-N的含量就高[4]。這從人類活動(dòng)的角度解釋了膠州灣近年來濕沉降氮營(yíng)養(yǎng)鹽逐年升高的主要原因。大氣中的NH4-N主要由牲畜糞便和無機(jī)氮肥中的NH3轉(zhuǎn)化而來[37],而NO3-N則主要來自于工業(yè)中化石燃料的燃燒[38]。研究表明若雨水中NH4-N/NO3-N>1,則表示該區(qū)域農(nóng)業(yè)排放源占主導(dǎo)地位；反之,則表示該地區(qū)大氣中氮鹽主要源自于工業(yè)排放[39-40]。

本研究中膠州灣夏季濕沉降NH4-N/NO3-N均值為1.7,秋季均值為3.3,與2004—2005年NH4-N/NO3-N均值1.6相比偏高[16],但均大于1,表明來自于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)致的無機(jī)氮排放構(gòu)成了膠州灣大氣濕沉降DIN的主要來源。秋季NH4-N/NO3-N高于夏季,可能與秋季風(fēng)大,導(dǎo)致氮肥顆粒/蒸發(fā)物向空中轉(zhuǎn)移增加有關(guān),同時(shí)秋季也是農(nóng)田大量增施肥料的重要季節(jié)的緣故。

2.4 膠州灣大氣濕沉降營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷及對(duì)海灣生態(tài)系統(tǒng)的影響

2.4.1 膠州灣大氣濕沉降營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷

膠州灣面積較小,水深較淺,僅通過東南部一個(gè)狹小的灣口與黃海相通。大氣沉降輸入的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)無疑將會(huì)增加膠州灣的營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷。為闡明通過濕沉降輸入的營(yíng)養(yǎng)鹽總量在膠州灣營(yíng)養(yǎng)鹽總外源輸入中的作用,將表5中估算的濕沉降通量乘以膠州灣實(shí)際面積計(jì)算出濕沉降負(fù)荷,并與陸源輸入(此處主要指河流輸入和陸源排污口污水輸入,下同)和海水養(yǎng)殖的輸入負(fù)荷對(duì)比,估算大氣濕沉降對(duì)膠州灣營(yíng)養(yǎng)鹽總外源輸入量的貢獻(xiàn)(表7)。

由表7可以看出,膠州灣大氣濕沉降各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷在膠州灣總外源輸入負(fù)荷中的比重均較低,而其中PO4-P和SiO3-Si的大氣濕沉降負(fù)荷極低,與孫松等[13]的估算結(jié)果(大氣總沉降P負(fù)荷占比低于1%)相同,在總輸入負(fù)荷中幾乎可以忽略不計(jì),表明膠州灣N、P、Si營(yíng)養(yǎng)鹽均主要來自于陸源輸入,但DIN和DON的大氣濕沉降對(duì)膠州灣N營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷也有一定的貢獻(xiàn)。本研究中DIN的大氣濕沉降量在膠州灣總外源輸入中的負(fù)荷約為孫松等估算結(jié)果(大氣沉降占膠州灣DIN入?？偼康?%,此處為干、濕沉降總量)的1.5倍[13],但由于本研究沒有考慮干沉降,因而實(shí)際的大氣干、濕總沉降對(duì)膠州灣DIN總負(fù)荷的貢獻(xiàn)會(huì)明顯高于6%,這也從一個(gè)側(cè)面反映出大氣沉降對(duì)膠州灣營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷的整體貢獻(xiàn)在增大。

表7 膠州灣大氣濕沉降與陸源輸入營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷

陸源數(shù)據(jù)引自楊南南[41]和王剛[42],海源負(fù)荷引自孫松等[13],其中SiO3-Si僅河流輸入,數(shù)據(jù)來自劉潔等[43]；/表示文中無此數(shù)據(jù),計(jì)算時(shí)暫不予考慮

2.4.2 膠州灣濕沉降營(yíng)養(yǎng)鹽入海的生態(tài)效應(yīng)

上述研究已經(jīng)證明,大氣濕沉降可以為膠州灣帶來大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入,是陸源N營(yíng)養(yǎng)鹽輸入膠州灣的重要途徑之一。膠州灣面積374.4 km2,假設(shè)降水對(duì)海水營(yíng)養(yǎng)鹽短期內(nèi)只影響到表層2 m的范圍,則采樣期間各次濕沉降營(yíng)養(yǎng)鹽輸入對(duì)膠州灣表層水體營(yíng)養(yǎng)鹽的加富效應(yīng)見表8。從中可以看出,大氣濕沉降對(duì)膠州灣表層水體各形態(tài)N營(yíng)養(yǎng)鹽均有一定的加富作用,其中對(duì)NH4-N的加富貢獻(xiàn)率最大,可以達(dá)到13.0%,其次是DIN,而對(duì)PO4-P和SiO3-Si的加富作用非常微小,幾乎可以忽略不計(jì)。以本調(diào)查期間夏季一次突發(fā)的強(qiáng)降雨為例：2015年7月31日,膠州灣發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降雨,1 h內(nèi)降雨量高達(dá)51.5 mm,由此帶來的濕沉降營(yíng)養(yǎng)鹽輸入可使膠州灣表層海水DIN、PO4-P和SiO3-Si的濃度分別上升19.26%、1.20%和0.02%。王偉研究了臺(tái)風(fēng)“達(dá)維”帶來的強(qiáng)降雨對(duì)膠州灣生源要素的補(bǔ)充作用,發(fā)現(xiàn)降雨后1d膠州灣實(shí)測(cè)DIN、PO4-P和SiO3-Si濃度較降雨前分別提高54.80%、127.3%和144.6%[44],顯著高于本研究,推測(cè)PO4-P和SiO3-Si濃度的顯著升高可能與降水形成的陸地徑流的大量輸入有關(guān)。在廈門海域的研究也發(fā)現(xiàn),臺(tái)風(fēng)“碧利斯”的直接濕沉降帶來的營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入對(duì)臺(tái)灣海峽西部表層海水NO3-N、NH4-N、DIN的加富量分別達(dá)2.6、1.4 μmol/L和4.03 μmol/L,對(duì)九龍江口、同安灣以及臺(tái)灣海峽西部表層海水的DIN的增加幅度分別高達(dá)12%、20%和136%[45]。此外,降水對(duì)熱帶西太平洋海水中的N、P也有一定的補(bǔ)充作用[46]。這些都表明強(qiáng)降雨會(huì)在短時(shí)間內(nèi)對(duì)相關(guān)海域的營(yíng)養(yǎng)鹽水平產(chǎn)生強(qiáng)烈的加富效應(yīng)。受制于狹窄灣口對(duì)灣內(nèi)外水體交換的阻礙作用,膠州灣濕沉降帶來的大量營(yíng)養(yǎng)鹽很難及時(shí)輸送到灣外,且降水中的無機(jī)氮濃度均遠(yuǎn)高于水體富營(yíng)養(yǎng)化閾值[47],因此濕沉降特別是突發(fā)性強(qiáng)降雨帶來的營(yíng)養(yǎng)鹽尤其是無機(jī)氮的短時(shí)大量輸入會(huì)使膠州灣水體面臨富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)。

表8 夏秋季大氣濕沉降對(duì)膠州灣營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的加富作用

Table 8 The enrichment effects of atmospheric wet deposition on the concentrations of nutrients in Jiaozhou Bay in summer and autumn 2015

營(yíng)養(yǎng)鹽Nutrients濕沉降平均加富濃度/(μmol/L)Enrichmentofwetdeposition膠州灣海水濃度均值(1)/(μmol/L)AverageconcentrationsofnutrientsintheJiaozhouBay濕沉降對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽現(xiàn)存量的貢獻(xiàn)/%ContributionofwetdepositiontonutrientsconcentrationsNH4-N1．048．0013．0NO3-N0．5611．504．87NO2-N0．00271．360．20DIN1．6121．607．45DON0．5617．113．27PO4-P0．00210．300．70SiO3-Si0．00117．000．02

(1)膠州灣海水營(yíng)養(yǎng)鹽濃度數(shù)據(jù)分別來自康美華[48]和丁東生等[49]

孫松等[13]總結(jié)了膠州灣浮游植物豐度的長(zhǎng)期變化,發(fā)現(xiàn)2001—2010年浮游植物數(shù)量增長(zhǎng)明顯,為上世紀(jì)90年代浮游植物平均數(shù)量的6.5倍,主要與營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入增加有關(guān)。而作為膠州灣營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)重要來源之一的大氣濕沉降必然也在一定程度上加速了這一進(jìn)程。研究發(fā)現(xiàn),降水可以刺激海水中浮游植物的快速增長(zhǎng),主要與濕沉降帶來的營(yíng)養(yǎng)鹽輸入有關(guān)[3,50-51]。浮游植物主要優(yōu)先利用水體中的NH4-N,而膠州灣降水中以NH4-N為主的營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)無疑又促進(jìn)了這一進(jìn)程。據(jù)報(bào)道,海洋中的浮游生物對(duì)濕沉降中的營(yíng)養(yǎng)元素響應(yīng)迅速,初級(jí)生產(chǎn)力在降水發(fā)生后會(huì)迅速提高[3,50]。而且降水中含有的Fe、Mn等微量元素也會(huì)促進(jìn)浮游植物的生長(zhǎng)[52]。如Zou等[51]在黃海通過現(xiàn)場(chǎng)添加雨水實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),加入10%的雨水后,培養(yǎng)瓶中葉綠素a的含量在24 h后增加了2.6倍,證明了降水對(duì)水體浮游植物生長(zhǎng)的極大促進(jìn)作用。由于膠州灣主要為P限制或Si限制[53-54],根據(jù)Redfield定律,假設(shè)濕沉降帶來的PO4-P可以完全被浮游植物攝取和利用,以孫松等[11]得出的膠州灣夏、秋季初級(jí)生產(chǎn)力均值分別為835.7 mg C m-2d-1和247.8 mg C m-2d-1計(jì)算,則本研究中大氣濕沉降所支持的新生產(chǎn)力在夏、秋季分別為0.575 mg C m-2d-1和1.42 mg C m-2d-1,分別占膠州灣夏、秋季初級(jí)生產(chǎn)力的0.07%和0.57%。盡管大氣濕沉降對(duì)膠州灣初級(jí)生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)有限,但考慮到降水本身的特性,特別是夏季突發(fā)性的強(qiáng)降雨帶來的營(yíng)養(yǎng)鹽高強(qiáng)度輸入會(huì)使表層海水的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度迅速增加,從而促進(jìn)浮游植物的大量繁殖。如2003年6月膠州灣東側(cè)近岸出現(xiàn)的短暫初級(jí)生產(chǎn)力極高值(7 213.5 mg C m-2d-1),可能與一周前出現(xiàn)的一次強(qiáng)降雨有關(guān)[11]。此外,在2004年7月11日,膠州灣一天內(nèi)降雨可達(dá)49.5mm,雨水中DIP所支持的新生產(chǎn)力為142.2 mg C m-2d-1,可占夏季膠州灣海水中平均初級(jí)生產(chǎn)力的17%[16]。在美國(guó)的Chesapeake灣,也發(fā)現(xiàn)極端天氣帶來的淡水輸入可以顯著改變浮游植物的現(xiàn)存量和空間分布格局[55]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),赤潮的爆發(fā)往往是在大雨過后不久發(fā)生的,與降水中較高含量的營(yíng)養(yǎng)鹽有關(guān)[56-57]。這都充分表明濕沉降輸入的營(yíng)養(yǎng)鹽會(huì)對(duì)膠州灣浮游植物豐度以及初級(jí)生產(chǎn)力產(chǎn)生重要的影響。

本研究中,膠州灣降水中DIN/P,Si/DIN和Si/P分別為1 617,0.001和0.90。DIN/P分別為東海[15]和大亞灣[31]降水中N/P比值的2.4倍和10倍,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Redfield比值和膠州灣水體中的DIN/P,但Si/N和Si/P卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水體中相應(yīng)的比值[58],表明降水可能會(huì)在某種程度上改變膠州灣表層海水的營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)。假設(shè)濕沉降帶來的營(yíng)養(yǎng)鹽輸入僅對(duì)海水表層2 m產(chǎn)生影響,以表8的數(shù)據(jù)為例,計(jì)算得出降水發(fā)生前膠州灣海水的DIN/P、Si/N比值分別為72和0.32,降水發(fā)生后二者分別變?yōu)?6.8和0.30,可知夏、秋季降水對(duì)膠州灣表層海水的平均加富作用對(duì)表層海水的營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)影響不大,但一次強(qiáng)降水過程如7月31日的短時(shí)大暴雨會(huì)使表層水體的DIN/P、Si/N比值分別改變?yōu)?4和0.27,表明濕沉降可在一定程度上加劇膠州灣表層水體的P限制或Si限制,與Liu等[54]的觀點(diǎn)一致。長(zhǎng)期的N/P比失衡可以導(dǎo)致甲藻類在浮游植物群落中的比例大幅上升[59-60]。由于甲藻主要優(yōu)先攝取NH4-N,而濕沉降中以NH4-N為主的營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)勢(shì)必會(huì)促進(jìn)甲藻的繁殖和增長(zhǎng),相應(yīng)的研究也發(fā)現(xiàn),近年來膠州灣甲藻類群成為優(yōu)勢(shì)種的概率在不斷增加[13],這表明由大氣濕沉降帶來的大量NH4-N的輸入以及P和Si的相對(duì)極度缺乏可能會(huì)引起膠州灣浮游植物優(yōu)勢(shì)種由硅藻到甲藻的演替。如2003年以后,甲藻經(jīng)常成為膠州灣夏季一些區(qū)域的優(yōu)勢(shì)種類,且甲藻的高值分布區(qū)呈現(xiàn)灣外向?yàn)硟?nèi)蔓延的規(guī)律[13]。此外,由于微型和微微型浮游植物的生長(zhǎng)更容易受到NH4-N濃度的影響,而NO3-N則可以促進(jìn)小型浮游植物的生長(zhǎng)。研究發(fā)現(xiàn)自1998年開始,膠州灣小型浮游植物所占比例下降,而微型浮游植物比例有所上升[61],這可能也與大氣濕沉降中NH4-N的比例較高有關(guān)。綜上所述,大氣濕沉降通過可以改變表層水體的營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)進(jìn)而對(duì)膠州灣的浮游植物群落結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢(shì)種演替以及粒級(jí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響。

3 結(jié)論

(1)2015年夏秋季膠州灣大氣濕沉降NH4-N和NO3-N構(gòu)成了DIN的主體,且各個(gè)月份中NH4-N濃度均高于NO3-N,DON含量占DTN的25.9%,而PO4-P和SiO3-Si的濃度均很低,可能與調(diào)查期間二者的來源較少有關(guān)。膠州灣雨水中各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度具有顯著的時(shí)間變化,均與降水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,還與氣溶膠中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的來源和濃度有關(guān)。

(2)2015年膠州灣DIN,DON,PO4-P和SiO3-Si的濕沉降通量分別為141.7、61.87、0.35 mmol m-2a-1和0.12 mmol m-2a-1,月際間變化顯著。DIN和DON大致構(gòu)成3∶1的濕沉降格局,忽略DON將會(huì)嚴(yán)重低估膠州灣大氣N濕沉降通量。NH4-N占全部N濕沉降通量的48%,PO4-P和SiO3-Si的濕沉降通量較低。與國(guó)內(nèi)外其它海域相比,膠州灣的大氣N濕沉降通量處于較高水平。

(3)相關(guān)性分析表明,除DON外,其它形式的N營(yíng)養(yǎng)鹽可能具有較為一致的來源,NH4-N/NO3-N比值分析表明,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)致的無機(jī)氮排放構(gòu)成了膠州灣濕沉降DIN的主要來源。

(4)膠州灣大氣濕沉降營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷與陸源輸入相比較低,濕沉降可對(duì)表層海水的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度產(chǎn)生一定的加富效應(yīng),可能引發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化。以PO4-P計(jì)算,大氣濕沉降所支持的新生產(chǎn)力分別占膠州灣夏、秋季初級(jí)生產(chǎn)力的0.07%和0.57%,短時(shí)強(qiáng)降雨帶來的大量營(yíng)養(yǎng)鹽輸入會(huì)對(duì)膠州灣浮游植物豐度及初級(jí)生產(chǎn)力產(chǎn)生重要影響。濕沉降中DIN/P比高達(dá)1 617,而Si/DIN則低至0.001,濕沉降帶來的大量無機(jī)氮輸入可在某種程度上改變表層水體的營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu),加劇膠州灣表層水體的P限制或Si限制,并可能導(dǎo)致浮游植物優(yōu)勢(shì)種由硅藻到甲藻的演替,從而對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢(shì)種演替以及粒級(jí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響。作為生源要素生物地球化學(xué)循環(huán)的重要一環(huán),大氣濕沉降對(duì)膠州灣生源要素收支的貢獻(xiàn)及其引發(fā)的生態(tài)效應(yīng)不容忽視。

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Nutrients in atmospheric wet deposition and their ecological effects on Jiaozhou Bay in summer and autumn 2015

XING Jianwei1,2, SONG Jinming1,3,*, YUAN Huamao1,3, LI Xuegang1,3, LI Ning1,3, DUAN Liqin1,3, WANG Qidong1,2, ZUO Jiulong1,2

1KeyLaboratoryofMarineEcologyandEnvironmentalSciences,InstituteofOceanology,ChineseAcademyofSciences,Qingdao266071,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3FunctionLaboratoryofMarineEcologyandEnvironmentalSciences,QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology,Qingdao266237,China

Recently, owing to anthropogenic activities such as fossil fuel combustion and agricultural fertilization, the amounts of nutrients and other pollutants entering the marine environment via atmospheric wet deposition have been increasing. Large amounts of nutrients input resulting from short-term heavy rainfall may result in the temporary eutrophication of surface waters, and could even lead to red tides. Therefore, research has presently been focused on atmospheric wet deposition. Jiaozhou Bay, North China, is a typical semi-closed bay negatively affected by natural changes and anthropogenic activities. With the rapid development of the economy, society, and the population growth of Qingdao City, anthropogenic activities have resulted in ecological environmental deterioration, such as frequent occurrence of smog and sandstorms. This has resulted in a considerable increase in the transfer rate of terrigenous pollutants into the sea via atmospheric wet deposition. Thus, research on the nutrients of atmospheric wet deposition in Jiaozhou Bay has

considerable attention from governments, society, and scientists. To evaluate the nutrients influxes by atmospheric wet deposition and their ecological effects on Jiaozhou Bay, 33 wet deposition samples were collected in Jiaozhou Bay from June to November 2015. The concentrations of nutrients (NH4-N, NO3-N, NO2-N, PO4-P, and SiO3-Si), dissolved total nitrogen (DTN), and dissolved organic nitrogen (DON) were determined using a continuous flow analyzer. Results showed significant differences among the monthly average concentrations for nutrients, and negative relationships between several nutrients and the amount of precipitation. The concentrations of NH4-N and NO3-N in the rainwater were high, whereas the concentrations of NO2-N, PO4-P and SiO3-Si were low. Dissolved inorganic nitrogen (DIN) was the dominant species, accounting for 74.1% of DTN with DON accounting for 25.9% of DTN. The wet deposition fluxes of DIN, DON, PO4-P and SiO3-Si were estimated as 141.7 mmol m-2a-1, 61.87 mmol m-2a-1, 0.35 mmol m-2a-1, and 0.12 mmol m-2a-1, respectively. Temporal variations of the wet deposition fluxes of nutrients were evident, since they were affected by the amount of precipitation and the origin of nutrients. Significantly positive correlations were observed among different nitrogen forms (except for DON), suggesting that they had the same origin. The emission of inorganic nitrogen from agricultural activities was the main source of the DIN wet deposition in Jiaozhou Bay. The fluxes of DIN, DON, PO4-P and SiO3-Si by atmospheric wet deposition accounted for 9.04%, 10.24%, 0.57%, and 0.17% of the total external influxes of Jiaozhou Bay, respectively. The total influxes of PO4-P via atmospheric wet deposition in summer and autumn could support new productivities of 0.575 mg C m-2d-1and 1.42 mg C m-2d-1, respectively. The average molar ratio of DIN/P in the rainwater was 1,617, which was well above that in the seawater of Jiaozhou Bay, indicating that large amounts of nutrients inputs from sudden heavy rainfall could aggravate the P and Si limitation and further affect the nutrient structures of surface waters, as well as phytoplankton community structures and size-fractioned structures in Jiaozhou Bay. As one of the essential branches of the biogeochemical cycle of biogenic elements, the contribution of atmospheric wet deposition to the nutrient budgets and possible potential ecological effects on Jiaozhou Bay ecosystem cannot be neglected

nutrients; fluxes of atmospheric wet deposition; ecological effects; Jiaozhou Bay; summer; autumn

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究973項(xiàng)目課題(2015CB452901); 青島海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室鰲山卓越科學(xué)家人才專項(xiàng)(2015ASTP-OS13); 國(guó)家自然科學(xué)基金委—山東省聯(lián)合基金(U1406403)

2016- 04- 11; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2017- 03- 02

10.5846/stxb201604110665

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jmsong@qdio.ac.cn

邢建偉, 宋金明, 袁華茂, 李學(xué)剛, 李寧, 段麗琴, 王啟棟, 左九龍.膠州灣夏秋季大氣濕沉降中的營(yíng)養(yǎng)鹽及其入海的生態(tài)效應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(14):4817- 4830.

Xing J W, Song J M, Yuan H M, Li X G, Li N, Duan L Q, Wang Q D, Zuo J L.Nutrients in atmospheric wet deposition and their ecological effects on Jiaozhou Bay in summer and autumn 2015.Acta Ecologica Sinica,2017,37(14):4817- 4830.