中國南大洋海洋大氣化學研究進展

陳立奇 汪建君 詹力揚 祁第 張麋鳴 高眾勇 趙淑惠 顏金培 張遠輝 林奇 許蘇清 李偉 矯立萍 孫恒 張介霞 林紅梅 孫霞 秦修遠 陳魁

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中國南大洋海洋大氣化學研究進展

陳立奇 汪建君 詹力揚 祁第 張麋鳴 高眾勇 趙淑惠 顏金培 張遠輝 林奇 許蘇清 李偉 矯立萍 孫恒 張介霞 林紅梅 孫霞 秦修遠 陳魁

(國家海洋局海洋-大氣化學與全球變化重點實驗室, 國家海洋局第三海洋研究所, 福建 廈門 361005)

海洋大氣化學是一門海洋化學與大氣化學交叉的新學科。中國的南大洋海洋大氣化學研究與我國的南極考察事業(yè)同步成長。30多年來, 隨著南極科學考察的經(jīng)驗積累和數(shù)據(jù)集成, 我國的南大洋海洋大氣化學關鍵過程研究即大氣-海洋生物地球化學循環(huán), 碳、氮、硫、磷、鐵等的海氣交換研究都有了長足的進步。與氣候變化關系密切的碳、氮、硫的海-氣循環(huán)等研究, 取得了一批新的認知和成果, 引起國際學界的關注。自20世紀80年代早期開始至今, 我國已開展了三十多次南極科學考察, 在這些考察中開展了南大洋大氣氣溶膠物質(zhì)來源研究, 探究了大氣-海洋生物地球化學的一些關鍵過程, 估算了硫、磷、氮、鐵的海氣交換通量。隨著國家重大計劃“南極在全球變化中的響應與反饋作用”項目實施及后續(xù)研究的開展, 對全球變化的敏感要素碳、氮、硫、鐵在南大洋的源匯特征及其環(huán)境和氣候效應等進行了研究, 對其有了更深的了解。我們還對南大洋海冰區(qū)碳匯格局演變, DMS、MSA、N2O、Fe等的海氣交換過程及其對生態(tài)環(huán)境的影響有了新認知。同時, 在對上述化學物種的實時走航觀測關鍵技術研發(fā)上也取得了重要突破, 為未來開展相關研究提供了堅實的技術支持; 在站區(qū)大氣污染特征分布上進行了深入探討, 為了解人類活動對站區(qū)環(huán)境的影響提供了評估依據(jù)。

海洋大氣化學 生物地球化學循環(huán) 南大洋 進展

0 引言

南北極地區(qū)由于其自身獨特的自然環(huán)境和地理位置, 在地球系統(tǒng)的研究中占有重要的地位。南大洋占全球大洋面積20%, 是全球生命支持系統(tǒng)的重要組成部分, 而且在全球生物地球化學過程中具有其他地區(qū)不可替代的重要作用與地位，被認為是地球的最后生態(tài)屏障。南大洋海區(qū)是地球上最大的冷水團源地, 這使其成為世界各大洋中層水團和深層水團的主要源地, 其微小的變化都會影響全球的大洋環(huán)流; 南大洋海區(qū)還是大氣、海冰、海洋和生物相互作用的一個綜合系統(tǒng), 對環(huán)境變化具有極高的敏感性和放大作用。南大洋海洋大氣化學, 是研究海洋上覆大氣化學組成尤其是化學物種的含量、變化、海-氣物質(zhì)交換及對海洋生態(tài)系統(tǒng)和全球氣候變化的作用。對碳、氮、硫、鐵等全球變化敏感要素的上層海洋和底層大氣循環(huán)過程觀測和研究以及環(huán)境和氣候效應評估成為了南大洋海洋大氣化學研究的重要方向。同時, 海洋大氣化學不斷創(chuàng)新觀測工程技術, 建立一個由岸基和站基、浮標和潛標、船載和機載以及遙感和模型組成的立體觀測體系, 實現(xiàn)南大洋海洋大氣化學研究點-線-面的大尺度時空評估。海洋大氣化學新學科的建立, 大大促進了對極區(qū)氣候和環(huán)境敏感要素的大氣-生物地球化學過程和海-氣源匯格局的新認知。本文總結(jié)自我國首次南極考察30年以來, 海洋大氣化學觀測技術和研究的進展, 同時對今后發(fā)展進行展望。

1 南大洋海洋大氣化學的進展

我國的海洋大氣化學研究是與1984年中國首次南極和南大洋考察同步開始的[1]。當時由一批留學美國、英國和加拿大的我國學者學成歸來組建了我國第一個海洋大氣化學研究組, 在首次南極考察的“向陽紅10號”科考船安裝了自己研發(fā)的氣溶膠采樣系統(tǒng), 開始了我國首次海洋氣溶膠化學的現(xiàn)場觀測研究。隨著南極考察深入, 我國的南大洋海洋大氣化學的研究工作也有了快速的發(fā)展。1989年, 我國“極地號”科學考察船進行南極和環(huán)球科學考察, 科考人員采集了太平洋、南極海域、南大西洋, 印度洋及航線近岸海域大氣海洋氣溶膠樣品, 研究了海洋大氣中Na、Mg、K、Cl、Ca、Br、F的特征、金屬形態(tài)和入海通量, 闡述了海洋氣溶膠中化學物種的來源示蹤元素的特征[2-5]。1998年, 我國又在東南極中山站設立了海洋氣溶膠的長期觀測站[6-7]。

隨著考察船破冰能力進步和觀測技術創(chuàng)新, 南大洋海洋大氣化學步入了一個圍繞氣候變化敏感化學物種及其環(huán)境和氣候效應評估發(fā)展的新時代, 突出碳、氮、硫、鐵的大氣-海洋生物地球化學過程及其對氣候和環(huán)境反饋作用的評估。

1.1 南大洋硫循環(huán)特征

二甲基硫化物(Dimethylsulphide, DMS)在海洋與大氣相互作用及其通量在全球氣候變化中扮演著重要的角色。DMS由其前體二甲基巰基丙酸(Dimethylsulfoniopropionate, DMSP)通過藻類的酶或微生物酶解而來。DMSP由藻類利用海水中的硫酸鹽經(jīng)過一系列的反應合成產(chǎn)生, 不同藻類產(chǎn)生DMSP的能力有所不同。DMS通過海氣交換進入大氣后, 主要被大氣中的自由基OH?和NO3?氧化, 產(chǎn)生甲磺酸(Methane Sulphonic Acid, MSA)、SO2等產(chǎn)物, SO2可以進一步氧化形成非海鹽性硫酸鹽(nss-SO42–), 成為海洋大氣氣溶膠的重要組成[8]。同為DMS的氧化產(chǎn)物, MSA與nss-SO42–最大的不同是: MSA只由DMS轉(zhuǎn)化而來, 而SO42–還有其他來源。MSA唯一來源性就決定了冰芯中MSA的變化在全球環(huán)境變化研究中有十分重要的意義。MSA作為DMS記錄的替代指標, 在雪冰中的濃度和通量與海洋生物初級生產(chǎn)力的變化有關。也因此在大氣采樣和冰雪中研究DMS時, 常以甲基磺酸和硫酸根作為代表。南極深冰芯中的MSA和硫酸根的測定結(jié)果表明, 它們是反映末次冰期旋回中海洋-大氣硫循環(huán)及與氣候變化關系的敏感因子[9]。

DMS氧化產(chǎn)物可參與形成云凝結(jié)核(Cloud Condensation Nuclei, CCN), 并增加CCN的濃度, 即通過生成新的顆粒物或使原有細小顆粒物長大至CCN粒徑(> ~ 50 nm)。CCN濃度的增加提高了云層對太陽輻射的反射和散射率, 進而影響地表太陽輻射收支, 從而影響著全球的氣候[10], 因此DMS是國際重大研究計劃上層海洋與低層大氣研究(Surface Ocean and Lower Atmosphere study, SOLAS)的核心內(nèi)容之一。

南極海冰區(qū), 被認為是大氣DMS巨大的源區(qū), 對全球硫的收支平衡有著重要的貢獻。研究表明, 僅占世界海洋面積6%的南極海域(Antar-ctic Zone)和季節(jié)性海冰區(qū)(Seasonal Ice Zone), 可排放高達占全球DMS總通量的17%[11]。Kloster等[12]模擬不同季節(jié)全球海洋表層海水DMS平均濃度值的結(jié)果表明, 南大洋的春夏季具有較高的DMS濃度值, 其向大氣輸送的DMS基本上來自于這兩個季節(jié)。南半球的高緯度地區(qū)(南極和南大洋)在全球氣候系統(tǒng)中扮演著重要的角色, 在過去的氣候變化以及當前和未來由人類活動引起的氣候變化中起關鍵作用[13]。受全球變化影響的南極地區(qū), 可能對南大洋DMS的生物地球化學過程產(chǎn)生重要影響, 進而影響DMS的海-氣輸送通量, 而DMS的通量增加所產(chǎn)生的降溫的全球變暖負反饋作用, 是否會緩解南極地區(qū)的暖化過程是值得重視的。因此, 在南大洋區(qū)域開展關于DMS及其相關物質(zhì)的生物地球化學過程的研究就顯得非常迫切且富有意義。

自1987年CLAW理論提出后, 近年來多個大型項目如Sulfur Chemistry in the Antarctic Troposphere Experiment, Investigation of Sulfur Chemistry in the Antarctic Troposphere, Antarctic Tropospheric Chemistry Investigation相繼在南極執(zhí)行[14-17], 主要關注和硫循環(huán)相關的各種物理化學過程: DMS、MSA和MSA/nss-SO42–的濃度隨時間和緯度的變化特征, DMS向MSA氧化過程中的影響因素, 海冰進退對DMS濃度的影響, 以及各種氧化物的前體如OH?自由基和NO3?等隨時間的變化特征。

1.1.1 海水DMS測量和分布特征研究進展

南大洋是研究天然生源硫化物的優(yōu)良場所, DMS排放量甚至占全球DMS排放量的1/3以上[18-19]。尤其南極周邊海域, 如冰間湖區(qū)域, 海冰邊緣等地, 具有極高的生產(chǎn)力, 海水中的DMS濃度很高(可達上百nmol·L–1)。然而, 南大洋DMS的釋放量依舊被嚴重低估了[20], 原因主要有兩個: 一是海冰中也存在DMS[21], 冰-氣DMS通量因海冰數(shù)據(jù)的稀少尚無法準確評估; 無法準確評估南極海冰中DMS的釋放量; 二是在南大洋表層海水DMS的觀測數(shù)據(jù)嚴重不足, 模型估算南大洋DMS的釋放量存在很大的誤差。

此外, 在海洋大氣硫循環(huán)的研究中, 國內(nèi)學者對于南大洋區(qū)域硫循環(huán)的研究在海水及海冰領域DMS的觀測仍處于起步階段, 現(xiàn)場獲得的DMS數(shù)據(jù)量偏少, 導致估算海區(qū)的DMS海-氣通量具有很大的不確定性。遙感技術的出現(xiàn), 為實現(xiàn)全面的、長時間系列的海表DMS觀測提供可能。但遙感技術并不是直接測量海水表層的DMS濃度, 而是通過測量葉綠素(Chl a)濃度等參數(shù)來實現(xiàn)。

近十幾年, 搭載我國“雪龍”號極地考察船、利用中山站及長城站等極地考察平臺, 我國在南大洋及南極周邊區(qū)域開展了一系列有關硫循環(huán)領域的研究工作, 研究介質(zhì)涉及海水、海冰及大氣中的含硫化合物。主要成果如下:

1. 在大氣含硫氣溶膠的領域: Chen等[22]及Xu等[23]發(fā)現(xiàn)南大洋大氣中具有較高的MSA及nss-SO42–濃度值, 這與南大洋很強的DMS釋放或南極沿岸海域硫化物的釋放有關。同時, Chen等[22]也指出MSA/nss-SO42–與溫度在高緯度區(qū)域無明顯的相關關系, 溫度不是控制比值的主要因素。在中山站的含硫氣溶膠的研究表明, 中山站MSA及nss-SO42–具有明顯的季節(jié)變化, 主要體現(xiàn)為春夏季高, 秋冬季節(jié)低的特點, 這一變化主要與臨近冰間湖中浮游植物活動及冰間湖面積年際變化相關[24-25]。這些研究同時也迫切提出在南極開展海水及海冰中DMS的相關研究的必要性, 以此進一步評估海洋來源DMS的釋放對含硫氣溶膠的影響。

2. 在海水DMS的研究領域: 為開展南大洋海洋DMS海氣交換過程及其對氣溶膠影響的研究, 首先要建立一套高分辨率走航觀測表層海水DMS的方法, 并可與國際上觀測方法比對。由此, Zhang和Chen[26]通過改進傳統(tǒng)的吹掃捕集技術, 聯(lián)用氣相色譜脈沖火焰光度檢測器后, 實現(xiàn)了對表層海水DMS走航連續(xù)高分率觀測(10 min·樣–1), 并具有較低的檢測限0.05 nmol·L–1, 該方法成熟地運用于中國南北極科學考察現(xiàn)場觀測中。在中國第30次南極科學考察中, 發(fā)現(xiàn)南大洋表層海水DMS存在劇烈的時空變化, 在海冰邊緣及冰間湖等區(qū)域存在較高的濃度值, 這與浮游植物活動及海冰的影響相關[27]。同時, 該研究也發(fā)現(xiàn), 表層海水DMS和CO2具有很強的負相關關系, 并提出已有大量的CO2數(shù)據(jù)可能可以用來反演南大洋表層海水DMS的分布, 并進一步模擬南大洋表層海水DMS的分布及估算其海氣通量。此外, 通過和韓國極地研究所合作研究發(fā)現(xiàn), 南極阿蒙森海冰間湖區(qū)域發(fā)現(xiàn)了極高的DMS濃度值(高達300 nmol·L–1)[28], 遠遠高出此前美國科學家在該區(qū)域的研究報道濃度值[29]。這些研究也表明, 在南極冰間湖及海冰邊緣區(qū)域開展高分辨走航觀測的必要性, 通過大量的觀測來改善對南極區(qū)域DMS的分布特征的認識, 以此更好地評估南大洋DMS的海氣釋放通量。

3. 在海冰DMS的研究領域: 我國在海冰硫循環(huán)的領域仍處于初步探索階段, 張麋鳴等[30]在中國第30次南極科學考察中, 于中山站臨近固定冰區(qū)采集了兩根冰芯樣品, 發(fā)現(xiàn)海冰的上層具有很高的DMS+DMSP(二甲基巰基丙酸, DMS的前體物), 而海冰底部DMS+DMSP的濃度值不高。上層高的DMS+DMSP值與海水入侵刺激藻類生長有關, 同時隨著海冰的快速融化, 藻類顆粒在鹵道中垂向運輸, 而DMS由于薄冰層的阻礙, 在濁冰層中累積, 導致DMS+DMSP與葉綠素(Chl a)分布不一致。此外, 在海冰快速消融期, 海冰底部的脫落, 導致與文獻報道的DMS+DMSP高值觀測不同[31]。該研究的初步探索也表明, 南極中山站臨近固定冰區(qū)可以作為開展海冰快速融化時, 海冰中的生物活動、含硫化合物及冰氣DMS交換的一個優(yōu)良場所。

總的來說, 我國在南極海域硫循環(huán)的領域已經(jīng)開展了一些研究, 并有了一定的認識積累。然而, 我們還無法明晰南大洋DMS的產(chǎn)生機制, 特別是在藻華時期, 浮游動物及DMSP降解細菌在DMS產(chǎn)生過程中所扮演的角色還難以知曉。另外, DMS通過海氣交換進入大氣候, 其對氣溶膠組成的影響和含硫氣溶膠的生成和轉(zhuǎn)化機制, 及這一過程在對氣候影響中是否扮演了關鍵的角色依舊無法明晰。這也為我國在南大洋硫循環(huán)領域的研究工作提出了新的科學問題及挑戰(zhàn)。

1.1.2 氣溶膠中含硫組分MSA的分布和來源

盡管MSA在南極區(qū)域的研究十分豐富, 但相對來說, 在航線上尤其是至南北極的航線上MSA的數(shù)據(jù)相對有限。通常來說MSA在南半球高緯度濃度會升高。Bates等[32]和Davison等[33]分別對MSA在1989年從美國到南極和1992年從英國到南極的航線上的濃度的研究都驗證了這一點。通常的解釋是認為低溫有利于DMS向MSA的轉(zhuǎn)換, 導致南半球高緯度MSA濃度升高。由OH氧化DMS得到MSA是加成反應, 而由OH氧化DMS得到SO2(進一步為nss-SO42–)是消除反應。在有機反應中低溫有利于加成反應, 而高溫有利于消除反應, 也就是說溫度升高對DMS氧化成為MSA是不利的[34-35]。

陳立奇研究小組對中國南極考察航線上對氣溶膠多年的連續(xù)采樣, 并與孫俊英[36]在第一次北極航線上的氣溶膠數(shù)據(jù)進行對比, 第二次北極考察(2003年)的MSA和MSA/ nss-SO42–分布趨勢和首次北極考察的分布趨勢基本一致, 在北緯50°—60°濃度最高, 之后隨緯度升高逐漸下降, 對全球DMS的分布研究表明在北緯50°—60°這一區(qū)域DMS的濃度為最高[37]。在南半球, 氣溶膠MSA和MSA/nss-SO42–的濃度分布與北半球不同, 隨著緯度逐漸升高, 在南極沿岸附近急劇升高。在全球DMS分布的研究中, 南半球高緯度附近, 南極沿岸的DMS濃度確實較高。但根據(jù)通常的觀點認為低溫有利于DMS向MSA的轉(zhuǎn)化, 因此MSA/nss-SO42–這個比值和DMS的濃度沒有直接的相關關系, 而是和溫度更為相關, 因此在南北半球夏季溫度相當?shù)那闆r下, MSA/nss-SO42–在南北半球分布應該相似。但在中國南北極考察中獲得的數(shù)據(jù)表明, 在南北半球這個比值是不一樣的, 并且MSA/nss-SO42–和采樣溫度也沒有很好的相關性。因此很有可能是有DMS之外的原因在引起MSA/nss-SO42–比值的升高[38]。

除MSA之外, 為了研究南大洋和東南極大氣氣溶膠的水溶性無機和有機離子特征, 陳立奇和高原的研究小組在南大洋的研究結(jié)果表明海鹽是大氣氣溶膠的主要成分, 在南大洋約占72%, 東南極約占56%。南大洋nss-SO42–平均濃度為420 ng·m–3，東南極nss-SO42–平均濃度480 ng·m–3。南大洋MSA濃度范圍約63—87 ng·m–3, 東南極MSA平均濃度46—170 ng·m–3。南大洋草酸鹽平均濃度3.8 ng·m–3, 東南極平均濃度2.2 ng·m–3。甲酸鹽、醋酸鹽、琥珀酸鹽濃度低于草酸鹽。氣溶膠化學成分的粒徑分布呈現(xiàn)出雙峰形式, 在0.32—0.56 μm和3.2—5.6 μm處顯示出最高值。東南極氣溶膠中MSA主要分布在粒徑為0.32—0.56 μm的顆粒上。氯高度缺失與細顆粒的nss-SO42–、MSA和草酸鹽的富集有關。東南極NH4+/nss-SO42–比南大洋高, 顯示東南極大氣的中和能力更強。

1.2 南極上空氣溶膠污染物特征

1.2.1 南極科學考察站區(qū)氣溶膠污染物特征

人類活動對氣溶膠重金屬組分造成的影響是研究站區(qū)人類活動對極地區(qū)域環(huán)境影響的重要因素之一[39]。研究表明空氣懸浮污染物沉降在距考察站站區(qū)10—100 km的雪地表面仍可檢測到[40]。研究顯示人類活動大約每年輸入南極地區(qū)大氣約1 800 kg的鉛, 大約相當于南極大氣含鉛總量的20%[40]。在阿德米拉爾蒂灣(Admiralty Bay)地區(qū), 通過正常降水形式到達地表的物質(zhì)每年達5 t·km–2,而同一地區(qū)大氣降塵總量卻高達每年12.7 t·km–2, 由此可見大氣污染的程度以及對地區(qū)環(huán)境構(gòu)成的嚴重威脅[41]。普遍認為, 大氣懸浮污染物對南極陸地植物產(chǎn)生嚴重威脅, 尤其是對在南極無冰地區(qū)的地表植被占絕對優(yōu)勢的各種地衣[42]。在Artwoski站, 采于站區(qū)垃圾焚燒場(incinerating plant)附近的地衣葉狀體樣品中, 微量金屬元素的含量水平是站區(qū)以外地衣樣品的幾倍甚至幾十倍[43]。在Casey站受污染地衣(Umbilicariadecus-sata, Usneaspacelata)葉狀體內(nèi)葉綠素的含量只有生物保護區(qū)內(nèi)同種健康地衣的1/2到2/3[44]。

1.2.2 南極考察航線上氣溶膠污染物特征

陳立奇研究組在1986年11月—1987年5月中國第三次南極考察和環(huán)球科學考察期間, 收集了58個海洋氣溶膠樣品, 分析了Na、Mg、K、Cl、Ca、Br、F、Al、V、Mn、I、Fe、Pb、Cu和Cd等元素。應用因子分析、回歸分析和富集因子分析對氣溶膠中的各類元素進行分類、定量評估和來源判別。結(jié)果表明, 海洋氣溶膠中Al的99.99%是來自陸源地殼風化物, Na的99.2%和C1的99.99%是來自海水, V的91.4%來自陸源污染物[4]。因此, Al可作為海洋氣溶膠陸源地殼風化物的示蹤元素, Na和Cl可作為海水源示蹤元素, 非地殼源的V則可選擇為陸源污染物的示蹤元素[3]。Cl和Ca在大洋上空也主要來自海水, 但近岸海域大氣, 卻明顯受到陸源物質(zhì)輸送影響, 呈現(xiàn)出不同的Cl/Na和Ca/Na比值; Ca、Br、F在大氣中的富集, 在大洋上空可能歸因于海洋生物活動或海洋微表層富集作用, 而在近岸大氣, 歸因于陸源輸送影響[2]。氣溶膠中金屬表現(xiàn)明顯陸源向大洋輸送的濃度梯度, 近岸海域上空金屬含量大于大洋上空含量, 北太平洋上空含量高于南太平洋和南極半島海域。李天杰等[45]在1991—1992年中國第八次南極考察航線上, 用分級撞擊式采樣器采集了13個氣溶膠樣品, 用PIXE法分析了樣品中的Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Br、Pb等17種元素, 并應用富集因子分析、相關分析和主因子分析, 研究了氣溶膠粒子中的元素組成、濃度粒度分布、氣溶膠的地球化學類型、主要來源及其貢獻。結(jié)果表明, 研究區(qū)氣溶膠中元素的來源、組成、濃度粒度分布具有明顯的地理規(guī)律性; 氣溶膠方面, 如海洋氣溶膠除主要來源于海水并受所在洋區(qū)及其周圍環(huán)境的影響外, 還受全球性和局地性大氣環(huán)流的控制, 而近岸大氣明顯受陸源(地殼源和人為源)傳輸?shù)挠绊慬46]。

黃自強等[47]1999年11月—2000年4月, 在中國第16次南極科學考察往返航線上的海域, 采集了22個海洋氣溶膠樣品, 用原子吸收分光光度法測定了樣品中的Cu、Pb、Zn、Cd、Fe、A1、Mn、Cr、V、K、Na、Ca、Mg等13種元素的含量。研究表明氣溶膠重金屬微量元素的分布具有明顯的地理區(qū)域性。應用元素富集因子、相關分析和因子分析等方法研究了西太平洋、東印度洋、南大洋、中國南極中山站鄰近海域氣溶膠中各元素的來源。

中山站1998—2000三年的氣溶膠樣的結(jié)果表明除南極中山站氣溶膠中的Na、Cl、Mg、Ca、Sr、Br、I和Rb等8個元素主要來自海洋, Al、Sc、Fe和Mn主要來自陸源, 而Se、Co、Sb、Zn和Cr等元素相對海源元素Na和陸源元素Al都呈現(xiàn)出高度的富集, 屬于重金屬污染特征元素, 可能與站區(qū)的發(fā)電、垃圾焚燒、污水處理、車輛運行和加工制作等人類活動有關[7]。五個污染元素Se、Co、Sb、Zn、Cr的濃度和其他南極考察站, 如美國的McMurdo站和韓國的King Sejong站氣溶膠重金屬濃度在一個數(shù)量級[48-50]。這在一定程度上說明南極中山站人類活動對站區(qū)大氣的影響和其他站區(qū)相當。同時這些污染元素都沒有顯示出明顯的季節(jié)變化。一般說來, 海源和陸源元素的變化都受到季節(jié)變化的氣象因素變化影響, 而表現(xiàn)出一定的季節(jié)特點; 因此重金屬元素Se、Co、Sb、Zn、Cr較為均一的季節(jié)分布在一定程度上說明它們的來源不受自然季節(jié)控制, 而是當?shù)爻掷m(xù)穩(wěn)定的來源, 如人類活動[6]。

南大洋上空氣溶膠中金屬元素濃度明顯低于南太平洋和北太平洋, 其中水溶性Mn、Fe、Pb、Cu、Cd在南大洋上空入海通量分別為0.1 mg·m–2·a–1、0.03 mg·m–2·a–1、2.0×10–8mg·m–2·a–1、3.0×10–8mg·m–2·a–1、0.9×10–8mg·m–2·a–1。Zhao等[51]對第28次南極考察航次在南大洋上空采集的海洋氣溶膠中痕量重金屬的濃度、空間分布特征及可能來源進行了分析探討, 結(jié)果表明, 南大洋上空氣溶膠中Fe是含量最高的金屬, 其次為V和Zn, 雖然海鹽對海洋氣溶膠的影響比較大, 但是通過富集因子和主成分分析結(jié)果表明大多數(shù)的金屬元素均不是來自于海洋源, Fe、Cd、As、Al、Cr等主要還是源自于陸地地殼源, Cu、Pb、V和Zn等則主要來自于陸地地殼源和人類活動排放, 越接近大陸氣溶膠中的這些金屬越多的來自于地殼源。

徐國杰等[52]研究表明南大洋區(qū)域海鹽離子濃度較高, 可能與風速有關; 賀仕昌等[53]利用第25—28次中國南極科考航次采集的大氣氣溶膠樣品對南大洋上空大氣有機氯農(nóng)藥進行了分析, 結(jié)果表明南大洋上空海洋氣溶膠中有機氯農(nóng)藥化學組成變化不大; 其中a-HCH/γ-HCH比值均大于1, 小于傳統(tǒng)工業(yè)HCHs中a-HCH/γ-HCH(3-7)值, 表明有γ-HCH源輸入; p,p’-DDT/p,p’-DDE的比值均小于1, 表明沒有新鮮DDT源的輸入或歷史源DDT遠遠大于新DDT源, 這與在南半球國家大多都禁止生產(chǎn)及使用DDT有很大的關系; 有機氯農(nóng)藥干沉降通量呈現(xiàn)逐年下降趨勢, 其中第25次南極航次南大洋航段大氣DDTs干沉降通量可達14 670.8 kg·a–1, 第28次南極航次南大洋航段下降至5 902.6 kg·a–1。

1.3 南大洋大氣Fe的輸入及其生物效應

東太平洋和南大洋的許多海區(qū)都屬于“高營養(yǎng)鹽低葉綠素”(HNLC)的海域, 其特征是由于鐵元素缺乏而限制了浮游植物的生長。冰期時風成沙塵通量增加了數(shù)倍, 大量鐵元素輸入大洋, 可以大幅度提高新的生產(chǎn)力, 導致大氣CO2濃度下降。近年來在赤道東太平洋、北太平洋、南大洋等地進行的“鐵施肥試驗”, 成功地誘發(fā)了藻華, 使生產(chǎn)力提高達數(shù)十倍。將“鐵施肥試驗”與“沉積雨比例”假說相結(jié)合, 科學家又提出了“硅假說”[54]或“硅質(zhì)堿度泵假說”[55], 當風塵帶來鐵的同時也帶來硅, 回答了Archer等提出硅來源的難題; 而且鐵在海水中的滯留時間僅幾十年, 而硅可滯留1.5萬年[56], 這符合了冰期旋回的萬年際的時間尺度。

人為鐵施肥增碳匯的科學原理, 在于通過向海洋施加鐵肥可刺激浮游植物初級生產(chǎn)力, 從而增加其對CO2的吸收, 并最終通過生物泵向下輸出顆粒有機碳, 從而達到增加碳匯的效果。潛在可實施的海區(qū)主要有兩類: 即高營養(yǎng)鹽低葉綠素海區(qū)(HNLC)和低營養(yǎng)鹽低葉綠素海區(qū)(LNLC), 前者鐵限制浮游植物初級生產(chǎn), 而后者是鐵限制了生物固氮。

南大洋于2000年實施的“鐵施肥試驗”結(jié)果是生物量增加了4倍, 觀測到硅藻增加而顆石藻減少, 但溝鞭藻、綠藻等幾乎不受影響。在亞得里亞灣北部河口區(qū), 測得春秋河水泛濫期以硅藻為主, 平時水體分層時以顆石藻為主。此結(jié)果也表明: 地球環(huán)境工程通常涉及長時間尺度與大空間范圍, 因而其對環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)的影響并不是在其實施初期立即得到體現(xiàn), 而往往需要長期的觀測才能呈現(xiàn)出其所有正面和負面的效果及影響。因此, 研究大氣對表層海水不同形態(tài)鐵的輸入, 成為了解南大洋天然鐵的輸入及其生物效應評估的重要研究課題。

為研究大氣可溶性鐵在南大洋和東南極的特征, 高原和陳立奇的研究小組[57]于2010年11月—2011年4月在40°S, 100°E—69°S, 76°E及69°S, 76°E—66°S, 110°E的海域采集大體積及分級氣溶膠(直徑: 0.056—18 μm)。南大洋總鐵的濃度在19 ng·m–3(range: 10—38 ng·m–3), 東南極在26 ng·m–3(range: 14—56 ng·m–3)。南大洋可溶性鐵(II)的濃度在0.22 ng·m–3(range: 0.13—0.33 ng·m–3), 東南極在0.53 ng·m–3(range: 0.18—1.3 ng·m–3), 總可溶性鐵趨勢相似。南大洋上空可溶性鐵(II)在不同顆粒粒徑上的分布呈現(xiàn)為單峰模式, 在東南極為雙峰模式, 雙峰分別為0.32—0.56 μm及5.6—10 μm。相較于南大洋, 東南極更高的鐵濃度及粗粒徑Fe(II)顯示南極大陸可能提供Fe(II)來源。Fe(II)的可溶性比例約在0.58%—6.5%,并隨著總鐵濃度上升而下降。南大洋Fe(II)的大氣通量估算約在0.007—0.092 mg·m–2·a–1, 東南極Fe(II)的大氣通量估算約在0.022—0.21 mg·m–2·a–1。東南極總可溶性鐵的大氣通量估算約在0.07—0.52 mg·m–2·a–1。大氣可溶性鐵的輸入對南大洋表層可溶性鐵有貢獻。高原和陳立奇小組還利用后向軌跡分析手段分析了濃度較高的樣品的大氣來源。指出在東南極沿岸海域鐵通常較南大洋濃度高, 南極大陸可能是這一高濃度的來源。高原等[57]還繼續(xù)對南大洋的Fe在不同粒徑上的分布做了研究, 指出隨著與岸邊距離減少, 可溶性Fe的粒徑有減少的趨勢。

1.4 南大洋海-氣碳通量及其氣候效應

自工業(yè)革命以來, 大量的溫室氣體-二氧化碳被快速累積到大氣中，引起全球變暖。全球變暖現(xiàn)象使得二氧化碳成為世界各國科學家和政客關注的焦點。海洋能夠吸收二氧化碳, 并將其隔離封存, 緩和了溫室效應, 從而對全球氣候進行調(diào)節(jié)。已知南大洋是全球海洋主要的CO2匯區(qū), 在其44°S以南海域CO2吸收量占據(jù)全球海洋吸收CO2的30%以上[58]。

因此南大洋碳循環(huán)研究在許多國際重大計劃中被列為重要內(nèi)容, 也成為了全球變化科學研究的熱點和難點。國際上有關科學組織和國家積極開展了許多南大洋碳循環(huán)方面的研究, 啟動了數(shù)項大型國際合作項目如SO-JGOFS(南大洋聯(lián)合全球海洋通量研究)、GLOCHANT(南極地區(qū)在全球變化中的響應與反饋作用)、SOIREE(南大洋加鐵實驗)等。我國也與國際大計劃接軌, 加強南大洋碳源匯格局研究, 包括國家重點自然科學基金和“九五”攻關重點項目等的“南大洋海冰區(qū)碳循環(huán)的研究”、科技部“十一五”國家科技支撐計劃項目“南大洋碳循環(huán)監(jiān)測技術及應用研究”以及極地“十二五”專項研究“南大洋海洋化學與碳通量”等。

普里茲灣位于西福爾丘陵的澳大利亞戴維斯站近岸海域, 是東南極陸架區(qū)最大的港灣。融冰發(fā)生在12月底到1月初期間, 無冰狀態(tài)會一直持續(xù)到3月初。近岸水流主要來自于西部冰架, 這也使得普里茲灣鹽度接近開闊大洋, 鹽度保持在33‰—34.5‰, 且季節(jié)性的溫度變化范圍在2℃以內(nèi)[59]。因此, 普里茲灣是南大洋的一個重要區(qū)域, 在南大洋碳循環(huán)中起到至關重要的作用。

Gao等[60]調(diào)查了1999年11月—2000年4月“雪龍”船巡航期間的二氧化碳分壓(CO2, μatm), 發(fā)現(xiàn)普里茲灣近岸海域CO2偏低, 近中部海海域偏高, 且CO2的區(qū)域分布情況與葉綠素a的分布情況呈現(xiàn)明顯的負相關趨勢。這表明生物生產(chǎn)最有可能是南大洋夏季碳循環(huán)的主要驅(qū)動因素。然而, 在普里茲灣外灣附近(約64°S), 水文過程則成為了控制表層海水CO2的主要因素。生物地球化學示蹤數(shù)據(jù)表明, 富含溶解性無機碳的繞極深層水的上涌是CO2分布的主要驅(qū)動力, 這也意味著普里茲灣以外的區(qū)域是大氣二氧化碳的重要來源。Gao等[60]計算了普里茲灣海氣二氧化碳通量灣內(nèi)約為?3.23 mmol·m–2·a–1, 灣外為0.62 mmol·m–2·a–1, 平均海氣通量為?2.50 m–2·a–1。

南大洋由于面積大, 風速高以及有機碳向深水輸出高, 被認為是世界海洋中人為二氧化碳最大的匯集區(qū)[61-63]。然而, 由于有限的現(xiàn)場測樣和取樣不足, 該海域的大氣CO2吸收率評估仍存在較大的不確定性[63]。

Gao等[64]利用我國東南極中山站與西南極長城站之間的航線考察數(shù)據(jù), 計算了南大洋冰區(qū)的CO2源匯分布和評估南半球夏季60°W和80°E的海-氣CO2通量。結(jié)果表明, 夏季南大洋大氣CO2濃度在80°W—80°E下降, 且在40°W—30°E和10°W—10°E的區(qū)域內(nèi)下降尤為顯著。從長城站返回中山站的航渡觀測資料, 也獲得了類似的碳匯分布情況。且1月份調(diào)查海域大氣中二氧化碳的吸收量是12月份的兩倍。用最新的方法計算CO2的輸送速度, 在1月份和12月份測得CO2通量分別為–3.98 mol·m–2·a–1和–2.13 mol·m–2·a–1。南大洋夏季平均CO2通量為–3.06 mol·m–2·a–1, 表明該地區(qū)是南半球CO2的重要匯集區(qū)。

Chen等[65]報道了用于計算南大西洋和印度洋海氣通量的外推方法。中國第16次和第21次南極科學考察期間, 測定了1999年12月, 2000年1月, 2004年12月和2005年1月從中山站到長城站的CO2, Chl a和SST數(shù)據(jù)。將這三者之間的經(jīng)驗關系應用于遙感反演的Chl a和SST的數(shù)據(jù)集, 估算了南大西洋和印度洋海域每月的海-氣CO2吸收通量。結(jié)果表明碳通量具有顯著的時空變異性。在南緯50°從60°W—80°E的冰緣區(qū), 大氣CO2的月吸收量在1999年12月、2000年1月、2004年12月和2005年1月所觀測分別為–0.003 55, –0.005 73, –0.003 61和–0.005 25 GtC, 表明經(jīng)過了5年再觀測比較, 在南極初夏12月碳匯變化不大, 而在盛夏的1月份, 吸碳能力則明顯下降, 這可能與海洋溫度升高后大氣CO2快速侵入表層海水而吸碳能力下降驅(qū)動機理有關[66]。在Chen等[65]的工作中發(fā)現(xiàn)南大西洋和南印度洋的海水CO2與Chl a呈負相關關系, 與上升流海區(qū)的SST也呈負相關。其中CO2和Chl a的負相關關系是由生物效應所造成, 而SST的負相關則歸因于海水混合, 上涌和熱力學效應。生物影響可能在SST占優(yōu)勢的區(qū)域更為明顯, 因為生物活動往往在溫暖的水中而有更高呼吸效應, 而物理影響可能還包括Chl a優(yōu)勢區(qū)域, 因為海水混合會影響生物作用[67]。

然而, Xu等[68]根據(jù)2009年中國第26次南極科學考察對表層海水CO2(μatm)的觀測, 發(fā)現(xiàn)南大西洋和印度洋扇形區(qū)域的CO2sw明顯低于太平洋地區(qū)。此外, 根據(jù)區(qū)域Chl a值,CO2sw與Chl a和SST顯示出不同的關系。因此, 他們根據(jù)經(jīng)驗推導出0.5 mg·m–3的Chl a分界值。在Chl a值大于0.5 mg·m–3的地區(qū),CO2sw與Chl a呈負相關。當Chl a值小于0.5 mg·m–3時, 發(fā)現(xiàn)在2009年11月和12月,CO2與Chl a和SST呈正相關關系,2值分別為0.63和0.76。Xu等[68]考慮了海冰的影響, 并根據(jù)不確定度傳遞公式, 估算了2009年11月南大洋大氣二氧化碳的排放量為1.65 Tg·C(Tg=1012g), 不確定度為±0.73 Tg·C。然而, 在2009年12月, 他們的估算結(jié)果是二氧化碳匯為–2.34 Tg·C, 不確定度為±1.03 Tg·C。在南半球夏季, 南大西洋和南太平洋仍然是強大的碳匯。與Takahashi等[69]的月排放結(jié)果相比, Xu等[68]的結(jié)果揭示了海氣碳通量的相似分布。

1.5 N2O源匯格局及其氣候效應

氧化亞氮(N2O)是大氣中痕量的溫室氣體之一。盡管目前N2O在大氣中的組分以ppbv的數(shù)量級存在, 但等濃度條件下, N2O的溫室效應是CO2的300倍左右[70], 對全球溫室效應的貢獻為5%—6%[71], 是除CO2、CH4之外第三重要的溫室氣體[72]。另外, 在平流層N2O的光化學產(chǎn)物NO可與O3反應, 破壞臭氧層[72], 自氟利昂被禁止使用后, N2O將成為21世紀破壞臭氧層的主要氣體[73]。大氣中N2O濃度已從工業(yè)革命前的(～270±1 ppbv)[74]增加至目前～329 ppbv, 并以每年0.26%的速度穩(wěn)定增長。潛在的溫室氣體N2O逐漸成為大量研究者的重要研究對象。

海洋是大氣N2O的重要來源, 每年向大氣釋放3.8(1.8—5.8)Tg N (1 Tg N = 1012g N), 約占總自然源的1/4—1/3左右[75-76]。自1963年首次對海洋中溶解N2O濃度進行分析以來, 研究者們相繼對不同海域海洋中N2O進行相關的研究[77]。N2O在海水中的溶解度受溫度、鹽度、溶解氧以及物理混合過程等因素的影響。研究顯示, 大部分開闊大洋表層海水與大氣N2O接近平衡, 部分海域出現(xiàn)明顯過飽和現(xiàn)象, 如沿岸上升流[76]和缺氧區(qū)[78]。由于受采樣條件的限制, 研究者們對南大洋N2O的研究和認知相當有限。南大洋N2O源匯格局隨著現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)的增多以及與模型的結(jié)合, 其通量評估值也不斷下調(diào), 對大氣的貢獻量從早期的1.7 Tg N·a–1[79]下調(diào)至0.9 Tg N·a–1[80]。相關研究觀察到南大洋N2O不飽和現(xiàn)象[5,81-82]。但由于研究海域水文特征的復雜性、實測數(shù)據(jù)缺乏以及海洋N2O模型的有限性, 南大洋對大氣N2O的貢獻估算仍存在著很大不確定性。

自2005年起, 我國利用“雪龍”號開展南大洋N2O研究, 重點關注印度洋扇形區(qū)普里茲灣周邊海域, 發(fā)現(xiàn)表層海水中N2O存在明顯的空間分布差異, 隨緯度從30°S—67°S的增加而增加, N2O濃度逐漸上升到8.9±0.2和17.9±0.3 nmol·L–1之間。在亞南極峰和極峰兩側(cè)[83], 由于水文結(jié)構(gòu)不同, 鋒面以北表現(xiàn)與大氣接近平衡或過飽和狀態(tài), 其原因可能是由于次表層硝化過程較強引起; 而鋒面以南則為不飽和現(xiàn)象, 此不飽和特征的形成可能是由夏季期間融冰水稀釋引起的[5,84-85]。已有研究觀測到海冰中N2O濃度較低, 為6 nmol·L–1, 是其在表層海水飽和度的40%[86], 歸因于主要是當海冰形成時, 部分N2O同鹽鹵水一起被排擠出, N2O通過海冰同時釋放至大氣或者冰下水中, 因此南大洋海冰的消融過程可能是一種潛在的源或匯轉(zhuǎn)換機制。在垂直分布上, 以普里茲灣陸塹為界(～66.8°S), N2O的分布特征存在灣內(nèi)較低, 灣外較高的現(xiàn)象。灣內(nèi)不飽和狀態(tài)是由于陸架水、冰架水在結(jié)冰和融冰相互作用, 以及過冷卻水形成的結(jié)果。灣外飽和度處于110%以上, 濃度范圍為17—24 nmol·L–1, 繞極深層流(CDW)的涌升可能攜帶高濃度的N2O水體或本地產(chǎn)生或兩者共同作用可能是導致N2O過飽和的原因。

1.6 多參數(shù)走航觀測系統(tǒng)的研發(fā)

我國南大洋海洋大氣化學的進步得益于改革開放, 走出去和引進來, 消化再創(chuàng)新, 至今已取得了10多項的國家授權的發(fā)明專利, 極大地提升獲取高分辨率的原位觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)量。

我國南大洋氣溶膠化學研究的開展, 得益于20世紀80年代我國選派到美國羅德島海洋研究生院學習全球變化和海洋大氣化學的年輕學者。他們參加全球海氣交換實驗(SEAREX)計劃, 在澳大利亞和新西蘭現(xiàn)場實踐。學成回國后他們改進了防污染大容量氣溶膠采樣系統(tǒng), 先后安裝在“向陽紅10”號、“極地”號和“雪龍”號等科考船上, 成功地連續(xù)采集大氣氣溶膠樣品, 為研究提供了可靠的科學數(shù)據(jù)。通過改進和創(chuàng)新, 目前海-氣的顆粒交換觀測已經(jīng)處于國際領先水平, 可實現(xiàn)同步測量表層海水的DMS和大氣MSA等硫的大氣-海洋生物地球變化循環(huán)的關鍵化學物種, 為微生物-海水硫-大氣硫-氣候循環(huán)的CLAW假設驗證提供了關鍵過程的原位觀測科學數(shù)據(jù)。

我國南大洋海洋大氣化學中溫室氣體的研究, 也得益于80年代初開始選派學者到加拿大學習海-氣觀測技術, 后改進了海氣CO2觀測系統(tǒng)。但是, 由于當時“極地”號科考船上沒有表層海水的采集系統(tǒng), 只能自帶抽水泵, 在船航行期間, 抽水泵無法正常抽水, 因而只能在停船期間采水, 采集數(shù)據(jù)非常有限且質(zhì)量不高。2007年, 借我國“雪龍”號極地科學考察破冰船全面升級改造之機, 利用正在進行的中美碳循環(huán)國際合作項目, 全面改造升級完善雪龍船碳循環(huán)專門實驗室, 進一步完善實驗室用的表層海水的提供能力, 裝備了美國NOAA最新研制的、國際上最先進的多參數(shù)走航CO2觀測分析系統(tǒng)。這為深入研究南大洋碳循環(huán)及碳的生物地球化學過程打下了堅實的基礎?，F(xiàn)在“雪龍”船上已配備高精度的全航程走航數(shù)字化觀測能力, 能同時記錄船位(GPS)資料、大氣二氧化碳分壓、海水二氧化碳分壓, 并同步觀測pH、葉綠素、溶解氧、表層海水溫度、鹽度等相關重要理化參數(shù)。

近年來, 全球氣候變暖、海冰快速融化, 準確評估南大洋N2O源匯格局也越來越受到挑戰(zhàn)。由于南大洋惡劣的現(xiàn)場條件, 欲準確評估南大洋N2O源匯通量, 需研發(fā)一套具有高分辨率的激光光譜技術在線觀測。我國自主研發(fā)了一套溫室氣體走航觀測系統(tǒng), 該套系統(tǒng)采用光腔衰蕩光譜技術, 結(jié)合吹掃捕集系統(tǒng)、氣液平衡系統(tǒng), 適用于表層海水實時走航觀測。該套系統(tǒng)通過軟件編程實現(xiàn)表層海水、大氣以及待測標準氣之間自動切換測量, 實現(xiàn)溫室氣體表層海水自動標定。平衡器平衡時間僅需3.4 min, 分析時間20 s, 測量相對標準偏差0.5%左右, 該套系統(tǒng)具有精度高、自動化程度高、操作簡單、分析時間短等優(yōu)點, 明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的氣相色譜分析方法, 相關方法已獲得國家知識產(chǎn)權局發(fā)明專利, 相關方法已獲得國家知識產(chǎn)權局發(fā)明專利。2017年, 該套系統(tǒng)投入到中國第33次南極科學考察中, 首次獲得高分辨率N2O表層海水數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)結(jié)果很好指示了表層海水的鋒面結(jié)構(gòu), 極鋒以南, 過飽和現(xiàn)象更為顯著, 說明該區(qū)域存在N2O源。

2 南大洋海洋大氣化學研究展望

南大洋遠離工業(yè)發(fā)達的大陸, 受天然或人類活動產(chǎn)生的污染源影響很小, 受季節(jié)性的海冰覆蓋面積變化明顯, 是進行大氣氣溶膠研究與大氣生物地球化學循環(huán)背景研究的理想地方。我國近十幾年對南大洋和南極洲邊緣大氣環(huán)境關鍵化學要素展開了相關的研究, 也通過多年的考察工作積累, 取得了重要進展。主要進展有: (1)海洋環(huán)境的氣溶膠離子來源與分布特征; (2)南極站區(qū)的重金屬氣溶膠特征與南大洋海洋氣溶膠特征; (3)鐵施肥對海洋生產(chǎn)力的影響; (4)極區(qū)大氣地球化學循環(huán)的硫、磷、氮循環(huán), 如DMS的海氣交換過程研究與N2O的匯源格局與通量等方面都取得了相應進展。海洋大氣環(huán)境的協(xié)調(diào)與平衡離不開對各個組分在海氣界面上進行的化學反應與物理反應所帶來的影響, 離不開各化學要素的獨立與相互作用反饋, 想要真正掌握海洋大氣環(huán)境的變化特征需要對各個組分的影響情況與作用機制都具有相當?shù)牧私? 這也是我國重視海洋大氣環(huán)境所展開相關調(diào)查研究的重要原因。

2005年南極條約協(xié)商會議通過的“南極環(huán)境影響評價指南”第四號決議中, 進一步確定, 在南極活動中, 要對該活動本身的累積影響和與在《南極條約》地區(qū)的其他活動一起產(chǎn)生的累積影響進行環(huán)境影響評估, 內(nèi)容包括車輛、船舶、發(fā)電、建筑等過程對大氣排放有害物質(zhì)。每個南極條約國每年都要向南極環(huán)境保護委員會提交國家南極活動和觀測報告, 而所有提交這些文件都包括大氣氣溶膠化學有關內(nèi)容。

另外, 作為“自然科學的天然實驗室”和“全球氣候的調(diào)節(jié)閥”, 南極發(fā)揮著無可替代的巨大作用, 它純凈的荒原環(huán)境必須得以維護與保持。事實上, 南極環(huán)境保護的意義已經(jīng)遠遠超出保護南極自身, 保護南極環(huán)境實質(zhì)上就是保護我們所居住的這個星球[87]。南極地區(qū)擁有世界最后一個天然的、未曾接受人為改造的陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)。然而, 必須認識到的是南極陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)是地球上最為簡單也是最為脆弱的生態(tài)系統(tǒng), 一旦遭到人為破壞, 便極難甚至無法自行恢復[82]。人類在南極考察應該盡量減少自身產(chǎn)生的污染和其他負面環(huán)境效應上進行。

因此, 南極海洋氣溶膠化學調(diào)查研究將成為南極科學和全球環(huán)境科學重要內(nèi)容。研究全球性陸源化學物種大氣輸送對南大洋生態(tài)、南極大陸環(huán)境和古氣候等的影響, 如海洋氣溶膠中Fe對南大洋高營養(yǎng)鹽低生產(chǎn)力海區(qū)的輸入影響已成為當前南大洋海洋氣溶膠化學和碳循環(huán)科學的研究熱點。

對于DMS的海氣交換與N2O匯源通量研究也是我們對南大洋大氣環(huán)境研究的重點工作。極區(qū)的海冰環(huán)境對南大洋的生物地球化學循環(huán)、熱通量、對氣候的影響及反饋等過程都起著重要作用, 對全球溫室氣體的調(diào)控方面起著積極的作用。N2O是影響全球氣候變化的重要溫室氣體之一, 加強對南大洋N2O研究, 對估算全球N2O的收支提供重要的依據(jù)。DMS對大氣氣候變化潛在的負反饋調(diào)節(jié)機制對未來氣候變化也十分重要, 我國在南極區(qū)域硫循環(huán)的領域已經(jīng)開展了一些研究, 取得了重要進展。進一步了解南大洋DMS的產(chǎn)生機制, 特別是在藻華時期, 浮游動物及DMSP降解細菌在DMS產(chǎn)生過程中所扮演的角色是我們目前要研究的重要課題。另外, 研究DMS釋放對氣溶膠顆粒物形成機制及對CCN貢獻的影響，DMS通過海氣交換進入大氣, 其對氣溶膠組成的影響, 含硫氣溶膠的生成和轉(zhuǎn)化機制及這一過程對氣候影響是否扮演了關鍵的角色, 這也為我國在南大洋硫循環(huán)領域的研究工作提出了新的科學問題及挑戰(zhàn)。目前我們正面臨著南大洋碳源匯格局變異及快速海洋酸化情景。圍繞即將開展的我國國際大科學計劃“極區(qū)環(huán)境與氣候變化”，南大洋碳循環(huán)與海洋酸化也是這個大科學計劃不可或缺的研究課題，旨在了解全球變化脅迫下地球最后自然生態(tài)屏障—— 南大洋生態(tài)系統(tǒng)向何處去，為提供中國的研究方案和治理方案作出貢獻。

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PROGRESS IN CHINESE RESEARCH ON MARINE ATMOSPHERIC CHEMISTRY OVER THE SOUTHERN OCEAN

Chen Liqi, Wang Jianjun, Zhan Liyang, Qidi, Zhang Miming, Gao Zhongyong, Zhao Shuhui, Yan Jinpei, Zhang Yuanhui, Lin Qi, Xu Suqing, Li Wei, Jiao Liping, Sun Heng, Zhang Jiexia, Lin Hongmei, Sun Xia, Qin Xiuyuan, Chen Kui

(Key Laboratory of Global Change and Marine-Atmospheric Chemistry of State Oceanic Administration, Third Institute of Oceanography, SOA, Xiamen 361005, China)

Marine atmospheric chemistry is a frontier interdiscipline which combines marine chemistry and atmospheric chemistry. Chinese researches in marine atmospheric chemistry over the Southern Ocean has been advancing as a result of Chinese National Antarctic Research Expedition (CHINARE) since the early 1980s. Over more than 30 years, with the experience accumulation and data integration of Antarctic scientific investigation, the researches on the key processes of marine atmospheric chemistry over the Southern Ocean, namely the atmospheric-marine biogeochemical cycle of carbon, nitrogen, sulfur, phosphorus and iron, have made great progress. The research on the sea-air circulation of carbon and nitrogen and the sea-air particle exchange of sulfur, which is closely related to climate change, has led to new knowledge and achieved results. Chinese researches in marine atmospheric chemistry over the Southern Ocean focused on atmospheric aerosol chemical species characteristics and sources to explore key processes of atmospheric-marine geochemistry and estimate the sea-air exchange fluxes of sulfur, phosphorus and nitrogen. With the implementation of the project Antarctic Response and Feedback Role in Global Change, we improved our understanding of the global change sensitive elements such as carbon, nitrogen, sulfur and iron in the Southern Ocean and their effects on environment and climate. A deeper understanding has also been developed in the spatial distribution of carbon sinks in the sea ice zone of the Southern Ocean, and the sea-air exchange processes of DMS, MSA, N2O, Fe, as well as their impacts on the ecological environment. At the same time, important advances have been made in the research of technologies for underway observation of chemical species.

marine atmospheric chemistry, atmospheric-marine biogeochemistry, the Southern Ocean, Reviews

2018年2月收到來稿, 2018年7月收到修改稿

南北極環(huán)境綜合考察與評估專項(CHINARE2012-2020)、國家自然科學基金(41476172)、國家國際科技合作專項(2015DFG22010)和國家海洋局極地考察辦公室對外合作支持項目(IC201801-05)資助

陳立奇, 男, 1945年生。研究員, 研究方向: 海洋大氣化學、極地科學、全球變化科學。E-mail: chenliqi@tio.org.cn

10. 13679/j.jdyj.20180009