膠州灣大氣活性硅酸鹽干沉降特征及其生態(tài)效應(yīng)

邢建偉,宋金明,*,袁華茂,李學(xué)剛,李 寧,龍愛(ài)民

1 中國(guó)科學(xué)院海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院海洋研究所), 青島 266071 2 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)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 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 4 中國(guó)科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心, 青島 266071 5 熱帶海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所), 廣州 510301

氣溶膠是由固體或液體小質(zhì)點(diǎn)分散懸浮在大氣中形成的多相體系,具有成分復(fù)雜、來(lái)源多樣、影響因素眾多的特點(diǎn)。大氣氣溶膠及其成分的干、濕沉降過(guò)程是生源要素生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程的重要一環(huán),在全球海洋碳循環(huán)過(guò)程中起著非常重要的作用[1- 2]。大氣干濕沉降作為陸源物質(zhì)輸送入海的重要途徑之一,已經(jīng)成為國(guó)際上海洋科學(xué)、大氣科學(xué)以及環(huán)境科學(xué)學(xué)科交叉研究的熱點(diǎn)之一[3- 9]。

硅(Si)是浮游植物硅藻生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素,其在自然水體中主要以溶解態(tài)單體正硅酸鹽(Si(OH)4)的形式存在[10]。硅藻是海洋中最重要的初級(jí)生產(chǎn)者之一,貢獻(xiàn)了超過(guò)40%的全球海洋初級(jí)生產(chǎn)量[2]。同時(shí),由于與海洋碳循環(huán)以及生物泵密切相關(guān),Si的生物地球化學(xué)行為研究逐漸引起人們的重視[1]；然而,目前對(duì)氣溶膠中活性硅酸鹽(SiO3-Si, Reactive Silicate)的研究還很不系統(tǒng)[11]。盡管河流輸入一直是海洋SiO3-Si的主要來(lái)源(約80%)[10],但近年來(lái)隨著流域綜合治理的不斷推進(jìn),河流的含沙量有所降低,加之徑流量下降等因素的綜合制約,河流SiO3-Si的輸入量呈下降趨勢(shì)[12-14]。同時(shí),大氣沉降在近海營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程中扮演的角色愈加重要[7- 8,15]。已有的研究表明,大氣Si的沉降量在某些區(qū)域是非常大的,其中干、濕沉降量大致相當(dāng)[16]。在法國(guó)地中海西北部沿岸的Cap Ferrat,大氣沉降輸入的無(wú)機(jī)磷支持的高生產(chǎn)力會(huì)被輸入量較低的SiO3-Si限制,進(jìn)而導(dǎo)致非硅質(zhì)浮游植物種類的優(yōu)先生長(zhǎng)[17]。以上研究表明,大氣Si沉降量不容忽視,并可能會(huì)對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。盡管目前關(guān)于大氣營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)沉降的研究較多,但以往的研究較多地集中在氮、磷或降水中的生源要素[3,6- 7,9,11,18-24],對(duì)氣溶膠SiO3-Si含量及其干沉降過(guò)程和通量的研究較少[9,11,16-17,25]。大氣Si干沉降研究的嚴(yán)重缺乏在一定程度上制約了人們對(duì)Si生物地球化學(xué)循環(huán)和全球碳循環(huán)的理解。

膠州灣位于山東半島東南、黃海西岸(圖1),面積約370 km2,平均水深僅7 m左右,是我國(guó)北方地區(qū)一個(gè)受自然變化與人類活動(dòng)雙重影響極為顯著的典型半封閉海灣[26]。膠州灣位于亞洲沙塵向西北太平洋傳輸?shù)闹匾ǖ乐蟍27]。已有的研究表明,氣溶膠的中SiO3-Si主要來(lái)自于沙塵等礦物塵土的遠(yuǎn)距離傳輸和再懸浮[7,15]。近年來(lái),環(huán)膠州灣區(qū)域冬春季頻發(fā)的沙塵天氣及其裹挾沙塵的遠(yuǎn)距離傳輸與沉降勢(shì)必會(huì)在一定程度上增加該區(qū)域大氣SiO3-Si的濃度和干沉降通量。自20世紀(jì)60年代以來(lái),環(huán)膠州灣河流的年輸沙量迅速降低[28]。同時(shí),隨著青島市“環(huán)灣保護(hù),擁灣發(fā)展”戰(zhàn)略的持續(xù)實(shí)施和流域內(nèi)水土治理工作的不斷推進(jìn),環(huán)膠州灣河流的輸沙量勢(shì)必會(huì)進(jìn)一步降低,這可能會(huì)在很大程度上增強(qiáng)大氣沉降在膠州灣SiO3-Si外源輸入中的重要性,并可能會(huì)對(duì)膠州灣生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一系列的影響。

鑒于此,本研究通過(guò)采集膠州灣沿岸為期一年的氣溶膠總懸浮顆粒物(TSP, Total Suspended Particulate)和干沉降樣品,系統(tǒng)分析了氣溶膠中SiO3-Si的含量、干沉降通量及其影響因素,并借助干沉降模型首次估算了氣溶膠SiO3-Si的干沉降速率(Vd, Dry Deposition Velocity),結(jié)合生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)參數(shù)評(píng)估了干沉降對(duì)膠州灣生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響。研究結(jié)果將為科學(xué)認(rèn)識(shí)典型海灣氣溶膠SiO3-Si干沉降特征及其對(duì)近海生態(tài)系統(tǒng)的影響提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù),同時(shí)有助于進(jìn)一步加深對(duì)全球Si生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程及碳循環(huán)的理解。

1 材料與方法

1.1 站位設(shè)置與采樣過(guò)程

本研究采用岸基站位。采樣站位(36°03′19.46″N, 120°20′25.11″E)設(shè)置在中國(guó)科學(xué)院海洋研究所實(shí)驗(yàn)樓樓頂,離地高度15 m左右,距最近的海岸線的直線距離僅20 m(圖1),且站點(diǎn)周圍無(wú)明顯障礙物和局部污染源,對(duì)采樣過(guò)程基本沒(méi)有干擾。

圖1 研究區(qū)域和采樣站位的位置(◆代表采樣站位)[7]Fig.1 Geographic map of study area and the location of sampling site (◆ represents the sampling site)[7]

采樣設(shè)備安放在距離樓頂?shù)孛?.5 m高的位置,以防止地面揚(yáng)塵的影響。采樣為期一年,自2015年6月至2016年5月。利用大流量大氣顆粒物采樣器(博睿2000型,青島博睿光電科技有限公司)將TSP樣品收集于預(yù)先恒重后稱重的Whatman 41纖維素膜(203 mm×254 mm)上[29],每個(gè)樣品的采樣時(shí)間均為24 h,按周采集。采樣結(jié)束后將膜向內(nèi)折疊后小心地放入封口袋中,取回實(shí)驗(yàn)室-20℃冰箱冷凍保存。詳細(xì)記錄樣品的采集起始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)采樣體積。樣品收集過(guò)程中全程佩戴聚乙烯手套以避免污染樣品。采樣期間共收集有效TSP樣品57個(gè)。

干沉降樣品采用DH- 200型干濕沉降自動(dòng)采樣器(青島盛鼎環(huán)境儀器有限公司)收集。該儀器由濕度感應(yīng)器控制,可自動(dòng)分離干、濕沉降。干沉降桶在無(wú)降水條件下可以持續(xù)穩(wěn)定地收集干沉降；一旦降雨,在濕度感應(yīng)器的控制下,覆蓋在濕沉降桶上的蓋子會(huì)自動(dòng)移向干沉降桶。同理,降水結(jié)束,干沉降桶上的蓋子會(huì)自動(dòng)移回濕沉降桶,達(dá)到自動(dòng)分離干濕沉降的目的,且相互之間無(wú)污染[25]。同期濕沉降研究結(jié)果參見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。

采用國(guó)標(biāo)GB/T15265- 94環(huán)境空氣降塵的測(cè)定(重量法)收集干沉降樣品。具體方法為：在干凈的聚乙烯桶底加入乙二醇(優(yōu)級(jí)純)并占滿桶底,以防止微生物活動(dòng)和冬季結(jié)冰,然后加入1 L超純水(Milli-Q,電阻率18.2 MΩ),將采樣桶置于采樣器中敞口放置,開(kāi)始收集樣品。采樣期間根據(jù)桶內(nèi)水位變化隨時(shí)補(bǔ)充超純水(維持在1 L左右)。采樣結(jié)束,將干沉降桶帶回實(shí)驗(yàn)室4℃保存,同時(shí)更換新桶,重復(fù)上述操作,進(jìn)行下一個(gè)樣品的采集。采樣期間,干沉降樣品按月收集(月初放置,月底收回),共收集12個(gè)有效樣品。干沉降的空白同步采集,處理過(guò)程與干沉降樣品一致,不同的是空白樣品使用保鮮膜密封靜置,一個(gè)月后取回,處理方法同上。

1.2 化學(xué)分析

氣溶膠TSP樣品置于干燥器中恒重后稱重,獲得顆粒物干重后除以實(shí)際采樣體積得到TSP濃度(μg/m3)。使用塑料剪刀均勻剪取1/8膜樣,剪碎后置于100 mL離心管中,加入30 mL超純水超聲提取40 min(冰水浴)；之后將提取液使用孔徑為0.45 μm的濾膜過(guò)濾[15],濾液置于干凈的聚乙烯瓶中滴加CHCl3后低溫保存?？瞻讟悠吠ㄟ^(guò)將干凈采樣膜不定期安放在采樣器中維持24 h(停機(jī)狀態(tài))獲取[15],空白樣品的提取和保存方法與樣品完全一致[15]。所有樣品均在采集后盡快上機(jī)分析。

干沉降樣品取回實(shí)驗(yàn)室后用塑料量筒迅速測(cè)定體積,然后使用Nucleopore膜(0.45 μm孔徑,預(yù)先經(jīng)pH=2的稀鹽酸浸泡24 h后沖洗干凈并干燥)過(guò)濾。過(guò)濾體積隨干沉降樣品的渾濁度不同在100—200 mL波動(dòng)。濾液使用干凈的聚乙烯瓶盛裝,滴加CHCl3后低溫保存并盡快上機(jī)分析?？瞻讟悠返奶幚磉^(guò)程同上。

氣溶膠和干沉降中的SiO3-Si均利用德國(guó)QuAAtro連續(xù)流動(dòng)分析儀,使用硅鉬藍(lán)法測(cè)定?？瞻讟悠返臏y(cè)定方法同樣品一致,其濃度均低于檢測(cè)限。本研究中使用的所有器皿(采樣桶、過(guò)濾裝置、量筒以及聚乙烯樣品瓶等)均事先用10%稀鹽酸浸泡72 h,之后Milli-Q超純水清洗干凈后烘干使用。

1.3 數(shù)據(jù)處理

大氣SiO3-Si的干沉降通量根據(jù)月沉降量除以沉降面積和采樣時(shí)間計(jì)算,公式如下：

Fdry=Cdry×V×0.001/0.0594

(1)

式中,Fdry指月干沉降通量(mmol/m2),Cdry為月干沉降樣品中SiO3-Si的濃度(μmol/L),V為月度濕式收集法收集的干沉降樣品的體積(L),0.001為單位轉(zhuǎn)換系數(shù),0.0594為干沉降桶的有效采樣面積(m2)。年度干沉降通量為采樣期間各月份干沉降通量之和。

干沉降速率(Vd)通過(guò)簡(jiǎn)易干沉降模型間接推導(dǎo),公式如下[9]：

Vd=K×Fdry/Catm

(2)

式中,Vd為月平均干沉降速率(m/month),Fdry為月度干沉降通量(mmol/m2),Catm為該月份SiO3-Si在氣溶膠中的平均濃度(nmol/m3),K為單位轉(zhuǎn)換系數(shù),此處取值1×106。計(jì)算出Vd值后再將其單位轉(zhuǎn)換為cm/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣溶膠SiO3-Si的濃度、季節(jié)變化及其來(lái)源

膠州灣及世界上相關(guān)區(qū)域氣溶膠SiO3-Si的濃度數(shù)據(jù)參見(jiàn)表1。由表1可以看出,2015—2016年膠州灣氣溶膠SiO3-Si的濃度變化范圍較大,最高值達(dá)最低值的17倍。氣溶膠SiO3-Si的濃度年均值為(1.98±1.22) nmol/m3,與2006—2008年青島伏龍山的測(cè)定值相比高出將近1倍(表1)[30],表明近年來(lái)青島周邊區(qū)域氣溶膠SiO3-Si的含量有明顯上升。由于目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于氣溶膠SiO3-Si的研究還極為稀少,根據(jù)文獻(xiàn)中有限的報(bào)道,本研究與相關(guān)區(qū)域進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示,本研究結(jié)果顯著高于熱帶北大西洋氣溶膠中SiO3-Si的濃度范圍(可以近似看作全球海洋背景值)[29],這主要是由于研究區(qū)域處于近海,相較于偏遠(yuǎn)的熱帶北大西洋海域,較高的陸源排放導(dǎo)致了膠州灣大氣中較高的SiO3-Si濃度。

先前的研究已經(jīng)表明,氣溶膠中的SiO3-Si主要來(lái)自于沙塵的遠(yuǎn)距離傳輸和礦物塵土等顆粒物的再懸浮[7,15]。結(jié)合已有的文獻(xiàn)報(bào)道,本研究發(fā)現(xiàn),在中國(guó)陸架邊緣海,氣溶膠中SiO3-Si的濃度呈現(xiàn)出膠州灣 > 黃海 > 東海的明顯梯度變化規(guī)律(表1),這表明來(lái)自亞洲大陸的沙塵/礦物氣溶膠的遠(yuǎn)距離傳輸/再懸浮是中國(guó)東部陸架邊緣海氣溶膠SiO3-Si的主要來(lái)源[7],這在姜曉璐對(duì)東、黃海氣溶膠的研究中也得到了證實(shí)[30]。隨著離岸距離的增加,沙塵/礦物氣溶膠在傳輸過(guò)程中不斷沉降,導(dǎo)致了氣溶膠中SiO3-Si的濃度呈現(xiàn)出近岸高、遠(yuǎn)岸低的分布趨勢(shì)。由于目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于氣溶膠SiO3-Si的研究較少,本研究中不同區(qū)域的研究時(shí)間存在差異,且只與少數(shù)區(qū)域進(jìn)行了對(duì)比,缺乏全球性的氣溶膠SiO3-Si濃度空間變化數(shù)據(jù),這在一定程度上會(huì)對(duì)上述結(jié)論產(chǎn)生一定的不確定性。為深入探索全球氣溶膠SiO3-Si濃度的時(shí)空變化規(guī)律,更多區(qū)域的研究亟待同步開(kāi)展。

表1 2015—2016年膠州灣氣溶膠SiO3-Si濃度、干沉降通量及其與其他區(qū)域的比較

Table 1 The concentration of reactive silicate (SiO3-Si) in aerosols and its dry deposition flux in Jiaozhou Bay during 2015—2016 and the comparisons to other regions around the world

區(qū)域Area年份YearSiO3-Si濃度Concentration of SiO3-Si/(nmol/m3)范圍Range均值MeanSiO3-Si干沉降通量Dry deposition flux of SiO3-Si/(mmol m-2 a-1)文獻(xiàn)References膠州灣Jiaozhou Bay2015—20160.37—6.491.98±1.228.48本研究青島伏龍山Fulong Mount2006—20080.09—4.01.11±0.838.50[30]黃海The Yellow Sea2011—20120.17—1.570.53±0.350.34[31]東海The East China Sea2003—20040.05—2.20.41±0.460.30[32]美國(guó)愛(ài)荷華州Lowa, United States2003—2004——6.57[16]熱帶北大西洋The tropical North Atlantic2002< 0.01—1.12——[29]

2015—2016年膠州灣春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬季(12—2月)氣溶膠SiO3-Si的濃度均值分別為(2.49±0.93)、(1.48±1.07)、(1.56±0.98) nmol/m3和(2.28±1.53) nmol/m3,呈現(xiàn)夏秋季低,冬春季高的季節(jié)分布規(guī)律(圖2)。冬季膠州灣區(qū)域盛行西北季風(fēng)[26],采樣期間西北風(fēng)的頻率達(dá)到42%左右,且風(fēng)力較強(qiáng)(平均風(fēng)速約5.8 m/s),有利于地面礦物塵土的再懸浮和水平輸送；春季北方沙塵天氣頻發(fā),亦可將亞洲內(nèi)陸的沙塵/礦物氣溶膠遠(yuǎn)距離輸送到中國(guó)東部海區(qū)[30]。而夏季則正好相反(主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|-東南風(fēng),頻率約為53%),基本不發(fā)生沙塵天氣,且濕潤(rùn)的氣流隨東南風(fēng)進(jìn)入內(nèi)陸,可以很大程度上抑制礦物塵土的再懸??；秋季盡管主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng),但平均風(fēng)速較低(3.5 m/s左右),采樣期間無(wú)沙塵天氣發(fā)生,且青島地區(qū)植被茂盛,亦不利于地面礦物塵土顆粒的再懸浮。因此冬春季膠州灣氣溶膠SiO3-Si普遍出現(xiàn)較高的濃度,而夏秋季的濃度則較低。進(jìn)一步運(yùn)用非參數(shù)Mann-Whitney U檢驗(yàn)的結(jié)果表明,春季氣溶膠SiO3-Si濃度和夏、秋季間存在顯著性差異(P< 0.05),其中春季和秋季的差異性達(dá)到極顯著水平(P< 0.01),表明膠州灣氣溶膠SiO3-Si的濃度存在較為顯著的季節(jié)變化,這種變化趨勢(shì)與TSP濃度的季節(jié)變化基本一致(圖2)。此外,運(yùn)用相關(guān)性分析,本研究發(fā)現(xiàn)氣溶膠SiO3-Si濃度與TSP濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系；同樣地,與氣溶膠中溶解態(tài)Al的相關(guān)性也較為顯著(圖3)。Al是氣溶膠中礦物塵土源的標(biāo)志性成分之一[8,33-34]。這一系列分析均表明亞洲沙塵的遠(yuǎn)距離傳輸和礦物塵土顆粒再懸浮是膠州灣氣溶膠SiO3-Si的主要來(lái)源和主要控制因素。

對(duì)氣溶膠顆粒物中SiO3-Si的含量(‰)變化特征研究發(fā)現(xiàn),采樣期間膠州灣大氣TSP中SiO3-Si的含量平均為 (0.474±0.267)‰,呈現(xiàn)冬春季高、夏秋季低的特征,與氣溶膠中SiO3-Si的濃度(nmol/m3)呈現(xiàn)類似的季節(jié)變化規(guī)律(圖2)。冬春季我國(guó)北方地區(qū)沙塵頻發(fā),大氣中粗顆粒沙塵氣溶膠的含量較高,這暗示膠州灣氣溶膠中的SiO3-Si可能主要存在于較粗的顆粒物中。由于缺乏SiO3-Si在不同粒徑氣溶膠顆粒物中的分布數(shù)據(jù),該結(jié)論還需要進(jìn)一步的研究證實(shí),這也是我們下一步的研究方向。

圖2 膠州灣氣溶膠SiO3-Si濃度和含量隨TSP濃度的季節(jié)變化(TSP數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[9])Fig.2 Seasonal variation of the concentrations and contents of SiO3-Si and TSP in aerosols in Jiaozhou Bay (The data on TSP cited from reference[9])

圖3 采樣期間膠州灣氣溶膠SiO3-Si濃度與TSP和溶解態(tài)Al的相關(guān)關(guān)系Fig.3 The correlations of the concentrations of SiO3-Si with TSP and dissolved Al in aerosols in Jiaozhou Bay during the sampling period

2.2 氣溶膠SiO3-Si的干沉降

2.2.1干沉降通量

由公式(1)計(jì)算出2015—2016年膠州灣氣溶膠SiO3-Si的干沉降通量達(dá)8.48 mmol m-2a-1。由于目前國(guó)際上對(duì)氣溶膠SiO3-Si的研究還十分稀少,本研究?jī)H與已報(bào)道的地區(qū)大氣SiO3-Si干沉降通量進(jìn)行了比較,相應(yīng)的結(jié)果見(jiàn)表1。從中可以看出,膠州灣氣溶膠SiO3-Si的干沉降通量與青島伏龍山2006—2008年的水平相當(dāng)[30],但略高于美國(guó)愛(ài)荷華州農(nóng)業(yè)種植區(qū)的水平[16]。與氣溶膠中SiO3-Si的濃度類似,中國(guó)陸架邊緣海大氣SiO3-Si的干沉降通量亦呈現(xiàn)出膠州灣 >> 黃海 > 東海的明顯空間分布規(guī)律(表1)[31-32],印證了膠州灣處在亞洲沙塵/礦物氣溶膠向西北太平洋傳輸?shù)闹匾ǖ乐?。與同時(shí)期獲得的濕沉降通量1.73 mmol m-2a-1[7]相比,膠州灣大氣SiO3-Si的干沉降通量顯著偏高,約為濕沉降通量的5倍,表明該區(qū)域大氣SiO3-Si沉降中干沉降占絕對(duì)主導(dǎo)地位(83%)。

根據(jù)膠州灣的面積(約370 km2),計(jì)算出干沉降向膠州灣輸送的SiO3-Si高達(dá)87.8 t/a,這可能是膠州灣水域SiO3-Si的一個(gè)較大輸入源。為闡明大氣干沉降在膠州灣SiO3-Si外源輸入中的重要性,本研究根據(jù)收集到的最新文獻(xiàn)報(bào)道的濕沉降(18.0 t/a)[7]和河流輸入(747.6 t/a)[35]負(fù)荷,估算出大氣干沉降占膠州灣SiO3-Si總外源輸入(干沉降+濕沉降+河流輸入)的比例可達(dá)10.3%,表明大氣干沉降是膠州灣水域SiO3-Si的一個(gè)不容忽視的輸入源,凸顯出大氣干沉降在膠州灣營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)外源輸入中的重要性。可以預(yù)見(jiàn),隨著將來(lái)入灣河流輸沙量的持續(xù)降低,大氣沉降在膠州灣水域SiO3-Si外源輸入中的重要性勢(shì)必會(huì)進(jìn)一步提高。因此,有必要進(jìn)一步加強(qiáng)中國(guó)陸架邊緣海大氣沉降中SiO3-Si以及其他礦物塵土源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入通量的研究；同時(shí),在今后的近海生物地球化學(xué)與生態(tài)系統(tǒng)耦合模型中應(yīng)將大氣沉降作為重要環(huán)節(jié),以豐富和完善對(duì)邊緣海元素生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程的科學(xué)認(rèn)識(shí)。

2.2.2干沉降速率

干沉降速率是控制干沉降過(guò)程的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。然而,由于受到眾多環(huán)境條件諸如顆粒物粒徑、溫度、風(fēng)速以及相對(duì)濕度、大氣穩(wěn)定度等的影響,Vd值極易變化,因此很難得到準(zhǔn)確可靠的測(cè)定結(jié)果[25,36-38]。因此,在以往的研究中,Vd值通常用模型測(cè)定[39-41]或直接根據(jù)粒徑分布取一個(gè)恒定的數(shù)值[25,42]。這種將Vd固定為某一個(gè)數(shù)值忽視了Vd的時(shí)間和空間變化,會(huì)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)干沉降通量的計(jì)算造成較大的誤差。遺憾的是,在膠州灣區(qū)域還沒(méi)有開(kāi)展氣溶膠SiO3-Si的Vd值的研究。本研究通過(guò)利用經(jīng)典的干沉降模型,根據(jù)公式(2)首次估算了膠州灣區(qū)域氣溶膠SiO3-Si的Vd值及其季節(jié)變化特征。

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),2015—2016年膠州灣區(qū)域夏季氣溶膠SiO3-Si的Vd值最高,其他三個(gè)季節(jié)間差別不大。夏季(6—8月)膠州灣區(qū)域盛行東南季風(fēng),從海上來(lái)的濕潤(rùn)的暖濕氣流增加了空氣濕度(平均達(dá)90%左右)[43],這在一定程度上有利于礦物氣溶膠粒子的黏合增大[39],可能是造成夏季氣溶膠SiO3-Si較高的Vd值的一個(gè)重要因素。然而,影響氣溶膠成分Vd值的因素非常復(fù)雜,本研究?jī)H采用干沉降模型間接估算了其較大時(shí)間尺度的變化特征,導(dǎo)致夏季膠州灣區(qū)域氣溶膠SiO3-Si較高的Vd值的深層次原因還需要進(jìn)一步深入的研究揭示,這也是本研究下一步的核心目標(biāo)。

2.2.3氣溶膠SiO3-Si干沉降的潛在生態(tài)效應(yīng)

已有研究表明,SiO3-Si是海洋浮游植物生長(zhǎng)和群落結(jié)構(gòu)改變的主要控制因素[44]。膠州灣水體Si∶N摩爾比自20世紀(jì)80年代以來(lái)一直低于Redfield比值1(即海洋浮游植物生長(zhǎng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽N、P、Si吸收的固定比值[45-46],即C∶N∶P∶Si=106∶16∶1∶16),尤其是1998和1999年分別低至0.08和0.14[47],表明膠州灣水體長(zhǎng)期以來(lái)存在浮游植物生長(zhǎng)的Si限制。本研究發(fā)現(xiàn),2015—2016年膠州灣干沉降中Si∶N摩爾比平均為(0.16±0.22),嚴(yán)重偏離Redfield比值,且明顯低于近十幾年來(lái)膠州灣海水中二者的比值(2004—2008年為0.4左右[47],2015—2017年為0.23—0.48,此為本研究組未發(fā)表數(shù)據(jù)),表明干沉降可能是導(dǎo)致膠州灣水體Si∶N摩爾比降低和浮游植物生長(zhǎng)Si限制的一個(gè)重要潛在因素。根據(jù)Redfield比值(C∶Si=106∶16),估算出通過(guò)干沉降進(jìn)入膠州灣水體的SiO3-Si可以支持674 mg C m-2a-1的新生產(chǎn)力。根據(jù)最新的膠州灣初級(jí)生產(chǎn)力調(diào)查結(jié)果(126 920 mg C m-2a-1)[48],干沉降輸入的SiO3-Si支持的初級(jí)生產(chǎn)力可占膠州灣總初級(jí)生產(chǎn)力的0.53%。按f-比(新生產(chǎn)力與初級(jí)生產(chǎn)力的比值)10%計(jì)算[49],大氣干沉降輸入的SiO3-Si支持的新生產(chǎn)力可占膠州灣新生產(chǎn)力的5.3%。盡管大氣沉降SiO3-Si的輸入對(duì)總初級(jí)生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)極低,但對(duì)新生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)卻不容忽視。

此外,已有研究表明,SiO3-Si在浮游植物群落由有益的硅藻型向無(wú)益的鞭毛藻型演變過(guò)程中起著非常重要的作用[50]。硅藻長(zhǎng)期以來(lái)一直是膠州灣浮游植物的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種[26,43,51],但是自20世紀(jì)90年代以來(lái),這種狀態(tài)發(fā)生了一些變化,如甲藻的種類與數(shù)量增加,且甲藻成為優(yōu)勢(shì)種的概率也在增加[43],這與過(guò)去幾十年膠州灣水體長(zhǎng)期Si限制的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)密不可分[52]。因此,本研究推測(cè)大氣干沉降也可能在一定程度上促進(jìn)了這一變化進(jìn)程。綜上,大氣干沉降可能是膠州灣水體營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)失衡和浮游植物群落結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期變化的一個(gè)潛在因素。今后的研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注大氣沉降營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸入對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的綜合影響機(jī)制以及海洋生態(tài)系統(tǒng)對(duì)大氣沉降營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入的響應(yīng)。

3 結(jié)論

基于2015—2016年在膠州灣為期一年的氣溶膠總懸浮顆粒物(TSP)采樣,對(duì)TSP中SiO3-Si的含量、干沉降特征及其潛在生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行了初步研究,得出如下主要結(jié)論：

(1) 膠州灣氣溶膠SiO3-Si的濃度與黃、東海及其他海域相比較高,且呈顯著的季節(jié)變化特征,冬春季高、夏秋季低,與亞洲沙塵/礦物氣溶膠的季節(jié)輸送強(qiáng)度密切相關(guān)。 膠州灣氣溶膠SiO3-Si干沉降通量為8.48 mmol m-2a-1,顯著高于濕沉降,干沉降負(fù)荷達(dá)87.8 t/a,可占膠州灣SiO3-Si總外源輸入(包括干濕沉降和河流輸入)的10.3%,是膠州灣SiO3-Si的重要輸入源之一。

(2) 膠州灣大氣干沉降中的Si∶N摩爾比平均為0.16±0.22,均顯著低于Redfield比值和膠州灣水體中二者的比值,暗示大氣干沉降可能是導(dǎo)致膠州灣水體近幾十年來(lái)營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)失衡和浮游植物群落結(jié)構(gòu)改變的一個(gè)重要潛在因素。由于膠州灣水體浮游植物生長(zhǎng)的Si限制,根據(jù)干沉降SiO3-Si負(fù)荷和Redfield比值估算出干沉降帶來(lái)的SiO3-Si輸入可以支持674 mg C m-2a-1的新生產(chǎn)力,占膠州灣新生產(chǎn)力的5.3%。因此,干沉降SiO3-Si的輸入會(huì)對(duì)膠州灣生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一定影響。今后的研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注大氣營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)沉降對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的綜合影響機(jī)制以及海洋生態(tài)系統(tǒng)對(duì)此輸入的響應(yīng)。