千里巖濕沉降中的營養(yǎng)鹽特征、來源及生態(tài)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(tǒng)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(tài)與環(huán)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(zhì)量的有效途徑,也是海洋中外源性營養(yǎng)鹽(N、P、Si)的重要輸入途徑[1-3]。研究表明,全球范圍內(nèi)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(qū)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(yǎng)鹽的主要來源之一,因此營養(yǎng)鹽濕沉降一直是國內(nèi)外研究的熱點。

已有不少學者對黃海西部千里巖島營養(yǎng)鹽的濕沉降進行研究。于志剛等[7]研究發(fā)現(xiàn),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(yǎng)鹽結構產(chǎn)生一定的影響。劉昌嶺等[8]研究發(fā)現(xiàn),千里巖降水中營養(yǎng)鹽濃度的季節(jié)變化明顯,春、冬季節(jié)高于夏、秋季節(jié)。韓麗君等[9]通過統(tǒng)計多年來黃海西部營養(yǎng)鹽年平均濃度的變化特征發(fā)現(xiàn),沙塵暴活動對大氣濕沉降中營養(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)鹽影響著海洋上層水體中的營養(yǎng)鹽結構,支撐著浮游植物的生長,并引起海洋初級生產(chǎn)力的響應[3,19-22]。相較干沉降而言,濕沉降往往呈現(xiàn)出偶發(fā)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(yǎng)鹽等物質(zhì)沖刷至地面或水體中,突發(fā)性強降水甚至可能會導致表層海水的暫時富營養(yǎng)化,影響浮游植物的種群結構,并可引起赤潮、水華等現(xiàn)象的發(fā)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(yǎng)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(yǎng)鹽潛在源區(qū),初步分析通過濕沉降輸入的營養(yǎng)鹽對黃海生態(tài)系統(tǒng)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(nèi)多次降雨的合并為一個雨水樣品),當?shù)厝藶槲廴据^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(jīng)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(fā)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(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)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(tǒng)計時間內(nèi)降雨的次數(shù);Ci為單次降雨中營養(yǎng)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(jù)雨水中H+的加權平均濃度計算[28]。本研究中出現(xiàn)的平均濃度均為降雨量加權平均濃度。

1.2.2 海鹽離子質(zhì)量濃度([ss-X])和非海鹽離子質(zhì)量濃度([nss-X]) 為了區(qū)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(zhì)量濃度和非海鹽離子質(zhì)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(fā)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(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(GDAS)氣象數(shù)據(jù)(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(nèi)發(fā)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(qū)強度的方法[16],將研究區(qū)域劃分為1°×1°的網(wǎng)格單元(i,j),每個網(wǎng)格單元的CWT值為:

(3)

式中:CWTij為網(wǎng)格(i,j)的平均權重濃度,CWTij的值越大意味著網(wǎng)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(shù);Cl為軌跡l經(jīng)過網(wǎng)格(i,j)時對應的化學組分濃度;τijl為軌跡l經(jīng)過網(wǎng)格(i,j)的端點數(shù)。當通過網(wǎng)格的端點數(shù)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(shù)Wij對CWTij進行校正得到WCWTij,nave為每個網(wǎng)格中軌跡端點數(shù)的平均值。

(4)

2 結果與討論

2.1 營養(yǎng)鹽的濃度與組成

2020年3月—2021年2月一年時間內(nèi)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(yǎng)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(qū)域雨水中氮組分平均濃度的對比

千里巖雨水中營養(yǎng)鹽的濃度受降雨量影響,較高的營養(yǎng)鹽濃度通常出現(xiàn)在降雨量較小的降雨事件中(見圖1)。降雨量及營養(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)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(nèi)未收集到降雨,因此10月16日的降雨中各項營養(yǎng)鹽濃度均出現(xiàn)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(fā)現(xiàn),研究期間影響千里巖雨水的氣團分為4類(見圖3):包括來自南方陸海混合源(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(jù)不同方向的氣團來源分類,統(tǒng)計不同來源氣團影響雨水的化學組成特征如表1所示。總體而言,陸源氣團影響的雨水中各項營養(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)鹽的潛在貢獻源區(qū)主要為周邊陸地地區(qū)。出現(xiàn)WCWT高值的區(qū)域通常位于北方陸源氣團B經(jīng)過的途徑上,東南海源氣團C經(jīng)過的海上部分地區(qū)有一定貢獻,但其貢獻程度較低,南方陸?；旌显礆鈭FA經(jīng)過的大部分地區(qū)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(yǎng)鹽濃度較高,但影響的降雨事件較少,因此經(jīng)過的地區(qū)較少出現(xiàn)WCWT的高值。

2.4 濕沉降對黃海的影響

表2 黃海外源營養(yǎng)鹽年輸入通量

3 結論

(2)影響雨水的氣團來自南方陸海混合源(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(yǎng)鹽濃度的影響存在差異。陸源氣團影響的雨水中各項營養(yǎng)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(chǎn)力的貢獻可達29.9%。強降雨帶來的大量營養(yǎng)鹽輸入會在短時間內(nèi)對黃海新生產(chǎn)力產(chǎn)生重要影響。通過大氣沉降輸入的營養(yǎng)鹽對黃海中部海域的氮限制狀況存在一定的緩沖作用。