第54卷 第3期 2024年3月中国海洋大学学报P E R I O D I C A L O F O C E A N U N I V E R S I T Y O F C H I N A54(3):076~087M a r .,2024千里岩湿沉降中的营养盐特征㊁来源及生态效应研究❋杨思奇1,王玲燕1❋❋,刘素美1,2(1.中国海洋大学深海圈层与地球系统前沿科学中心海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室,山东青岛266100;2.崂山实验室海洋生态与环境科学功能实验室,山东青岛266237)摘 要: 本研究基于2020年3月 2021年2月黄海千里岩岛雨水中营养盐(N H +4㊁N O -3㊁N O -2㊁P O 3-4㊁S i O 2-3㊁D O N ㊁D O P )浓度,利用后向轨迹聚类分析和浓度权重轨迹分析法(C W T )解析气团主要传输路径和营养盐潜在源区,并讨论湿沉降对黄海生态系统的影响㊂结果表明,N H +4㊁N O -3和DO N 是雨水营养盐的主要组成,平均浓度分别为(48.2ʃ118.8)㊁(30.8ʃ97.2)和(22.1ʃ147.7)μm o l /L ㊂N O -2㊁P O 3-4㊁D O P 和S i O 2-3的浓度较低,平均仅为(0.24ʃ0.40)㊁(0.87ʃ5.5)㊁(0.12ʃ0.17)和(0.13ʃ0.23)μm o l /L ㊂影响雨水的气团来自南方陆海混合源(41%)㊁北方陆源(41%)㊁东南海源(10%)和西北陆源(8%),陆源气团影响的雨水中营养盐浓度普遍高于混合源和海源㊂不同营养盐组分潜在源区的分布特征不同㊂N H +4㊁N O -3和P O 3-4的潜在源区集中在山东,D O N 的潜在源区分布在河北㊁山东㊁河南㊁安徽和俄罗斯的贝加尔湖附近,D O P 的潜在源区在长江入海口附近的上海和浙江沿岸地区,S i O 2-3的潜在源区分别位于山东河北交界处㊁安徽江苏交界处㊁安徽江西交界处和黄海部分海域㊂总体而言,对营养盐高贡献的潜在源区位于周边陆地地区,海源较少㊂黄海大气T D N 的全年湿沉降通量为103.0m m o l ㊃m -2㊃a -1,对新生产力的贡献可达29.9%㊂关键词: 营养盐;湿沉降;潜在源区;生态效应;千里岩中图法分类号: X 51 文献标志码: A 文章编号: 1672-5174(2024)03-076-12D O I : 10.16441/j.c n k i .h d x b .20230015引用格式: 杨思奇,王玲燕,刘素美.千里岩湿沉降中的营养盐特征㊁来源及生态效应研究[J ].中国海洋大学学报(自然科学版),2024,54(3):76-87.Y a n g S i q i ,W a n g L i n g y a n ,L i u S u m e i .C h a r a c t e r i s t i c s ,s o u r c e s a n d e c o l o g i c a l e f f e c t s o f n u t r i e n t s i n t h e a t m o s ph e r i c w e t d e p o s i t i o n o f Q i a n l i y a n [J ].P e r i o d i c a l o f O c e a n U n i v e r s i t y of C h i n a ,2024,54(3):76-87. ❋ 基金项目:国家自然科学基金项目(42176040);山东省 泰山学者 工程专项项目资助S u p p o r t e d b y t h e N a t i o n a l N a t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n o f C h i n a (42176040);t h e T a i s h a n S c h o l a r s P r o g r a m m e o f S h a n d o n g Pr o v i n c e 收稿日期:2023-01-19;修订日期:2023-03-05作者简介:杨思奇(1998 ),女,硕士生㊂E -m a i l :y a n g s q147@s i n a .c n ❋❋ 通信作者:王玲燕(1989 ),女,博士后㊂E -m a i l :w a n g l i n g ya n @o u c .e d u .c n 大气沉降不仅是清除大气污染物㊁净化空气㊁改善空气质量的有效途径,也是海洋中外源性营养盐(N ㊁P ㊁S i)的重要输入途径[1-3]㊂研究表明,全球范围内通过大气沉降输送入海的N 约占陆源输入的一半以上[4]㊂地中海西北部地区湿沉降占D O P 沉降总量的80%[5]㊂在日本海东南部,通过湿沉降输送的T D N 通量约占总沉降通量的58%[6]㊂这表明大气湿沉降是海洋营养盐的主要来源之一,因此营养盐湿沉降一直是国内外研究的热点㊂已有不少学者对黄海西部千里岩岛营养盐的湿沉降进行研究㊂于志刚等[7]研究发现,千里岩大气湿沉降N /P 比值远高于R e d f i e l d 比值,将对该海域的营养盐结构产生一定的影响㊂刘昌岭等[8]研究发现,千里岩降水中营养盐浓度的季节变化明显,春㊁冬季节高于夏㊁秋季节㊂韩丽君等[9]通过统计多年来黄海西部营养盐年平均浓度的变化特征发现,沙尘暴活动对大气湿沉降中营养盐的浓度有明显影响㊂然而以往的研究多关注于湿沉降中营养盐的浓度分析,对其来源的分析研究则相对有限㊂混合单粒子拉格朗日综合轨迹(H y b r i d S i n gl e -P a r t i c l e L a g r a n g i a n I n t e g r a t e d T r a je c t o r i e s ,H Y S -P L I T )模型中的后向轨迹分析模式已广泛应用于物质的大气输送㊁扩散及沉降模拟[10-13],并在后续发展出后向轨迹聚类分析法[14-15]和浓度权重轨迹分析法(C o n -c e n t r a t i o n w e i gh t e d f i e l d ,C W T )[16]等方法㊂张六一等[17]利用后向轨迹聚类分析法研究三峡腹地湿沉降中氮磷的来源,发现四川盆地是三峡库区腹地区域外源性输入高浓度氮磷的主要源区㊂刘浪等[18]运用C W T 法计算得到了北京大气颗粒物中N H +4和N O -3的主要贡献源区,发现N H +4和N O -3潜在源区空间分布特征相似,对北京N H +4和N O -3高贡献的潜在源区主要分布在北京本地以及南部区域,以天津㊁廊坊㊁衡水㊁保3期杨思奇,等:千里岩湿沉降中的营养盐特征㊁来源及生态效应研究定㊁石家庄等地为主㊂运用这些方法探究大气沉降中营养盐的来源可以为制定合理的减排措施提供一定的科学依据㊂通过大气沉降输送进入海洋的营养盐影响着海洋上层水体中的营养盐结构,支撑着浮游植物的生长,并引起海洋初级生产力的响应[3,19-22]㊂相较干沉降而言,湿沉降往往呈现出偶发性和集中性的特点,降水能快速将气溶胶及附着其上的营养盐等物质冲刷至地面或水体中,突发性强降水甚至可能会导致表层海水的暂时富营养化,影响浮游植物的种群结构,并可引起赤潮㊁水华等现象的发生[9,23-25]㊂本文通过分析测定2020年3月 2021年2月在千里岩收集的雨水样品,讨论雨水中营养盐的浓度与组成,利用后向轨迹聚类分析法和浓度权重轨迹分析法(C W T)解析气团主要传输路径和营养盐潜在源区,初步分析通过湿沉降输入的营养盐对黄海生态系统的影响㊂1材料与方法1.1样品采集与分析1.1.1样品采集2020年3月 2021年2月以降雨事件为基础在位于黄海西北部的近岸岛屿千里岩岛(36ʎ16'N,121ʎ23'E)采集雨水样品(一天内多次降雨的合并为一个雨水样品),当地人为污染较少,大气污染物主要来自于临近渔港㊁过往船舶和大陆气团的远距离输送[26]㊂样品使用采雨器采集(采雨器预先经1/10 (V/V)H C l浸泡3d,使用M i l l i-Q水洗净,待干燥后用洁净塑料袋包好),每次降雨发生前打开采雨器,降雨结束后立即取回并将样品置于-20ħ冰箱冷冻保存,同时记录降雨量和降雨期间的温度㊁湿度㊁风向㊁风速㊁气压等各项气象参数㊂1.1.2样品分析样品带回实验室后立即过滤并测定雨水的p H值㊂无机态营养盐(N H+4㊁N O-3㊁N O-2㊁P O3-4㊁S i O2-3)使用Q u A A t r o连续流动分析仪测定,分别采用靛酚蓝法㊁镉铜还原法㊁重氮偶氮法㊁磷钼蓝法和硅钼蓝法进行检测,方法的检测限分别为0.02, 0.01,0.01,0.01和0.04μm o l/L,测样精密度均优于2%㊂为保证数据质量,在样品测定过程中,每10个样品加入一个营养盐标准进行对比,测试期间所有营养盐标准的相对标准偏差不超过5%㊂总溶解态氮(T D N)和总溶解态磷(T D P)采用碱性过硫酸钾氧化法,消解后使用连续流动分析仪测定[27],为检验样品中N和P的消解效率,取乙二胺四乙酸(E D T A)和单磷酸腺苷(A M P)标准与雨水样品同时消解,回收率均在95%以上㊂溶解无机氮(D I N)㊁溶解有机氮(D O N)和溶解有机磷(D O P)浓度根据公式D I N=(N H+4)+(N O-3)+(N O-2)㊁D O N=T D N-D I N和D O P=T D P-P O3-4计算得出㊂样品中的水溶性离子(S O2-4㊁C l-㊁N a+㊁C a2+㊁M g2+和K+)使用离子色谱仪(I C S6000,T h e r m o S c i-e n t i f i c)测定㊂阳离子(N a+㊁C a2+㊁M g2+和K+)的测定使用D i o n e x I o n P a c C S12A色谱柱,使用的淋洗液为18m m o l/L的甲磺酸溶液,流速设置为1.0m L/m i n㊂阴离子(S O2-4和C l-)的测定使用D i o n e x I o n P a cA S11-H C色谱柱,使用的淋洗液为K O H溶液(从0.3m m o l/L到36.0m m o l/L梯度洗脱),流速设置为1.2m L/m i n㊂S O2-4㊁C l-㊁N a+㊁C a2+㊁M g2+和K+的检测限分别为0.01㊁0.04㊁0.02㊁0.02㊁0.01和0.01m g/L,精密度均优于2%㊂为保证数据质量,在样品测定过程中,每10个样品加入一个阴阳离子标准进行对比,测试期间所有阴阳离子标准的相对标准偏差不超过5%㊂1.2数据处理1.2.1加权平均浓度(C V WM)和沉降通量(F W)雨水中各项化学组分的加权平均浓度(μm o l/L)和沉降通量(m m o l㊃m-2㊃a-1)的计算公式如下:C V WM=ðn i=1C iˑQ i/ðn i=1Q i,F W=ðn i=1C iˑQ i㊂(1)式中:n为统计时间内降雨的次数;C i为单次降雨中营养盐的浓度(μm o l/L);Q i为单次降雨量(m m);F W为湿沉降通量㊂雨水p H值的平均值根据雨水中H+的加权平均浓度计算[28]㊂本研究中出现的平均浓度均为降雨量加权平均浓度㊂1.2.2海盐离子质量浓度([s s-X])和非海盐离子质量浓度([n s s-X])为了区分人为来源和海洋来源对离子浓度的影响,对雨水样品中海盐离子质量浓度和非海盐离子质量浓度进行计算,计算公式如下:s s-X=N a+s a m p l eˑX/N a+s e a w a t e r,n s s-X=X s a m p l e-s s-X㊂(2)式中:[N a+]s a m p l e为雨水样品中N a+的浓度,([X]/ [N a+])s e a w a t e r为海水中相应离子与N a+的比值[29]㊂1.3气团后向轨迹分析及后向轨迹聚类分析H Y S P L I T4模型是由美国国家海洋和大气管理局(N O A A)和澳大利亚气象局共同研发的一种用于分析大气气团的来源㊁输送和扩散轨迹的模型,该模型目前已广泛应用于全球大气沉降化学组分的来源解析研究㊂以降雨事件的开始时刻为起始时间,1500m为起始高度,利用全球数据同化系统(G D A S)气象数据(h t-t p://w w w.a r l.n o a a.g o v/r e a d y/h y s p l i t4.h t m l)和H Y S P L I T气团后向轨迹模式(h t t p://r e a d y.a r l.n o-a a.g o v/H Y-S P L I T.p h p)计算得到观测期间内发生的77中 国 海 洋 大 学 学 报2024年所有降雨事件的气团72h 后向轨迹㊂通过M e t e o i n f o软件中的T r a j S t a t 插件进行后向轨迹聚类分析[30-31],将其中相似方向和速率的轨迹进行合并归类以代表一类气团输送路径㊂1.4浓度权重轨迹分析法(C W T )浓度权重轨迹分析法(C W T )是一种利用气团轨迹结合某要素值以判断该要素可能的排放源位置并给出不同源区强度的方法[16],将研究区域划分为1ʎˑ1ʎ的网格单元(i ,j ),每个网格单元的C W T 值为:C W T i j =ðMl =1C l ˑτi j l ðMl =1τi j l ㊂(3)式中:C W T i j 为网格(i ,j )的平均权重浓度,C W T i j 的值越大意味着网格(i ,j )对采样地点相应要素的贡献越高;l 为气团轨迹;M 为轨迹的总数;C l 为轨迹l 经过网格(i ,j )时对应的化学组分浓度;τi j l 为轨迹l 经过网格(i ,j )的端点数㊂当通过网格的端点数较小时,计算结果可能会有很大的不确定性㊂为了减少这种不确定性,通常需要引入权重系数W i j 对C W T i j 进行校正得到W C W T i j ,n a v e 为每个网格中轨迹端点数的平均值㊂W i j =1.03n a v e <n i j0.71.5n a v e <n i j ɤ3n a v e 0.4n a v e <n i j ɤ1.5n a v e 0.2n i j ɤna v e,W C W T i j =C W T i j ˑW i j㊂(4)2 结果与讨论2.1 营养盐的浓度与组成2020年3月 2021年2月一年时间内在千里岩共采集49个雨水样品,总降雨量为1017.3m m ,远高于以往观测到的300~600m m 的年均降雨量[32-35]㊂雨水的p H 值范围为4.35~6.85,平均值为5.45㊂雨水中营养盐浓度的变化范围较大,最高浓度和最低浓度间的差距可达1~3个数量级(见图1)㊂氮组分是雨水中营养盐的主要组成,N H +4㊁N O -3和DO N 的浓度范围分别为4.4~544.2μm o l /L ㊁3.9~380.4μm o l /L 和1.2~711.0μm o l /L ,平均浓度分别为(48.2ʃ118.8)㊁(30.8ʃ97.2)和(22.1ʃ147.7)μm o l /L ,共占全部营养盐浓度的95%以上㊂N O -2性质不稳定,在环境中易被氧化为N O -3,因此浓度较低,浓度范围为0.04~2.3μm o l /L ,平均浓度仅为(0.24ʃ0.40)μm o l /L ㊂各项氮组分中,D O N 约占T D N 的2%~74%,平均约占T D N 的22%,在文献报道的近海地区观测到的范围内[6,26,36-37]㊂不同形态的无机氮中,N H +4约占DI N 的36%~88%,平均约占D I N 的61%,雨水中N H +4的平均浓度约为N O -3平均浓度的1.5倍,是D I N 的主要组成,这与目前观测到的中国整体活性氮沉降状况一致,主要受中国较为发达的农业活动影响[38-39]㊂千里岩雨水中各项氮组分浓度普遍低于人类活动密集的北京[28]㊁南京[40]㊁贵阳[41]等内陆地区和青岛[37]等沿海城市的研究结果,高于东海[42]㊁日本海[6]和太平洋[43]等海域的研究结果,各地区雨水中氮组分浓度整体呈现内陆>近海>大洋的趋势(见图2),与大气活性氮沉降通量由近岸向外海梯度下降的趋势一致[44]㊂与N H +4㊁N O -3和DO N 相比,雨水中磷组分和硅组分的浓度较低,P O 3-4㊁D O P 和S i O 2-3的浓度分别在0.06~22.9μm o l /L ㊁<D L~0.84μm o l /L 和0.03~1.3μm o l /L 之间,平均浓度分别仅为(0.87ʃ5.5)㊁(0.12ʃ0.17)和(0.13ʃ0.23)μm o l /L ㊂这主要是由于大气中的P 和S i 主要来自土壤和岩石的风化[45-47],被风沙卷起进入大气的P 和S i 主要以矿物成分存在,溶解度小且容易在短距离内发生沉降[48-50]㊂P O 3-4在T D P 中的占比范围为48%~100%,平均约占T D P 的88%,是T D P 的主要组成,与M i ya z a k o 等[51]在东亚地区观察到的雨水中磷沉降状况一致㊂虽然较过去的研究结果而言[9],千里岩雨水中无机氮组分浓度有所下降,但P O 3-4浓度略有上升,这也与近年来观测到的中国大气总氮沉降通量下降而大气磷沉降通量增加的趋势相符合[39,52]㊂沙尘暴的发生能够使大量的S i 被释放到大气中并通过大气输送沉降进入海洋[53-54]㊂2020年中国气候公报[55](C h i n a C l i m a t e B u l l e t i n,2020)显示北方地区沙尘天气过程较常年同期偏少,因此雨水中S i O 2-3的浓度较低,平均浓度仅为往年观测值的1/28[9]㊂千里岩雨水中营养盐的浓度受降雨量影响,较高的营养盐浓度通常出现在降雨量较小的降雨事件中(见图1)㊂降雨量及营养盐浓度随时间的变化较为明显,观测期间降雨量分布严重不均,夏季(6 8月)降雨量约占全年总降雨量的78%,频繁的降雨对大气颗粒物的清除和稀释作用高,因此雨水中的各项营养盐浓度均较低;与之相比,由于降雨量较小,早春(3 4月)和秋季(9 11月)的雨水中各项营养盐浓度均较高,特别是在8月28日 10月15日长达49天的时间内未收集到降雨,因此10月16日的降雨中各项营养盐浓度均出现高值㊂2.2气团后向轨迹聚类分析对获得的所有后向轨迹进行聚类分析发现,研究期间影响千里岩雨水的气团分为4类(见图3):包括来自南方陆海混合源(A )㊁北方陆源(B )㊁东南海源(C )和西北陆源(D )的气团,分别影响20㊁20㊁5和4个雨水样873期杨思奇,等:千里岩湿沉降中的营养盐特征㊁来源及生态效应研究图1 千里岩降雨量和雨水营养盐浓度随时间变化F i g .1 R a i n f a l l a n d n u t r i e n t c o n c e n t r a t i o n s o f r a i n w a t e r i n Q i a n l i yan (参考文献[6,28,37,40-43]㊂R e f e r e n c e d f r o m [6,28,37,40-43].)图2 不同区域雨水中氮组分平均浓度的对比F i g .2 C o m p a r i s o n o f t h e a v e r a ge c o n c e n t r a t i o n s of N s p e c i e s i n r a i n w a t e r a t d i f f e r e n t r e gi o ns 图3 千里岩雨水样品采集期间气团后向轨迹聚类F i g .3 C l u s t e r a n a l y s i s o f a i r m a s s b a c k w a r d t r a je c t o r i e s d u r i n g t h e c o l l e c t i o n of r a i n w a t e r s a m p l e s i n Q i a n l i ya n 97中国海洋大学学报2024年品㊂根据不同方向的气团来源分类,统计不同来源气团影响雨水的化学组成特征如表1所示㊂总体而言,陆源气团影响的雨水中各项营养盐浓度普遍高于混合源和海源气团㊂表1不同来源气团的雨水中降雨量(m m)㊁营养盐浓度(μm o l/L)和无机离子浓度(μm o l/L)T a b l e1 R a i n f a l l(m m),n u t r i e n t c o n c e n t r a t i o n s(μm o l/L)a n d i n o r g a n i c i o n c o n c e n t r a t i o n s(μm o l/L)i n r a i n w a t e r f r o m d i f f e r e n t a i r m a s s s o u r c e sA(n=20)B(n=20)C(n=5)D(n=4)降雨量635.7216.2149.615.8 N H+433.0ʃ84.790.2ʃ128.232.0ʃ162.9237.0ʃ68.3 N O-320.9ʃ65.561.0ʃ95.816.7ʃ126.2144.1ʃ136.0 N O-20.22ʃ0.260.41ʃ0.540.07ʃ0.060.36ʃ0.34 P O3-40.23ʃ2.11.5ʃ5.11.9ʃ1.99.0ʃ11.4 S i O2-30.12ʃ0.280.15ʃ0.150.15ʃ0.180.38ʃ0.25 D O N6.7ʃ87.931.6ʃ72.852.0ʃ70.5229.0ʃ360.0 D O P0.05ʃ0.190.06ʃ0.100.03ʃ0.32<D L N a+301.1ʃ616.3174.2ʃ324.9204.5ʃ1205.2355.9ʃ398.8 K+9.6ʃ41.210.8ʃ15.610.8ʃ60.331.4ʃ42.5 M g2+32.1ʃ71.922.4ʃ37.322.8ʃ124.060.1ʃ56.3 C a2+12.4ʃ50.827.2ʃ29.429.3ʃ77.486.4ʃ98.7 C l-322.8ʃ648.4184.4ʃ338.7244.9ʃ1245.0304.2ʃ279.0 S O2-422.1ʃ55.329.2ʃ41.024.4ʃ96.5120.0ʃ121.6 n s s-K+3.0ʃ28.97.0ʃ11.26.3ʃ34.123.7ʃ34.4 n s s-M g2+<D L2.7ʃ6.9<D L19.7ʃ44.6 n s s-C a2+5.8ʃ39.923.4ʃ26.824.8ʃ52.478.6ʃ90.4 n s s-S O2-43.9ʃ23.718.7ʃ33.412.0ʃ28.598.4ʃ100.2平均而言,各项营养盐浓度在西北陆源气团D影响的雨水中出现最高值㊂一方面可能是气团D影响的雨水全部发生在降雨事件较少且降雨量较低的春季,雨水对营养盐的稀释作用较小,气团D影响的雨水样品中总无机离子浓度约为其他气团的2倍说明了这一点㊂另一方面可能是由于气团D受春季东亚季风影响,经过蒙古高原沙尘源区和人类活动密集的山西㊁河北㊁山东等地,带来了较多的沙尘矿物和人类污染物,受沙尘源与人为源的混合影响,相较其他气团,样品中代表地壳源的n s s-C a2+对无机离子的贡献更高,与人类活动有关的n s s-S O2-4和生物质燃烧有关的n s s-K+对无机离子的贡献也更高,说明了这一点㊂N H+4和N O-3在南方陆海混合源气团A和东南海源气团C影响的雨水中出现最低值,在北方陆源气团B影响的雨水中出现较高值㊂气团A和C影响的雨水中代表海洋源的N a+㊁C l-和M g2+是无机离子的主要组成,占比达到80%,在较为清洁的海洋气流影响下,N H+4和N O-3浓度较低㊂虽然气团A在输送过程中经过陆地,受到一定程度的人类活动影响,但其影响的降雨多发生在雨水丰沛的夏季,降雨事件较为频繁且降雨量较高,对大气颗粒物的清除和稀释作用高,这可能是导致南方陆海混合源气团A影响的雨水中各项营养盐浓度较低的原因㊂气团B主要受人为源影响,该气团经过工农业发达㊁人口稠密的河北和山东地区,受到工业生产㊁农业施肥和交通运输等人类活动产生的污染物影响,所影响的样品中n s s-S O2-4和n s s-K+的贡献也更高,但其影响的降雨事件中约有60%发生在5 8月,受该时期频繁的降雨影响,气团B影响的降雨中营养盐浓度远低于同属陆源气团的气团D㊂P O3-4和S i O2-3的最低值出现在气团A影响的雨水中,主要可能由于该方向气团起源于海洋且经过的中国东南部陆地地区的沙尘和土壤源较少,且土壤有效硅含量较低[48],样品中代表地壳源的n s s-C a2+浓度也最低㊂东南海源气团C影响的雨水中P O3-4和S i O2-3的浓度高083期杨思奇,等:千里岩湿沉降中的营养盐特征㊁来源及生态效应研究于陆海混合源气团A,甚至高于陆源气团B影响的雨水,可能由于该气团经过海上长距离传输,气溶胶老化较为严重导致[49]㊂气团C影响的雨水中D O N浓度较高,该气团影响的降雨事件多发生在春㊁夏季节(5 6月),此时正值农作物追肥时期,因此日本地区化肥的使用可能是气团C影响的降雨中D O N浓度较高的原因㊂而所有气团影响的雨水样品中D O P浓度都很低,差别不大㊂2.3浓度权重轨迹分析鉴于从气团后向轨迹聚类分析得到的雨水中各营养盐组分潜在来源的空间分布信息仍不足,利用浓度权重轨迹分析法(C W T)定量分析采样期间不同潜在源区对千里岩雨水中除N O-2外各项营养盐组分的贡献程度,将T r a j S t a t插件计算得到的所有气团后向轨迹覆盖区域划分为1ʎˑ1ʎ大小的网格,由于N O-2性质不稳定,此处不对其进行分析㊂浓度权重分布图(见图4)呈现了潜在源区对千里岩雨水中各项营养盐浓度贡献的大小,W C W T值越大,表明所在区域对千里岩雨水中对应营养盐组分的贡献越大㊂如图4所示,千里岩雨水中不同营养盐组分潜在源区的分布特征不同㊂N H+4和N O-3的W C W T高值区分布相似,主要集中在山东,次高值出现在河南㊁安徽和江苏,与N H+4和N O3-分别对应的主要前体物质N H3和N O X在中国大气中的浓度分布状况相一致[56-58]㊂这些地区农作物种植发达,氮肥施用量高,牲畜养殖广泛且畜牧业产量高[58],同时人类活动密集,工业生产和交通运输发达,有较多的人为排放[56],对N H+4和N O3-的贡献也更大㊂D O N的W C W T高值区零散分布在河北㊁山东㊁河南㊁安徽和俄罗斯的贝加尔湖附近,所有高值区均出现在受沙尘源和人为源共同影响的气团D经过的路径㊂结合2.3中不同气团来源雨水中营养盐的浓度发现,气团D影响的雨水中D O N浓度远高于其他气团,是其他气团的4~34倍㊂人为污染源是中国近海大气中D O N的主要来源[59],出现W C W T高值的区域人类活动较为密集,而沙尘粒子可以作为载体对人类污染物进行输运[60]㊂起源于蒙古高原沙尘源区的气团D携带着较多的土壤颗粒和沙尘粒子经过以上区域,带来大量的陆源物质导致观测地点雨水中D O N的浓度升高[59]㊂P O3-4的W C W T高值区出现在山东㊂王楠等[61]研究发现在距离千里岩较近的青岛地区,农业活动㊁机动车燃油排放㊁化石燃料燃烧是气溶胶中D I P的主要来源,而山东地区农业活动㊁工业生产以及交通运输发达,对P O3-4的贡献也更大㊂同时在西北陆源气团D的输送轨迹上出现P O3-4的W C W T次高值区,起源于沙尘源区的气团D经过人类活动密集的地区,吸附大量的N O X㊁S O2等人为活动产生的酸性气体[62-63],导致气溶胶的酸性增加[64],进而引起P的溶解度增加[49],但其影响的雨水事件较少,所以仅出现次高值㊂D O P的W C W T高值区集中在长江入海口附近的上海和浙江沿岸地区㊂此处农业活动发达,而人类农业活动是D O P的重要来源,王楠等[61]研究发现农业活动源对青岛地区气溶胶中D O P的贡献约为27%㊂S i O2-3的W C W T高值区有四处,分别位于山东河北交界处㊁安徽江苏交界处㊁安徽江西交界处和黄海部分海域㊂这些陆地区域的集约化农业活动加剧了土壤的扰动,进而使S i向大气的排放增加,这可能是S i O2-3的W C W T高值出现的原因㊂黄海部分海域出现S i O2-3的W C W T高值区,可能来源于大气的远距离传输㊂除以上地区外,日本以南部分海域对各项营养盐存在一定贡献,可能与附近陆地地区的大气传输有关㊂结合气团后向轨迹可以看出,千里岩雨水样品中各项营养盐的潜在贡献源区主要为周边陆地地区㊂出现W C W T高值的区域通常位于北方陆源气团B经过的途径上,东南海源气团C经过的海上部分地区有一定贡献,但其贡献程度较低,南方陆海混合源气团A经过的大部分地区W C W T值都很低,证明其贡献较小㊂虽然西北陆源气团D影响的雨水样品中各项营养盐浓度较高,但影响的降雨事件较少,因此经过的地区较少出现W C W T的高值㊂2.4湿沉降对黄海的影响大气沉降是陆源营养盐向海洋输送的重要途径之一,通过大气沉降(包括干沉降和湿沉降)向黄海输入的D I N和D I P分别约占总陆源输入量(大气沉降和河流)的71%和51%,其贡献高于河流(分别为29%和49%);D S i的贡献则不到1%(见表2)㊂研究表明黄海中部海域水体过剩氮含量N*(N*=D I N-16ˑD I P)约为-1.0μm o l/L,受降雨影响的水体中N*高达0.7~5μm o l/L[65]㊂黄海面积为380ˑ109m2,平均深度为44m[65],通过本研究湿沉降数据和文献干沉降数据[34]计算可知,通过大气沉降向黄海输入的D I N和P O3-4可导致水体中D I N和P O3-4的浓度升高约3.6和0.03μm o l/L(见表2),进而导致水体N*升高约3.2μm o l/L,这一计算结果与黄海中部开阔海域受降雨影响水体中N*升高的范围(约1.7~6.0μm o l/L)相符[65],因此通过大气沉降输入的营养盐对黄海中部海域的氮限制状况存在一定的缓冲作用[66-67]㊂过去的研究多集中于湿沉降中D I N对海洋初级生产的贡献,但是近年来的研究表明,D O N也可以被海洋生物吸收利用[67]㊂以往对于湿沉降中营养盐对黄海生产力的影响只考虑D I N的贡献,或者采用全球湿沉降中D O N占T D N的平均比值30%进行计算[9],本研究则采用实测18中国海洋大学学报2024年图4千里岩雨水中各项营养盐的浓度权重分布F i g.4 W C W T m a p s o f n u t r i e n t s i n r a i n w a t e r o f Q i a n l i y a n数据进行估算以提供更为准确的结果㊂选定受河流影响较小的黄海中部海域为研究区域(该海域属于N潜在限制区域[67],假设通过湿沉降输送进入黄海的T D N 可以被生物完全吸收利用,则T D N的年湿沉降通量为103.0m m o l㊃m-2㊃a-1,根据R e d f i e l d比值(CʒN= 106ʒ16),可支持8.2g㊃m-2㊃a-1的新生产力(以C 元素计,下同),贡献黄海年平均新生产力(27.4g㊃m-2㊃a-1)的29.9%[69]㊂本研究观测期间内来自南方陆海混合源㊁北方陆源㊁东南海源和西北陆源气团影响的湿沉降中T D N的通量分别为38.7㊁39.6㊁15.1和9.6m m o l㊃m-2㊃a-1(见表1),根据R e d f i e l d比值,分别可支持黄海3.1㊁3.2㊁1.2和0.8g㊃m-2㊃a-1的新283期杨思奇,等:千里岩湿沉降中的营养盐特征㊁来源及生态效应研究生产力,对黄海年平均新生产力的贡献分别为11.2%㊁11.5%㊁4.4%和2.8%㊂突发性强降雨可在短时间内带来大量的营养盐,例如观测期内的6月23日,千里岩12h 内降雨量达到44.8m m ,输入氮组分通量可达5.9m m o l ㊃m -2,可支持471m g㊃m -2㊃d -1的新生产力,远高于黄海年平均新生产力(75.1m g㊃m -2㊃d-1)[69],因此在容易出现水体层化现象的夏季,湿沉降的贡献可能更为重要㊂表2 黄海外源营养盐年输入通量T a b l e 2 A n n u a l i n p u t f l u x o f e x o ge n o u s n u t r i e n t s i n t h e Y e l l o w S e aˑ109m o l /a来源①D I NP O 3-4S i O2-3大气沉降②湿沉降30.6(1)0.34(1)0.05(1)干沉降29.6[34]0.12[34]0.13[34]鸭绿江3.00[70]0.005[70]2.55[71-72]大沽河0.08[70]0.0002[70]0.03[73]淮河2.75[70]0.12[70]1.11[73-74]河流输入③长江15[70]0.23[70]12.2[75]汉江2.6[70]0.066[70]0.70[73,76]克乌姆河1.32[73,77]0.01[73,77]0.60[73,77]荣山江0.06[70]0.0062[70]0.12[73,77]注:(1)为本研究数据㊂(1)d a t a f r o m t h i s s t u d y.①S o u r c e ;②A t m o s -p h e r i c d e p o s t t i o n ;③R i v e r i n pu t .3 结论(1)雨水中营养盐浓度的变化范围较大,受降雨量影响,较高的营养盐浓度通常出现在降雨量较低的事件中㊂N H +4㊁N O -3和DO N 是千里岩雨水中营养盐的主要组成,平均浓度分别为(48.2ʃ118.8)㊁(30.8ʃ97.2)和(22.1ʃ147.7)μm o l /L ,N O -2㊁P O 3-4㊁D O P 和S i O 2-3的浓度较低,平均浓度分别为(0.24ʃ0.40)㊁(0.87ʃ5.5)㊁(0.12ʃ0.17)和(0.13ʃ0.23)μm o l /L ㊂N H +4和N O -3构成了DI N 的主体,D O N 约占T D N 的22%㊂P O 3-4是T D P 的主要组成,占比约为88%㊂(2)影响雨水的气团来自南方陆海混合源(41%)㊁北方陆源(41%)㊁东南海源(10%)和西北陆源(8%),不同来源的气团对雨水中营养盐浓度的影响存在差异㊂陆源气团影响的雨水中各项营养盐浓度普遍高于混合源和海源㊂(3)雨水中不同营养盐组分潜在源区的分布特征不同㊂N H +4和N O -3的贡献源区集中在山东,D O N 的贡献源区零散分布在河北㊁山东㊁河南㊁安徽和俄罗斯的贝加尔湖附近,P O 3-4的贡献源区在山东,D O P 的贡献源区集中在长江入海口附近的上海和浙江沿岸地区,S i O 2-3的贡献源区分别位于山东河北交界处㊁安徽江苏交界处㊁安徽江西交界处和黄海部分海域㊂对营养盐高贡献的潜在源区主要为观测区域周边陆地地区,海上部分地区有一定贡献,但其贡献程度较低㊂(4)黄海大气T D N 的全年湿沉降通量为103.0m m o l ㊃m -2㊃a -1,对新生产力的贡献可达29.9%㊂强降雨带来的大量营养盐输入会在短时间内对黄海新生产力产生重要影响㊂通过大气沉降输入的营养盐对黄海中部海域的氮限制状况存在一定的缓冲作用㊂参考文献:[1] C h i e n C ,M a c k e y K R M ,D u t k i e w i c z S ,e t a l .E f f e c t s o f A f r i c a n d u s t d e p o s i t i o n o n p h y t o p l a n k t o n i n t h e w e s t e r n t r o p i c a l A t l a n t i c O c e a n o f f B a r b a d o s [J ].G l o b a l B i o g e o c h e m i c a l C yc l e s ,2016,30(5):716-734.[2] U m e z a w a Y ,T o y o s h i m a K ,S 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