千里岩湿沉降中的营养盐特征、来源及生态效应研究*

杨思奇, 王玲燕**, 刘素美,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)

大气沉降不仅是清除大气污染物、净化空气、改善空气质量的有效途径,也是海洋中外源性营养盐(N、P、Si)的重要输入途径[1-3]。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]。地中海西北部地区湿沉降占DOP沉降总量的80%[5]。在日本海东南部,通过湿沉降输送的TDN通量约占总沉降通量的58%[6]。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。

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。于志刚等[7]研究发现,千里岩大气湿沉降N/P比值远高于Redfield比值,将对该海域的营养盐结构产生一定的影响。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、冬季节高于夏、秋季节。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。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。

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]。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、水华等现象的发生[9,23-25]。

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(CWT)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。

1 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(36°16′N,121°23′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、过往船舶和大陆气团的远距离输送[26]。样品使用采雨器采集(采雨器预先经1/10(V/V)HCl浸泡3 d,使用Milli-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-20 ℃冰箱冷冻保存,同时记录降雨量和降雨期间的温度、湿度、风向、风速、气压等各项气象参数。

1.2 数据处理

1.2.1 加权平均浓度(CVWM)和沉降通量(FW) 雨水中各项化学组分的加权平均浓度(μmol/L)和沉降通量(mmol·m-2·a-1)的计算公式如下:

(1)

式中:n为统计时间内降雨的次数;Ci为单次降雨中营养盐的浓度(μmol/L);Qi为单次降雨量 (mm);FW为湿沉降通量。雨水pH值的平均值根据雨水中H+的加权平均浓度计算[28]。本研究中出现的平均浓度均为降雨量加权平均浓度。

1.2.2 海盐离子质量浓度([ss-X])和非海盐离子质量浓度([nss-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:

[ss-X]=[Na+]sample×([X]/[Na+])seawater,

[nss-X]=[X]sample-[ss-X]。

(2)

式中:[Na+]sample为雨水样品中Na+的浓度,([X]/[Na+])seawater为海水中相应离子与Na+的比值[29]。

1.3 气团后向轨迹分析及后向轨迹聚类分析

HYSPLIT4模型是由美国国家海洋和大气管理局(NOAA)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、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。

以降雨事件的开始时刻为起始时间,1 500 m为起始高度,利用全球数据同化系统(GDAS)气象数据(http://www.arl.noaa.gov/ready/hysplit4.html)和HYSPLIT气团后向轨迹模式(http://ready.arl.noaa.gov/HY-SPLIT.php)计算得到观测期间内发生的所有降雨事件的气团72 h后向轨迹。通过Meteoinfo软件中的TrajStat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。

1.4 浓度权重轨迹分析法(CWT)

浓度权重轨迹分析法(CWT)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1°×1°的网格单元(i,j),每个网格单元的CWT值为:

(3)

式中:CWTij为网格(i,j)的平均权重浓度,CWTij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;Cl为轨迹l经过网格(i,j)时对应的化学组分浓度;τijl为轨迹l经过网格(i,j)的端点数。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。为了减少这种不确定性,通常需要引入权重系数Wij对CWTij进行校正得到WCWTij,nave为每个网格中轨迹端点数的平均值。

(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1 017.3 mm,远高于以往观测到的300～600 mm的年均降雨量[32-35]。雨水的pH值范围为4.35～6.85,平均值为5.45。

图1 千里岩降雨量和雨水营养盐浓度随时间变化

(参考文献[6,28,37,40-43]。Referenced from[6,28,37,40-43].)图2 不同区域雨水中氮组分平均浓度的对比

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)。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。

2.2 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)、北方陆源(B)、东南海源(C)和西北陆源(D)的气团,分别影响20、20、5和4个雨水样品。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。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。

表1 不同来源气团的雨水中降雨量(mm)、营养盐浓度(μmol/L)和无机离子浓度(μmol/L)

图3 千里岩雨水样品采集期间气团后向轨迹聚类

2.3 浓度权重轨迹分析

图4 千里岩雨水中各项营养盐的浓度权重分布

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。出现WCWT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WCWT值都很低,证明其贡献较小。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WCWT的高值。

2.4 湿沉降对黄海的影响

表2 黄海外源营养盐年输入通量

3 结论

(2)影响雨水的气团来自南方陆海混合源(41%)、北方陆源(41%)、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。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。

(4) 黄海大气TDN的全年湿沉降通量为103.0 mmol·m-2·a-1,对新生产力的贡献可达29.9%。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。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。