楊思奇, 王玲燕**, 劉素美,2

(1.中國海洋大學(xué)深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學(xué)中心 海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)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(xué)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(xué)者對黃海西部千里巖島營養(yǎng)鹽的濕沉降進(jìn)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(yuǎn)高于Redfield比值,將對該海域的營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)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(guān)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(jìn)入海洋的營養(yǎng)鹽影響著海洋上層水體中的營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu),支撐著浮游植物的生長,并引起海洋初級生產(chǎn)力的響應(yīng)[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(dǎo)致表層海水的暫時富營養(yǎng)化,影響浮游植物的種群結(jié)構(gòu),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(quán)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(chǔ)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(dāng)?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(yuǎn)距離輸送[26]。樣品使用采雨器采集(采雨器預(yù)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(jié)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(fēng)向、風(fēng)速、氣壓等各項氣象參數(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 加權(quán)平均濃度(CVWM)和沉降通量(FW) 雨水中各項化學(xué)組分的加權(quán)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(quán)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(quán)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(jìn)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(yīng)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(yīng)用于全球大氣沉降化學(xué)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(jìn)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(jìn)行合并歸類以代表一類氣團輸送路徑。

1.4 濃度權(quán)重軌跡分析法(CWT)

濃度權(quán)重軌跡分析法(CWT)是一種利用氣團軌跡結(jié)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(quán)重濃度,CWTij的值越大意味著網(wǎng)格(i,j)對采樣地點相應(yīng)要素的貢獻(xiàn)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(yīng)的化學(xué)組分濃度;τijl為軌跡l經(jīng)過網(wǎng)格(i,j)的端點數(shù)。當(dāng)通過網(wǎng)格的端點數(shù)較小時,計算結(jié)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(quán)重系數(shù)Wij對CWTij進(jìn)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(jié)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(yuǎn)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(xiàn)[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(yán)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(dá)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(jìn)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?；旌显?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(xué)組成特征如表1所示?？傮w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(quán)重軌跡分析

圖4 千里巖雨水中各項營養(yǎng)鹽的濃度權(quán)重分布

結(jié)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(xiàn)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(xiàn),但其貢獻(xiàn)程度較低,南方陸海混合源氣團A經(jīng)過的大部分地區(qū)WCWT值都很低,證明其貢獻(xiàn)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(jié)論

(2)影響雨水的氣團來自南方陸?；旌显?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(xiàn)可達(dá)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。