邢建偉,宋金明,*,袁華茂,李學(xué)剛,李 寧,龍愛民

1 中國科學(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 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 4 中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心, 青島 266071 5 熱帶海洋環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國科學(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、濕沉降過程是生源要素生物地球化學(xué)循環(huán)過程的重要一環(huán),在全球海洋碳循環(huán)過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所必需的營養(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生產(chǎn)者之一,貢獻(xiàn)了超過40%的全球海洋初級生產(chǎn)量[2]。同時,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的主要來源(約80%)[10],但近年來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[12-14]。同時,大氣沉降在近海營養(yǎng)物質(zhì)生物地球化學(xué)循環(huán)過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]。在法國地中海西北部沿岸的Cap Ferrat,大氣沉降輸入的無機(jī)磷支持的高生產(chǎn)力會被輸入量較低的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[17]。以上研究表明,大氣Si沉降量不容忽視,并可能會對海洋生態(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],對氣溶膠SiO3-Si含量及其干沉降過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,是我國北方地區(qū)一個受自然變化與人類活動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,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)距離傳輸與沉降勢必會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,環(huán)膠州灣河流的年輸沙量迅速降低[28]。同時,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必會進(jìn)一步降低,這可能會在很大程度上增強(qiáng)大氣沉降在膠州灣SiO3-Si外源輸入中的重要性,并可能會對膠州灣生態(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)計量學(xué)參數(shù)評估了干沉降對膠州灣生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響。研究結(jié)果將為科學(xué)認(rèn)識典型海灣氣溶膠SiO3-Si干沉降特征及其對近海生態(tài)系統(tǒng)的影響提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù),同時有助于進(jìn)一步加深對全球Si生物地球化學(xué)循環(huán)過程及碳循環(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)周圍無明顯障礙物和局部污染源,對采樣過程基本沒有干擾。

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],每個樣品的采樣時間均為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間、結(jié)束時間和標(biāo)準(zhǔn)采樣體積。樣品收集過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。

干沉降樣品采用DH- 200型干濕沉降自動采樣器(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,可自動分離干、濕沉降。干沉降桶在無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自動移向干沉降桶。同理,降水結(jié)束,干沉降桶上的蓋子會自動移回濕沉降桶,達(dá)到自動分離干濕沉降的目的,且相互之間無污染[25]。同期濕沉降研究結(jié)果參見文獻(xiàn)[7]。

采用國標(biāo)GB/T15265- 94環(huán)境空氣降塵的測定(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)級純)并占滿桶底,以防止微生物活動和冬季結(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,開始收集樣品。采樣期間根據(jù)桶內(nèi)水位變化隨時補(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,同時更換新桶,重復(fù)上述操作,進(jìn)行下一個樣品的采集。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個有效樣品。干沉降的空白同步采集,處理過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^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)過濾。過濾體積隨干沉降樣品的渾濁度不同在100—200 mL波動。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^程同上。

氣溶膠和干沉降中的SiO3-Si均利用德國QuAAtro連續(xù)流動分析儀,使用硅鉬藍(lán)法測定?？瞻讟悠返臏y定方法同樣品一致,其濃度均低于檢測限。本研究中使用的所有器皿(采樣桶、過濾裝置、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間計算,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)通過簡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年青島伏龍山的測定值相比高出將近1倍(表1)[30],表明近年來青島周邊區(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)報道,本研究發(fā)現(xiàn),在中國陸架邊緣海,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/再懸浮是中國東部陸架邊緣海氣溶膠SiO3-Si的主要來源[7],這在姜曉璐對東、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。由于目前國內(nèi)外關(guān)于氣溶膠SiO3-Si的研究較少,本研究中不同區(qū)域的研究時間存在差異,且只與少數(shù)區(qū)域進(jìn)行了對比,缺乏全球性的氣溶膠SiO3-Si濃度空間變化數(shù)據(jù),這在一定程度上會對上述結(jié)論產(chǎn)生一定的不確定性。為深入探索全球氣溶膠SiO3-Si濃度的時空變化規(guī)律,更多區(qū)域的研究亟待同步開展。

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]美國愛荷華州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?。磺锛颈M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的主要來源和主要控制因素。

對氣溶膠顆粒物中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。由于目前國際上對氣溶膠SiO3-Si的研究還十分稀少,本研究僅與已報道的地區(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],但略高于美國愛荷華州農(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主導(dǎo)地位(83%)。

根據(jù)膠州灣的面積(約370 km2),計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的一個不容忽視的輸入源,凸顯出大氣干沉降在膠州灣營養(yǎng)物質(zhì)外源輸入中的重要性?？梢灶A(yù)見,隨著將來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必會進(jìn)一步提高。因此,有必要進(jìn)一步加強(qiáng)中國陸架邊緣海大氣沉降中SiO3-Si以及其他礦物塵土源營養(yǎng)物質(zhì)輸入通量的研究；同時,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),以豐富和完善對邊緣海元素生物地球化學(xué)循環(huán)過程的科學(xué)認(rèn)識。

2.2.2干沉降速率

干沉降速率是控制干沉降過程的一個關(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)確可靠的測定結(jié)果[25,36-38]。因此,在以往的研究中,Vd值通常用模型測定[39-41]或直接根據(jù)粒徑分布取一個恒定的數(shù)值[25,42]。這種將Vd固定為某一個數(shù)值忽視了Vd的時間和空間變化,會對營養(yǎng)物質(zhì)干沉降通量的計算造成較大的誤差。遺憾的是,在膠州灣區(qū)域還沒有開展氣溶膠SiO3-Si的Vd值的研究。本研究通過利用經(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),從海上來的濕潤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,本研究僅采用干沉降模型間接估算了其較大時間尺度的變化特征,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年代以來一直低于Redfield比值1(即海洋浮游植物生長對營養(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],表明膠州灣水體長期以來存在浮游植物生長的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Si限制的一個重要潛在因素。根據(jù)Redfield比值(C∶Si=106∶16),估算出通過干沉降進(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支持的初級生產(chǎn)力可占膠州灣總初級生產(chǎn)力的0.53%。按f-比(新生產(chǎn)力與初級生產(chǎn)力的比值)10%計算[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的輸入對總初級生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)極低,但對新生產(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益的鞭毛藻型演變過程中起著非常重要的作用[50]。硅藻長期以來一直是膠州灣浮游植物的絕對優(yōu)勢種[26,43,51],但是自20世紀(jì)90年代以來,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)勢種的概率也在增加[43],這與過去幾十年膠州灣水體長期Si限制的營養(yǎng)狀態(tài)密不可分[52]。因此,本研究推測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養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)失衡和浮游植物群落結(jié)構(gòu)長期變化的一個潛在因素。今后的研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注大氣沉降營養(yǎng)物質(zhì)的輸入對海洋生態(tài)系統(tǒng)的綜合影響機(jī)制以及海洋生態(tài)系統(tǒng)對大氣沉降營養(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營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)失衡和浮游植物群落結(jié)構(gòu)改變的一個重要潛在因素。由于膠州灣水體浮游植物生長的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的輸入會對膠州灣生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一定影響。今后的研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注大氣營養(yǎng)物質(zhì)沉降對海洋生態(tài)系統(tǒng)的綜合影響機(jī)制以及海洋生態(tài)系統(tǒng)對此輸入的響應(yīng)。