中國近海大氣沉降中氮組分的分布特征及對春季水華事件的影響分析.pdf

1、大氣氮沉降是海洋氮營養(yǎng)物質(zhì)的重要來源,能夠?qū)Ｑ笊鷳B(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。大氣沉降中的氮組分主要包括具有生物活性的無機(jī)氮,此外有機(jī)氮也是大氣沉降中的重要組分,這些有機(jī)氮是否具有生物活性取決于它的化學(xué)形態(tài)和來源,因此,認(rèn)識大氣有機(jī)氮的組成、來源和濃度水平對評價大氣氮沉降對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響具有十分重要的科學(xué)意義。中國近海是全球氮沉降的高值區(qū),但這一估計僅包括了無機(jī)氮,而我國在化肥生產(chǎn)與使用、化石燃料燃燒以及地表揚塵等方面可能具有強(qiáng)的有機(jī)氮排放

2、源,目前只包括無機(jī)氮的入海通量可能低估了大氣氮沉降對中國近海的貢獻(xiàn),因此在中國近海開展大氣氣溶膠中有機(jī)氮的研究是十分必要而且具有重要的科學(xué)意義。本論文以青島近岸、千里巖海島和黃海為主要研究區(qū)域,研究氣溶膠中的氮組分、尤其是水溶性有機(jī)氮的分布特征、組成和來源,以及大氣沉降對黃海氮營養(yǎng)物質(zhì)的貢獻(xiàn)及其與水華生物響應(yīng)之間的關(guān)系,獲得的主要認(rèn)識如下:
　　 青島大氣氣溶膠中水溶性有機(jī)氮對總氮的貢獻(xiàn)為23.7±16.5％,其平均濃度為256

3、±303 nmol·m-3,顯著高于世界其他地區(qū),我國具有較強(qiáng)的NOx、NH3、揮發(fā)性有機(jī)物等有機(jī)氮前體排放源是造成氣溶膠中有機(jī)氮濃度較高的主要原因。季節(jié)變化顯示,有機(jī)氮濃度在冬、春季節(jié)較高,秋、夏季節(jié)較低。不同天氣狀況下,氣溶膠中有機(jī)氮濃度存在顯著性差異,煙霾和霧天時有機(jī)氮濃度為晴天時的2～3倍,表明氣溶膠中有機(jī)氮主要來自二次氣溶膠,有機(jī)氮與NO3-和NH4+之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系支持了這一觀點。冬季采暖期間有機(jī)氮濃度較之采暖前有統(tǒng)計

4、意義上的升高,這一結(jié)果提供了大氣有機(jī)氮來自化石燃料燃燒的直接證據(jù)。溶解性氨基化合物對有機(jī)氮的貢獻(xiàn)為7.5±5.0％,結(jié)合態(tài)是氨基化合物的主要存在形態(tài),約為游離態(tài)的3倍。精氨酸、甲胺、丙氨酸是青島氣溶膠中最主要的氨基化合物,氣團(tuán)來源和天氣條件不同影響氨基化合物的濃度和組成。尿素氮對有機(jī)氮的貢獻(xiàn)為8.6±6.2％,與世界其他地區(qū)相比較,青島氣溶膠中尿素濃度較高,我國尿素的大量使用所帶來的局地強(qiáng)排放源是造成這一結(jié)果的主要原因。
　　

5、千里巖氣溶膠中有機(jī)氮對總氮的貢獻(xiàn)為22.8±12.9％,與青島及世界其它地區(qū)的平均值相當(dāng)。有機(jī)氮的平均濃度為111±81 nmol.m-3,明顯高于世界其他地區(qū),但低于青島的結(jié)果。千里巖上風(fēng)向上京、津等大城市高濃度污染物的遠(yuǎn)距離輸送是造成這一結(jié)果的主要原因。千里巖氣溶膠中有機(jī)氮的季節(jié)變化趨勢與青島相同。在不同天氣狀況下,與青島相似,有機(jī)氮濃度也存在顯著性差異,但變化幅度小于青島。有機(jī)氮與NO3-、NH4+、K+、Cl-和Ca2+之間存在

6、正相關(guān)關(guān)系,表明千里巖大氣有機(jī)氮主要來自人為污染及地表揚塵的貢獻(xiàn)。溶解性氨基化合物對有機(jī)氮的貢獻(xiàn)為12.4±12.6％,Arg和MA是最主要的氨基化合物,MA與NH4+、NO3-和SO42-之間的相關(guān)關(guān)系表明其主要來自人為源的貢獻(xiàn)。千里巖氣溶膠中尿素濃度高于世界其他地區(qū)未受污染大氣中的結(jié)果,但低于青島。季節(jié)變化趨勢為春、冬季較高、夏、秋季較低,與青島的一致。尿素氮對有機(jī)氮的貢獻(xiàn)為5.3±3.8％,千里巖氣溶膠中的有機(jī)氮組分,除了尿素和氨

7、基化合物外尚有約80％未能被認(rèn)識。
　　 在南海,氣溶膠中有機(jī)氮對總氮的貢獻(xiàn)約為30％,在黃海和青島這一比例約為20％。有機(jī)氮濃度在青島氣溶膠中最高,黃海次之,南海最低。在中國近海,超過70％的有機(jī)氮出現(xiàn)在<2.1μm細(xì)粒子上,約10％出現(xiàn)在7.0-11.0μm的粗粒子上,表明了部分有機(jī)氮可能來自海鹽氣溶膠。沙塵期間,氣溶膠中有機(jī)氮的濃度顯著升高,但是有機(jī)氮對總氮的貢獻(xiàn)降低。在沙塵氣溶膠中,有機(jī)氮在>2.1μm粗粒子上的貢獻(xiàn)升高

8、約20％,表明有機(jī)氮可能包含在大的沙塵粒子中和/或吸附在粗的礦物氣溶膠表面。因子分析結(jié)果表明有機(jī)氮主要來自人為污染源,海洋源和地表揚塵的貢獻(xiàn)相對較小。在中國近海,氣溶膠中尿素對有機(jī)氮的貢獻(xiàn)約為8％。在非沙塵氣溶膠中,50％左右的尿素出現(xiàn)在細(xì)粒子上,而在沙塵氣溶膠中,這一比例下降為30％。游離氨基酸是有機(jī)氮中的少量組分,對有機(jī)氮的貢獻(xiàn)僅為1％左右。PMF分析表明黃海氣溶膠主要有四個源:海洋源、地表揚塵,人為污染和機(jī)動車排放。對有機(jī)氮的貢獻(xiàn)

9、分別為18.0％、25.3％、41.7％、15.0％。估計了2009年2～4月黃海大氣總氮的沉降通量,其中人為污染源貢獻(xiàn)了66％,海洋源和地表揚塵分別貢獻(xiàn)了10％左右,機(jī)動車排放貢獻(xiàn)了15％。
　　 2007年春季在黃海調(diào)查期間,調(diào)查海域受到了沙塵暴的影響,沙塵過境后觀測到水華的發(fā)生。研究了沙塵和非沙塵期間氣溶膠中營養(yǎng)鹽的濃度、溶解性、粒徑分布和沉降通量,結(jié)果表明,總懸浮顆粒物(TSP)中總磷、總鐵和總無機(jī)氮(NH4+,NO2-

10、和NO3-)的濃度分別為0.01～1.05μg·m-3,1.0～121.8μg·m-3和1.21～22.28μg·m-3,最高值均出現(xiàn)在沙塵發(fā)生期間采集的氣溶膠樣品中。平均而言,鐵在沙塵和非沙塵氣溶膠中的溶解度分別為1.65％和8.46％。顆粒物、NO3-和NH4+的粒徑分布顯示,沙塵期間它們在粗粒子上的貢獻(xiàn)較之非沙塵期間分別升高了50％、20％和20％。在沙塵發(fā)生期間(3月31日至4月1日),溶解性鐵、溶解性磷和總無機(jī)氮的沉降通量分別

11、為非沙塵時的15倍、13倍和5倍左右。沙塵發(fā)生時伴隨的降雨對沙塵粒子有明顯的清除作用,通過沙塵期間表層海水中鋁的增量推算總沉降通量,結(jié)果顯示,在這次沙塵事件中,溶解性鐵、溶解性磷和無機(jī)氮的總沉降通量分別42.5±10.9 mg·m-2,10.3±2.6 mg·m-2和77.2±19.8 g·m-2,其中濕沉降在總沉降中占主導(dǎo)。沙塵期間,大氣氮沉降是黃海中部表層營養(yǎng)鹽的主要來源,約為海洋向上輸送通量的6倍,磷的大氣輸入與海洋的輸入相當(dāng)。比