中國(guó)近海大氣沉降中氮組分的分布特征及對(duì)春季水華事件的影響分析.pdf

1、大氣氮沉降是海洋氮營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要來(lái)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(wú)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(lái)源,因此,認(rèn)識(shí)大氣有機(jī)氮的組成、來(lái)源和濃度水平對(duì)評(píng)價(jià)大氣氮沉降對(duì)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(guó)近海是全球氮沉降的高值區(qū),但這一估計(jì)僅包括了無(wú)機(jī)氮,而我國(guó)在化肥生產(chǎn)與使用、化石燃料燃燒以及地表?yè)P(yáng)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(wú)機(jī)氮的入海通量可能低估了大氣氮沉降對(duì)中國(guó)近海的貢獻(xiàn),因此在中國(guó)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(lái)源,以及大氣沉降對(duì)黃海氮營(yíng)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(shí)如下:
　　 青島大氣氣溶膠中水溶性有機(jī)氮對(duì)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(guó)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(shí)有機(jī)氮濃度為晴天時(shí)的2～3倍,表明氣溶膠中有機(jī)氮主要來(lái)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(diǎn)。冬季采暖期間有機(jī)氮濃度較之采暖前有統(tǒng)計(jì)

4、意義上的升高,這一結(jié)果提供了大氣有機(jī)氮來(lái)自化石燃料燃燒的直接證據(jù)。溶解性氨基化合物對(duì)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(lái)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(duì)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(guó)尿素的大量使用所帶來(lái)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(duì)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(shì)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(lái)自人為污染及地表?yè)P(yáng)塵的貢獻(xiàn)。溶解性氨基化合物對(duì)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(lái)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(shì)為春、冬季較高、夏、秋季較低,與青島的一致。尿素氮對(duì)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(shí)。
　　 在南海,氣溶膠中有機(jī)氮對(duì)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(guó)近海,超過(guò)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(lái)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(duì)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(lái)自人為污染源,海洋源和地表?yè)P(yáng)塵的貢獻(xiàn)相對(duì)較小。在中國(guó)近海,氣溶膠中尿素對(duì)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(duì)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(gè)源:海洋源、地表?yè)P(yáng)塵,人為污染和機(jī)動(dòng)車排放。對(duì)有機(jī)氮的貢獻(xiàn)

9、分別為18.0％、25.3％、41.7％、15.0％。估計(jì)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?yè)P(yáng)塵分別貢獻(xiàn)了10％左右,機(jī)動(dòng)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(guò)境后觀測(cè)到水華的發(fā)生。研究了沙塵和非沙塵期間氣溶膠中營(yíng)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(wú)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?cè)诖至Ｗ由系呢暙I(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(wú)機(jī)氮的沉降通量分別

11、為非沙塵時(shí)的15倍、13倍和5倍左右。沙塵發(fā)生時(shí)伴隨的降雨對(duì)沙塵粒子有明顯的清除作用,通過(guò)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(wú)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(yíng)養(yǎng)鹽的主要來(lái)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