大气气溶胶干沉降通量估算：新论揭示海洋气溶胶情况

由于地球大气是一个流动的体系，陆源与海源气溶胶的长途传输，成为全球生物地球化学循环的重要组成部分。大气沉降是陆源物质进入沿海区域的重要途径之一。大气沉降通量的估算，对了解全球生物地球化学循环过程有着重要的意义。颗粒物的干沉降是指降水（雨、雪等）之外，在大气中发生的所有物理过程，如重力沉降、湍流扩散以及布朗扩散与碰撞等［80］。目前有研究者利用模式来计算干沉降［81］。但是，模式计算因为模拟的大气环境与实际的大气环境相差甚远，通常都是模拟值比真实值小得多。在实际定点观测中，由于采样面与其上空气流的作用，也无法跟大气与海洋实际接触面的相互作用一致，即采样过程无法完全代表天然的干沉降过程，实测值通常要比真实值大［82］。所以到目前为止，世界范围内都还没有干沉降直接测定的有效可行的方法。尽管如此，很多大气科学家还是偏向于实际得到的观测数据［83］。因此在此次的航行考察中，我们采用“全程跟踪”的方法，让采样器在整个航程中进行收集，使之相对接近于天然沉降。这样，本研究通过直接测定，得到了珠江口海域的干沉降通量。虽然直接测定值是实际通量的近似值，但是可以用此结果来近似估算大气沉降对海洋的影响。

张经等［84］基于对黄海北部2年多的观测，得出在冬春少雨季节，中国海上每年沙尘沉降通量约为40 g·yr-1·m-2。Gao等［80］通过1989年春季海上调查资料的分析估算，矿物在黄海的入海通量为9～76 g·yr-1·m-2。至今还没有研究者报道关于珠江口海区的海上调查资料。我们在2003年4月的航次中，从4月17日12:50开始收集气溶胶，到4月20日19:50结束。一共收集了79 h，收集面涵盖了整个航次的海域。在珠江口海域，测得春季的干沉降通量为142 g·yr-1·m-2。由于珠江口海域靠近陆源，受陆地气溶胶和污染扩散对近海口的影响，致使珠江口的干沉降通量要比张经等人观测的黄海海域高。珠江口海域面积为2 100 km2，按照我们实际测得的干沉降通量来估算，每年大约有3.0×105 t颗粒物，沉降在珠江口海域。必须指出的是，2003年4月是30年一周期的所谓“北涝”时期，降水量大，中国北方沙尘天气较少，加上珠江河口地区4月间也多降雨，由此推断，若是在正常年份，此干沉降通量应该更大。中国南海海域的面积为350万km2［85］，显然，如此巨大海域面积所接受的来自陆地长途传输的大气颗粒物的干沉降，是全球生物地球化学循环的重要组成部分。

已有研究表明［86］，中国海洋沉积物中多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbon，PAH）大部分来源于大气颗粒物的干湿沉降。Duce［2］等的研究表明，对溶解于海水中的微量元素Pb、Cd（镉）和Zn，全球大气输入量大于河流的输入；对微量元素Cu、Ni（镍）、As和Fe，大气输入与河流输入大致相当。按照上述直接测得的大气干沉降通量估算，在珠江口春季，Al、Ca和Fe的沉降通量分别为：32.6×103 t·yr-1、17.0×103 t·yr-1和9.44×103 t·yr-1；污染元素Pb和Zn的沉降通量分别为：0.17×103 t·yr-1和3.07×103 t·yr-1。污染元素Sb和Se的沉降通量，与刘毅等［87］报道的近东海海域的春季值相当（见表6-9）。

表6-9　春季污染元素平均干沉降通量（mg·m-2·mon-1）

mon：月。(www.xing528.com)

对于海洋营养物质来说，人类活动产生的外源性的“新”P和N，可能是控制海洋初级生产力的一个关键因素。在美国切萨皮克海湾的多年研究表明，大气输入占该海区N总输入量的25%［88］。欧洲波罗的海N的大气沉降入海量也占该海区N总输入量的21%［89］。在波的尼亚海区，来自大气的年N沉降量和P沉降量分别为60 000 t和1 100 t，N占该海区总输入量的54%，P占28%［90］。如果仅考虑河流和大气的输入，地中海51%的N和33%的P是来自大气的沉降，大气N和P的沉降量分别为1.068×106 t·yr-1和6.4×104 t·yr-1［91］。J.Zhang等［92］的研究表明，大气沉降是黄海西部海域可溶性N和P的主要来源，每年通过大气入海的可溶性无机N和P的量，分别为14×109 mol·yr-1和0.3×109 mol·yr-1。C.S.Chung等［93］的研究显示，在整个黄海区域，NH 4+的大气输入量超过河流输入量。20世纪80年代以来，许多观测实验和实验室研究都表明，大气的沉降物主要是NO 3-、NO 2-和NH 4+等可溶性无机N，对开阔海域浮游植物的初级生产过程有较大的影响。加上降水，在短时间内，大量营养物质的一次性输入会直接刺激浮游植物的增加。珠江口水域是珠江进入南海的入海口，也是南海北部陆源污染物质的主要受纳水体，富营养化也是该水域的主要环境问题之一，并时有赤潮发生［94，95］。在珠江口2003年4月的春季航次中，测试得到PO24-的含量平均值为6.90×10-2μg·m-3。这和商少凌等［96］在厦门海域测试得的值6.03×10-2μg·m-3相近。调查得到的无机氮（NO3-、NO2-和NH4+）的沉降量为1.978×105 t·yr-1，无机磷的沉降量为5.520×102 t·yr-1，无机氮与无机磷的沉降量比为360。表6-10给出了世界各海区无机氮干沉降量［6］的对比，可见珠江口海区面积虽然比较小，但是无机氮在该海区的沉降量与南太平洋、印度洋在同一个数量级。

表6-10　无机氮对海洋的大气输入（105 t·yr-1）

从理论上讲，浮游植物按照N∶P=16∶1（原子比）的比例，吸收海水中的N和P。开阔海洋中的N／P比，一般小于这个值，即处于N限制状态。而在海洋气溶胶和降水中，N／P比远远大于这个数值。在青岛附近观测到，降水中的N／P比为91［6］。黄小平等［35］对珠江口水体的无机氮和活性磷酸盐含量的时空变化特征，进行了研究。他们指出，该海域的N／P比普遍偏高，最高值超过300。该水域的营养盐主要为磷限制。在珠江口春冬两季的TSP大气气溶胶样品中，观测到的N／P比分别为42和120；但是在细颗粒物样品中，春季的N／P比远高于冬季。春季的PM 10样品，N／P比为567，冬季为305。PM 2.5样品中春冬两季的N／P比，分别为604和103。所有样品的平均N／P比为：春季364，冬季240。可见，春季总体的N／P比是冬季的1.5倍。而在细颗粒物中，尤其在PM 2.5中，N／P比在春季大约是冬季的6倍。但是，仅从PO 2-4的绝对浓度来看，无论在TSP、PM 10和PM 2.5样品中，冬季的N／P比都比春季高；在TSP和PM 10中，春季的N／P比约是冬季的1.5倍；而在PM 2.5中，春季N／P比大约是冬季的7倍。扈传昱等［97］对珠江口沉积物中P的形态进行研究发现，珠江口仅有Fe结合磷与有机磷为生物潜在可利用的P，而自生Ca结合磷与原生碎屑结合磷，总的来说占总磷（TP）的49%，因此估计，将近有一半的P不能为生物所利用。但是，由于在珠江口海域，春季气溶胶中水溶性P的绝对含量增加，使得处于磷限制状态的海区，浮游植物迅速生长。很明显，珠江口海域大气的干湿沉降，会对海洋中浮游植物的生产过程产生较大影响。在一个较长的时间尺度内，P和N的大气输入也可能造成海域初级生产P和N限制性的改变，同时增加海区的初级生产力。