大气沉降是海洋生态系统中碳和营养盐等生源要素的主要来源之一，对海洋生物地球化学循环过程具有显著影响。中国科学院烟台海岸带研究所环境灾害监测评估团队以山东半岛北部养马岛海域为代表性研究区域，在大气沉降对近海水体碳和营养盐循环影响研究中取得系列重要进展。该海区是北黄海重要的扇贝养殖区，近年来在全球变暖大背景以及区域性人类活动的影响下，该海域夏季水体缺氧和酸化现象频发，妨碍了扇贝养殖产业的健康发展。研究团队基于对大气总悬浮颗粒物（TSP）及降水样品中碳和营养盐的分析，报道了养马岛附近海域大气颗粒物中水可溶性有机质、营养盐和颗粒有机质及降水中溶解有机质、营养盐和颗粒有机质的季节变化规律，量化了大气干湿沉降输入的有机碳和营养盐对于该海域海水中碳收支的贡献，证实了大气干湿沉降过程是该海域海水中碳的重要来源，探讨了大气沉降过程与区域海水体碳循环和夏季水体低氧现象之间的联系，有助于深入认识大气干湿沉降输入对近海生态系统的综合影响。相关成果相继在Science of the Total Environment和Marine Pollution Bulletin发表论文6篇。

结果表明，干沉降输入的颗粒有机碳（POC）年通量约为水可溶性有机碳（WSOC）的4.1倍；对于湿沉降，POC的年通量约为溶解有机碳（DOC）的46.7%；因此，大气中的POC主要通过干沉降过程输入到海水中，其贡献为71.1%，而水可溶性有机碳和溶解有机碳的情况则相反；如果将大气沉降对海水中有机碳的间接输入也考虑在内，即干湿沉降的养分输入所支持的新生产力贡献的有机碳，大气沉积对研究海域的总有机碳输入达12.0 gC/m2/a（图1），表明大气沉降在近海生态系统碳循环中具有重要作用（Xie et al., STOTEN 2023, 876: 162715）。不同季节TSP中总有机碳（TOC）的来源组成具有显著差异，而总氮（TN）在不同季节具有相似的来源组成；生物质源为TSP和TN的主要来源，其贡献分别为55.5±10.8%和57.3±11.7%；化石燃料燃烧是TOC主要来源，其贡献为47.7±3.4%；春季、夏季和秋季大气沉降对于表层海水悬浮颗粒物（SPM）的贡献分别为17.2±6.7%、10.2±2.0%和18.0±11.0%，表明大气TSP是表层海水SPM的重要来源之一；对于表层海水中的POC而言，春季、夏季和秋季大气沉降的贡献分别为35.2±3.5%、19.2±7.4%和25.5±7.9%，证实大气沉降过程对于近海颗粒碳循环具有重要的影响（Xie et al., STOTEN 2023, 854: 158540）。

TSP中WSOC、有色溶解性有机质（CDOM）和荧光溶解性有机质（FDOM）的含量在冬春季要明显高于夏秋季，主要与不同季节WSOM的来源差异及大气老化过程有关；WSOC的年干沉降通量可以将表层海水的DOC浓度提高10.2 μmol/L，从而对于维持表层水体的次级生产力有重要贡献，在一定程度上影响了研究海域内的碳循环过程；此外，由干沉降进入表层海水的WSOC中生物可利用部分在好氧分解的条件下可导致水体溶解氧（DO）浓度降低~4.8 μmol/L（Xie et al., STOTEN 2022, 818: 151772）。秋季湿沉降中DOC的浓度显著高于其他季节，而冬季湿沉降中有色溶解有机质（CDOM）及类腐殖质组分的荧光溶解有机质（FDOM）浓度最高，主要与不同季节溶解有机质的来源差异及降水的稀释效应有关；通过湿沉降过程向该海域输入的DOC通量为6.31×108 gC/a（图2），约占研究海域海水中DOC储量的4.0%；单次降水事件可使该海域表层水体中生物可利用性DOC的浓度提高0.57±0.54 μmol/L，占异养细菌次级生产每日所需有机碳的12.1±11.4%；5月至8月期间，湿沉降输入的DOC中生物可利用性部分在好氧分解条件下可使表层海水DO浓度降低5.3-8.5 μmol/L/month（Xie et al., STOTEN 2022, 844: 157130）。

降水中营养盐N和Si的浓度在秋季较高、夏季较低，而P的浓度在冬季和春季较高，溶解无机氮（DIN）的湿沉降通量为69.2 mmol/m2/a，占水体DIN外源输入通量的比例为34.4%（图3）；大气湿沉降中N/P比显著高于海水中N/P比及Redfield比值，可能会加剧水体中溶解态无机氮磷比的不平衡，促进海水中浮游植物优势种群由硅藻向甲藻的转变，从而不利于区域内海湾扇贝的生长；受强降水过程的影响，夏季DIN和水溶性有机氮（DON）的湿沉降通量高达30.1和4.98 mmol/m2，可支持水体19.3%的新生产力，该部分新生产力占区域内扇贝所摄食颗粒有机碳总量的比例为16.4%（Xie et al., MPB 2022, 182: 114036）。人为活动是TSP中水可溶性无机氮和有机氮（WSDIN和WSDON）的主要来源，沙尘是水可溶性无机磷（WSDIP）和硅酸盐（WSDSi）的主要来源，而水可溶性有机磷（WSDOP）可能来源于海洋生物活动；WSDIN、WSDON、WSDIP、WSDOP和WSDSi的大气干沉降通量分别为21.8、2.7、0.10、0.30和0.73 mmol/m2/a；总体而言，冬季通过大气干沉降获得的生物可利用氮支持的海水新生产力达9.14 mgC/m2/d；大气干沉降输入的DIN/DIP摩尔比的年平均值为216±123（Xie et al., MPB 2021, 172: 112866）。

上述论文为中国科学院战略性先导科技专项（A类）“‘美丽中国’生态文明科技工程专项”子课题“海洋生态环境灾害综合防控技术与示范”（XDA23050303）的研究成果之一，由烟台海岸带所2020级博士研究生谢磊为第一作者，高学鲁研究员为通讯作者。

 

图1 大气干湿沉降对养马岛附近海域海水中颗粒态溶解态有机碳的综合影响（Xie et al., STOTEN 2023, 876: 162715）

 

图2  养马岛附近海域通过湿沉降输入的溶解有机碳通量及对于水体的生态效应影响示意图（Xie et al., STOTEN 2022, 844: 157130）

 

图3 养马岛附近海域无机营养盐主要来源的通量及相对贡献（Xie et al., MPB 2022, 182: 114036）

 

相关论文详情：

1. Xie, L., Gao, X.*, Liu, Y., Zhao, J., Xing, Q., 2023. The joint effects of atmospheric dry and wet deposition on organic carbon cycling in a mariculture area in North China. Science of the Total Environment, 876: 162715.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969723013311

2. Xie, L., Gao, X.*, Liu, Y., Yang, B., Yuan, H., Li, X., Song, J., Zhao, J., Xing, Q., 2023. Atmospheric deposition as a direct source of particulate organic carbon in region coastal surface seawater: Evidence from stable carbon and nitrogen isotope analysis. Science of the Total Environment, 854: 158540.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S004896972205639X

3. Xie, L., Gao, X.*, Liu, Y., Yang, B., Wang, B., Zhao, J., Xing, Q., 2022. Biogeochemical properties and fate of dissolved organic matter in wet deposition: Insights from a mariculture area in North Yellow Sea. Science of the Total Environment, 844: 157130.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969722042279

4. Xie, L., Gao, X.*, Liu, Y., Yang, B., Lv, X., Zhao, J., Xing, Q., 2022. Atmospheric dry deposition of water-soluble organic matter: An underestimated carbon source to the coastal waters in North China. Science of the Total Environment, 818: 151772.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969721068480

5. Xie, L., Gao, X.*, Liu, Y., Yang, B., Wang, B., Zhao, J., Xing, Q., 2022. Atmospheric wet deposition serves as an important nutrient supply for coastal ecosystems and fishery resources: Insights from a mariculture area in North China. Marine Pollution Bulletin, 182: 114036.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0025326X22007184

6. Xie, L., Gao, X.*, Liu, Y., Yang, B., Lv, X., Zhao, J., 2021. Perpetual atmospheric dry deposition exacerbates the unbalance of dissolved inorganic nitrogen and phosphorus in coastal waters: A case study on a mariculture site in North China. Marine Pollution Bulletin, 172: 112866.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0025326X21009000