大气的干湿沉降及其对海洋生态系统的影响，本文主要内容关键词为：干湿论文,其对论文,生态系统论文,大气论文,海洋论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
大气的干、湿沉降是大气化学研究的重要内容，对陆地和海洋的生态系统有着极其重要的影响。本世纪中叶以来，大气的干、湿沉降得到了广泛地研究。本文根据国内外学者近20a来的研究工作，对大气的干、湿沉降研究及其对海洋生态系统的影响进行了较为详细的评述。
1 大气的干沉降
大气的干沉降是气溶胶粒子的沉降过程。气溶胶是一多相体系，其化学成分相当复杂，而且随地理位置、天气条件的变化而有很大的变化。气溶胶水溶液的主要离子成分有H[+]、Na[+]、K[+]、Ca[2+]、Mg[2+]、NH[+,4]、SO[2-,4]、NO[-,3]、CI[-]等，此外，还有许多痕量元素和有机化合物。
气溶胶的样品采集是通过空气采样器（采集总颗粒）和分级采样器（采集不同粒径的气溶胶粒子）来收集的。样品的分析根据测定的要求不同而不同，包括中子活化分析法、火焰原子吸收法、等离子体发射光谱法、质子荧光分析法、离子色谱法等。
气溶胶的研究在欧美等一些发达国家起步较早，这与他们对环境质量问题的重视是分不开的。Lipfert等[2]通过对酸性气溶胶的测定，指出其主要组分是H[,2]SO[,4]和各种硫酸盐，对酸雨的贡献很大。Ari-moto和Duce[3]等讨论了干沉降对中北部太平洋痕量元素的输入，Loye-Pilot等(1986)[4,5]研究撒哈拉尘沙后得出其大气输入对于西北地中海、大西洋的沉积来说贡献非常突出。Irwin等[6]指出：气体和颗粒物的干沉降很大程度上受边界层的混合结构和表面特征所控。Fiedler等[7]研究智利的Valparaiso的氮类(NO[-,3]+NH[+,4])沉降，得出该地点长时间的旱季决定了氮类以干沉降为主的特征。Roman Marks[8]研究了海洋气溶胶的产生及随风速的变化。R.J.Vong[9]研究了亚洲的SO[,2]经过太平洋运移而发生的变化，得出其可在8d后穿过太平洋到达美洲。8d里，亚洲排入大气的SO[,2]将几乎全部转化成SO[2-,4]气溶胶，但大部分在途中被清除。
我国的地理形势复杂多样，由此导致的大气运动的多样性决定了气溶胶的分布特点也十分复杂，而且相互影响。全浩[10]研究了亚洲沙暴活动，认为北太平洋的矿物浓度全年呈季节性变化，与亚洲沙暴活动相一致。赵殿五等[11]指出：大粒径粒子多来自扬尘、工业和建筑业，而小粒子很大部分是二次颗粒物，SO[2-,4]占较大比例。孙庆瑞等[12]通过研究发现：动物氨源对氨氮的贡献最大，占52%，氨的存在促进了SO[,2]的清除，使SO[,2]、NO[,2]氧化生成的酸性产物转化为硫酸铵、硝酸铵气溶胶。徐新华等[13]指出：海洋气溶胶粒子的粒径从小于0.1到100μm以上，随风速增大生成海洋气溶胶的量及粒径上限都有增长的趋势，98%以上的海盐主要集中在1μm以上的粗颗粒中，在小于1μm的细颗粒中很少，其中尤以粒径为3.3～4.7μm的颗粒浓度最高。戴树桂等[14]指出：渤海受大陆大气颗粒物的影响较大，而黄海的海洋性特征较强，受大陆的影响较小，这与渤海是内陆海而黄海濒临太平洋这一地理关系相一致。杨绍晋等[15]指出：由于冬季在中国大陆盛行西北风，有利于陆地上空气溶胶向太平洋输送。西太平洋不少海域或多或少受到来自中国大陆气流的影响。刘昌岭在研究了颗粒态重金属通过河流与大气向海洋输送后[16]指出：在中国近海海域，Al、Fe、Mn等地壳元素的河流输送是主要的，输送量是大气的5倍左右，而Zn、Pb、Cd、Ni等重金属的河流与大气输送量相似，说明大气在输送人为污染物方面占优势。
我国的气溶胶研究主要集中在部分城市和地区，相对于欧美来说，我国的气溶胶有其独特之处，其SO[2-,4]的含量很高，这与我国普遍使用燃煤有关。另外，从北方到南方，气溶胶中的Ca[2+]、Na[+]、Mg[2+]等碱性阳离子含量逐渐减小，这与气候、土壤的特性相一致。
气溶胶在全球范围内已得到了较为详细的研究，对酸性气溶胶的研究已经比较透彻。欧美等国家已采取了一些积极有效的措施，来控制污染气体的排放。这在我国也引起了一定的重视，但执行力度仍然亟待加强。
2 大气的湿沉降
湿沉降的研究方法包括降水样品的采集、保存、分析处理等几个过程。雨水样品的采集有普通雨量器（人工采集）和自动采雨器两种。样品的保存方法至今也没有统一。有冷冻保存，有加小量化学稳定的防腐剂保存（如加CHCI[,3][17]）等。分析降水样品，多采用离子色谱法来分析阴离子和原子吸收法来分析阳离子。
可以说，湿沉降研究是从酸雨研究开始的。1872年，英国化学家R.A.史密斯在研究曼彻斯特市及周围大气污染的报告中，首次提出“酸雨”这个名词。酸雨是世界范围的污染问题，因而得到了迅速的研究。J.G.Invin等[6]和Ned Helme等[18]都认为酸雨主要是由于SO[,2]和NO[,x]的排放所引起的。J.N.Galloway[19]、Henning Rodhe[20]指出：在北美和欧洲，目前SO[,2]、NO[,x]的排放已经引起了地区性的大气酸化和生态系统恶化。在接下来的几十年，亚洲、非洲、南美将经历SO[,2]、NO[,x]向大气排放量的急剧增加。C.Nagamoto等[21]在对1984到1989年太平洋的7个调查航次的雨水进行分析后指出：在大港口附近，雨水酸度最大，其SO[2-,4]、NO[-,3]浓度也最高，这说明从大陆运移过来的人类活动产生的污染物对海洋湿沉降有影响。R.Mosello等[22]及M.D.Loye-Pilot等[5]指出：由于撒哈拉沙漠尘埃偶发性传输的影响，造成了意大利北方一些地区降雨中具有大量碱性阳离子的特征。E.P.Weij-ers和H.E.Vugts在荷兰西部的降雨中[23]指出：Na[+]、CI[-]、Mg[2+]的季节性变化特征为：冬季浓度高，夏季浓度低。这是气团运动轨迹和海面风速的季节变化而造成的循环。
美国为了研究全球大气环流对酸雨的影响、分布和边远清洁地区的降水化学组成的迁移变化规律，建立了纯海洋型（以印度洋阿姆斯特丹岛、大西洋百慕大群岛为代表）、海陆相间型（以太平洋澳大利亚凯瑟琳为代表）、内陆型（以中国丽江玉龙雪山为代表）的降水背景点。W.C.Keene等[24]、J.N.Gallowy等[25～28]、E.Sanhueza等[29]、刘嘉麒等[30,31]在研究背景点降水后得出的结论总结如下：背景点降水的酸度都很高，基本上由H[,2]SO[,4]、有机酸(HCOOH、CH[,3]COOH)组成。对海陆相间型和内陆型背景点来说，有机酸对酸度的贡献所占比重最大。对纯海洋型背景点来说，H[,2]SO[,4]所占比重最大。
国内关于湿沉降的研究始于70年代末期。王文兴[32～36]等人通过长时间对我国酸雨的研究指出：主要酸雨前体物SO[,2]和NO[,x]的排放量在渤海和黄河沿岸地区的排放量占全国的40%，而这些地区的面积只占全国的10%。根据酸雨前体物排放量预测，估计到2020年我国酸雨仍得不到控制。现有的酸雨区将继续扩大，将向西北蔓延，降水酸性继续升高。降水中SO[2-,4]和NO[-,3]浓度，北方非酸雨区高于南方酸雨区很多，这说明降水的酸度并不简单地决定于降水中SO[2-,4]和NO[-,3]的绝对浓度，而决定于这些离子对于Ca[2+]和NH[+,4]的相对浓度。蒋大和[37]指出：我国SO[,2]排放量大，污染物输送后对处于中纬度西风带下风向的韩国和日本其酸雨的形成会有影响。毕木天等[38]、欧寿铭等[39]、宋少杰[40]等分别对广州、厦门、青岛的降水进行研究后指出：这三个地区降水酸性都比较严重，属硫酸型，外地输送及局地污染是其原因。
由此可以看出：我国的湿沉降研究目前仍处于对酸雨的监测研究阶段。显然，现阶段的环境污染治理做得还相当不够，在偏远贫困地区尤甚。对大型能源单位，应增加环保净化设备，以减轻我国硫酸型酸雨的特点。
3 干湿沉降对海洋生态系统的影响
欧洲和北美的学者在干湿沉降对海洋生态系统的研究工作做得较多，取得了大量的有价值的成果。他们在营养盐对海洋生态系统的影响方面研究得比较详细和透彻。J.D.Willey等[41]指出：雨水中的NO[-,3]能增加叶绿素a的产量，而PO[3-,4]不能。Rendell等[42]、R.Chester等[43]指出：大气干湿沉降对北海南部的N输入贡献大致相当，N的湿沉降为126×10[3]t/a，干沉降为102×10[3]t/a。当北海的初级生产力经常是营养元素限制时，在离岸分层的地区大气可能是最重要的氮源，在欧洲向大气释放的NH[,3]和NO[,x]增加时更是如此。Winchester等[44]指出：大气干湿沉降对北佛罗里达12处水域来说，是N的主要来源。河水中总溶解N通量与大气沉降中NO[-,3]和NH[+,4]的通量相近。
Graham和Duce两位学者对大气中的P向海洋的输送进行了较系统的研究。他们发现[45～49]：大气P向海洋的总输入为1.4×10[12]g/a，净输入为1.1×10[12]g/a，全球每年气溶胶P运移为4.6×10[12]g/a。在北大西洋西部，大气中的P对水体中P的输送十分重要。北大西洋西部的海洋气溶胶中约(35±15)%的总磷12h之内就能在海水中溶解。对北美洲东海岸来说，大气P输入起码占河流输入的10%。大气沉降覆盖范围很大，是开阔海洋中营养元素P的重要来源。他们提出海洋也是大气中P的来源，海水气泡破裂后，其液滴中的P会发生地球化学分馏，微表层富集P，在液滴喷射后形成富P的海洋气溶胶，因此对某些近岸地区营养元素P的供应是很重要的。
国内关于干湿沉降对海洋生态系统的影响研究得较晚。张经对黄海北部经过2a多的观察，认为[50]：对中国海来说，在冬春少雨季节，尘沙沉降通量约为40g/m[2]·a，而在夏秋多雨季节约为10g/m[2]·a，变化范围很大。来自西伯利亚、蒙古国和中国西北的风沙对大气向中国海（黄海）的沉降通量及化学组成有显著影响。估计进入中国海的风沙通量为53.7g/m[2]·a，比北太平洋中部要高出许多（表1）。矿物气溶胶〔(10～20)×10[12]g/a〕在北太平洋中部的沉降通量可以和一些亚洲大河流每年向西北太平洋注入的沉积物量相当。
张经[51,52]指出：在西北太平洋海岸带（黄海），大气沉降可能成为营养元素的主要来源，尤其在向上的输入（如上升流）很小的真光带。营养元素的偶发性沉降只占海水中营养盐含量的一小部分(≤10%)，然而局部的降雨可能导致表层海水的暂时富营养化，从而导致西北太平洋大陆架区的有害赤潮发生。雨雪向黄海输送的营养元素浓度比起偏远地区来说还是很高的，但和欧洲、北美的近岸海域区有些相似。与河流输入相比（表2），这一地区的大气沉降对海洋生产力影响非常显著（如DIN,PO[3-,4]），可能与河流输入差不多或者更重要一些。
从表中可见：大气湿沉降对黄海的DIN和PO[3-,4]输入是主要的途径，而河流输入的溶解SiO[,2]占该地区总溶解SiO[,2]的90%。
目前，国内外对大气干湿沉降的研究重点已转向其对海洋生态的影响。我们认为，下述问题可能是今后应当加强的一些方向：(1)强化和深入大气沉降入海通量与河流输送量的对比研究，特别是有机物和微量金属的研究；(2)铁在开阔海区的限制性作用再度被提起，并成为一个活跃领域。Zhuang和R.A.Duce等[53]、Duce和Tindale[54]指出：来自大气中的铁在某些海区对初级生产力来说可能是一限制性营养要素。在很多地区，风化矿尘是海洋中铁的主要来源。由于赤道北部大面积的矿尘，大气中的铁在北半球沉积量要比南半球高出8倍。当矿物质进入海洋后，大气中总铁量的10%～50%能迅速溶解。大气中铁大部分以Fe（Ⅱ）存在，是在大气运移过程中光化学还原反应的结果，这些容易溶解的Fe（Ⅱ）作为营养元素应该被浮游植物迅速利用。从陆地来的风运移对海洋中溶解铁的供应是河流供应的3倍。我国应加强这方面的研究；(3)已有证据表明，大气沉降输送的氮较之河流而言不可忽视，且以湿沉降为主。磷在降水中的浓度很低，在干沉降中，磷的输送量为多少？是否与氮相反，以干沉降为主？有关干沉降物质在海水中溶解性实验的报道已有一些。对于以磷限制为特征的我国近海地区，这应当是十分有意义的问题，有待于进一步研究；(4)因子分析、聚类分析的手段已开始用于大气干湿沉降的研究。定性的分析推论已逐渐向半定量和模型化方向发展，应用新的数据分析方法，对大气干湿沉降研究至关重要；(5)将大气动力学数值模式（物质输送模式）应用到SO[,2]的污染物研究中已有诸多报道，但对营养元素的研究尚少，这可能是今后大气干湿沉降中研究的重要方面之一。这一模式与海洋生态系统动力学模式耦合，将使海洋生态模式更趋完善。
