大氣沉降是海洋生態系統中碳和營養鹽等生源要素的主要來源之一，對海洋生物地球化學循環過程具有顯著影響。中國科學院煙臺海岸帶研究所環境災害監測評估團隊以山東半島北部養馬島海域為代表性研究區域，在大氣沉降對近海水體碳和營養鹽循環影響研究中取得系列重要進展。該海區是北黃海重要的扇貝養殖區，近年來在全球變暖大背景以及區域性人類活動的影響下，該海域夏季水體缺氧和酸化現象頻發，妨礙了扇貝養殖產業的健康發展。研究團隊基于對大氣總懸浮顆粒物（TSP）及降水樣品中碳和營養鹽的分析，報道了養馬島附近海域大氣顆粒物中水可溶性有機質、營養鹽和顆粒有機質及降水中溶解有機質、營養鹽和顆粒有機質的季節變化規律，量化了大氣干濕沉降輸入的有機碳和營養鹽對于該海域海水中碳收支的貢獻，證實了大氣干濕沉降過程是該海域海水中碳的重要來源，探討了大氣沉降過程與區域海水體碳循環和夏季水體低氧現象之間的聯系，有助于深入認識大氣干濕沉降輸入對近海生態系統的綜合影響。相關成果相繼在Science of the Total Environment和Marine Pollution Bulletin發表論文6篇。

結果表明，干沉降輸入的顆粒有機碳（POC）年通量約為水可溶性有機碳（WSOC）的4.1倍；對于濕沉降，POC的年通量約為溶解有機碳（DOC）的46.7%；因此，大氣中的POC主要通過干沉降過程輸入到海水中，其貢獻為71.1%，而水可溶性有機碳和溶解有機碳的情況則相反；如果將大氣沉降對海水中有機碳的間接輸入也考慮在內，即干濕沉降的養分輸入所支持的新生產力貢獻的有機碳，大氣沉積對研究海域的總有機碳輸入達12.0 gC/m²/a（圖1），表明大氣沉降在近海生態系統碳循環中具有重要作用（Xie et al., STOTEN 2023, 876: 162715）。不同季節TSP中總有機碳（TOC）的來源組成具有顯著差異，而總氮（TN）在不同季節具有相似的來源組成；生物質源為TSP和TN的主要來源，其貢獻分別為55.5±10.8%和57.3±11.7%；化石燃料燃燒是TOC主要來源，其貢獻為47.7±3.4%；春季、夏季和秋季大氣沉降對于表層海水懸浮顆粒物（SPM）的貢獻分別為17.2±6.7%、10.2±2.0%和18.0±11.0%，表明大氣TSP是表層海水SPM的重要來源之一；對于表層海水中的POC而言，春季、夏季和秋季大氣沉降的貢獻分別為35.2±3.5%、19.2±7.4%和25.5±7.9%，證實大氣沉降過程對于近海顆粒碳循環具有重要的影響（Xie et al., STOTEN 2023, 854: 158540）。

TSP中WSOC、有色溶解性有機質（CDOM）和熒光溶解性有機質（FDOM）的含量在冬春季要明顯高于夏秋季，主要與不同季節WSOM的來源差異及大氣老化過程有關；WSOC的年干沉降通量可以將表層海水的DOC濃度提高10.2 μmol/L，從而對于維持表層水體的次級生產力有重要貢獻，在一定程度上影響了研究海域內的碳循環過程；此外，由干沉降進入表層海水的WSOC中生物可利用部分在好氧分解的條件下可導致水體溶解氧（DO）濃度降低~4.8 μmol/L（Xie et al., STOTEN 2022, 818: 151772）。秋季濕沉降中DOC的濃度顯著高于其他季節，而冬季濕沉降中有色溶解有機質（CDOM）及類腐殖質組分的熒光溶解有機質（FDOM）濃度最高，主要與不同季節溶解有機質的來源差異及降水的稀釋效應有關；通過濕沉降過程向該海域輸入的DOC通量為6.31×10⁸ gC/a（圖2），約占研究海域海水中DOC儲量的4.0%；單次降水事件可使該海域表層水體中生物可利用性DOC的濃度提高0.57±0.54 μmol/L，占異養細菌次級生產每日所需有機碳的12.1±11.4%；5月至8月期間，濕沉降輸入的DOC中生物可利用性部分在好氧分解條件下可使表層海水DO濃度降低5.3-8.5 μmol/L/month（Xie et al., STOTEN 2022, 844: 157130）。

降水中營養鹽N和Si的濃度在秋季較高、夏季較低，而P的濃度在冬季和春季較高，溶解無機氮（DIN）的濕沉降通量為69.2 mmol/m²/a，占水體DIN外源輸入通量的比例為34.4%（圖3）；大氣濕沉降中N/P比顯著高于海水中N/P比及Redfield比值，可能會加劇水體中溶解態無機氮磷比的不平衡，促進海水中浮游植物優勢種群由硅藻向甲藻的轉變，從而不利于區域內海灣扇貝的生長；受強降水過程的影響，夏季DIN和水溶性有機氮（DON）的濕沉降通量高達30.1和4.98 mmol/m²，可支持水體19.3%的新生產力，該部分新生產力占區域內扇貝所攝食顆粒有機碳總量的比例為16.4%（Xie et al., MPB 2022, 182: 114036）。人為活動是TSP中水可溶性無機氮和有機氮（WSDIN和WSDON）的主要來源，沙塵是水可溶性無機磷（WSDIP）和硅酸鹽（WSDSi）的主要來源，而水可溶性有機磷（WSDOP）可能來源于海洋生物活動；WSDIN、WSDON、WSDIP、WSDOP和WSDSi的大氣干沉降通量分別為21.8、2.7、0.10、0.30和0.73 mmol/m²/a；總體而言，冬季通過大氣干沉降獲得的生物可利用氮支持的海水新生產力達9.14 mgC/m²/d；大氣干沉降輸入的DIN/DIP摩爾比的年平均值為216±123（Xie et al., MPB 2021, 172: 112866）。

上述論文為中國科學院戰略性先導科技專項（A類）“‘美麗中國’生態文明科技工程專項”子課題“海洋生態環境災害綜合防控技術與示范”（XDA23050303）的研究成果之一，由煙臺海岸帶所2020級博士研究生謝磊為第一作者，高學魯研究員為通訊作者。

圖1 大氣干濕沉降對養馬島附近海域海水中顆粒態溶解態有機碳的綜合影響（Xie et al., STOTEN 2023, 876: 162715）

圖2  養馬島附近海域通過濕沉降輸入的溶解有機碳通量及對于水體的生態效應影響示意圖（Xie et al., STOTEN 2022, 844: 157130）

圖3 養馬島附近海域無機營養鹽主要來源的通量及相對貢獻（Xie et al., MPB 2022, 182: 114036）

相關論文詳情：

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