黄海大气中磷的溶解度研究—人为排放和大气酸化过程的影响

Atmospheric deposition provides substantial nutrients of phosphorus (P) to the surface seawater. The bioavailable P content in the deposition is closely dependent on the solubility of the deposited P. However, data on the solubility are very limited due to the lack of studies and have large uncertainties. In particular, P solubility of atmospheric deposition over the China Sea and the Northwestern Pacific have rarely been reported, where P deposition is hypothesized to be crucial to the biological cycle in the seawater. This study, via a series of observations of atmospheric aerosol particles, proposes to characterize P solubility of atmospheric deposition and related influence factors over the Yellow Sea with a focus on the weather conditions of dust, fog and haze. The dependence of the solubility on particle size will also be examined, as well as other factors of acidity, ionic composition and trace elements. Key factors governing the P solubility derived from sources, transport pathways and atmospheric acidification will be explored, and contributions of natural and anthropogenic emissions to the total and water-soluble P will be examined. Combined with laboratory simulation experiments, the differences in P solubility and dissolution kinetics in anthropogenic aerosols and natural aerosols will be further revealed, and the control factors and their thresholds for the effects of atmospheric acidification on P solubility will be explored. This proposed study will provide insights on the P solubility of atmospheric deposition over the Yellow Sea and the atmospheric processes controlling the solubility. The potential new results will help to increase accuracy in quantifying the contribution of atmospheric P depositions to marine primary production.

大气沉降是表层海水中磷营养元素的重要来源，这一来源的磷是否可被海洋生物所利用决定于磷的溶解度，但目前对大气中磷溶解度的研究还很缺乏，尤其在我国近海和西北太平洋海域几乎未见相关报道。本项目通过对黄海近岸、岛屿和海上大气样品的采集和分析，认识不同粒径气溶胶中磷的溶解度，以及沙尘、雾霾等不同天气条件下气溶胶中磷溶解度的差异；研究从源地向海洋的传输过程中，大气气溶胶中磷的溶解度如何受其来源、迁移路径、粒径谱分布、化学过程的影响，重点关注人为排放和大气酸化过程对磷溶解度的影响；结合实验室模拟实验结果，揭示人为源和自然源气溶胶中P溶解度和溶解动力学过程的差异，探究大气酸化过程影响P溶解度的控制因子及其阈值。本研究将对理解亚洲沙尘和人为活动影响下磷溶解度的变化及其控制过程具有重要的科学意义，为准确评估大气磷沉降对海洋初级生产力的贡献奠定科学基础。

大气沉降是表层海水中磷（P）营养元素的重要来源，这一来源中可被海洋生物所利用的P取决于所含P的溶解度，但目前对大气气溶胶中P溶解度的研究还很缺乏，在我国近海和西北太平洋海域还未见相关报道。本项目通过对沙尘源地、黄海海岸、近海和西北太平洋大气样品的采集和分析，分析了不同粒径气溶胶中P的溶解度，以及沙尘、雾霾等不同天气条件下气溶胶中P溶解度的差异。结果表明气溶胶中总P（TP）的粒径谱呈现单峰分布，峰值出现在3.3-5.8 μm。P溶解度也呈现单峰分布，峰值出现在0.43-0.65 μm。TP浓度在沙尘天时最高，其次是霾天，雾天时最低。P溶解度则在雾天时显著高于霾天，沙尘天时最低。在从源地向海洋的传输过程中，大气气溶胶中P溶解度主要受P的来源和气溶胶的迁移路径以及大气酸化过程影响。起源自西北沙漠地区的气溶胶携带了大量的矿物沙尘源P，溶解度较低；起源城市排放的气溶胶粒子含有丰富的人为源P，溶解度较高；起源于海洋的气溶胶中尽管TP的含量最低，但溶解度最高。与硫酸盐和硝酸盐形成有关的酸化过程促进了气溶胶中可溶性P的形成，但酸化作用对溶解度的影响受到环境相对湿度（RH）和气溶胶P来源的影响较大，且酸化作用主要促进气溶胶中无机P的转化。当RH大于60%时，在相似的酸化条件下，P溶解度随RH增加而增大，且气溶胶中人为源贡献越大，P溶解度增加越明显。实验室模拟表明，当H+的含量与气溶胶P的比值超过一定阈值时，气溶胶酸化过程对P溶解度的促进作用显著。我们还发现矿物沙尘和人为源颗粒对中国海气溶胶中可溶性无机P有显著贡献，海洋生物活动释放的有机P对海洋源气溶胶中可溶性有机P有显著贡献。这些研究成果加深了对亚洲沙尘和人为活动影响下P溶解度的变化及其控制过程的理解，初步奠定了准确评估大气P沉降对海洋初级生产力贡献的基础。