西北太平洋地区海洋异戊二烯的产生和排放量增加，是由大气沉降作用驱动的

《Global and Planetary Change》：Elevated production and efflux of marine isoprene driven by the atmospheric deposition in the Northwest Pacific Ocean

西北太平洋大气沉降通过促进浮游植物生长和异戊二烯排放（增幅20%-55%），其效应受功能类型和N:P（10-20）调控，模型预测年排放量增加75±17 Gg，可能增强有机气溶胶形成和碳汇，产生气候协同效益。

　　

王健|李成帅|薛蕾|冯蕾|徐峰|张嘉伟|张超|张东海|陈照辉

中国海洋大学化学与化学工程学院，教育部海洋化学理论与技术重点实验室，深海多圈层与地球系统前沿科学中心，青岛266100，中国

摘要

大气沉降是开阔海域的主要外部营养来源，除了促进初级生产外，还可能增加异戊二烯等具有气候活性的生物气体的排放，从而对地球系统产生额外的反馈作用。然而，其在调节海洋异戊二烯生产和排放中的作用仍不明确。在本研究中，我们在西北太平洋（NWPO）进行了三次航次期间的船上粉尘添加实验，通过微宇宙系统（0.1–2.0 mg L^?1）施加不同的粉尘添加处理，以模拟大气沉降对海洋异戊二烯生产的影响。与对照组相比，粉尘添加显著促进了浮游植物的生长，并使异戊二烯浓度增加了20%–55%。异戊二烯的增加与叶绿素a含量的升高密切相关，并进一步受到浮游植物功能类型和营养素化学计量的影响。在浮游植物群落具有高异戊二烯产生率和N:P比（10–20）的条件下，异戊二烯的增加最为显著。基于这些实验的参数化模型预测，粉尘沉降使NWPO地区的年异戊二烯排放量增加了75 ± 17 Gg yr^?1。这种增加可能有助于区域有机气溶胶的形成，并强调了大气沉降通过增强碳汇和生物冷却剂的排放所带来的潜在气候协同效益。

引言

大气沉降已成为开阔海域氮的重要来源，其输入量现已接近海洋N₂固定的水平（Krishnamurthy等人，2010年）。1970年至2018年间，全球向海洋的氮沉降量增加了89%，主要受化石燃料燃烧和化肥使用加剧的影响（Li等人，2023年；Liu等人，2023年）。GEOS-Chem模拟（v12.1.1）估计全球海洋年平均氮沉降量为约40 Tg N yr^?1，其中78%发生在开阔海域（Liu等人，2025年）。这种外部输入占非循环氮供应量的大约三分之一，支持了全球年新增海洋生物产量的约3%，相当于约0.3 Gt C yr^?1（Duce等人，2008年）。

除了调节海洋初级生产力外，大气沉降还可能通过改变空气-海洋物质交换来影响气候变化。例如，大约10%的海洋人为CO₂的吸收可能是由于这种大气氮肥化作用，导致辐射强迫的减弱（Duce等人，2008年）。同时，氮刺激的新生产也可能增加具有气候相关性的生物痕量气体的排放，从而对地球系统产生额外的反馈。在这些气体中，异戊二烯——最丰富的挥发性有机化合物——因其气候活性特性而发挥着重要作用。在开阔海域，大部分大气中的异戊二烯来源于浮游植物的生产（Bonsang等人，1992年）。一旦释放到大气中，异戊二烯会迅速与羟基自由基发生氧化反应（Berndt等人，2025年），形成二次有机气溶胶（SOA）（Kroll等人，2006年；Palmer和Shaw，2005年），这些气溶胶可能作为云凝结核（CCN）（Vallina等人，2007年），从而增强云的形成并提高地球的反照率（Carslaw等人，2013年；Claeys等人，2004年）。

自20世纪80年代以来，西北太平洋（NWPO）的大气氮沉降量显著增加，到2023年增加了1.0–1.5倍，对区域海洋生产力和生物地球化学循环产生了重要影响（Duce等人，2008年；Kim等人，2011年，Kim等人，2014年）。然而，关于海洋异戊二烯对大气氮沉降响应的定量数据仍然缺乏。为填补这一空白，我们在NWPO进行了一系列粉尘添加实验，以模拟间歇性大气沉降及其对海洋异戊二烯的影响。通过将实验结果与机制见解相结合，我们提供了NWPO地区氮驱动的异戊二烯响应的估计。总体而言，这些发现旨在揭示之前被忽视的沉积氮在调节开阔海域气候相关痕量气体通量中的作用。

微宇宙培养设计

船上微宇宙实验中使用的粉尘样本是在航行前从中国东海或青岛（120.49°E，36.16°N）收集的，使用的是高容量总悬浮颗粒采样器（KB-1000，Jinshida Electronic Technology，中国）。详细的采样信息见表S1。采样使用了石英纤维过滤器（20 × 25 cm）。所有样本在分析和使用前均储存在-20°C的黑暗环境中。

NWPO培养站的海洋学背景

使用从NWPO表面收集的海水样本进行了五次微宇宙培养实验（M1–M5）（图1）。在M1–M5站点，溶解无机氮（DIN = NO?^? + NO?^? + NH?⁺）的浓度分别为0.040、0.364、0.037、0.010和0.045 μmol L^?1，而溶解无机磷（DIP）的浓度分别为0.07、0.06、0.08、0.03和0.03 μmol L^?1（表S5）。这些站点的表面N:P比范围为0.33至6.1

结论

在NWPO进行的三次航次期间的船上粉尘添加实验表明，大气沉降可能显著增强海洋异戊二烯的生产和排放。粉尘输入一致地促进了浮游植物生物量的增加，导致异戊二烯浓度显著升高。这种响应的幅度与浮游植物群落结构和营养素化学计量密切相关，尤其是在那些具有高内在异戊二烯产生的群落中

CRediT作者贡献声明

王健：可视化、监督、方法论、调查、数据管理、概念化、写作——审阅与编辑、初稿撰写。 李成帅：方法论、调查。 薛蕾：可视化、写作——审阅与编辑。 冯蕾：方法论、调查。 张嘉伟：监督、调查。 张超：方法论、调查、概念化、写作——审阅与编辑。 张东海：可视化、监督、方法论、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢R/V Dong Fang Hong 3号的首席科学家、船长和船员，以及我们的合作者在航行期间的采样和分析工作中所提供的帮助。本研究得到了国家自然科学基金（42276042、42576041、42506044）、崂山实验室（LSKJ 202400202和LSKJ 202201701）、中央高校基本科研业务费（202372001、202072001、842513018）以及中国博士后科学基金的支持。