青藏高原东南部地区大气中磷的湿沉降及其去除过程

《Atmospheric Research》：Atmospheric phosphorus wet deposition and removal in the Southeastern Tibetan Plateau

青藏高原东南部磷湿沉降特征及清除机制研究，基于高分辨率降水事件数据，揭示总磷（9.14 μg/L）和溶解性磷（6.97 μg/L）浓度及75%的高溶解度，下云清除贡献56-66%，清除系数与降雨强度呈非线性关系（峰值2 mm/h），生物质燃烧或为高溶解度主因。

　　

作者：戴星桥（Xing Diao）、大卫·维多里（David Widory）、万欣（Xin Wan）、柯尔帕·拉姆（Kirpa Ram）、王普（Pu Wang）、梁勇（Yong Liang）、高少鹏（Shaopeng Gao）、吴光剑（Guangjian Wu）、丛志远（Zhiyuan Cong）

中国湖北省江汉大学环境与健康学院持久性有毒物质环境与健康效应重点实验室，武汉430056

摘要

大气中的磷（P）对养分受限的高山生态系统至关重要，然而其在青藏高原上的沉积过程仍知之甚少。本文利用来自青藏高原东南部（海拔3326米）的基于事件的连续降水数据，研究了总磷（TP）和总溶解磷（TDP）的浓度、溶解度及其去除动态。结果表明，体积加权平均TP和TDP浓度分别为9.14 μg/L和6.97 μg/L，这表明磷的溶解度较高（约75%，TDP/TP），这部分可能归因于南亚地区的生物质燃烧。研究表明，云下过程贡献了56–66%的磷去除量，磷物种的去除系数（1.50 × 10^?5–6.53 × 10^?5 s^?1）与降雨强度相关，在中等降雨强度（约2.0 mm/h）时达到峰值。这些发现为改进湿沉降模型参数化提供了依据，并加深了对气候变化下磷传输动态的理解。

引言

湿沉降是指大气中的物质通过降水（如雨和雪）传输到地面的过程，是减少大气中气体和颗粒物的关键机制。因此，它是氮和磷等必需营养物质沉积到陆地生态系统中的重要途径。特别是磷的湿沉降在养分生物地球化学循环中起着关键作用，对生态系统结构和功能有深远影响，尤其是在偏远的高山生态系统中。通过这一途径沉积的磷来源于自然和人为来源的复杂混合物（Diao等人，2023年）。自然来源包括矿物粉尘、海浪飞沫、初级生物颗粒物以及野火和火山爆发的排放物。人为来源包括化石燃料燃烧、工业过程、农业活动、森林砍伐和居民使用生物燃料。一旦进入大气，磷以无机形式（如钙结合和铁结合的物种）和有机形式（如单酯和二酯）存在，其组成表现出显著的时空变化（O'Day等人，2020年）。沉降作为重要的营养来源，可以影响初级生产力，尤其是在养分受限的环境中，尤其是在偏远的高山森林地区（Camarero和Catalan，2012年；Du等人，2016年）。 尽管大气湿沉降在养分输入和生态系统中起着关键作用，但磷对这一过程的具体贡献却鲜有研究（Audoux等人，2023年）。与对碳、氮和硫沉降的广泛研究相比，人们对湿沉降中磷（P）的动态和生物地球化学循环（如浓度、来源和去除系数）的理解存在显著差距。鉴于最近观察到由于人为活动导致的磷沉降趋势增加，这种知识缺陷严重限制了当前评估的准确性。多项研究表明，人为活动显著改变了全球磷的预算及其循环，可能加剧了其对初级生产力和生物地球化学循环的影响（Kanakidou等人，2018年）。这些扰动不仅影响磷沉降的量，还影响其空间和时间模式，可能导致生态系统中的化学计量不平衡（Brahney等人，2015年）。 青藏高原常被称为“第三极”，由于其生态脆弱性（部分与养分供应有限有关），在研究磷沉降方面具有独特意义。该地区生态系统结构简单但高度敏感，特别容易受到外部养分输入的影响。最近的湖泊沉积物记录显示，青藏高原上的磷沉降通量显著增加，人为来源成为主要驱动力（Sha等人，2017年）。青藏高原东南部的森林生态系统对磷的可用性非常敏感，在气候变化和人类活动的共同作用下，土壤中的磷正在加速耗尽（Hong等人，2025年）。同时，该地区受到季风环流和频繁降水的强烈影响，使得大气湿沉降成为外部磷输入的主要途径。先前的研究表明，通过降雨和云雾水（Liu等人，2019年），湿沉降在调节森林养分供应和化学计量方面起着重要作用。此外，在该地区，降水量与叶片磷浓度之间存在强烈的正相关关系，表明湿沉降是森林磷动态的主要调节因素（Wang等人，2022b）。 作为去除空气污染物的关键过程，大气湿沉降主要受两种过程控制：云内清除（ICS）和云下冲刷（BCS）。ICS也称为雨滴冲刷，包括云形成过程中新加入的污染物以及在云滴内长距离传输的污染物。BCS或冲刷是指降雨滴去除云底下的气溶胶和气体。BCS主要受当地和附近背景来源的污染物影响（Ge等人，2021年）。当前关于湿沉降的研究面临两个关键挑战：低估了云下冲刷的贡献，以及在全球/区域模型中准确描述这些过程的局限性。这两个问题都源于观测数据不足，无法有效约束模型模拟和验证（Croft等人，2010年；Ryu和Min，2022年）。为解决这些不足，需要开展观测研究和实验方法，例如在降水事件期间进行连续采样，以重新评估云下冲刷的作用并提高模型准确性。 为了填补青藏高原生态敏感地区磷湿沉降的研究空白，本研究在青藏高原东南站（SETS）采用高分辨率连续采样技术，以：1）表征磷浓度的变化；2）量化云内和云下清除的贡献及其与生物质燃烧的关系；3）确定磷的去除系数及其对降雨强度的依赖性。本研究的目标是提供观测数据，以推进湿沉降模型的参数化，并支持制定缓解人为活动对青藏高原养分生物地球化学循环影响的策略。

研究区域和观测设计

湿沉降样本于2021年7月至2022年6月在青藏高原东南站（SETS；29.46°N，94.44°E，海拔3326米）收集，该站位于生态敏感的青藏高山生态系统内（Xu等人，2023年）。SETS的年平均气温为6.1°C，平均相对湿度为74.6%，平均大气压力为681.8 hPa，平均风速为1.3 m/s（图S1）。

降水化学成分和磷浓度

通过回归分析评估了阴离子（Cl^?、NO2^?、NO3^?、SO4^2?）和阳离子（Na^+、NH4^+、K^+、Mg^2+、Ca^2+）之间的离子平衡。所得方程（∑anions = 0.450×∑cations + 3.04，r = 0.98）证实了数据质量。0.450的斜率值表示总阴离子与总阳离子的比率，表明测得的阴离子相对于阳离子存在显著不足，提示可能存在未测量的阴离子（如碳酸氢根离子HCO3^?）。 雨水的pH值范围为4.81。

高磷溶解度的来源和驱动因素

SETS处水溶性离子的体积重量浓度（VWM）略高于青藏高原其他站点（例如Nam Co为166 μeq/L（Li等人，2007年）、QOMS为142 μeq/L（Liu等人，2015年）、林芝市为133 μeq/L（Wang等人，2022a）和丽江为131 μeq/L（Zhang等人，2014年））。与青藏高原周边地区相比，STS的离子负荷低于孟加拉国和印度等低海拔地区的水平（约352 ± 130 μeq/L）。

结论

本研究量化了青藏高原东南部高海拔森林地区的磷湿沉降动态，发现TDP占TP的约75%（VWM分别为9.14 μg/L和6.97 μg/L），南亚地区的生物质燃烧被认为是导致这种高溶解度分数的原因。云下清除在磷去除过程中占主导地位，去除系数与降雨强度呈非线性幂律关系，在降雨强度约为2 mm/h时达到峰值。

作者贡献声明

戴星桥（Xing Diao）：撰写——初稿、方法论、资金获取、正式分析、数据管理。 大卫·维多里（David Widory）：撰写——审稿与编辑。 万欣（Xin Wan）：撰写——审稿与编辑、资金获取。 柯尔帕·拉姆（Kirpa Ram）：撰写——审稿与编辑。 王普（Pu Wang）：撰写——审稿与编辑、资金获取。 梁勇（Yong Liang）：撰写——审稿与编辑。 高少鹏（Shaopeng Gao）：撰写——审稿与编辑、资源协调、资金获取。 吴光剑（Guangjian Wu）：撰写——审稿与编辑、资源协调。 丛志远（Zhiyuan Cong）：撰写——审稿。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系： 由于丛志远担任主编，他未参与本文的同行评审，也无法获取有关同行评审的信息。本文的编辑工作由另一位期刊编辑负责。如果还有其他作者，他们声明没有已知的利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42401148、42476266、42330515）、中国科学院青年创新促进协会（CAS2023076）以及中国博士后科学基金会-湖北联合支持计划（项目编号：2025T036HB）的支持。我们感谢NOAA空气资源实验室（ARL）提供HYSPLIT模型，该模型在本研究中得到了应用。现场支持由青藏高原东南站提供。