热点 | 中国近海二甲基硫化物的生物地球化学

硫循环是全球最重要的物质循环之一，对全球气候和环境变化产生重要的影响。全球硫循环主要由两个过程驱动：一是生物控制的生物地球化学过程，硫酸盐被陆地、海洋中的生物体吸收通过生化反应生成一系列挥发性、还原性的硫化物，如二甲基硫（DMS）、羰基硫（COS）、硫化氢（H₂S）、甲硫醇（CH₃SH）等；另一过程是这些还原性硫化物在大气中发生化学氧化生成硫酸盐（或其他含硫氧化物），最终以干湿沉降的方式返回陆地和海洋。其中海洋覆盖面积占到全球面积的71%，对全球硫的排放有重要贡献。

▲ 全球硫循环与其中关键过程的通量（单位：Tg S）示意图

（Brimblecombe，2013）

DMS被公认为在海洋排放的硫化物中占有绝对的优势地位。据估计，全球每年约有15～33Tg S以DMS的形式由海洋释放到大气中，其占大气DMS来源的90%以上，约占全球每年硫释放总量的15%和天然硫排放总量的60%。研究DMS的重要性不仅在于它是海洋释放量最大的辐射活性气体，对全球硫收支平衡有重要贡献，更重要的在于DMS排放与气候变化之间可能存在的负反馈过程。海洋释放到大气中的DMS会被迅速氧化生成SO₂和甲磺酸（MSA）等，并进一步氧化形成硫酸盐气溶胶，这些气溶胶颗粒增加了云凝结核（CCN）的数量，提高了云层对光照的反射率，使全球热量收入减少，对CO₂等温室气体引起的温室效应有一定的减缓、抵消作用。据估算，如果DMS海-气通量变化一倍，全球的平均温度将会变化几度。此外，DMS在大气中的氧化产物大都具有较强的酸性，将对天然沉降物的酸度产生重要影响。因此，有关海洋DMS排放及其大气氧化产物的辐射效应对气候产生的影响已引起人们的广泛关注，并已成为当今国际科学界的研究热点。许多国际性重大研究计划，如海岸带陆海相互作用（LOICZ）、上层海洋与低层大气研究（SOLAS）、海洋生物地球化学与生态系统整合研究（IMBER）等都将有关DMS的生物地球化学作为重要研究内容之一。

▲ 海洋边界层CCN 的主要来源和产生机制

（Quinn and Bates，2011）

近岸和陆架海域约占全球海域面积的8%，但对全球海洋初级生产力的贡献却高达25%。在初级生产力高的海域中DMS的浓度也较高，特别是近岸、陆架海区，而且它们对全球DMS海-气通量也有很大贡献。近20年来，随着中国（尤其是沿海地区）经济的快速发展，人类活动对近海环境的干扰加剧，富营养化水平不断提高，海洋生态系统受到严重干扰；另外中国近海海域还接纳了大量东亚沙尘，相当于整个北太平洋大气沙尘沉降总量的14%，从而有可能提高海洋初级生产力。同时，近海大气污染物大量增加，出现以二次污染为主、大气氧化性增强的特征。这些问题有可能会加速中国近海活性气体DMS的生产、释放及其在大气中的氧化，从而加剧对区域乃至全球气候的影响。针对这些特殊的环境问题开展控制我国近海生源硫的生成、分布以及迁移转化的研究，有助于从特殊的现象找出新的规律、识别重要的生物地球化学过程。它不仅可以拓展我国海洋硫循环方面的研究内容，而且对于定量评价我国近海生源活性气体DMS的释放与区域和全球气候变化之间的反馈效应具有重要的科学意义。

黄渤海DMS的海气通量

下表分别列出2009～2011年和2017～2018年春、夏、秋、冬四个季节黄渤海DMS海-气通量的变化范围和平均结果。

表 2009～2011年春季、夏季、秋季和冬季黄渤海DMS的海-气通量

表 2017～2018年春季、夏季和冬季黄渤海DMS的海-气通量

基于两次调查的结果估算出黄渤海DMS海-气通量的平均值分别为5.59μmol/（m²·d）和3.97μmol/（m²·d），结合黄渤海海域面积（4.57×105km²）初步估算出黄渤海海域DMS 的释放量分别为0.030 Tg S/a 和0.021Tg S/a。根据以上研究结果，可以估算黄渤海对全球海洋释放DMS的区域性贡献。根据初步估计，虽然黄渤海只占全球海洋面积的0.13%，两次调查中该区域DMS 的释放量分别占全球释放量（15～33Tg S/a）的0.09%～0.2%和0.06%～0.14%（Kettle and Andreae，2000）。由于人为因素影响，黄渤海是世界重要的高生产力陆架海区之一。结果表明，虽然这种高生产力的陆架海区仅占世界总海洋面积很小的一部分，但海区的DMS释放对全球海洋DMS的释放有重要影响。

尽管二甲基硫化物的生物地球化学过程得到了国内外学者的广泛关注，然而以此为核心的专著却鲜有出版。为此，在国家重点研发计划项目“中国东部陆架海域生源活性气体的生物地球化学过程及气候效应”（No.2016YFA0601300）、国家杰出青年科学基金项目“海洋化学”（No. 40525017）、国家自然科学基金重点项目“中国东海和黄海中生源硫的生产、分布、迁移转化与环境效应”（No.41030858）、国家自然科学基金重大国际合作项目“海洋酸化对河口近岸生态系和生源活性气体生物地球化学过程的影响”（No. 41320104008）等项目的支撑下，集成团队多年研究成果，撰写《》（杨桂朋等著. 北京：科学出版社, 2022.11）一书，旨在全面系统总结我国近海二甲基硫化物的生物地球化学过程。

本书共分为9章。第1章和第2章系统介绍目前国内外关于海洋中二甲基硫化物的分析方法及迁移转化过程的研究进展，第3～5章详细阐述中国渤海、黄海、东海及南海生源硫的分布、通量及其生物地球化学过程，第6章介绍实验室不同海洋微藻生产二甲基硫化物的研究结果，第7章阐述环境变化包括富营养化和海洋酸化对生源硫化物生产释放的影响，第8章介绍海水中二甲基硫的光化学氧化过程与机制，第9章阐述二甲基硫在大气中的迁移转化及其环境和气候效应。

本书在总结中国近海生源硫分布与通量的基础上, 结合不同二甲基硫化物的生产与消费过程，阐述生源硫循环与海洋微藻和微生物代谢的相互关联，并通过实验室模拟、中尺度围隔及船基培养实验深入探究近海环境演变下二甲基硫化物的迁移转化过程，解析环境条件变化对海洋硫循环的影响。同时，二甲基硫化物作为连接海洋碳循环和硫循环的“枢纽”，本书所展示内容也可以为研究海洋硫循环和碳循环的耦合关系提供理论支撑。

本文摘编自《中国近海二甲基硫化物的生物地球化学》（杨桂朋等著. 北京：科学出版社, 2022.11）一书“前言”“第3 章　 黄渤海生源硫的分布、通量及其影响因素”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-073707-6

责任编辑：郭允允　李　洁

本书系统研究了中国近海（渤海、黄海、东海、南海）海水中二甲基硫（DMS）、二甲基巯基丙酸内盐（DMSP）和二甲基亚砜（DMSO）的浓度分布、时空变化、海-气通量以及与海区内生态环境因子的关系，并就近海污染大气中DMS的氧化产物甲磺酸对气溶胶中非海盐硫酸盐的贡献比例进行了估算，为定量评估中国近海DMS释放对全球海洋释放总量的区域性贡献提供了第一手调查数据；研究了不同种类海洋微藻在不同生理阶段及不同控制条件下对DMS、DMSP、DMSO释放规律的影响，探讨了控制二甲基硫化物生产的主要环境因子；测定了不同营养盐浓度和N/P比结构、海水酸化、沙尘输入条件下二甲基硫化物的生物生产与微生物消耗速率；探讨了海水中DMS光化学氧化过程与机制；阐明了中国近海二甲基硫化物的源- 汇过程与主控因素，初步构建了中国近海二甲基硫化物的生物地球化学循环模型。本书可供海洋科研机构的科研人员以及高等院校海洋科学专业、大气科学专业师生阅读参考。

（本文编辑：刘四旦）

一起阅读科学!

科学出版社│微信ID：sciencepress-cspm

专业品质 学术价值

原创好读 科学品味

科学出版社视频号

硬核有料 视听科学