海洋边界层中不饱和脂肪族和含硫有机物作为表面微层 surfactants 的氮同位素示踪研究

本研究针对北太平洋大气氮(N)沉降来源争议问题，通过分析夏威夷欧胡岛气溶胶样本的NH4+浓度及δ15N-NH4+值，首次识别出海洋排放(-3.3‰)、海鸟排放(19.0‰)和混合源(4.1‰)三类特征同位素指纹，揭示35%的无机氮干沉降源自海鸟活动，为海洋氮循环模型提供了关键约束参数。

　　

随着人类活动加剧，大气氮(N)沉降如同无形的"营养雨"不断落入海洋，这场持续数十年的化学降雨正在改写海洋生态规则。尤其在北太平洋这片蔚蓝疆域，科学家们发现一个令人困惑的现象：传统理论预测的氮收支始终存在25%的"失踪人口"，这些神秘氮源究竟来自人类活动的额外输入，还是海洋自身的代谢循环？这个悬而未决的问题直接关系到我们能否准确预测海洋富营养化进程。更棘手的是，作为关键氮组分的氨(NH₃)及其离子态铵(NH₄⁺)，因其在大气中瞬息万变（寿命仅数小时至数天）且来源复杂，就像海洋上空的"氮幽灵"，传统方法难以捕捉其行踪。为此，来自美国布朗大学的研究团队在《Marine Chemistry》发表创新成果，他们如同海洋化学侦探，运用氮同位素指纹鉴定技术，首次破解了北太平洋大气氮沉降的"三重身份密码"。

研究团队采用高容量气溶胶采样器在夏威夷欧胡岛进行为期15个月的样本采集（2021-2022年，n=67），通过离子色谱测定NH₄⁺浓度，结合创新性的δ¹⁵N-NH₄⁺同位素分析技术，并运用K-means聚类算法解析数据特征。通过HYSPLIT气团轨迹模型追踪污染源，结合海洋-大气界面相分配模型量化同位素分馏效应，最终构建三端元混合模型解析不同来源贡献率。

【物种浓度】数据显示气溶胶NH₄⁺平均浓度为3.7±7.3 ng/m³，显著低于GEOS-Chem模型预测值（15.8 ng/m³），且无显著季节性差异（p>0.05）。两个异常高值样本（54.6和27.9 ng/m³）的出现暗示可能存在点源污染事件。

【同位素特征】δ¹⁵N-NH₄⁺值呈现三簇分布：第一簇（19.0±3.9‰）对应来自西北方向海鸟保护区的富集信号；第二簇（4.1±2.3‰）为混合源；第三簇（-3.3±2.4‰）具有典型海洋排放特征。相分配模型证实，海洋排放过程伴随约20‰的同位素分馏，导致气态NH₃比溶解态NH₄⁺贫化¹⁵N。

【来源解析】三端元模型显示：6%的无机氮干沉降来自NH₄⁺，其中35%源自海鸟排放（年通量1.2±1.1 Tg N·y^-1）。特别值得注意的是，两个异常高值样本的气团轨迹均经过海鸟栖息地，其δ¹⁵N值（17.5‰和20.5‰）与海鸟排泄物同位素特征高度吻合。

这项研究犹如为海洋氮循环安装了一台"来源追溯器"，其突破性发现体现在三个维度：首先，首次量化了海鸟活动对海洋氮循环的贡献（占NH₄⁺沉降量的35%），这个曾被忽视的生物源可能解释部分"失踪氮"现象；其次，建立的海洋-大气界面同位素分馏模型（20‰）为全球海洋NH₃排放研究提供了关键参数；最重要的是，证实北太平洋大气氮沉降中人为贡献可能被高估，这对修正全球海洋氮预算模型具有里程碑意义。这些发现如同解开海洋氮循环的"戈尔迪之结"，为预测人类活动对海洋生态系统影响提供了新的科学基准。当未来研究者再次面对海洋氮收支不平衡问题时，这项研究提供的同位素"指纹库"将成为破译氮密码的罗塞塔石碑。