2014, Vol.35 
由海洋浮游植物产生的二甲基硫(dimethylsulfide，DMS)是海洋排放的最主要的挥发性生源硫化物[1]，其向大气中的排放量约占全球海洋硫释放量的2/3[2]，是参与全球硫循环的重要物质. 进入到大气中的DMS会立即被OH、 NO3、 IO等自由基氧化生成SO2和甲基磺酸盐(MSA)，继续反应生成非海盐硫酸盐(nss-SO2-4). 这些氧化产物大都具有很强的酸性，是酸雨的重要贡献者； 此外，生成的nss-SO2-4气溶胶能增加云凝结核(CCN)数量或使原有的结核颗粒数目增大，从而影响云的形成和太阳辐射的漫散射系数，进而影响了区域或全球气候变化[3,4].
二甲巯基丙酸内盐(dimethylsulfoniopropionate，DMSP)是DMS的主要前体物质，为藻类的一种硫代谢产物. 海洋中的微型、 大型藻类和盐生植物都是DMSP的重要来源，但不同种类的藻体细胞中DMSP的含量差异明显[5]. 目前，国际上关于DMSP在藻细胞中的生理作用、 DMSP向DMS的转化以及DMS的产生与迁移等方面取得了一系列的研究成果[6,7,8]. DMSP可作为藻类细胞内的一种渗透压调节剂，当外界盐度升高时，藻细胞会合成较多的DMSP来维持细胞内外的渗透压平衡； 而当盐度下降时，藻细胞会将体内多余的DMSP释放到水体中[9]. 在细菌或某些藻类释放的DMSP裂解酶的作用下，一部分DMSP会裂解生成DMS和丙烯酸[10]. 因此，DMSP的含量及转化途径直接影响DMS的生产与分布，在DMS的生物地球化学过程中具有重要的作用.
东海和黄海作为西北太平洋的边缘海，二者相连并且交换充分，是世界上最具代表性的大陆架海区之一. 该海区处于长江冲淡水、 黑潮、 台湾暖流、 黄海沿岸流、 东海沿岸流的综合作用区[11]，复杂的水文条件会对生源硫的生产分布产生重要的影响. 在国内，许多学者研究了中国近海中DMS、 DMSP的浓度分布与海-气通量，并初步探讨了它们与叶绿素a(Chl-a)的相互关系[12,13,14,15,16]，然而他们的研究大都集中在春季与夏季，冬季的研究报道很少； 特别是在DMSP粒级分布及与细菌丰度的关系方面，尚存在明显不足. 因此，本文对冬季东海、 南黄海表层海水中DMS和DMSP的浓度分布和影响因素进行了研究，计算了DMS的海-气通量，旨在了解冬季中国东部近海DMS和DMSP的分布特征，并讨论不同粒级的浮游植物对DMSPp的贡献. 本研究对更加深入地认识中国海域生源硫化物(DMS和DMSP)的生物地球化学循环和气候效应具有重要的科学意义.
1 材料与方法 1.1 样品采集于2011年12月20日~2012年1月11日期间，随中国海洋大学“东方红2号”科学考察船对东海、 南黄海海域进行调查取样(如图 1)，共包括46个大面站和1个25 h连续站(P01). 海水样品由12 L Niskin采水器采集后，现场对DMS进行测定. 对于DMSP样品，取4 mL海水样品用内置 Whatman GF/F 玻璃纤维滤膜(直径 25 mm)的 Gelman 过滤器进行重力过滤，滤液装入15 mL聚丙烯离心管中，后加入20 μL 50% H2SO4固定(用来除去海水样品中存在的DMS[17])，即为溶解态DMSP(DMSPd)样品； 另外，取10 mL海水样品直接装入15 mL的离心管中，然后加入50 μL 50% H2SO4固定，用于测定总DMSP(DMSPt)含量，所有DMSP样品均在4℃下避光保存. 现场海洋环境参数由直读式温盐深仪CTD(Seabird 911 plus)在采集海水样品时同步获得.
此外，调查中共选取10个大面站位(图 1中★标记)研究海水中Chl-a和DMSPp的粒级分布特征. 取40 mL表层海水依次用20、 5、 2和0.2 μm的Whatman GF/F 滤膜重力过滤，将所得滤膜分别装入盛有2 mL 10 mol ·L-1 KOH溶液的42 mL的玻璃样品瓶中，后加入40 mL高纯水，拧盖密封，4℃下避光保存. 所有样品待返回实验室后尽快完成测定.
 | 图 1 2011年12月~2012年1月东海和南黄海调查站位示意 Fig. 1 Location of sampling stations in the East China Sea and the Southern Yellow Sea during December 2011- January 2012 |
DMS样品采用气提-冷阱捕集气相色谱法测定[18,19]，即用玻璃注射器取2 mL水样注入到样品瓶中，通入40 mL ·min-1的高纯N2进行吹扫，吹扫出的DMS气体通过Nafion干燥器(Perma Pure，美国)除去水份，并通过六通阀(Valco，美国)富集于浸在液氮中的1/16 Teflon捕集管中； 吹扫3 min后将捕集管放入热水(>70℃)中进行加热解析，在载气携带下进入气相色谱(配置火焰光度检测器，Shimadzu，日本)进行测定. DMS样品采用外标法定量，即用吹扫除净DMS的空白海水配制一系列已知浓度的DMS标准溶液，根据浓度与峰面积的对应关系绘制标准曲线，从而计算样品中的DMS的浓度. 该测定方法的相对标准偏差<5%，最小检出限为0.15 ng S[18].
对于DMSP样品的测定，首先在强碱(pH≥13)条件下完全降解为DMS,再通过分析DMS的浓度间接获得DMSP的浓度，其中DMSPp浓度由DMSPt浓度减去DMSPd浓度获得. 测定时，分别向DMSPd和DMSPt样品中加入200 μL和500 μL的10 mol ·L-1 KOH溶液，然后避光冷藏(4℃)放置24 h以上，保证DMSP能够完全转化为DMS.
Chl-a样品的分析：取300 mL水样用0.7 μm的 Whatman GF/F 滤膜低压(<15 kPa)过滤，将滤膜对折用锡纸包裹后避光冷冻(-20℃)保存. 另外，取250 mL表层海水依次用20、 5、 2和0.2 μm的 Whatman GF/F 滤膜过滤，以获得不同粒级的Chl-a样品. 测定时将滤膜用10 mL 90%(体积分数)的丙酮-水溶液低温避光萃取24 h，在4000 r ·min-1的转速下离心10 min，取上清液用分子荧光分光光度计(F-4500，Hitachi，日本)测定[20].
总细菌丰度的测定：取20 mL海水样品于洁净的一次性无菌杯中，通过内置0.2 μm滤膜的过滤头加入2 mL甲醛溶液固定，常温保存. 测定时，取0.2 mL海水样品和1.8 mL灭菌高纯水用0.2 μm滤膜(Millipore，美国)低压(<15 kPa)过滤，然后用DAPI 溶液(4′,6-二脒基-2-苯基吲哚)染色7 min，将滤膜制片，在荧光显微镜(CTR-5000，Leica，德国)下对细菌丰度进行计数.
2 结果与讨论 2.1 表层海水中DMS和DMSP的水平分布特征
冬季东海、 南黄海表层海水Chl-a、 DMS、 DMSPd、 DMSPp和总细菌丰度的水平分布如图 2所示. Chl-a的浓度变化范围为0.06~0.38 μg ·L-1，平均值为(0.21±0.09)μg ·L-1. 从图 2中可以看出，Chl-a的浓度分布相对比较均匀，这可能是由于冬季海水温度较低，不利于浮游植物的生长所致[21]. DMS的浓度范围在0.58~4.14 nmol ·L-1之间，平均值为(2.20±0.82)nmol ·L-1. 此平均值明显低于黄海、 东海海域春季(4.91 nmol ·L-1[22])和夏季(5.64 nmol ·L-1[23])的调查结果，呈现明显的季节变化特征，这与浮游植物的季节性消长有关. 从图 2也可以看出，DMS的浓度分布相对均匀，最大值出现在江苏东北部海域的C01站位，最小值出现在长江口附近海域的P01站位. 从同一航次的浮游植物数据来看，C01站位的浮游植物细胞丰度(4.6×107个 ·m-3)最大，而DMS的低产藻种硅藻所占细胞总数的比例也只有24%； P01站位浮游植物细胞丰度(2.5×105个 ·m-3)相对较小，而且硅藻所占的比例高达77%，说明浮游植物的种类和生物量大小可以直接影响海域内DMS浓度的高低.
 | 图 2 冬季东海、 南黄海表层海水Chl-a、 DMS、 DMSPd、 DMSPp和总细菌丰度的水平分布 Fig. 2 Horizontal distributions of Chl-a,DMS,DMSPd,DMSPp and total bacterial abundance in the surface water of the East China Sea and the Southern Yellow Sea during the winter |
研究海域表层海水中DMSPd和DMSPp的浓度范围分别在0.37~7.86 nmol ·L-1和4.29~25.76 nmol ·L-1之间，平均值分别为(2.12±1.66)nmol ·L-1和(11.98± 6.23)nmol ·L-1. 如图 2所示，DMSPd和DMSPp的水平分布虽有一定的差异，但总体上呈现近岸高、 外海低的趋势. 其浓度高值都出现在江苏省东北部海域附近站位C01和S01站位，而S01站位的浮游植物细胞丰度(2.3×106个 ·m-3)也较大，说明了黄海沿岸流带来的营养盐促进了该海域浮游植物的生长，从而贡献了较高浓度的DMSP[24]. 另外，在济州岛的西南部海域，DMSPd和DMSPp的浓度也较高，这可能是由于受到高温高盐的黄海暖流的影响，藻细胞会合成更多的DMSP来维持渗透压平衡[21].
2.2 DMS和DMSP的周日变化本次调查中，在连续站P01对表层海水中Chl-a、 DMS、 DMSPd和DMSPp浓度进行了25 h连续观测，每隔3 h进行取样分析，其周日变化特征如图 3所示. 调查结果表明，DMS的浓度从0.58 nmol ·L-1变化到3.56 nmol ·L-1，表现出了明显的周日变化. 白天时段(09:00~18:00)的平均浓度为(2.34±0.69)nmol ·L-1，夜间时段的平均浓度(21:00~次日06:00)为(0.99±0.34)nmol ·L-1. 从图 3可以看出，DMS和Chl-a的变化趋势基本相同，都是在15:00达到了浓度的最高值，在00:00出现了浓度的最低值. 然而，DMS的浓度在12:00有所下降，这可能是由于DMS在正午时刻较大的光化学氧化速率使DMS浓度降低. Yang等[15]在黄海对DMS浓度的周日变化研究发现最高值出现在下午时段，低值出现在凌晨时段，与本次研究结果相一致.
 | 图 3 冬季东海P01站位Chl-a、 DMS、 DMSPd和DMSPp的周日变化 Fig. 3 Diel variations of Chl-a,DMS,DMSPd and DMSPp at station P01 in the East China Sea during the winter |
如图 3所示，DMSPd和DMSPp的周日变化趋势基本一致，其浓度变化范围分别为0.79~3.96 nmol ·L-1和1.15~25.27 nmol ·L-1. DMSPd浓度的最高值出现在18:00，而DMSPp浓度的最大值出现在15:00，其浓度的最低值均出现在00:00. 总体来说，DMSPd和DMSPp的浓度变化趋势是白天高夜间低. Simó等[25]发现DMSP的生物合成与光照紧密相关，并发现中午出现了DMSP的最高浓度，与本研究结果一致； 同时下午时段浮游动物对浮游植物的摄食活动会加强，从而能导致海水中的DMSP浓度升高[21]. 另外，白天太阳的紫外辐射能有效抑制细菌的活性，降低其对DMSP的分解[20]. 以上几个过程的共同作用使得DMSPd和DMSPp的浓度白天高夜间低.
2.3 DMSPp的粒级分布海洋中的浮游植物是海水中DMSP的主要贡献者，其按照粒级大小可分为小型浮游植物(>20 μm)、 微型浮游植物(2~20 μm)和微微型浮游植物(0.2~2 μm). 本研究调查中，又将微型浮游植物分为2~5 μm和5~20 μm两个粒级进行研究. 选取的10个站位中Chl-a和DMSPp的粒级分布如图 4所示.
分析结果表明，5~20 μm的微型浮游植物对Chl-a和DMSPp的贡献比例分别介于27%~89%和24%~62%之间，平均值分别达到75%和51%，这表明5~20 μm的微型浮游植物是研究海域Chl-a和DMSPp的主要贡献者. 本研究结果与黄邦钦等[26]对东海、 黄海浮游植物生物量粒级结构的研究结果相一致. 然而从贡献比例来看，它们对Chl-a的贡献比例要明显大于对DMSPp的贡献比例，说明了研究站位的优势藻种并非DMSP的高产藻种. 由图 4还可以看出，S01站位与其它站位有所不同，小型浮游植物(>20 μm)是主要贡献者，其对Chl-a和DMSPp的贡献比例分别为72%和55%. 这些研究结果与同一航次的浮游植物数据也是相对应的，大部分站位的优势藻种为粒级在5~20 μm的中肋骨条藻(硅藻门)和铁氏束毛藻(蓝藻门)，而S01站位的优势藻种为粒级>20 μm的具槽帕拉藻(硅藻门)，而且它们都是DMSP的低产藻种.
 | 图 4 冬季东海和南黄海表层海水中Chl-a和DMSPp的粒级分布 Fig. 4 Size distributions of Chl-a and DMSPp in the surface water of the East China Sea and the Southern Yellow Sea during the winter |
海水中的DMS、 DMSP主要由浮游植物产生，而Chl-a的含量能直观地反映海区内浮游植物生物量，二者之间的相互关系一直是人们的研究热点. 如图 5所示，冬季东海、 南黄海表层海水中DMS和DMSPp分别与Chl-a的浓度表现出一定的正相关性，这与Yang等[14,15]在东海、 黄海的调查结果相一致. 此外，Uzuka等[27]发现东海海域DMS和Chl-a的浓度也有显著的正相关. 这些研究结果表明浮游植物生物量在影响东海、 黄海DMS和DMSP的生产和分布方面发挥着重要作用.
 | 图 5 冬季东海、 南黄海表层海水中DMS、 DMSPp和Chl-a之间的相关性 Fig. 5 Correlations between DMS,DMSPp and Chl-a concentrations in the surface waters of the East China Sea and the Southern Yellow Sea during the winter |
此外，DMS/Chl-a比值常用来估算单位浮游植物生物量生产DMS的能力，而DMSPp/Chl-a比值可以用来估算海区浮游植物中DMSP生产者所占的比例[28]. 本研究中DMS/Chl-a和DMSPp/Chl-a比值范围分别在1.8~34.3 mmol ·g-1和 22.2~155.0 mmol ·g-1之间，平均值分别为(12.1±6.6)mmol ·g-1和(60.2±25.6)mmol ·g-1. Yang等[15,23]报道了春季黄海和夏季东海、 黄海海域DMS/Chl-a的比值分别为2.92 mmol ·g-1(1.47~5.72 mmol ·g-1)和 10.27 mmol ·g-1(2.17~25.94 mmol ·g-1)，此结果的差异可能在于浮游植物组成的季节性差异. 由2011年调查的浮游植物数据可知，夏季、 秋季和冬季硅藻在东海、 黄海浮游植物组成中分别为97.1%、 90.6%和74.2%，冬季DMSP和DMS低产藻种硅藻所占的比例最低. 尽管硅藻是DMSP的低产种，但当它成为海域中的优势藻种时，所产生的DMSP总量可能会超越非优势种的其它DMSP高产种的贡献，从而成为东海和南黄海中DMSP的重要来源.
 | 图 6 冬季东海、 南黄海表层海水中DMSPd和总细菌丰度之间的相关性 Fig. 6 Correlation between DMSPd concentration and total bacterial abundance in the surface waters of the East China Sea and the Southern Yellow Sea in the winter |
Kiene等[29]发现，DMSP是海洋中浮游细菌所需硫的主要来源，并且能提供1%~13%的碳源； Del Valle等[30]指出，自生型细菌在对DMS的消费几乎占了DMS生物消费的全部. 因此，本研究中对DMS、 DMSP与总细菌丰度的相互关系进行了探讨. 如图 6所示，DMSPd和总细菌丰度呈现出一定的负相关. 这可能是由于在细菌释放的DMSP裂解酶的作用下，一部分DMSP会裂解生成DMS. 然而细菌不仅能把DMSPd还原为DMS，使DMS的浓度增加； 同时还能较快地将DMS继续氧化[31]，导致DMS的浓度下降. 因此细菌在DMS的生产与转化中复杂的作用，本研究中并未发现DMS和总细菌丰度的相关性存在.
2.5 DMS的海-气通量DMS的海-气通量F通常用下式计算[32]:
F= K(cw-cg/H)=Kcw
式中，K是海-气传输速率； cw和cg分别为DMS在水体和大气中的浓度； H是亨利常数； 由于cg/H远远小于cw，可忽略.海-气传输速率K有多种计算方法[32,33]，本研究采用目前国际上最常用的N2000公式[34]来估算K值. 图 7给出了各个站位DMS的海-气通量随水体中DMS的浓度和现场风速的变化趋势.
 | 图 7 冬季东海和南黄海DMS海-气通量随DMS浓度和风速的变化 Fig. 7 Variations of DMS sea-to-air fluxes along with DMS concentrations and wind speed in the East China Sea and the Southern Yellow Sea in the winter |
计算结果表明，冬季东海、 南黄海海-气通量介于0.61~25.52 μmol ·(m2 ·d)-1之间，平均值为(8.30±5.92) μmol ·(m2 ·d)-1. DMS海-气通量的最大值出现在E06站位，这是因为E06站位的风速(14.5 m ·s-1)是所调查站位最大的，而且DMS的浓度(2.63 nmol ·L-1)也相对较高，它们共同作用贡献了DMS海-气通量的最大值. 从图 7可看出，在风速变化不大的情况下，DMS的海-气通量与水体中DMS浓度的变化一致； 当风速变化较大时，会引起K值的急剧变化，从而导致DMS的海-气通量发生大幅度的增加. 尽管冬季东、 黄海DMS的平均浓度[(2.20± 0.82)nmol ·L-1]较小，但DMS海-气通量与Yang等在相同海域春季[13.7 μmol ·(m2 ·d)-1][22]和夏季[7.45 μmol ·(m2 ·d)-1][23] 的调查结果相近，这主要是由于冬季调查期间较大的现场风速[(8.5±2.8)m ·s-1]导致的. 东海、 南黄海作为典型的陆架海区之一，占全球海洋面积的比例尽管很小，但各季节DMS的海-气通量均较大，说明陆架近海海区在全球海洋DMS排放通量中的作用不容忽视.
3 结论(1)冬季东海、 南黄海表层海水中DMS和DMSP浓度较低，DMS的浓度分布相对均匀，而DMSP总体上呈现近岸高、 外海低的趋势. DMS和DMSP存在明显的周日变化，白天时段浓度明显高于夜间时段.
(2)表层海水中DMS、 DMSPp和Chl-a都呈现出显著的正相关，说明浮游植物在影响DMS和DMSP的生产和分布方面发挥着重要作用. 5~20 μm的微型浮游植物是冬季东海、 南黄海Chl-a和DMSPp的主要贡献者. 此外，DMSPd和总细菌丰度表现出一定的负相关，这可能由于在细菌释放的DMSP裂解酶的作用下DMSPd会裂解生成DMS.
(3)冬季东海、 南黄海较大的DMS海-气通量主要是由于较高的现场风速引起的，进一步说明了陆架海区是全球DMS排放的重要来源.
致谢： 本研究采用的浮游植物数据由国家海洋局第二海洋研究所的江志兵老师提供，在此表示感谢！
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