近日，bat365在线平台官方网站、海洋有机化学组（MOC）蔡明刚教授团队与合作者在国际权威期刊Journal of Hazardous Materials上发表最新研究成果”Air-sea exchange of PAHs in the Taiwan Strait: Seasonal dynamics and regulation mechanisms revealed by machine learning approach”.该研究借助可解释性机器学习揭示了季风转换背景下台湾海峡多环芳烃海-气交换通量的调控机制，为厘清在全球气候变化和人类活动背景下持久性有机污染物的源汇格局变化提供了科学支撑。

研究背景

多环芳烃（PAHs）是一类具有生物毒性、环境持久性等特征的半挥发性有机污染物，其在海洋中的传输与归趋受到多个关键生物地球化学循环过程影响。其中，PAHs海-气交换过程是动态可逆的，具有长距离传输潜力并且受多种因子共同调控。台湾海峡气候受控于亚洲季风，表现出显著季节性差异，其对PAHs海-气交换过程的调控强度可能发生季节性变化。然而，现有研究主要集中在通量估算及其时间序列变化等方面，鲜有涉及环境生物因子对该过程调控的机制探讨。机器学习在污染物传输机制研究具有潜在应用，并可以定量分析调控因素的影响。因此，研究团队准同步采集了不同季节台湾海峡大气与海水PAHs样品，并开展了结合水文、气相、理化特征等参数的机器学习分析，综合探究了季节性PAHs分布、海-气通量及其潜在调控因素。

研究结果

该研究调查了台湾海峡春（4月）秋（11月）两个季节大气与海水多环芳烃的时空分布特征。结果表明，春季表层海水溶解态PAHs平均浓度高于秋季，均呈现近岸向海峡中央降低的分布趋势。对于大气气相态PAHs，秋季平均浓度高于春季，没有显著的空间异质性，秋季的高浓度受到东北季风气团影响（图1A-B）。PAHs海-气交换通量同样呈现季节性差异（图1C）。整体而言，春秋两季的三环PAHs主要呈现净挥发，四环至六环PAHs主要为沉降过程，且此过程在秋季表现得更为活跃。海-气交换通量高值对应海气浓度梯度站位，风速与海气交换通量具有相关性。

图1  溶解态PAHs浓度（A）、气相态PAHs浓度（B）和PAHs海-气交换通量的季节性分布（C）

该研究主要运用机器学习方法揭示了PAHs在台湾海峡海-气交换的季节性差异及其调控机制（图2）。结果显示，三环PAHs的挥发主要受溶解PAHs浓度（贡献率为24.0%）的影响，而四环至六环PAHs的气态沉积则与来自中国北部的污染空气团有关。此外，亨利常数作为次要因素，对低分子量PAHs的海-气交换强度有显著影响。环境参数中，高风速是主要影响因素，而生物泵对表层海水中PAHs的消耗加剧了气态沉降过程。

图2  SHAP（Python）特征重要性分析和各因子对海气交换通量的依赖分析

研究团队及资助

该论文第一作者为bat365在线平台官方网站博士生叶坚栋，通讯作者为蔡明刚教授，共同作者包括香港城市大学博士后刘萌阳、我校王杉霖教授、肖武鹏副教授、哈尔滨工业大学李一凡教授、张子峰副教授等十余位学者。该研究获得国家自然科学基金项目（U2005207, 4266224)、国家博士后科学基金（2023M742589）、福建省自然科学基金（2014J06014）、福建省自然科学重点基金（2020J01412103）、海南省科技专项基金（ZDYF2022SHFZ317）共同资助。

论文来源

Ye, J., Liu, M., Chen, L., Jing, L., Qi, H., Wu, B., ... & Cai, M. (2024). Air-sea exchange of PAHs in the Taiwan Strait: Seasonal dynamics and regulation mechanisms revealed by machine learning approach. Journal of Hazardous Materials, 134792.

论文链接

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.134792

供稿：蔡明刚教授团队

编辑：苏颖

审核：陈洪梅、徐鹏、陈向柳