近海海洋酸化对痕量元素在沉积物-海水界面处生物地球化学特性的影响研究

痕量元素在海洋环境中不仅能够密切参与物质循环,显著调控生命代谢,有些情况下还会对浮游及底栖生物产生抑制和毒害,是海洋系统中具有重要生物地球化学作用的“双刃剑”。工业革命以来,海洋不断吸收大气CO_(2)使得海水pH和碳酸根浓度持续下降,在全球范围内都出现了海洋酸化的现象。海洋酸化作为新的环境胁迫打破了痕量元素在沉积物-间隙水-上覆水中既有的平衡态势,导致痕量元素在海洋环境中的生物地球化学特性变得更加复杂和不确定。本文从痕量元素在沉积物-海水体系中的赋存形态与交换过程入手,探讨了海洋酸化条件下痕量元素在沉积物-海水体系中的扩散迁移与再平衡行为,分析了由此产生的生物毒性效应和生物可用性影响。最后,对海洋酸化与多种环境条件、多种污染物联合作用所导致的与痕量元素相关的生态效应研究进行了展望,以期为未来海洋酸化与痕量元素协同研究提供有意义的科学参考。

东海沉积物—海水界面营养盐交换通量的初步研究

用实验室模拟法研究了2002年4月30日～5月17日和2002年8月26日～9月10日东海两个航次硅、磷、氮营养盐12个站位沉积物—海水界面上的交换通量,采用连续函数拟合的方法计算了营养盐界面交换速率。结果表明,春、夏季SiO3 Si在东海沉积物—海水界面上均表现为由沉积物向水体的转移,平均交换速率为4.12mmol/m2·d。PO4 P、NH4 N、NO2 N和NO3 N则随站位的不同有一定的差异,平均交换速率分别为-0.01、0.48、-0.02和-0.07mmol/m2·d。平均两个航次的结果,SiO3 Si、PO4 P、溶解无机氮(DIN)在东海沉积物—海水界面上的交换通量分别为3.18×1012、-7.37×109和2.95×1011mmol/d,可提供维持东海初级生产力SiO3 Si的55%、DIN的5.1%。

Si在胶州湾沉积物-海水界面上的交换速率和通量研究

本文应用实验室培养法研究了 Si O3 - Si在胶州湾 1 6个站位沉积物 -海水界面上的交换速率。考虑培养时间、取样时间和间隔等因素 ,采用连续函数的方法计算了 Si O3 - Si交换速率。结果表明 ,Si O3 - Si在胶州湾沉积物 -海水界面上的交换表现为由沉积物向水体的释放 ,交换速率一般在因为 1～5mmol·m-2· d-1范围内 ,平均为 3.3mmol·m-2· d-1。高含量有机质沉积物 ,特别是生物扰动作用可以增大 Si O3 - Si交换速率。考虑胶州湾各种沉积物类型占胶州湾总面积的权重 ,Si O3 - Si在胶州湾沉积物 -海水界面上的交换通量为 1 .0 6× 1 0 9mmol·d-1 ,是河流输入量的 5.3倍 ,可提供浮游植物生长所需硅的 58%。

东海春季赤潮前后沉积物-海水界面营养盐交换速率的研究

应用实验室培养法现场研究了3~5月东海硅藻赤潮发生前后10个站位的营养盐在沉积物-海水界面的交换,并应用连续函数拟合法计算了营养盐的界面交换速率.结果显示,NO3--N在赤潮前向沉积物中汇聚[-1.33^-0.68 mmol/(m2.d)],赤潮后却基本由沉积物向海水中释放[-0.69~0.82 mmol/(m2.d)].NH4+-N在赤潮前后大都从沉积物中释放[-0.65~1.46mmol/(m2.d)],赤潮后释放速率小于赤潮前.NO2--N赤潮前后除Zc17站外都向沉积物中汇聚[-0.09~0.05 mmol/(m2.d)],赤潮后汇聚速率稍高.SiO23--Si在所有站位都由沉积物向海水释放[0.85~9.23 mmol/(m2.d)],其赤潮后速率高于赤潮前.PO34--P在赤潮前向沉积物中汇聚[-0.06^-0.01 mmol/(m2.d)],在赤潮后却由沉积物向海水中释放[0~1.26 mmol/(m2.d)].NO3--N和PO43--P向东海近海沉积物的汇聚在春季不利于硅藻赤潮的暴发,但其在硅藻赤潮暴发后从沉积物的大量释放为后面紧接的大面积甲藻赤潮的暴发提供了重要的营养物质补充.

渤海沉积物-海水界面附近磷与硅的生物地球化学循环模式

现场模拟了渤海沉积物 海水界面磷、硅的交换通量 ,在此基础上提出了渤海磷、硅的生物地球化学循环模式 ,渤海的磷、硅主要来源于河流的输入和沉积物向海水的扩散提供 ,输出则是主要通过向黄海输送。计算结果表明 ,渤海每年沉积物向海水提供的磷、硅分别为10.2×106 和190.6×106 kg,分别占渤海磷、硅循环总量的86.4 %和31.7 %。说明沉积物 海水界面过程在渤海磷、硅循环中所起的作用是巨大的。

桑沟湾养殖海区沉积物-海水界面氮、磷营养盐的通量

20 0 2年 5月和 7月分 4个航次对桑沟湾养殖海区海底沉积物进行了底质与间隙水营养盐(NH+ 4,NO- 3,NO- 2 ,PO3- 4)的分析 ,并使用Fick第一定理对该海区沉积物 海水界面营养盐的通量进行了估算。研究结果表明 ,各站点间隙水三氮和磷酸盐的平面分布和垂直分布有较大的差异。用 4个航次的数据估算全年由沉积物向上覆水扩散的NH+ 4的通量为 376 33μmol/m2 ·d ,NO- 3、NO- 2 和PO3- 4的通量分别是 33 0 2、6 4 1、10 .0 8μmol/m2 ·d。估算桑沟湾全年由沉积物扩散进入上覆水的总无机氮的量为 2 81 7t,可以满足该湾浮游植物初级生产需要的 2 8 73% ,释放的无机磷的总量为 4 16 2t,可以完全满足该湾全年浮游植物的需求。研究结果为桑沟湾海湾沉积物 海水界面氮、磷营养盐的通量建模提供了重要数据 ,结论可以运用到规模化养殖海湾养殖容纳量的进一步研究之中。

陆架浅海沉积物—海水界面溶质通量的计算方法及其应用

陆架浅海沉积物—海水界面上的溶解态生源物质通量的准确估算是海洋生态系统动力学研究中的关键性问题之一。由于底栖生物活动以及海流、海浪及潮波与海底地形地物相互作用的影响 ,使得该通量的准确估算十分困难。本文综合分析讨论了近年来提出的各种计算该类通量的物理模型及参数的确定方法 ,并结合在中国黄、东海等陆架浅海水层—底栖生态动力学耦合模型研究的需要 。

南沙海域沉积物/海水界面分配与转移 Ⅱ.铁和锰

根据１９９３年１１～１２月航次调查结果，研究南沙海域铁和锰在沉积物／间隙水／海水的界面分配和转移。结果表明，沉积物中Ｆｅ含量与其他海域差不多， Ｍｎ具有明显特色：不但含量很高，在不同站位差异悬殊，且 Ｆｅ、 Ｍｎ之间存在分离现象。沉积物中Ｆｅ、Ｍｎ含量与水深呈正相关。估计本海区有锰的微结核存在。在间隙水中Ｆｅ、Ｍｎ均产生明显富集，比海水含量高３０多倍。Ｆｅ、Ｍｎ（尤其是Ｍｎ）的界面分配和转移与水深密切相关，与沉积物的氧化还原条件也存在着一定关系。

用于沉积物-海水界面污染通量监测的自动采样技术

研究海底沉积物-海水界面污染物迁移规律的最佳方法是通过原位无扰动采样技术获取该界面水样,经过实验室分析计算得出污染通量。文中介绍了用于沉积物-海水界面污染通量监测的自动采样技术,通过测量通量舱在海底沉积物上隔离海水中的污染物含量的变化,能实现痕量重金属等污染通量的实时、现场、自动采样和监测。

胶州湾沉积物-海水界面溶解无机氮的迁移特征及其影响因素解析

采用实验室培养法,在原位温度和溶氧条件下,研究了夏、冬季胶州湾沉积物-海水界面溶解无机氮(DIN)的迁移特征。结果表明,夏、冬季胶州湾沉积物-海水界面DIN主要以NO_3-N和NH_4-N的形态进行交换,夏季胶州湾沉积物表现为水体DIN的源,其交换通量为1.64×10~9 mmol/d,可以提供维持初级生产力所需氮的39.3%;而冬季沉积物表现为DIN的汇,其交换通量为–2.12×10~8 mmol/d。利用相关分析和主成分回归分析,研究界面不同形态DIN交换速率和底层环境因子的关系,结果表明,夏季胶州湾沉积物-海水界面DIN的交换主要受沉积物中有机质的矿化、底栖藻类的同化作用和扩散过程共同调控,而冬季则主要受内源有机质的矿化、底栖藻类的同化作用、吸附-解吸和扩散过程共同调控。

胶州湾沉积物-海水界面硅的交换速率及其影响因素探讨

采用实验室培养法在原位温度和溶氧条件下测定了胶州湾沉积物-海水界面硅的交换速率,并探讨了相关环境因子对界面交换速率的影响机制。结果表明,胶州湾沉积物-海水界面硅的交换表现为从沉积物向水体释放,其交换速率在947~4 889μmol/(m^2·d)范围内,平均速率为1 819μmol/(m^2·d)。表层沉积物中叶绿素a(Chla)和总有机碳(TOC)是影响胶州湾沉积物-海水界面硅交换速率的主要环境因子,同时表层沉积物的含水率(φ)、生源硅(BSi)和粘土含量以及间隙水中溶解硅酸盐(DSi)对沉积物-海水界面硅的交换也有重要影响。由此可推知,胶州湾沉积物-海水界面硅的交换速率主要受生物活动和溶解-扩散双重过程调控,而表层沉积物粒度与底层水体中DSi对胶州湾硅的释放影响较小。

海洋沉积物-水界面营养盐交换过程的研究

对胶州湾和渤海沉积物分别进行室内培养实验．结果表明,在沉积物中加入营养盐后,铵氮、硅酸盐由沉积物向水体的迁移增大,铵氮的迁移在总溶解态氮的交换中起主要作用,其交换量约占总溶解态氮扩散量的７６%,硝酸盐及磷酸盐由水体向沉积物的迁移减弱．在上覆水中加入营养盐后,硝酸盐、磷酸盐由水体向沉积物的迁移增大,硝酸氮的迁移占总溶解态氮交换的主要部分,约为６２%．铵由沉积物向水体的迁移减弱,硅酸盐变成由水体向沉积物迁移．沉积物对于上覆水中营养盐的浓度具有一定的调节作用．无论在充空气或充氮气条件下,磷及硅的交换速率变化不明显,铵氮的迁移占总溶解态氮扩散量的９８%以上．充氧条件下硝酸盐由沉积物向上覆水的迁移通量较充氮气条件增加．比较两种不同的通量计算方法(积分和拟合),结果表明由两种计算方法计算的交换速率的变化趋势基本是一致的．

平面光极的制备及水母消亡对沉积物-海水界面溶解氧影响的模拟观测

制备了基于八乙基卟啉铂和香豆素的光强比率测量传感膜,结合3CCD相机构建了基于比率测量法的两维溶解氧观测系统,通过实验验证了该系统在沉积物-水界面微结构的溶解氧的时空动态变化监测的可行性.基于实验室模拟观测装置对海蜇消亡过程中沉积物-海水溶解氧的变化特征进行了观测.观测结果表明在置入水母组织的第16h后,水母分解使得沉积物-水界面的溶解氧开始下降,在2～3 d内会导致沉积物-水界面空间的海水溶解氧发生剧烈变化,在沉积物-海水界面附近海水形成严重缺氧区.第1天内,沉积物-海水界面的溶解氧消耗速率为0.2 mg·L^-1·h^-1,第2天溶解氧的消耗速率为0.04 mg·L^-1·h^-1.在近海底的水体空间内,第1天的溶解氧消耗速率为0.28 mg·L^-1·h^-1,第2天为0.14mg·L^-1·h^-1,第3天为0.13 mg·Lv-1·h^-1,表明水母消亡过程中的溶解氧消耗呈动态分布.实验证明水母在消亡过程中的3～4 d内可在沉积物-海水界面附近形成一个贫氧区,水母消亡过程改变了海底区域的溶解氧分布体系,将对海底生态环境产生较大影响.

海洋沉积物-水界面污染物通量自动采样及监测系统试验研究

研发的海洋沉积物-水界面污染物通量自动采样及监测系统,通过原位无扰动采样,能够更加真实地获取沉积物-水界面处水样,经过实验室分析计算进一步得到该界面处的污染通量。系统样机海上现场试验的成功完成,充分验证了该课题实施方案的可行性。试验结果表明:样机实现了沉积物-水界面处重金属通量及营养要素通量的有效监测,真实地量化了污染物的迁移规律。

海底沉积物中甲烷的来源、消耗与释放通量

海洋是大气甲烷的重要源和汇,开展海底沉积物中甲烷的生物地球化学研究,有助于了解海底甲烷释气作用对CH_4或CO_2在海-气界面释放的贡献。本文综述了海底沉积物中甲烷的来源、消耗与转移的具体过程,以及河口、近岸沉积物-海水界面甲烷的交换通量,并对今后研究工作提出几点建议。

不同氧饱和度环境刀额新对虾幼体对微藻脂肪酸在沉积物中降解的影响研究

以中国近海典型赤潮藻中肋骨条藻（Skeletonema costatum）为研究对象,考察不同氧饱和度环境下底栖甲壳动物对有机物在沉积物中降解的影响.通过对比不同氧饱和度培养模拟体系中中肋骨条藻在有/无刀额新对虾（Metapenaeus ensis）幼体活动背景下的降解过程,追踪中肋骨条藻中4种主要脂肪酸（C14：0,C16：0,C16：1（7）和C20：5）在100％,50％,25％和0％的氧饱和度体系中的降解行为.结果表明,100％氧饱和度体系中刀额新对虾幼体的活动能明显加快脂肪酸在沉积物中的降解（约为对照组的1.2～1.7倍）,特别是对饱和脂肪酸C14：0和C16：0的作用最为明显;而在50％氧饱和度的缺氧体系中,在前三天的培养中,刀额新对虾幼体的活动逐渐减弱直至最终死亡,死亡之前的扰动增加了有机物在次表层沉积物中的埋藏并降低了其降解速率.研究还发现,在l00％氧饱和度体系中,刀额新对虾幼体的扰动作用促进大量脂肪酸转移到次表层沉积物和悬浮颗粒中;而在50％氧饱和度体系中,这种转移作用明显变小.对于氧饱和度25％和0％的环境,刀额新对虾幼体在模拟培养开始后迅速死亡,对有机物质降解几乎没有影响.

春季大亚湾海域沉积物-海水界面营养盐的交换速率

2007年4月应用实验室培养法研究了大亚湾海域沉积物-海水界面营养盐的交换速率（v）和交换通量（F），并与间隙水分子扩散模型计算结果进行了对比。结果表明，vDIN变化范围为304．21～441．92μmol／m^2·d，平均为368．05μmol／m^2·d，vPO4-P变化范围为27，08～110．21μmol／m^2·d，平均为48．64μmol／m^2·d，vSiO3-Si变化范围为1878．10～6024．40μmol／m^2·d，平均为3653．84μmol／m^2·d。与间隙水分子扩散模型计算结果相比较，两者之间存在数量级的差异。产生差异的原因在于，间隙水分子扩散模型在浅水海湾中应用时没有考虑到沉积物底栖生物活动以及风浪扰动等因素的影响。大亚湾海域春季FDIN／SE为2．03×10^7mol，FPO4-Pi/SE为2．68×10^6mol，FSiO3-Si/SE为2．02×10^8mol，为维持大亚湾春季的初级生产力，沉积物交换过程可提供约10％的DIN、21％的PO4-P和98％的SiO3-Si。

象山港河鲀养殖区沉积物—海水界面N、P营养盐的扩散通量

2008年1月、5月和7月3次对象山港河鲀网箱养殖区海底沉积物进行了底质表层间隙水和上覆水营养盐(NH4-N,NO2-N,NO3-N,PO4-P)的分析,并使用Fick第一定律对该港湾沉积物——海水界面N、P营养盐的扩散通量进行了估算。研究结果表明,养殖区沉积物间隙水中N、P营养盐含量显著高于非养殖区,上覆水和沉积物间隙水中的N从1月份NH4-N为主逐渐转变到7月份以NO3-N为主。养殖区上覆水中NH4-N最高浓度为234.66μmol/L,NO3-N最高浓度为79.25μmol/L。养殖区上覆水中N、P营养盐的含量均严重超标。N、P营养盐的扩散通量估算结果显示:随着养殖高峰期的到来,沉积物—海水界面N、P营养盐的扩散方向由从沉积物向上覆水扩散逐渐转向从上覆水向沉积物扩散;养殖区扩散通量值相对于非养殖区显著扩大化;NH4-N通量变化最大,从1月份最高700.41μmol/(m2.d)降低到7月份27.87μmol/(m2.d)。海水养殖对沉积物中N、P营养盐扩散通量影响显著。

微藻脂肪酸在中国近海缺氧海水-沉积物界面中的降解模拟研究

通过一系列培养实验，模拟了有机物在中国近海季节性缺氧环境沉积物-海水界面的降解过程．以中国近海典型的赤潮藻中肋骨条藻（Skeletonemacostatum）为研究对象，对中肋骨条藻中的几种典型脂类生物标志物在不同程度缺氧海水．沉积物界面中的降解行为进行追踪．通过分析测定不同培养时间获取的不同含氧体系（氧饱和度100％、50％，25％和0％）中中肋骨条藻4种主要脂肪酸[14：0、16：0、16：1（7）、20：5]的含量，结果表明，在前2-3周4种脂肪酸迅速减少，之后则变化很慢甚至几乎不变．在不同含氧体系中4种脂肪酸的降解存在很大差异，14：0、16：1（7）、20：5经过两个月的培养，在4种不同含氧体系中几乎降解完全，而16：0在4种体系中剩余25％-35％．根据multi-G模型对4种脂肪酸降解进行定量描述，结果表明，每种化合物可以分为降解较快和较慢的部分，各化合物的平均降解速率常数kav范围在0．079-0．84d-1，14：0与16：1（7）的降解在25％含氧体系中最快，在降解最快的体系中，14：0的kav是最慢体系（含氧50％）的2．3倍，16：1（7）的kav是最慢体系（含氧100％）的1．7倍；16：0的最快降解速率出现在无氧体系中（0．17d-1），是最慢体系[50％含氧体系（0．079d-1）]的2．1倍；20：5的降解速率常数则与含氧量呈正相关．结果表明，影响中国近海缺氧海区沉积物-海水界面中中肋骨条藻中脂肪酸降解的因素除了含氧量之外，有机化合物本身的结构和性质以及环境中微生物作用等对其降解也存在着很大影响．

海底有机质早期成岩和甲烷缺氧氧化数值模型研究进展

在海洋沉积物表层,各种碳库之间频繁的碳转换引起了越来越多科学家的关注。这些转换主要包括有机质降解生成的DIC,甲烷缺氧氧化产生DIC,以及碱度升高引起的自生碳酸盐沉淀,同时在一些甲烷强烈渗漏的冷泉区还包括游离气的渗漏过程。这些反应发生机理将在本文中逐一论述,同时文中还综述了有机质降解和甲烷缺氧氧化过程的现有计算模型,指出了目前计算模型中所存在的缺陷及每个模型的适用范围,并简要的介绍了从沉积物释放到海水中的甲烷气泡渗漏通量计算方法。然而这些模型基本都受限于目前对于机理的认识水平,为了更加精确地计算出碳在不同过程中的转换通量,今后还需要更多的工作来研究反应机理和模型中的参数,从而获得一个更加通用的模型。