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%。

胶州湾海底沉积物-海水界面磷酸盐交换速率和通量研究

根据交换速率连续函数计算法,应用实验室培养法测定了PO_4-P在胶州湾16个站位沉积物-海水界面上的交换速率。结果表明,PO_4-P的交换主要表现为由沉积物向水体的释放,其交换速率一般在 0.1～90 μmol·m^(-2)·d^(-1)范围内。根据 PO_4-P在不同类型沉积物-海水界面上的交换速率,估算出其在胶州湾海底沉积物-海水界面上的交换通量为 9.76×10~6mmol·d^(-1),仅占河流输入量的 24％,可提供浮游植物生长所需磷的 9％±3％。

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.

南沙群岛海域沉积物-海水界面间营养物质的扩散通量

主要研究了南沙群岛海域泻湖及礁外沉积物间隙水生态系中的营养 组份 ＮＯ３－Ｎ， ＮＯ２－Ｎ， ＮＨ４－Ｎ， ＰＯ４－Ｐ， ＳｉＯ３－Ｓｉ及其在沉积物一海水界面间扩散转 移通量，结果表明：（１）该海域间隙水中营养组份的浓度较高，∑Ｎ／Ｐ礁外间 隙水高于泻湖间隙水，相对而言，泻湖间隙水中缺氮，礁外间隙水中缺磷，礁外 间隙水中营养组份的垂直分布各异。（２）该海域沉积物活性明显高于东中国 海，沉积物中大量营养组份向上覆海水扩散转移，Ｈ４ＳｉＯ４是礁外界面扩散是最 大的组份，而在泻湖中ＮＯ３－或ＮＨ４＋是最大扩散量的组份，礁外界面Ｈ４ＳｉＯ４， ＮＯ３－扩散大于泻湖，这些扩散转移特征由组份本身的性质与环境特性决定； （３）该海域水温高是造成间隙水中营养组份大量产出并向上覆海水扩散转移 的主要原因，温度高，沉积物释放出营养组份的表现活化能降低，沉积物的活 性增强，从而释放扩散出大量的营养组份。

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。

海洋沉积物—海水界面附近氮、磷、硅的生物地球化学

海洋沉积物中的N和P随沉积物的粒度由粗到细,含量逐渐升高,而Si则降低;积物中N、P、S的含量还随海区、输入源、季节、动力学过程及生物生产过程不同而变化。控制海洋沉积物—海水界面N、P、Si沉积、释放及循环的因素,包括有机质和溶解氧的浓度、有机质中C、N、P、Si的相对比例、沉积物—海水界面附近的氧化还原环境、生物扰动、温度、水深、pH值、不同形态S的浓度、金属离子以及水动力条件等。一般其综合作用的表现是,沉积物—海水界面之间NH_4^+、PO_4^(3-)和Si(OH)_4从沉积物向上覆水扩散转移,而硝酸盐和亚硝酸盐的通量方向相反,通量的大小随着海区的不同差别较大。

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。

激光在海水界面上的传输特性分析

利用海—空界面的数学模型,对海面激光束的漂移和扩散作用进行分析。水下激光通信系统的光学信道是由大气、空—海界面和海—空界面以及海水组成;激光由海—空界面和空—海界面分别进行上下行传输。由于上下行信道的传输特性并非是简单可逆的,必须从两个不同的方面来分析激光在海水界面上的传输问题。通常海水界面不是平静的水平面,容易受到风力或其他外力的影响,产生随机起伏,降低接收光功率,由此提高了对接收机的要求。光在不同介质中的传播特性不同,大气和海水折射率的差别是影响激光传输的决定性因素。通过激光在空—海界面上的传输情况,建立海水→大气界面的数学模型,着重在理论上分析激光束在上行信道上通过海面的扩散和漂移规律。

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。

通过大气-海水界面的激光脉冲模拟

针对大气-海水界面对光脉冲传输的影响,利用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法模拟三维海浪,从不同风级下的大气-海水界面模型得出有效波高H1/3的俯仰角期望值以及对应的反射率,并通过模拟光脉冲传输过程得出水下接收面光斑分布的统计数据。模拟结果表明:有效波高H1/3的俯仰角大约在0.5910rad(即34°左右)时,对激光脉冲开始产生明显的影响;当风级增大到8级时,激光脉冲传输发生了剧烈的变化。

烷烃与海水界面张力的研究

于1991年3月－1992年6月间用液体积法较系统地测定正己烷、正庚烷、正辛烷、异辛烷、正十二烷、正十六烷和煤油与海水在不同的温度（16－40℃）和盐度（10—40）范围内的界面张力，测定值的相对误差≤0．5％。对数据进行统计处理后，归纳出所研究烷烃－海水界面张力与温度和盐度的经验关系式，计算值与实验值相对误差≤0．5％。

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。

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.

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。