長江口-東海內(nèi)陸架磷的生物地球化學(xué)過程研究.pdf

1、大河河口及大河影響下的陸架邊緣海磷的生物地球化學(xué)過程是海洋磷循環(huán)的重要組成部分。本論文以長江口-東海內(nèi)陸架為主要研究海域，采用現(xiàn)場調(diào)查與實驗室模擬相結(jié)合的方法，借助顆粒物分級的手段，結(jié)合顆粒物粒度組成、比表面積(Specific surface area，SSA)、礦物組成、有機碳及其穩(wěn)定同位素和磷酸鹽中的氧同位素等多種參數(shù)，對水體、顆粒物、沉積物及間隙水中磷的形態(tài)分布、混合行為和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律進行了較為系統(tǒng)的研究，以期加深對長江口-東海

2、內(nèi)陸架磷的生物地球化學(xué)過程的理解，豐富對高渾濁河口生源要素的生物地球化學(xué)循環(huán)的認(rèn)識。獲得的主要結(jié)果如下:
　　1.沿長江口鹽度梯度采集了表層水和懸浮顆粒物樣品（2011年6月），對溶解磷和顆粒磷形態(tài)的分布、混合行為及遷移轉(zhuǎn)化進行了研究。用水淘選法將顆粒物分為5個粒級，用改進的SEDEX(sequential extraction method)方法對不同形態(tài)的顆粒磷進行分析測定，發(fā)現(xiàn)不同形態(tài)磷之間、尤其是溶解磷和活性顆粒磷形態(tài)即可

3、交換態(tài)磷(Exchangeable-P，Ex-P)、有機磷(Organic-P，Or-P)和鐵結(jié)合態(tài)磷(Fe-bound P，F(xiàn)e-P)之間存在強烈的相互轉(zhuǎn)化。碎屑磷(Detrital-P，De-P)和Or-P是懸浮顆粒物中含量最為豐富的兩種磷形態(tài)，分別占了總顆粒磷的43.9％和26.1％。De-P的含量隨著顆粒物粒徑的增大而升高，而Or-P及其它形態(tài)磷的含量隨著顆粒物粒徑的增大而降低。＜8μm組分被認(rèn)為是“真正懸浮”的顆粒物，本研究表

4、明，“真正懸浮”的顆粒物所攜帶的生物可利用磷（Bioavailable-P，BAP;為Ex-P、Or-P和Fe-P之和）的通量為0.21×104 tPyr-1，占總生物可利用磷輸送通量的29％。細粒徑顆粒物中P/SSA值很低，表明這些顆粒物中磷的保存效率較低。長江口分級懸浮顆粒物中的De-P/SSA和Fe-P/SSA與長江口表層沉積物基本基本相當(dāng)，Au-P（自生磷灰石磷，Authigenic-P）/SSA和Re-P（難分解有機磷，Ref

5、ractory-P）/SSA從懸浮顆粒物到表層沉積物略有降低，而表層沉積物中Ex-P/SSA和Or-P/SSA顯著低于懸浮顆粒物，進一步表明了不同形態(tài)的顆粒磷隨懸浮顆粒物在河口沉降的過程中具有不同的行為特征。
　　2.測定了沉積物分級樣品的顆粒磷形態(tài)并用分級的沉積物樣品進行吸附動力學(xué)實驗、吸附特征受鹽度影響的實驗和等溫吸附實驗。結(jié)果表明，沉積物中 De-P的含量最為豐富，其次為Or-P。細粒徑沉積物中生物可利用磷的含量遠高于砂質(zhì)沉

6、積物，表明細粒徑顆粒物對磷從沉積物向上覆水或周圍間隙水的釋放發(fā)揮著主導(dǎo)作用。對從來自同一采樣站位的分級沉積物獲得的吸附等溫線進行分析發(fā)現(xiàn)，不同粒徑沉積物對應(yīng)的零平衡磷酸鹽濃度值(zero equilibrium phosphateconcentration，EPC0)非常接近（細粉砂、中粉砂、粗粉砂和砂分別為55.0、54.9、51.7和49.0μg L-1）。沉積物對磷酸鹽的吸附容量、吸附速率和本底吸附值(nativeadsorbed

7、 phosphorus，NAP)很大程度上受粒徑的控制，粒徑＜32μm沉積物的總吸附容量值是粒徑＞32μm的沉積物的6倍。由于細粒徑沉積物對磷酸鹽具有較高的吸附容量，東海內(nèi)陸架的泥質(zhì)區(qū)對上覆水及間隙水中的磷酸鹽濃度起著重要的調(diào)控作用，同時對長江輸入的磷酸鹽是一個有效的捕集器，可降低東海外陸架遭受富營養(yǎng)化的風(fēng)險。
　　3.通過對長江口及鄰近的東海內(nèi)陸架表層沉積物中的磷形態(tài)和沉積物基本特征進行分析，研究了磷的分布、生物可利用性和保存。

8、結(jié)果表明，表層沉積物中總磷(Total phosphorus，TP)的變化范圍為15.0-21.4μmol g-1，最高值出現(xiàn)在口門附近。De-P、Re-P、Or-P、Au-P、Ex-P和Fe-P對TP的貢獻分別為55.6％、17.8％、16.1％、5.5％、2.5％和2.5％。De-P含量最高的區(qū)域出現(xiàn)在長江口口門和河口外陸架區(qū)域。Or-P在長江口和浙閩沿岸泥質(zhì)區(qū)含量較高，并與粉砂、SSA和TOC有相似的分布特點。Re-P主要分布在近

9、河口和浙閩沿岸區(qū)域。De-P/SSA和TOC/SSA的比值隨SSA的增大而逐漸減小，而Or-P/SSA的比值隨SSA的增大基本不發(fā)生改變，表明Or-P在礦物表面已經(jīng)達到吸附-解吸平衡。TOC與總有機磷（Total organic-P，TOP;為Re-P與Or-P之和）的比值（平均～84）低于Redfield比值，表明長江口及鄰近的東海內(nèi)陸架移動泥區(qū)的有機物已經(jīng)進行了充分的再礦化。而TOC/Or-P的比值（72～422，平均值為188）則

10、相對較高，表明在有機物再礦化的過程中Or-P優(yōu)先于TOC發(fā)生分解。
　　4.測定了采集于該研究海域泥質(zhì)區(qū)和非泥質(zhì)區(qū)的三根柱狀沉積物樣品中的磷的形態(tài)，并結(jié)合粒度組成、210Pb活度、TOC及其穩(wěn)定同位素(δ13C)、間隙水中的Fe2+和Mn2+以及間隙水和上覆水中的PO43-和NH4+等參數(shù)，探討了不同沉積環(huán)境下磷的遷移轉(zhuǎn)化、成巖過程和保存特點。研究表明，受長江陸源輸入的影響，處于長江口及東海內(nèi)陸架泥質(zhì)區(qū)的12和31號柱沉積物中的T

11、P以及一些陸源磷形態(tài)尤其是De-P的含量遠高于處于非泥質(zhì)區(qū)的33號站位。由于移動泥層的混勻作用，31號柱沉積物中的210Pbexccss、中值粒徑（Median grain size，MGS）以及多種磷形態(tài)（Ex-P、Or-P、Au-P、Re-P和De-P）的含量在沉積柱上層一定深度范圍內(nèi)幾乎保持不變，而且與下層分布表現(xiàn)出明顯的不同;而12號柱沉積物中210Pbexcess及非活性磷形態(tài)（如De-P、Au-P和Re-P）的含量在整個深度

12、范圍內(nèi)均保持不變。該區(qū)域柱狀沉積物中的Or-P和Fe-P發(fā)生了向Au-P的轉(zhuǎn)化。研究還發(fā)現(xiàn)，處于泥質(zhì)區(qū)的31號柱的沉積物是間隙水中磷酸鹽的源，而處于非泥質(zhì)區(qū)的33號柱的沉積物充當(dāng)了間隙水中磷酸鹽的匯。
　　5.通過對采集于東海內(nèi)陸架柱狀沉積物中的沉積物粒徑、SSA、TOC、C/N比值、碳穩(wěn)定同位素以及顆粒磷形態(tài)進行分析，探討了用碎屑磷作為長江流域洪水歷史重建指標(biāo)的可行性。研究發(fā)現(xiàn)，De-P峰值出現(xiàn)在1850s、1860s、1900

13、s、1920s、1950s、1980s和2000s，與長江流域200年來發(fā)生的大洪水記錄吻合。研究還發(fā)現(xiàn)，De-P與長江口1981年和1998年發(fā)生的兩次由長江大洪水引發(fā)的極端缺氧事件有較好的對應(yīng)關(guān)系，而這兩次極端缺氧事件也已被Mo/Al所證實。進一步分析表明，De-P與長江流域1950s、1980s和2000s年發(fā)生的極端洪水事件以及與洪水相關(guān)的氣候事件，如加強的厄爾尼諾-南方濤動(ENSO，ElNi(n)o-Southern Osc

14、illation)、偏弱的東亞夏季風(fēng)(EASM，East Asian summerMonsoon)以及太平洋十年際振蕩（PDO，Pacific Decadal Oscillation）的暖位相均有較好的對應(yīng)關(guān)系，表明De-P也可能成為指示與極端洪水事件相關(guān)的氣候事件的替代指標(biāo)。
　　6.沿長江口鹽度梯度共采集了7個站位的表層水樣品（2013年7月），通過磷酸鹽的氧同位素分析示蹤長江口磷酸鹽的循環(huán)狀況。結(jié)果表明，長江口水團可以用長江