长江口-东海内陆架磷的生物地球化学过程研究
大河河口及大河影响下的陆架边缘海磷的生物地球化学过程是海洋磷循环的重要组成部分。本论文以长江口-东海内陆架为主要研究海域，采用现场调查与实验室模拟相结合的方法，借助颗粒物分级的手段，结合颗粒物粒度组成、比表面积(Specific surface area，SSA)、矿物组成、有机碳及其稳定同位素和磷酸盐中的氧同位素等多种参数，对水体、颗粒物、沉积物及间隙水中磷的形态分布、混合行为和迁移转化规律进行了较为系统的研究，以期加深对长江口-东海内陆架磷的生物地球化学过程的理解，丰富对高浑浊河口生源要素的生物地球化学循环的认识。获得的主要结果如下: 1.沿长江口盐度梯度采集了表层水和悬浮颗粒物样品（2011年6月），对溶解磷和颗粒磷形态的分布、混合行为及迁移转化进行了研究。用水淘选法将颗粒物分为5个粒级，用改进的SEDEX(sequential extraction method)方法对不同形态的颗粒磷进行分析测定，发现不同形态磷之间、尤其是溶解磷和活性颗粒磷形态即可交换态磷(Exchangeable-P，Ex-P)、有机磷(Organic-P，Or-P)和铁结合态磷(Fe-bound P，Fe-P)之间存在强烈的相互转化。碎屑磷(Detrital-P，De-P)和Or-P是悬浮颗粒物中含量最为丰富的两种磷形态，分别占了总颗粒磷的43.9％和26.1％。De-P的含量随着颗粒物粒径的增大而升高，而Or-P及其它形态磷的含量随着颗粒物粒径的增大而降低。＜8μm组分被认为是“真正悬浮”的颗粒物，本研究表明，“真正悬浮”的颗粒物所携带的生物可利用磷（Bioavailable-P，BAP;为Ex-P、Or-P和Fe-P之和）的通量为0.21×104 tPyr-1，占总生物可利用磷输送通量的29％。细粒径颗粒物中P/SSA值很低，表明这些颗粒物中磷的保存效率较低。长江口分级悬浮颗粒物中的De-P/SSA和Fe-P/SSA与长江口表层沉积物基本基本相当，Au-P（自生磷灰石磷，Authigenic-P）/SSA和Re-P（难分解有机磷，Refractory-P）/SSA从悬浮颗粒物到表层沉积物略有降低，而表层沉积物中Ex-P/SSA和Or-P/SSA显著低于悬浮颗粒物，进一步表明了不同形态的颗粒磷随悬浮颗粒物在河口沉降的过程中具有不同的行为特征。 2.测定了沉积物分级样品的颗粒磷形态并用分级的沉积物样品进行吸附动力学实验、吸附特征受盐度影响的实验和等温吸附实验。结果表明，沉积物中 De-P的含量最为丰富，其次为Or-P。细粒径沉积物中生物可利用磷的含量远高于砂质沉积物，表明细粒径颗粒物对磷从沉积物向上覆水或周围间隙水的释放发挥着主导作用。对从来自同一采样站位的分级沉积物获得的吸附等温线进行分析发现，不同粒径沉积物对应的零平衡磷酸盐浓度值(zero equilibrium phosphateconcentration，EPC0)非常接近（细粉砂、中粉砂、粗粉砂和砂分别为55.0、54.9、51.7和49.0μg L-1）。沉积物对磷酸盐的吸附容量、吸附速率和本底吸附值(nativeadsorbed phosphorus，NAP)很大程度上受粒径的控制，粒径＜32μm沉积物的总吸附容量值是粒径＞32μm的沉积物的6倍。由于细粒径沉积物对磷酸盐具有较高的吸附容量，东海内陆架的泥质区对上覆水及间隙水中的磷酸盐浓度起着重要的调控作用，同时对长江输入的磷酸盐是一个有效的捕集器，可降低东海外陆架遭受富营养化的风险。 3.通过对长江口及邻近的东海内陆架表层沉积物中的磷形态和沉积物基本特征进行分析，研究了磷的分布、生物可利用性和保存。结果表明，表层沉积物中总磷(Total phosphorus，TP)的变化范围为15.0-21.4μmol g-1，最高值出现在口门附近。De-P、Re-P、Or-P、Au-P、Ex-P和Fe-P对TP的贡献分别为55.6％、17.8％、16.1％、5.5％、2.5％和2.5％。De-P含量最高的区域出现在长江口口门和河口外陆架区域。Or-P在长江口和浙闽沿岸泥质区含量较高，并与粉砂、SSA和TOC有相似的分布特点。Re-P主要分布在近河口和浙闽沿岸区域。De-P/SSA和TOC/SSA的比值随SSA的增大而逐渐减小，而Or-P/SSA的比值随SSA的增大基本不发生改变，表明Or-P在矿物表面已经达到吸附-解吸平衡。TOC与总有机磷（Total organic-P，TOP;为Re-P与Or-P之和）的比值（平均～84）低于Redfield比值，表明长江口及邻近的东海内陆架移动泥区的有机物已经进行了充分的再矿化。而TOC/Or-P的比值（72～422，平均值为188）则相对较高，表明在有机物再矿化的过程中Or-P优先于TOC发生分解。 4.测定了采集于该研究海域泥质区和非泥质区的三根柱状沉积物样品中的磷的形态，并结合粒度组成、210Pb活度、TOC及其稳定同位素(δ13C)、间隙水中的Fe2+和Mn2+以及间隙水和上覆水中的PO43-和NH4+等参数，探讨了不同沉积环境下磷的迁移转化、成岩过程和保存特点。研究表明，受长江陆源输入的影响，处于长江口及东海内陆架泥质区的12和31号柱沉积物中的TP以及一些陆源磷形态尤其是De-P的含量远高于处于非泥质区的33号站位。由于移动泥层的混匀作用，31号柱沉积物中的210Pbexccss、中值粒径（Median grain size，MGS）以及多种磷形态（Ex-P、Or-P、Au-P、Re-P和De-P）的含量在沉积柱上层一定深度范围内几乎保持不变，而且与下层分布表现出明显的不同;而12号柱沉积物中210Pbexcess及非活性磷形态（如De-P、Au-P和Re-P）的含量在整个深度范围内均保持不变。该区域柱状沉积物中的Or-P和Fe-P发生了向Au-P的转化。研究还发现，处于泥质区的31号柱的沉积物是间隙水中磷酸盐的源，而处于非泥质区的33号柱的沉积物充当了间隙水中磷酸盐的汇。 5.通过对采集于东海内陆架柱状沉积物中的沉积物粒径、SSA、TOC、C/N比值、碳稳定同位素以及颗粒磷形态进行分析，探讨了用碎屑磷作为长江流域洪水历史重建指标的可行性。研究发现，De-P峰值出现在1850s、1860s、1900s、1920s、1950s、1980s和2000s，与长江流域200年来发生的大洪水记录吻合。研究还发现，De-P与长江口1981年和1998年发生的两次由长江大洪水引发的极端缺氧事件有较好的对应关系，而这两次极端缺氧事件也已被Mo/Al所证实。进一步分析表明，De-P与长江流域1950s、1980s和2000s年发生的极端洪水事件以及与洪水相关的气候事件，如加强的厄尔尼诺-南方涛动(ENSO，ElNi(n)o-Southern Oscillation)、偏弱的东亚夏季风(EASM，East Asian summerMonsoon)以及太平洋十年际振荡（PDO，Pacific Decadal Oscillation）的暖位相均有较好的对应关系，表明De-P也可能成为指示与极端洪水事件相关的气候事件的替代指标。 6.沿长江口盐度梯度共采集了7个站位的表层水样品（2013年7月），通过磷酸盐的氧同位素分析示踪长江口磷酸盐的循环状况。结果表明，长江口水团可以用长江淡水和东海海水两个端元的混合模型进行较好地描述。在此基础上，本研究建立了磷酸盐的δ18Op两端元混合线和混合平衡线，并对磷酸盐的循环情况进行研究，发现在长江淡水端，磷酸盐并未经历强烈的生物循环过程，主要受物理混合作用的影响;最大浑浊带磷酸盐的生物循环过程也较弱，较深水层其它来源的磷酸盐改变了该区域δ18Op原本的特征值;而在羽状前锋，δ18Op的测定值几乎等于其平衡值，表明磷酸盐已经进行了充分的生物循环过程。
海洋分析化学;磷元素;生物地球化学过程
中国海洋大学
博士
海洋化学
于志刚;Thomas S.Bianchi;Adina Paytan
2015
中文
P734.41
197
2016-01-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）