乳山灣近海與黃渤海溶解氧、有機(jī)碳、氮和磷的循環(huán)與收支的關(guān)鍵過程研究.pdf

1、氧(O)、碳(C)、氮(N)和磷(P)等生源要素在海洋生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要的角色。近年來人類活動的增強(qiáng)導(dǎo)致近岸海域出現(xiàn)了一系列的環(huán)境問題，如富營養(yǎng)問題日益凸顯、低氧現(xiàn)象不斷加劇等，這些海洋環(huán)境現(xiàn)象嚴(yán)重威脅了海洋生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。研究近岸海域生源要素的生物地球化學(xué)循環(huán)和收支過程對于了解區(qū)域物質(zhì)循環(huán)、環(huán)境演變和近海環(huán)境保護(hù)具有重要的科學(xué)和現(xiàn)實意義。
　　本研究以典型的乳山灣外養(yǎng)殖海域和渤海和黃海為研究對象;通過對乳山灣外鄰近海域的綜合調(diào)

2、查，著重分析了溶解氧(DO)、有機(jī)碳、氮和磷的含量及分布特征，并結(jié)合水文、生物和培養(yǎng)試驗等同步觀測數(shù)據(jù)以及數(shù)值模式，探討了DO、有機(jī)碳、氮和磷與水文、化學(xué)及生物之間的關(guān)系，并建立了乳山灣外鄰近海域溶解氧、碳、氮-磷的收支模式，旨在量化典型養(yǎng)殖海域物質(zhì)循環(huán)與環(huán)境變化的相互關(guān)系。另依據(jù)對黃渤海以及黃河和長江的綜合調(diào)查，并結(jié)合相關(guān)的歷史資料，分析了黃渤海水體和沉積物中氮與磷的組成、分布及歷史變化，建立了黃渤海氮-磷的收支模式，探討了影響該區(qū)域

3、氮和磷分布的主要因素，明確了陸-海界面、海-氣界面、底界面和海洋內(nèi)部主要生物地球化學(xué)循環(huán)過程，揭示了河流物質(zhì)輸入變化對黃渤海氮-磷循環(huán)和生態(tài)環(huán)境造成的影響。上述工作旨在豐富人類活動影響下的典型海域生源要素的生物地球化學(xué)過程的認(rèn)識，以期為區(qū)域物質(zhì)循環(huán)和陸海相互作用研究提供科學(xué)依據(jù)。
　　本文主要結(jié)論如下:
　　(1)2009年夏季乳山灣鄰近海域水體DO含量為3.21～11.8 mg/L，均值為6.99mg/L; DO的平均值在

4、7月最高，6月與9月次之，8月最低;表層水體DO的分布差異較小，而底層水體DO分布差異較大，并出現(xiàn)DO低值現(xiàn)象。DO的收支結(jié)果表明，水體耗氧是主要的DO消耗過程，約占水體總耗氧量的79％，底泥耗氧占總耗氧量的21％;海-氣界面交換輸入的氧的量占總輸入的74％，光合作用產(chǎn)氧過程對于氧補(bǔ)給的貢獻(xiàn)占總輸入量的22％左右;水交換作用對于整個調(diào)查區(qū)域水體中DO輸入的貢獻(xiàn)相對較低，其對DO的凈輸送量僅占總輸入量的4％左右。乳山灣鄰近海域底層水體溶解

5、氧低值現(xiàn)象主要受物理過程控制，較高的水體與底泥耗氧速率為低溶解氧的維持提供了基礎(chǔ)。
　　(2)2009年夏季乳山灣近海水體溶解有機(jī)碳(DOC)含量為0.70～3.19 mg/L，均值為1.80 mg/L; DOC的平均值在7月最高，6月與9月次之，8月最低，2014年8月份DOC的變化范圍(1.79～15.2 mg/L)高于2009年同期水平，顆粒有機(jī)碳(POC)的變化范圍為0.04～1.33 mg/L;水體有機(jī)碳的分布受陸源輸入

6、、海洋初級生產(chǎn)以及潮汐的共同影響。研究區(qū)域夏季顆粒有機(jī)碳(POC)的沉降通量為(25±0.8)g/m2，約占初級生產(chǎn)固碳量的66％; DOC在沉積物-水界面存在由沉積物向上覆水釋放的現(xiàn)象;乳山灣灣口DOC釋放通量為14.4～97 g/(m2·a)，占水體DOC存量的1.1％～13.4％。人類活動一定程度上影響了乳山灣及其近海有機(jī)碳的構(gòu)成與循環(huán)收支過程，是區(qū)域環(huán)境變化的重要驅(qū)動因子之一。有機(jī)碳的收支結(jié)果顯示，有超過50％的有機(jī)碳會隨潮流輸

7、送到乳山灣外海，反映了潮流在有機(jī)碳輸送中巨大作用;沉積物-水界面DOC的交換會影響底界面有機(jī)碳的收支與循環(huán)過程，海域底界面有機(jī)碳的降解所產(chǎn)生的溶解有機(jī)碳是水體DOC的重要來源，最終保存在沉積物中的碳其埋藏量約占初級生產(chǎn)的13％。此外，相對較低的溶解氧水平可能會增加DOC的交換通量，影響碳在陸架邊緣海的埋藏。
　　(3)夏季乳山灣鄰近海域水體DIN和DIP的空間分布均具有明顯的差異性，高值基本都出現(xiàn)在灣口區(qū)域;水體DIN主要存在形態(tài)

8、為NO3-。潮汐潮流對于水體氮磷含量與分布的影響較為明顯。上覆水-沉積物界面存在DIN和DIP從沉積物向上覆水?dāng)U散的現(xiàn)象，使得底層水體氮磷營養(yǎng)鹽濃度高于表層水體。研究區(qū)域氮的收支表明，水體內(nèi)部循環(huán)過程是初級生產(chǎn)所需DIN的主要來源，占初級生產(chǎn)總消耗量的86％，其次是水交換作用，占11％，底界面擴(kuò)散對初級生產(chǎn)的貢獻(xiàn)相對較小(3％);水體DIN的移出主要是通過沉積埋藏(80％)、向外海的輸送(16％)和水體反硝化作用(4％);沉積的有機(jī)氮(

9、ON)僅有6％重新活化進(jìn)入水體，約70％的ON得以永久埋藏，另有24％的ON進(jìn)一步礦化。磷的收支表明，水體內(nèi)部循環(huán)過程貢獻(xiàn)了初級生產(chǎn)所需DIP的91％，其次是水交換作用(9％)，底界面擴(kuò)散對初級生產(chǎn)的貢獻(xiàn)＜1％;水體DIP的支出主要是通過沉積埋藏(67％)和向外海的輸送(33％);沉積的有機(jī)磷(OP)約90％得以永久埋藏，另有10％的OP進(jìn)一步礦化，發(fā)生有機(jī)磷的早期成巖過程。對比氮和磷的收支結(jié)果，可以看出內(nèi)部循環(huán)與緩沖作用是氮和磷獲得補(bǔ)

10、充的主要途徑，不過外部來源的氮磷營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)內(nèi)部具有顯著的差異，對系統(tǒng)內(nèi)部營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)具有長遠(yuǎn)的影響。
　　(4)黃渤海溶解無機(jī)氮(DIN）和溶解無機(jī)磷(DIP)的含量受水文、河流輸入和沉積物界面擴(kuò)散作用的影響，DIN和DIP均具有秋季高于春季和近岸高于離岸的時空分布特征。DIN的收支計算結(jié)果表明，底界面擴(kuò)散是黃渤海水體DIN的主要來源，其次是大氣、周邊河流、地下水和東海的輸入;黃渤海水體DIN的支出主要是通過沉積埋藏和反硝化過

11、程。DIP的收支計算結(jié)果表明，黃渤海水體DIP的主要來源是磷酸鹽吸附解吸過程，占外源總輸入的91％，底界面擴(kuò)散和大氣輸入為其次，河流和地下水的輸入貢獻(xiàn)相對較小;DIP的支出主要是通過沉積埋藏和向東海的輸出。黃渤海每年有11 Gmol的氮在水體積累，并導(dǎo)致其濃度提高約0.6 mol/(L·a)。近些年來陸地向黃渤海輸入氮通量的持續(xù)增加，加劇了氮營養(yǎng)鹽的積累，導(dǎo)致非硅藻類浮游植物比例以及赤潮發(fā)生頻率和面積顯著增加，同時還提高了水體初級生產(chǎn)力