南極無冰區(qū)和近海磷的生物地球化學(xué)循環(huán).pdf

1、物質(zhì)流是生態(tài)系統(tǒng)的基本功能之一，物質(zhì)的流動(dòng)是循環(huán)的，屬于生物地球化學(xué)循環(huán)。1991年開始正式實(shí)施的國際地圈-生物圈計(jì)劃(IGBP)就側(cè)重研究物質(zhì)的生物地球化學(xué)循環(huán)，其目標(biāo)就是為了闡述、了解控制地球系統(tǒng)及其演化的相互作用的物理、化學(xué)和生物過程，以及了解人類活動(dòng)在其中所起的作用。
　　 磷是基本生源要素之一，磷循環(huán)一般起始于巖石風(fēng)化，終止于水中沉積物，因而是屬于沉積型循環(huán);磷循環(huán)周期非常漫長，沉積在水中沉積物的磷難以及時(shí)返回陸地，因

2、而，磷循環(huán)也是不完全的循環(huán)。目前，不少研究者對(duì)21世紀(jì)全球可能產(chǎn)生的磷匱乏表示擔(dān)憂。海洋沉積物是非常巨大的磷庫，海洋中的磷可以通過海平面上升、海水上涌、捕撈魚蝦和鳥類轉(zhuǎn)移等方式返回陸地。但目前對(duì)磷返回陸地的機(jī)理及量的研究還比較有限。
　　 海-陸生態(tài)系統(tǒng)間的作用是相互的。南極企鵝、海豹等海洋生物以南大洋中磷蝦、魚類等為食物，在無冰區(qū)繁殖、棲息期間會(huì)以糞便、死亡殘?bào)w、蛋卵等形式轉(zhuǎn)移大量的海洋來源磷到陸地，因此，本文擬以南極為研究區(qū)

3、域，研究封閉和開放尺度下南極無冰區(qū)和近海磷的生物地球化學(xué)循環(huán)。涉及的內(nèi)容摘要如下:
　　 1)通過食物鏈，磷在南大洋不同營養(yǎng)環(huán)節(jié)中得到了富集，生物及其糞便對(duì)磷的富集系數(shù)可高達(dá)1.59×104-3.58×106。企鵝是南極數(shù)量最多的海鳥類群。我們選擇南極洲三個(gè)重要的企鵝聚居地，對(duì)企鵝以糞便形式轉(zhuǎn)移的磷的量進(jìn)行了估算，結(jié)果表明，阿德雷島、西福爾丘陵、羅斯島成年企鵝以糞便形式轉(zhuǎn)移海洋中的磷的量可分別達(dá):12349 kg/y，16703

4、6 kg/y和24200 kg/y。它相當(dāng)于一年中有5.77×1012-2.37×1013kg海水中的磷輸入到陸地，從而維持了南極無冰區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的多樣性。然后，討論了生物轉(zhuǎn)移量的不確定因素，如氣候、環(huán)境、人類干擾、食物可利用性等。
　　 2)利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測(cè)定了南極中山站地區(qū)四個(gè)點(diǎn)位苔蘚植物及其下覆砂土樣品中Fe、Mg、P、Na、Mn、Cu、Zn、Sr、Ni和Pb的元素含量，探討了不同生境苔蘚植

5、物的元素含量特征及其與環(huán)境的關(guān)系。結(jié)果表明,四個(gè)點(diǎn)位苔蘚、下覆砂土元素含量具有一定的差異性，均以Fe含量最高，四個(gè)點(diǎn)位均值分別為10014.73 mg/kg、24405.48 mg/kg，其次是Mg，而其他八個(gè)元素在苔蘚和下覆砂土中含量大小順序不一致。本文進(jìn)一步分析了苔蘚植物元素含量與下覆砂土、海拔高度、海鳥活動(dòng)、海洋環(huán)境以及人類活動(dòng)之間的關(guān)系。最后，對(duì)苔蘚與下覆砂土元素之間的相關(guān)性進(jìn)行了討論。
　　 3)應(yīng)用淡水沉積物磷形態(tài)標(biāo)

6、準(zhǔn)測(cè)試程序（SMT法）調(diào)查了西南極阿德雷島2個(gè)柱狀沉積物磷的存在形態(tài)和分布特征，結(jié)合苔蘚植物和企鵝糞無機(jī)磷和有機(jī)磷占總磷的百分比，分析了兩個(gè)剖面物質(zhì)來源、各形態(tài)磷之間以及與沉積物燒失量(LOI550℃)、含水率、TC、TN之間的相關(guān)性，并討論磷的潛在生物可利用性。
　　 結(jié)果表明，苔蘚植物無機(jī)磷(IP)占總磷(TP)的比例較低(28.71％)。兩個(gè)剖面都受到苔蘚和企鵝輸入的影響，G1剖面企鵝輸入比例(95.05％)大于Q2剖面(

7、90.99％)。G1、Q2剖面總磷(TP)含量分別為1032-4898 mg/kg和960-2127mg/kg，IP是兩個(gè)柱狀沉積物中的主要部分。但是，兩個(gè)剖面各個(gè)形態(tài)P分布及變化趨勢(shì)是不一致的，各個(gè)磷形態(tài)之間以及磷形態(tài)與燒失量、含水率、TC、TN相關(guān)性也存在差異。經(jīng)估算，G1和Q2剖面生物可利用性磷(BAP)的含量均值分別為1322.17 mg/kg和683.51 mg/kg，因而，G1剖面磷的潛在生物可利用性較高，向水體釋放磷的潛力

8、大，這對(duì)維持南極無冰區(qū)貧瘠的生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性等具有非常重要的意義。
　　 4)以西南極法爾茲半島為例，對(duì)企鵝、海豹傳輸?shù)臓I養(yǎng)物質(zhì)磷在陸地、淡水生態(tài)系統(tǒng)中的記錄進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明，海洋動(dòng)物輸入的營養(yǎng)物質(zhì)磷一般會(huì)增加土壤、植物、水體及沉積物等環(huán)境介質(zhì)磷含量。
　　 5)以南極近海阿德雷島為例，研究了磷的生物地球化學(xué)循環(huán)過程及其機(jī)理，估算了磷循環(huán)通量。結(jié)果表明，南極無冰區(qū)和近海磷的生物地球化學(xué)循環(huán)主要包括了磷在海洋-陸

9、地-淡水湖泊/溪流-海洋的遷移過程。在該島，磷的外來營養(yǎng)源包括物理輸入、生物輸入和大氣沉降輸入3種，其中生物輸入（企鵝糞）占94.34％-99.74％，居于主導(dǎo)地位。磷的輸出方式包括大氣輸出、物理輸出（水流和風(fēng)的輸出），其中，以水流方式輸出的物質(zhì)的量較大。此外，以生物方式輸入的磷在南極無冰區(qū)的保存量約為1358.39 kg/y，其余則輸入到近海中。
　　 本文創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　 1)首次從封閉和開放尺度上研究南極無冰區(qū)和

10、近海磷的生物地球化學(xué)循環(huán)機(jī)制及循環(huán)通量，闡明了海洋向陸地的物質(zhì)轉(zhuǎn)移方式及其對(duì)無冰區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的影響，以及陸地向海洋的物質(zhì)轉(zhuǎn)移方式及其對(duì)近海生態(tài)系統(tǒng)的影響，并從定量角度出發(fā)，明確企鵝轉(zhuǎn)移的海洋來源的磷在南極無冰區(qū)和近海磷的生物地球化學(xué)循環(huán)中的重要作用。
　　 2)從南極苔蘚植物、企鵝糞的無機(jī)磷和有機(jī)磷占總磷的比例出發(fā)，結(jié)合沉積物磷形態(tài)分析結(jié)果，從定量角度出發(fā)研究沉積物剖面物質(zhì)來源，該方法可能是對(duì)利用有機(jī)地球化學(xué)方法分析企鵝和植物物質(zhì)