長江口潮灘濕地主要生源要素的動(dòng)力學(xué)過程研究.pdf

1、世界大型河口沉積物間隙水中營養(yǎng)鹽的剖面以及沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換通量等研究對于了解生源要素在河口系統(tǒng)的分布格局和生物地球化學(xué)循環(huán)規(guī)律，河口及河口區(qū)最大混濁帶對河流陸源輸入物質(zhì)的影響和改造，河口、海岸、大陸架環(huán)境對全球大洋生源要素通量和收支的貢獻(xiàn)具有重要意義。 本論文主要是基于在2005年3月至2006年2月間，對長江口崇明東灘典型站點(diǎn)（包括高潮灘、中潮灘和低潮灘）沉積物間隙水中營養(yǎng)鹽剖面以及沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換通量進(jìn)行了為

2、期一年、每月一次的觀測。另外，通過長江口12個(gè)站點(diǎn)在2005年11月大潮和小潮各2個(gè)M<,2>潮周期內(nèi)（約25個(gè)小時(shí)）的準(zhǔn)同步觀測，研究了潮汐作用對長江口營養(yǎng)鹽分布的影響；并通過既包括物理參數(shù)，又包括化學(xué)參數(shù)的箱式模型，研究了各種營養(yǎng)鹽的來源途徑對長江口固定區(qū)域營養(yǎng)鹽收支的貢獻(xiàn)。論文取得的主要研究成果如下： 1．長江口崇明東灘沉積物中生源要素的循環(huán) 對長江口崇明東灘潮間帶高、中、低潮灘典型沉積物柱狀樣進(jìn)行了生物硅含量（B

3、Si）測定。BSi的測定采用了7h的堿液連續(xù)提取法以校正樣品中粘土礦物中非生物硅的溶出對測定結(jié)果的影響，結(jié)果表明：與渤海和黃海沉積物類似，研究區(qū)域沉積物BSi含量也處在較低水平（小于0.5 Si％）；沉積物中所含有的陸源粘土礦物也使SiO<,3><'2->在間隙水中的濃度（小于250μM）遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于純BSi的溶解度；高潮灘和中潮灘沉積物中BSi、N以及N／BSi等指標(biāo)隨濃度都呈現(xiàn)出降低的趨勢，反映了沉積物中的N以及BSi在早期成巖過程中的

4、降解，并且N比BSi降解得快；沉積物中δ<'15>N值與N、N／BSi等指標(biāo)都具有一定的正相關(guān)關(guān)系，顯示在早期成巖過程中，與<'14>N相比，<'15>N更容易從有機(jī)物中釋放出來；粒徑較粗、有機(jī)質(zhì)含量較少、無植被覆蓋以及根系影響的低潮灘沉積物則不具備上述趨勢，顯示出了與高、中潮灘完全不同的沉積物性質(zhì)。此外，在沉積物中部，發(fā)現(xiàn)了N、N／BSi等指標(biāo)異常的變化，也反映了修壩、臺(tái)風(fēng)等偶然事件對研究區(qū)域沉積過程的影響。上述研究為今后進(jìn)一步研究硅

5、等生源要素在長江口海域上覆水-沉積物系統(tǒng)中的生物地球化學(xué)循環(huán)過程、控制因素及其時(shí)空變化提供了依據(jù)。 2．崇明東灘沉積物間隙水中生源要素的分布特點(diǎn)及季節(jié)變化 對連續(xù)12個(gè)月長江口崇明東灘高、中、低潮灘典型站點(diǎn)沉積物間隙水中各營養(yǎng)鹽成分含量及其隨深度的變化觀測，結(jié)果顯示：研究區(qū)域間隙水中NH<,4><'+>和SiO<,3><'2->的濃度一般在200-500μM之間，高、中、低潮灘間顯示出了不同的分布特點(diǎn)；與高潮灘和中潮灘相

6、比，沒有植被覆蓋、粒徑較粗的低潮灘往往具有較高的NH<,4><'+>濃度和較低的SiO<,3><'2->濃度；SiO<,3><'2->隨季節(jié)的變化主要受溫度的影響，而NH<,4><'+>的變化則較為復(fù)雜，較低值往往出現(xiàn)在植物生長旺盛的春、夏季。與？和？的濃度相比，NO<,2>+NO<,3>。和？在間隙水中的濃度往往要低2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，但由于受到生物擾動(dòng)等因素的影響，沉積物表層NO<,2>+NO<,3>。濃度在某些月份可能出現(xiàn)幾十個(gè)<,μ

7、>M的高值。較高的？+N03濃度以及沉積物中氧化環(huán)境向還原環(huán)境的快速轉(zhuǎn)變?yōu)轱@著的反硝化反應(yīng)的發(fā)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ)與環(huán)境基礎(chǔ)，從而可能對生源要素在長江口陸海相互作用過程中的生物地球化學(xué)行為產(chǎn)生深刻的影響。 另外，通過采用經(jīng)典的早期成巖方程對高潮灘沉積物間隙水中濃度較高的？和？濃度剖面進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬，在模型中考慮了擴(kuò)散作用、埋藏作用以及營養(yǎng)鹽的代謝作用等因素。模擬結(jié)果表明通過改變擴(kuò)散項(xiàng)系數(shù)基本可以模擬出營養(yǎng)鹽剖面中間濃度高、上下濃度低

8、的總體趨勢，并且沉積速率和代謝反應(yīng)速率也在不同程度上對模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。 3．崇明東灘沉積物-水界面交換通量的影響因素 用實(shí)驗(yàn)室模擬現(xiàn)場環(huán)境培養(yǎng)的方法測定了2005年3-5月間春季崇明東灘典型站點(diǎn)營養(yǎng)鹽在沉積物-水界面的交換通量。沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換過程在春季表現(xiàn)為對？和？的吸收，吸收的量在很大程度上取決于上覆水中這些營養(yǎng)鹽的濃度；而由上覆水和間隙水表層濃度梯度決定的分子擴(kuò)散通量部分最多只占到其中的20％。與進(jìn)入沉積

9、物的通量相比，沉積物中這些營養(yǎng)物質(zhì)巨大的庫含量足以使進(jìn)入的營養(yǎng)鹽成分暫時(shí)存儲(chǔ)在其中；對于N來講，反硝化作用也可能使進(jìn)入沉積物中的N轉(zhuǎn)變?yōu)镹<,2>O或N<,2>，從而又從沉積物中釋放出來。 另外，通過對沉積物-水界面交換通量連續(xù)12個(gè)月的觀測表明：除？外，研究區(qū)域沉積物全年對四種營養(yǎng)鹽（？）以及溶解氧總體表現(xiàn)出較強(qiáng)烈的吸收效應(yīng)。有植被覆蓋的高潮灘與中潮灘的吸收能力要強(qiáng)于沒有植被覆蓋的低潮灘。溫度以及上覆水營養(yǎng)鹽的濃度也會(huì)對交換通

10、量產(chǎn)生顯著的控制作用。通過Christensen et a1.（1990）提出的模型對研究區(qū)域的反硝化量進(jìn)行了估算，得出崇明東灘沉積物反硝化量平均值為63gmol h<'-1>m<'-2>（-16μmol h<'-1>m<'-2>至193μmol h<'-1>m<-2>）。本研究結(jié)果還表明反硝化對崇明沉積物中有機(jī)質(zhì)的降解的貢獻(xiàn)也是顯著和不容忽視的。 4．潮汐作用對長江口海域生源要素分布的影響 在2005年秋季大潮期間，對

11、長江口12個(gè)站點(diǎn)（123°E以西，30°N和32°N之間）進(jìn)行了為期25h（約2個(gè)M<,2>分潮周期）的“準(zhǔn)同步”觀測，結(jié)果表明固定站點(diǎn)營養(yǎng)鹽成分在潮周期內(nèi)都會(huì)發(fā)生顯著的變化；一般而言，漲潮使各站點(diǎn)鹽度升高、營養(yǎng)鹽濃度降低，而落潮則剛好相反；此外，表層的變化要顯著大于底層。由于長江來水等原因造成的漲潮與落潮歷時(shí)及強(qiáng)度的不對稱、不同站位受到長江來水的影響以及環(huán)流模式相差很大、各站點(diǎn)漲落潮時(shí)間并完全統(tǒng)一、采樣間隔較長等一系列因素，各指標(biāo)的變