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长江口百年来底层水体季节性缺氧在沉积物中的记录

冯旭文  
【摘要】:世界范围内的缺氧河口及近海海域(又称“死亡区域”)自1960s以来呈指数级增加,对海洋生态系统尤其对底栖生态系统造成极大的改变和危害。我国至今尚未对长江口外存在的缺氧现象作专项监测或调查研究。本论文选取长江口缺氧区内外的柱样沉积物为研究对象,在定年的基础上,综合地质和地球化学分析,研究了生源要素(C、N、Si)、碳氮稳定同位素、氧化还原敏感性元素和矿物相等的组成及其变化趋势,结合水体环境的历史和现场调查数据,筛选了表征缺氧的特征参数,推测了富营养化和缺氧发生的年代及发展趋势;讨论了百年来人类活动-尤其是化肥大量使用等与缺氧事件的关系。 在~(210)Pb定年的基础上,对取自长江口外缺氧区内外的柱样沉积物开展了10种常量元素、13种微量元素和粒度的测定分析,研究了其物源及分布特征。结果表明缺氧区外柱样沉积物主要来源于老黄河口海岸泥沙,大部分元素具有“粒度控制”规律。缺氧区内沉积物主要来源于夏季长江陆源的输入和海洋自生生物死亡后的沉降,部分氧化还原敏感元素(RSE)和亲生物元素不受控于“粒控效应”,其中Mo、Cd、As等氧化还原敏感元素自20世纪60年代末到70年代以来明显富集,分别增加了83%、73%和50%,而Mn出现贫化,指示了缺氧区水体富营养化加剧和底层水体季节性缺氧引起的底层水-沉积物界面氧化还原环境的变化;亲生物元素Ca、Sr、P含量自20世纪60年代末起分别增加了129%、65%和38%,反映了受人类活动影响,近四十年来长江口外水体生产力的提高和生物量的增加。采用X射线衍射(XRD)物相分析表明:两柱样具有稳定但不同的物质来源,百年来方解石含量变化特征与Ca含量的分布特征一致,即均有不同程度递增,进一步佐证了长江口外钙质生物生产力的提高。 分析测定了总有机碳(TOC)、总氮(TN)和生物硅(BSi)的含量和有机碳氮稳定同位素(δ~(13) C_(org)和δ~(15)N)。研究表明,近百年来缺氧区外柱样样沉积物中BSi%基本不变,TOC%、TN%在1940s~1950s之前、δ~(13)C_(org)在1970s之前不同程度递增,之后则基本不变,反映了近几十年来生物量和水体生产力相对稳定;而缺氧区沉积物中TOC、TN和BSi的含量及其通量自上世纪70年代起均有不同程度增加,其中TOC、TN沉积通量分别增加了约45%、36%;δ~(13)C_(org)值在20世纪前基本不变,平均值为-23.67‰,自1900s开始增大(变重),1950s之后δ~(13)C_(org)平均值为-22.78‰,尤其自1970s后显著增大;借助简单模式,利用δ~(13)C_(org)估算了陆源和上层水体浮游生物对沉积物输入的贡献,结果表明,1970s以来TOC和TN沉积通量的增加几乎都是因为海洋自生物质输入量增大引起的,且与我国化肥施用量和长江硝酸盐入海通量呈正相关。即陆源物质中的营养盐通过初级生产过程,转换成有机质后,下沉到海底,增加了沉积物中海洋自生物质输入量。说明上世纪尤其是我国改革开放三十多年以来,长江三角洲工农业快速发展,陆源物质排放量的增加,是导致长江口及其邻近海域缺氧发生和水体富营养化加剧的主要因素。 上述研究表明,δ~(13)C_(org)、TOC沉积通量、亲生物元素(Ca、Sr、P)和部分氧化还原敏感元素(Mo、Cd、As)可用于反演百年来长江口高生产力区富营养化和缺氧的发生发展,且得出一致的结论:即长江口及其邻近海域20世纪50年代开始出现富营养化,70年代开始加剧引发了底层水体缺氧,并呈进一步加剧的趋势。


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