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长江口潮滩“干湿交替”模式下磷的迁移过程与机制

欧冬妮  
【摘要】:河口滨岸潮滩是一个典型的海陆交互作用地带,是一个多功能的复杂生态系统,具有独特的生态价值和资源潜力。由于受海陆交互作用的影响,河口滨岸潮滩环境中的各种物理、化学和生物因子复杂多变,具有径流、波浪和潮流等水动力作用强烈、泥沙运移和物质交换频繁、理化要素梯度变化大、生物多样性丰富等独特的环境特征,其中,由潮汐作用引起的滩面周期性的淹没与暴露过程显得尤为特别。本文以长江口滨岸潮滩为典型对象,研究营养元素磷在上覆水体、沉积物及其孔隙水中的时空分布规律,分析不同形态磷在潮滩大型植物根际环境中富集、迁移的生物地球化学过程及主要控制因素,并采用野外采样与室内模拟相结合的方式,研究了“干湿交替”模式下,系统中磷的迁移过程与转移机理。 对长江口潮滩沉积物中磷的赋存形态进行了深入研究,发现输入源差异和水动力条件是影响潮滩沉积物中TP时空变异的主要因素。在沉积物-水界面物理化学因子的控制下,各形态磷之间进行着一定的相互转化,然而,受沿岸各类污染源输入的复合影响,磷在沉积物中的分配平衡遭到破坏。沉积物中Fe-P的沿程分布与长江口近岸水体盐度的分布模式相吻合,认为长江口区确实存在“盐度效应”影响营养盐磷的环境地球化学行为;相反,由于潮滩周期性的淹没和暴露,沉积物的颗粒组成与晶体结构发生变化,使不同地貌单元中沉积物磷的分布受“粒径效应”的影响程度明显减弱;此外,还发现沉积物中活性铁的存在也对磷在界面间的迁移转化产生作用。引入生物有效性概念,在长江口潮滩表层沉积物各形态磷定量分析的基础上,估算出长江口潮滩潜在地能够被生物所利用的磷约占TP的32.75%。 对长江口潮滩生长植物的表层沉积物(SP)与根际沉积物(S_R)中磷的赋存形态进行对比,发现S_R中各形态磷之间、不同物化因子之间的相互关系较S_P弱,表明了磷循环中植物根际效应的存在;同时,作为评价沉积物质量重要指标之一的Fe-P并未表现出在污染严重地区S_R中的富集,显示了植物根际对污染物的降解能力,同时也体现了植物根系的吸收作用。另一方面,以活性Fe~(3+)和活性Fe~(2+)之间比值的相对大小来表征潮滩植物根际环境的氧化还原状态,结果显示长江口 潮滩大多数岸段根际沉积物的Fe3+用矛十值小于1,表明潮滩植物根际环境趋于 还原一弱氧化状态,与实际测得的氧化还原电位基本吻合。在这个还原一弱氧化 状态下,Fe一P所包含的磷酸盐与孔隙水中的磷酸盐发生交换,使沉积物(孔隙 水)和上覆水体之间建立了一种联系,并因此影响了磷酸盐的生物有效性;而 org一P在SP和SR间的分配则与磷的吸收和再矿化有关,且可通过食物链构成一 套生物小循环。 对长江口潮滩柱样沉积物的研究发现,沉积物形态磷、活性铁、有机质、含 水量、粒度之间表现出相当复杂的相互关系,明显地反映了在潮滩干湿交替的物 理格架下,沉积物组成、含水量等物化参数对磷、铁和有机质在沉积过程中的地 球化学“活性”的重要性。通过对潮滩典型柱样沉积物不同磷形态沉积速率差的 估算,发现存在两种机制使磷滞留于潮滩沉积物中:一为有氧一缺氧层边界, FeOOH与活性磷酸盐的多价态鳌合,二为沉积过程中,CFAP十Ca一P的形成。建 立了早期成岩作用下沉积物孔隙水中磷酸盐的“扩散一平流一反应”模型,认为 在长江口滨岸带有机磷分解、磷酸盐的吸附和沉淀都符合一级动力学特征,它们 控制了孔隙水中磷酸盐的转移反应。 利用实验模拟技术,以长江口崇明东滩自然状态下、经过不同程度暴露的沉 积物为对象,研究了海水再浸没时,长江口滨岸潮滩环境系统内磷的迁移、转化 过程,发现不同程度的暴露将使沉积物的物理、化学性质和微生物的活动习性发 生改变,影响沉积物的释磷量,控制着系统内的长期磷平衡。在对暴露程度不同 的沉积物磷的吸附动力学研究中发现,长时间暴露于空气中的沉积物,受氧 化作用和铁的熟化过程的影响,表现出对磷的弱亲和力,反映在被潮水浸 没的过程中吸附容量的减少。检验了不同化学物质对处于“干湿交替”模式下 的沉积物释放磷酸盐的影响程度,推断出发生在沉积物中不同细菌过程的重要 性,特别研究了不同沉积物在不同环境中释放磷酸盐的差异,认为厌氧环境下沉 积物释放磷酸盐的能力要高于有氧环境。


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