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长江口及其邻近海域Se、Te、As、Sb、Bi及硫化物的环境地球化学特征

吴晓丹  
【摘要】:陆架边缘海是全球海洋最重要的组成部分,具有较高生产力,资源丰富,是主要的蓝色资源宝库,开发前景广阔。痕量元素对维持海洋生态系统的结构和功能具有重要作用,因此掌握痕量元素的环境地球化学特征对近海研究有重大理论与应用价值。随着国际间的重大合作项目GEOTRACES和IMBER的实施,Se、Te、As、Sb、Bi等痕量元素环境地球化学研究也成为近年来海洋科学领域的新兴热点领域。作为重要性仅次于N、P、K的营养元素,S不仅是近海厌氧环境下电子转移的重要载体,指示氧化还原环境的关键指标,也是引发水质恶化、生物毒害作用的有毒污染物,成为环境地球化学领域内的重点关注对象。总之,随着沿海人类活动的日益频繁和干扰强度的逐年增加,海洋生态系统面临的威胁不断增大,海洋环境的保育工作由此成为人类可持续发展的重要课题,而深入研究痕量元素和硫化物在生态系统中的环境地球化学行为,有助于生态环境问题的诊断、治理与修复。 本论文以高生产力典型海域——长江口及其邻近海域作为研究对象,于2009年5月(春季)、2011年8月(夏季)开展了水体Se、Te、As、Sb、Bi等痕量元素调查;于2010年2月(冬季)、6月(夏季)、11月(秋季)和2011年4月(春季)和8月(夏季)共进行了5个航次的硫化物专项调查,结合丰富的第一手环境参数,较系统的研究了长江口及邻近海域Se、Te、As、Sb、Bi和硫化物的环境地球化学特征,获得了一系列新的结果和认识: 1获取了长江口及其邻近海域海水中Se、Te、As、Sb、Bi和硫化物的含量水平与形态特征 受径流量季节性差异,长江口及其邻近海域水体中Se、Te、As、Sb、Bi和硫化物的平均含量夏季高于春季,与世界上其他海域相比,含量处于中等水平。在数值上,它们均未超过毒性阈值,但不排除由于赋存形态和生物富集作用,导致浓度在高营养级超过毒性临界值。 春季,Se、Te、Sb均分别以高价Se(VI)、Te(VI)和Sb(V)为主要存在形态。夏季形态分布稍复杂,由于四价与铁氧化物的强吸附力和六价与水体的高溶解性,Se和Te仍分别以Se(VI)和Te(VI)为优势形态。受控于环境因素和生物作用,As和Sb有所不同,前者在表层水体由As(III)和As(V)各在约一半站位占优势地位,底层水体全以As(V)为主要存在形态;后者相反,表层以Sb(V)为主要存在形态,底层中Sb(III)和Sb(V)两种形态含量相当,起着同样重要的作用。 2揭示了影响长江口及其邻近海域Se、Te、As、Sb、Bi和硫化物分布和迁移的关键控制过程 长江口及其邻近海域Se、Te、As、Sb、Bi和硫化物具有典型的区域变化特征和明显的季节分布趋势,反映了水团迁移、溶解-沉降和吸附-释放等过程的影响。在不同水团控制区域,含量均具有明显的梯度变化,西部沿岸受长江、钱塘江和浙闽沿岸流等径流输入影响,在长江口外和杭州湾口出现高值,陆架锋面向外海方向推进,从近岸向中央海区延伸,浓度逐渐降低,在陆架西侧由于黑潮水和台湾暖流的入侵,浓度又逐渐增大并出现一定层化。 以盐度作为参比,考察Se、Te、As、Sb、Bi和硫化物在河口区的行为特征。结果发现,Se(IV)和Te(IV)在整个调查海区盐度范围内行为保守,Se(VI)和Te(VI)在盐度30时行为保守,大于该盐度则表现出明显的添加行为;As(III)和As(V)在调查河口行为均不保守;Sb(III)和Sb(V)在调查海域则均表现为良好的保守行为;Bi和硫化物在河口的行为特征均具季节性,前者在春季行为保守,夏季仅在20-30盐度范围内保守,后者在春、夏季具有明显的保守行为,冬、秋季的保守行为并不显著。 河口地区底层沉积物的溶解-沉降、颗粒物的吸附-释放作用也是控制水体中Se、Te、As、Sb、Bi和硫化物分布与迁移的关键过程。调查发现,颗粒物对Se、Te、Sb均具释放作用,且释放能力低价态优于高价态,在18-25oC、pH7.9-8.0的条件下最易于释放Se,在27oC和pH7.9-8.0条件下最易于释放Te,在25oC和pH8.2条件下最易于释放Sb;颗粒物对As表现出弱吸附性,高温、高pH条件下,利于吸附的进行;Bi与颗粒物的作用较为复杂,在低温、低pH和高氧化条件下以吸附作用为主,在23-25oC、pH7.9-8.0范围内以释放作用为主;颗粒物仅在夏季表现为明显的释放硫化物过程。 3初步阐明了长江口及其邻近海域Se-Te-As-Sb-Bi元素间及与生态环境的耦合关联性特征,解析了这些元素的生态功能 春季,表层水体Te(IV)和Bi具有相似性,共同受控于氧化还原条件、酸碱度、河流输入和溶解-沉降作用;底层水体中Se(IV)、Sb(III)和Sb(V)受水团迁移、酸碱度、吸附-释放作用、温度和氧化还原条件影响。夏季,表层水体中Sb(III)、Sb(V)和Se(IV)具有相同来源,既包括河流输入和水团迁移,也包括沉积物和悬浮颗粒物(suspended particulate material,SPM)的释放,Se(VI)与氧化还原条件有关,并受酸碱条件的影响;底层水体中,Bi和Te(IV)关系密切,受控于水团输入、物理混合及水体氧化还原状态,也通过吸附-释放与沉降-溶解过程控制它们在固液相之间分配,As(III)和Se(IV)在底层水体受控于pH值。 Se与As是生命必需元素,均与P显著相关,说明其具有与P相似的营养盐性质,并发现13-15oC是浮游植物吸收Se与As的较适宜温度;Te、Sb和Bi在传统上被认为是非生命必需元素,但也表现出了营养盐效应,具有极大的生物利用潜能,其中Te如Se和As与P关系密切,而Sb和N、P均相似,Bi则更接近N的性质。


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