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近海环境中无机碳的研究

李学刚  
【摘要】:海洋是全球碳的重要源与汇,在碳循环中起着重要作用,众多科学家对其进行了研 究,尤以 JGOFS 计划为代表取得了众多的成果,但这些研究主要集中于大洋海水中的 碳和沉积物中的总无机碳、有机碳,对近海海水中的碳和沉积物中分形态无机碳研究极 少,本文以研究长江口、胶州湾沉积物中不同形态无机碳为主,同时研究了胶州湾水体 中的无机碳,以全新的视角认识了海洋环境中的碳。 为了研究海洋环境中的碳循环,本文首先建立了海水中 DIC 的直接测定方法,沉积 物中不同形态的无机碳顺序浸取的方法,改进了沉积物中 N、P 同时测定的方法,其中沉 积物中无机碳的顺序提取法第一次将沉积物中的无机碳按其结合强度依次分为 NaCl 相、NH3·H2O 相、NaOH相、NH2OH·HCl相、HCl相等 5 种形态的无机碳,这为研究海 水和沉积物中的无机碳的生物地球化学循环奠定了基础。 2003 年 5 月长江口航次、2003 年 6、7、9 月胶州湾航次分别取得长江口、胶州湾 海水、沉积物样品,并在现场测定了沉积物中的 Eh、Es 和 pH 等参数,在实验室测定 了胶州湾海水中的 DIC 和长江口、胶州湾沉积物中的 C、N、P、Si 等参数,在此基础 上,系统研究了胶州湾、长江口海域沉积物中无机碳的地球化学行为及其在生物地球化 学循环中的作用,获得了对海洋环境中无机碳行为的系列全新认识。 1. 研究了胶州湾海水中的 DIC 在 6、7 月份的水平分布和垂直分布,计算了胶州湾海- 气间 CO2 的交换通量,研究表明胶州湾 DIC 在 6 月份湾内明显高于湾口及湾外,而 7 月份则是湾内明显低于湾口和湾外。但在湾内分布趋势一致,即东北部含量最高,向西 逐渐降低,西部含量最低。垂直分布特征也比较简单,基本上是从表层到底层含量不断 升高。DIC 的这种分布特征是由胶州湾的水文特征决定的。胶州湾 6 月份海-气间 CO2 的平均交换通量为 0.55mol?m-2?a-1,7 月份为 0.72 mol?m-2?a-1,在 6、7 月份,胶州湾为 CO2 的源区。 2. 查明了长江口及胶州湾沉积物中不同形态无机碳的含量及分布特征。 长江口沉积物中不同形态无机碳含量特征明显,即NaCl相 氨水相 NaOH相 盐酸羟胺相 盐酸相,其中 NaCl 相的平均含量为 0.33mg/g;氨水相的平均值为 0.58mg/g;NaOH 相的平均值为 0.676mg/g;盐酸羟胺相的平均值为 3.89mg/g;盐酸相的 平均值为 5.134mg/g;总无机碳的平均含量为 10.61mg/g。表层沉积物中同一形态无机碳 在 A、B 两断面的分布特征相差较大,A 断面从西向东分布相对比较复杂,B 断面从南 向北变化不大。由于各站沉积物的物理、化学、生物等条件的差异以及同样的条件对不 同形态无机碳的影响不同,在同一站位不同形态无机碳或同一形态无机碳在不同站位垂 直分布相差较大,有时甚至是相反。 胶州湾沉积物中 NaCl相、氨水相和 NaOH 相的含量相差不大,盐酸羟胺相和盐酸 I WP=4 摘要 相含量基本一致。在沉积物总无机碳中,大部分为盐酸羟胺相和盐酸相,但在不同区域 所占比例并不固定。除氨水相无机碳在不同区域表现出不同的垂直分布特征外,其它几 相无机碳在胶州湾各区域的垂直分布特征基本一致。总无机碳含量从表层到底层不断减 少与近年来入胶州湾泥沙通量不断减少相一致。 3. 研究了沉积物中的 pH、Eh、Es、含水率、有机碳、有机 N、有机 P、无机 N、无机 P 等因素对各形态无机碳的影响。聚类分析的结果表明这些因素可以分为物理因素和化 学因素两类。物理因素包括 pH、Eh、Es、含水率,化学因素包括有机碳、有机 N、有 机 P、无机 N、无机 P,物理因素通过影响化学因素来影响无机碳,各因素在不同的环 境中对不同形态或同一形态无机碳的影响不同。 长江口沉积物中有机碳、P、N 和无机碳呈正相关关系,且相关系数依次减小,表 明有机碳对无机碳的影响大于 P,而 P 的影响又大于 N,无机 N 对无机碳的影响大于有 机 N,有机 P 对无机碳的影响要大于无机 P。pH、Eh、Es、含水率和无机碳均呈负相关 关系,这些参数值的增高将促进无机碳的溶解,Es 对无机碳的影响要大于 Eh,且 Es 主 要影响 NaCl相、氨水相和 NaOH 相无机碳。pH 对盐酸羟胺相的影响最大,含水率对各 形态无机碳均有较大影响。因子分析表明,在长江口表层沉积物中的总氮、无机氮和有 机氮对不同形态无机碳的影响最大,pH、Es、含水率和有机碳的影响次之,总磷和有机 磷的影响再次之,Eh和无机磷的影响最小;在柱状沉积物中的 pH、Eh、Es、含水率和 有机碳对不同形态无机碳的影响最大,总氮、有机氮的影响次之,总磷和有机磷的影响 再次之,无机氮的影响再次之,无机磷的影响最小。 胶州湾沉积物中有机质对无机碳有显著影响,但在不同的环境,这种影响表现形式 不同,总无机碳最能体现有机碳对无机碳的影响;pH 值对无机碳的影响比较显著,高 pH 值能促进无机碳的沉淀,反之,则有利于无机碳的溶解;Eh、Es 对无机碳的影响受 环境制约比较显著,在大多数的情况下,Eh、Es 值的增高将促进无机碳的溶解;在不 同的沉积环境中,N、P 对无机碳的影响相差较大,在相似的沉积


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