黄、东海沉积物中生物硅的分布、溶解及影响因素研究
发布时间：2019-07-10 19:19
【摘要】：陆架边缘海作为生物硅(BSi)埋藏的潜在区域,在全球海洋硅(Si)循环中扮演着重要的角色,认识控制沉积物中BSi溶解和埋藏的关键过程,对评价BSi作为古生产力和古环境变化的指标具有重要作用。沉积物中BSi的溶解和埋藏是海洋Si循环的重要方面,且Si循环和碳循环关系密切。黄海和东海在近50年内由于人类活动频繁,海洋环境发生了一系列的变化,例如富营养化程度加剧、活性硅酸盐浓度降低、硅藻占整个浮游植物群落比例的下降和赤潮频繁暴发等,因此Si的再生在黄、东海海域就显的至关重要。掌握黄、东海Si循环的关键过程—沉积物中BSi的溶解和埋藏,有助于更好地认识黄、东海Si循环。目前对黄、东海沉积物中BSi溶解过程的认识非常匮乏。本论文以黄、东海沉积物中BSi为主要研究对象,针对黄、东海BSi的研究现状,通过对2010～2011年间采集的沉积物中BSi、有机碳(OC)、总氮(TN)含量、间隙水中硅酸盐浓度以及BSi溶解度、溶解速率常数进行了分析,系统研究了黄、东海沉积物中BSi溶解和埋藏的影响因素,并估算了黄、东海Si的收支。主要研究结果如下：(1)黄海表层沉积物中BSi含量变化范围为0.40～3.7%,平均值为2.2±0.79%,BSi含量整体上呈现近岸低,离岸增加的趋势,在北黄海和南黄海研究区域的泥质区均各存在一个高值。东海表层沉积物中BSi含量在0.86-3.2%范围内波动,平均值为2.0±0.53%,BSi含量没有明显的变化趋势,整体上在浙闽沿岸海域以及台湾东北部黑潮区具有高值,此外,在济州岛西南泥质区海域也存在一个高值区。黄、东海表层沉积物中BSi的空间分布受水体无机硅酸盐浓度、浮游与底栖硅藻以及沉积物粒径空间分布的影响。黄、东海表层沉积物中BSi含量和OC、TN之间有显著的相关性,并具有相似的空间分布特征。黄海表层沉积物中BSi/OC摩尔比值在0.26～4.2之间,平均值为1.1±0.55, BSi/TN摩尔比值在2.1-20之间,平均值为7.9±0.44。东海表层沉积物中BSi/OC摩尔比值在0.38～3.9之间,平均值为1.210.42, BSi/TN摩尔比值在2.7～23之间平均值为8.4±0.34,均大于Redfield比值以及黄、东海沉降颗粒物中BSi/OC、BSi/TN的摩尔比值,说明在黄、东海表层水体中生成的OC、TN和BSi在向深层水体输送的过程中,OC和TN的降解速度远高于BSi的溶解速率,优先参与再循环过程,导致BSi被更好的保存于沉积物中。黄海表层沉积物BSi的沉积通量在0.12～2.3 mol m-2 yr-1之间,平均值为0.85±0.65 mol m-2 yr-1,东海表层沉积物生物硅的沉积通量在0.11～19mol m-2 yr-1之间,平均值为4.3±0.93 mol m-2 yr-1,东海BSi的沉积通量要高于黄海。黄、东海表层沉积物中BSi沉积通量与沉积物中BSi含量以及孔隙度关系不大,沉积速率是影响BSi沉积通量的最主要因素。(2)黄、东海柱状沉积物中BSi含量具有区域差异性,BSi含量的垂向分布记录了近百年时间尺度上硅藻在浮游植物群落结构中所占的比例以及数量的变化情况。黄海上覆水中硅酸盐浓度的变化范围为1.24～15.4μmol L-1,间隙水中硅酸盐浓度变化范围为19.2～453 μmol L-1,东海上覆水中硅酸盐浓度的变化范围为2.57～104 μmol L-1,间隙水中硅酸盐浓度变化范围为51.6～542 μmol L-1,黄、东海间隙水中硅酸盐浓度随沉积深度的变化具有差异性。沉积物中BSi含量、碎屑/BSi比值、沉积环境、BSi的溶解过程都会控制间隙水中硅酸盐的分布。利用成岩模型计算了黄、东海沉积物—水界面硅酸盐的交换通量,黄海沉积物—水界面硅酸盐的交换通量变化范围为23.60～2299 mmol m-2 yr-1,平均值为409.7±582.3 mmol m-2 yr-1,东海沉积物—水界面硅酸盐的交换通量在17.50～538.3 mmol m-2 yr-1之间,平均值为283.4±191.9 mol m-2 yr-1。黄、东海均表现为沉积物向水体释放硅酸盐,是底层水体中硅酸盐的重要来源,可以分别供给初级生产力需要Si的21.0%、15.5%,对初级生产力有一定的贡献。(3)黄海表层沉积物中BSi的溶解度变化范围为124-287μmol L-1,BSi溶解速率以及比溶解速率常数分别在9.3～18.5 nmol g-1 h-1以及0.14～1.70 yr-1范围内变化。东海表层沉积物中BSi溶解度在213～357μmol L-1之间变化,BSi溶解速率常数和比溶解速率常数分别在14.9～56.6 nmol g-1h-1以及0.3～1.9 yr-1之间变化。黄海柱状沉积物中BSi溶解度变化范围为91～303μmol L-1之间,并随深度的增加而减小。黄、东海沉积物中BSi溶解动力学反应级数m在1.0～4.0之间变化,BSi的溶解遵循非线性动力学过程。沉积物中碎屑含量、间隙水中溶解态A1以及沉积硅藻的比表面积等因素都会影响黄、东海沉积物中BSi的溶解。黄、东海沉积物中陆源碎屑含量与世界其它海域相比处于较高水平。黄、东海沉积物中BSi的溶解速率却要比世界其它海域低2-3个数量级,黄、东海这种沉积环境更有利于BSi保存。(4)黄、东海Si收支结果表明,沉积物—水界面Si的再生量远高于河流的输送量。黄海水体中产生的BSi总量约有15%最终保存于沉积物中,东海水体中产生的BSi有19%最终保存于沉积物中,要远高于黄海。黄、东海BSi的埋藏效率分别约为70%和80%,高于其它的陆架边缘海,黄、东海的沉积环境更有利于BSi的埋藏。黄、东海BSi的沉积量分别占全球总BSi沉积量的5.1±3.5%以及9.4±7.8%,在全球海洋BSi的埋藏中占有重要的比重,对全球海洋Si循环的作用不容忽视。
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