陆源活性硅在长江与黄河的输送、行为及对河口硅循环的影响

发布时间：2020-07-12 05:29

【摘要】：硅与碳一样在生态系统中发挥着极为重要的作用。近几十年来,人类活动的强度日益加强,诸如筑坝、氮与磷向水体的输入量增加以及气候变化等导致硅随地表径流的输送过程与通量发生了显著的改变,并进一步引发了河口与近岸生态环境的变化。硅循环及其环境效应等方面的研究逐渐成为当前地球化学循环研究的热点。然而,人们对于硅在河流的输送及其在河口的行为以及硅循环的认识仍有许多不足,这使我们无法准确揭示人类活动影响下硅循环的基本规律、变化趋势及生态环境效应等。因此,综合研究人类活动影响下大河流域与河口硅的迁移与转化过程及硅循环对生态环境变化做出的响应等对于揭示人类活动对近海生态系统的影响,加深硅生物地球化学循环的认识具有重要的意义,且属于当前硅循环研究方面的关键的切入点。本研究以长江与黄河大河流域和长江口为重点研究区域,通过调查长江与黄河流域的活性硅(RSi)、颗粒有机碳(POC)及碳稳定同位素(~(13)C)等参数,着重分析了长江与黄河活性硅与颗粒有机碳的空间分布、来源与活性硅入海通量的季节性变化,并结合历史资料,分析了活性硅由陆向海输送过程中的主要受控因素以及生物硅中有机碳、氮(POC_(BSi),PON_(BSi))与碳稳定同位素(~(13)C_(BSi))的指示作用。而后,通过分析长江口沉积物中活性硅、有机碳的数据,并结合铅210(~(210)Pb)测年与X-射线岩心扫描(XRF)的结果,探讨了长时间尺度内长江口沉积物中颗粒有机碳与活性硅的来源、组成、转化与埋藏过程以及影响长江口活性硅与颗粒有机碳埋藏的主要因素。上述工作旨在加强对人类活动影响下河流硅输送过程的认识,揭示河流物质输入变化对长江口硅循环的影响,以期为硅的陆-海循环及近海环境演变提供科学依据。本文主要结论如下:(1)长江与黄河RSi的组成存在显著的差异,黄河下游水体中的溶解硅(DSi)浓度显著低于长江,为长江的74%;而生物硅(BSi)浓度却为长江的3倍;黄河BSi/(DSi+BSi)的比值为0.49,明显高于长江的0.22。黄河下游水体中较高的BSi浓度与黄河水体中高的悬沙含量有关。长江RSi入海通量在丰水期、平水期与枯水期的分配比例为5.3:3.1:1.6,而黄河的比值为3.8:3.4:2.8;丰水期是长江物质输送的主要季节,而调水调沙过程是黄河RSi入海通量集中的主要时期。近几十年来,长江与黄河DSi年入海通量均发生了明显的变化。流域气候变化和筑坝导致的DSi浓度下降是影响长江DSi入海通量的主要因素。近些年,温度升高提高了长江流域硅酸盐的风化速率,DSi的产量得以增加,但流域水库效应所产生的DSi滞留从一定程度上抑制了风化作用对水体DSi通量的贡献。自1985年至2001年,径流量与DSi浓度降低的共同作用对黄河下游DSi通量下降的贡献较大。(2)长江流域RSi浓度的分布受三峡大坝影响明显,DSi浓度的分布呈现中下游略低于上游的趋势,BSi在悬浮颗粒物(SPM)中的含量与悬浮颗粒浓度大致呈负相关关系。黄河流域DSi与BSi浓度的空间分布主要受控于流域的风化与土壤侵蚀过程,表现出与悬浮颗粒物含量相似的变化趋势。长江干流POC多来源于土壤侵蚀后进入水体的陆生碳3(C3)植物生产的POC。对应流域的土壤侵蚀对长江支流POC的贡献较低。相对于长江,黄河悬浮颗粒物中的POC存在较高的陆源碳4(C4)植物组成。不过,黄河流域POC的空间分布受到了C3与C4植物POC贡献差异与土壤侵蚀强度的共同影响,这与长江的情况有所不同。陆生高等植物产生的植硅体是长江与黄河悬浮颗粒物中BSi的重要来源,且与水体SPM的浓度密切相关。长江干流中、下游植硅体占水体生物硅的比重高于上游与支流,黄河BSi中可能存在较高比例的C4植硅体。由于赋存于土壤或岩石中的老化POC组成较高,导致黄河碳氮比(C/N,原子比)较低,且C/N与~(13)C的时空变化较弱。丰水期高的风化与侵蚀强度导致长江流域C/N与~(13)C值较低。长江与黄河POC_(BSi)对POC向海输送的贡献分别为0.28%与0.83%,说明生物硅圈闭碳对有机碳的由陆向海输送贡献有限。(3)在百年时间尺度上,长江口的陆源输入、初级生产以及长江流域的风化过程均发生了明显的变化。伴随着陆源输入、流域风化强度的下降与长江口初级生产逐渐增强等,长江口沉积物中颗粒有机碳的C/N比逐渐增加。除陆源输入外,海洋硅藻的初级生产过程是决定沉积物中BSi含量的另一重要因素。长江口沉积物中的BSi矿化率与RSi矿化率均为0.52。陆源输入是长江口沉积物中POC和BSi的重要来源,分别占沉积物中POC和BSi的44%-73%与16-83%。1980年后,长江口初级生产结构与组成的变化造成沉积物中的BSi埋藏速率相对于C发生了明显的下降。三峡大坝筑坝对DSi的截留作用对长江口BSi埋藏效率的降低产生了一定的促进作用。A5-4与A6-6站位孔隙水中DSi向上覆水的释放通量分别为316μmol/(m~2·d)与159μmol/(m~2·d)。根据A6-6的收支平衡,BSi与其他无定形硅(Amorphous)是长江口沉积物中RSi埋藏的主要形式。在埋藏过程中,RSi在沉积物中向自生成岩硅(Anth-Si)的转化速率为20%,是活性硅在沉积物保存的重要途径。本研究显示河流筑坝等人类活动对河口物质循环与埋藏的影响较为明显,并可能改变河口区域硅与碳循环的原有规律,相关认识对于深入研究流域物质循环与河口的生物地球化学过程研究具有重要的意义,并可为河流-河口相互作用与河口生态环境演变规律的认识提供新视角。
【学位授予单位】：自然资源部第一海洋研究所
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X52

【参考文献】