营养盐在东海沉积物—海水界面交换速率和交换通量的研究

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本论文分别于2002年4月30日-5月17日、2002年8月26日-9月10日、2002年11月4日-11月13日、2003年2月24日-3月20日四个航次在东海应用实验室现场培养法测定了硅酸盐(SiO3-Si)、磷酸盐(PO4-P)、硝酸盐(NO3-N)、亚硝酸盐(NO2-N)和氨氮(NH4-N)五种溶解态营养盐在沉积物—海水界面的交换速率,讨论了影响交换速率的主要因素,在此基础上,计算出五种溶解态营养盐在东海沉积物—海水界面的交换通量,讨论了其季节变化,主要实验结果如下: 1、营养盐在东海沉积物—海水界面上的交换速率 SiO3-Si在东海沉积物—海水界面的交换均表现为由沉积物向海水迁移,交换速率一般在0.14—25.4mmol·m-2·d-1范围内。 PO4-P在东海沉积物—海水界面的交换表现出不确定性,由春季多数站位从沉积物向海水迁移转变为冬季所有站位由海水向沉积物迁移,PO4-P的交换速率一般在-105.4—32.8μmol·m-2·d-1范围内。 NO3-N、NO2-N和NH4-N在东海沉积物—海水界面的交换也表现出不确定性。其中NO3-N在春季、夏季和秋季均由海水向沉积物迁移,冬季在半数站位由沉积物向海水迁移,交换速率的变化范围是-6632—132μoml·m-2·d-1。NO2-N在春季、秋季和冬季的大多数站位由海水向沉积物迁移,而在夏季的多数站位则由沉积物向海水迁移,交换速率的变化范围是-156—26.6μoml·m-2·d-1。NH4-N在多数站位是从沉积物向海水迁移,交换速率的变化范围是-927—2347μmol·m-2·d-1。 2、影响营养盐在东海沉积物一海水界面交换速率的主要因素 SiO3-Si在东海沉积物—海水界面交换速率与水体温度、DO浓度、pH值、盐度、沉积物的含水率、粘土矿物含量、间隙水中SiO3-Si浓度、上覆水中SiO3-Si浓度均存在很好的相关性。溶解和扩散可能是SiO3-Si在东海沉积物—海水界面交换作用的主要控制过程,温度是主要的控制因素。 PO4-P在东海沉积物—海水界面的交换速率与水体温度、pH值和沉积物的含水率、粘土含量存在比较复杂的相关关系,而与水体DO浓度、盐度、沉积物间隙水中PO4-P浓度、上覆水中PO4-P浓度不存在相关关系。PO4-P在沉积物—海水界面的交换作用受扩散过程的影响不大,而界面上的反应,如Fe氧化物对摘要P04一P的吸附和解吸,可能是PO4一P交换速率的主要控制过程,DO浓度和pH值可能是主要的控制因子。 N03一N、N仇一N和NH4一N在东海沉积物一海水界面的交换速率与温度、DO浓度、pH值、盐度存在一定的相关性,而与含水率、粘土矿物含量、沉积物平均粒径等因素不存在相关性。NO3一N的交换速率与上覆水中的浓度、间隙水中浓度和间隙水与上覆水中的浓度差均存在一定的相关关系,NOZ一N交换速率仅与间隙水中浓度存在相关关系,而N风一的交换速率则与这三者无相关关系。扩散过程可能是控制NO3一N界面交换速率的主要过程之一,浓度差的大小决定了其速率快慢;而发生在界面上的有机物的降解和硝化或反硝化作用可能是控制N岛一N、N仇一和NH4一界面交换的主要过程,温度和DO浓度是控制这一交换过程速率的主要因子。3、营养盐在东海沉积物一海水界面上的交换通量和季节变化 对比长江冲淡水向东海输送的5103一Si通量的季节变化,沉积物的释放是东海5103一Si的主要来源之一。春季通过沉积物向海水释放的营养盐能提供维持研究区域内初级生产力所需5103一si的48%,夏季可提供35%,秋季可提供83%,冬季可提供184%,沉积物释放的5103一Si是维持东海初级生产力所需5103一si的主要来源之一。 沉积物一海水界面的P04一P交换是东海P循环的重要组成部分。春季研究区域范围内的沉积物仅能向海水提供维持初级生产力所需PO4一P的0.9%。而其它三个季节由于PO4一P从海水向沉积物迁移,不能提供初级生产力所需的P仇一P。PO4一P在水体内部的循环在PO4一P循环过程中占主导地位。 沉积物一海水界面的交换在东海DIN的输入、输出过程中也具有相当重要的地位。春季通过沉积物向海水释放的N场一仅能提供维持研究区域内初级生产力 5.9%的N,夏季提供维持研究区域内初级生产力3.0%的N,秋季提供维持研究区域内初级生产力7.0%的N,冬季则由于N风一N向沉积物迁移而不提供维持研究区域内初级生产力所需的N。N在水体内部的循环在N的循环过程中占主导地位。 总之,本论文应用实验室现场培养法研究了营养盐在东海沉积物一海水界面交换的一系列问题,该研究不仅可以为东海营养盐的迁移、转化过程和东海营养盐再生循环模型的建立等提供基本动力学参数,而且为环境容量的估算以及环境质量评价提供依据,有助于解决沿海地区因营养物质的过度输入引起的各种问题。
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