大亞灣水體和沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽的賦存、循環(huán)及其交換特征.pdf

1、大亞灣是廣東省重要的水產(chǎn)資源繁殖保護(hù)區(qū)，其生物資源豐富、生境多樣，具有“低營(yíng)養(yǎng)，高生產(chǎn)力”的顯著特點(diǎn)。近年來，隨著沿岸經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大亞灣海洋生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展也越來越受到人們的重視。進(jìn)行大亞灣水體和沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽的賦存、循環(huán)及其交換特征的研究，可以為大亞灣生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)平衡和環(huán)境容量研究、海區(qū)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)和污染防治等提供依據(jù)，并為大亞灣管理提供理論指導(dǎo)，為海區(qū)生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建提供沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽釋放量的基確數(shù)據(jù)。 于2007

2、年4月和8月在大亞灣大面站位進(jìn)行了一個(gè)年度兩次的調(diào)查，分別采集表層和底層水樣各54個(gè)、上覆水樣26個(gè)、表層沉積物和間隙水樣品各26個(gè)，對(duì)海域的環(huán)境特征以及表層沉積物與間隙水中營(yíng)養(yǎng)鹽的形態(tài)分布、時(shí)空分布和環(huán)境意義進(jìn)行了分析研究。根據(jù)表層沉積物間隙水與上覆海水溶解無機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度差，利用間隙水濃度梯度法估算了沉積物—水界面溶解無機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽的擴(kuò)散速率。利用在DS12、DS15、DS17、DS20和DS28站采集的沉積物柱狀樣，于2007年4月和

3、8月開始2次模擬自然條件下沉積物—水界面溶解無機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽的交換過程，采用非線性擬合法和線性回歸法計(jì)算了溶解無機(jī)營(yíng)養(yǎng)的交換速率。同時(shí)，也利用在DS12、DS15和DS28站采集的表層沉積物濕樣模擬研究了其對(duì)磷氮的吸附行為特征。研究取得如下初步成果： 1.從水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀看，4月大亞灣水質(zhì)整體處于良好狀態(tài)，而8月水質(zhì)處于輕度污染狀態(tài)，水質(zhì)相對(duì)較差。從營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀看，與Redfield值和Justic等提出的營(yíng)養(yǎng)鹽化學(xué)計(jì)量限制標(biāo)準(zhǔn)比

4、較，氮已經(jīng)成為大亞灣浮游植物生長(zhǎng)的限制因子。 2.大亞灣表層沉積物理化性質(zhì)的總體現(xiàn)狀為，沉積物基本呈還原狀態(tài)，含水率、有機(jī)質(zhì)、硫化物和磷含量不高，而氮的積累較明顯。在表層沉積物理化指標(biāo)背景值的基礎(chǔ)上對(duì)表層沉積物質(zhì)量進(jìn)行單因子評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：總氮、總磷、硫化物和有機(jī)碳在灣北部和西部均呈輕度污染狀態(tài)，并且4月的硫化物在灣北部近岸海域處于污染狀態(tài)，其它海域?yàn)檎１尘爸祬^(qū)。綜合指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明：4月表層沉積物在灣北部、西部處于輕度污染

5、狀態(tài)，并且灣北部近岸海域污染較重，8月份灣大部分海域表層沉積物均處于輕度污染狀態(tài)，其它海域?yàn)榍鍧崰顟B(tài)。 3.大亞灣表層沉積物中氮以有機(jī)氮為主，平均占75％以上?？赊D(zhuǎn)化不同形態(tài)的氮在表層沉積物中的含量分布規(guī)律為，SOEF—N的含量最高，IEF—N次之，SAEF—N含量最低，WAEF—N的含量介于IEF—N和SAEF—N之間。SOEF—N是可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)形態(tài)，IEF—N是可轉(zhuǎn)化無機(jī)氮的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)形態(tài)。在可轉(zhuǎn)化態(tài)氮都能參與循環(huán)的

6、情況下，不同形態(tài)氮對(duì)循環(huán)的相對(duì)貢獻(xiàn)大小為：SOEF—N>IEF—N>WAEF—N>SAEF—N。相關(guān)分析表明，沉積物中有機(jī)質(zhì)含量、粒度、氧化還原環(huán)境等是影響各形態(tài)氮含量與分布的重要環(huán)境因子。表層沉積物中各形態(tài)氮還與上覆水體NO3-—N、NH4+—N及葉綠素a大致呈正相關(guān)，表明浮游植物的生長(zhǎng)與營(yíng)養(yǎng)鹽含量和各營(yíng)養(yǎng)鹽之間的比例有關(guān)。 4.大亞灣表層沉積物中磷以無機(jī)磷為主，占80％以上。無機(jī)磷可分為四種形態(tài)，其含量分布規(guī)律為，De—P

7、的含量最高，Ca—P次之，Ads—P含量最低，F(xiàn)e—P的含量介于Ads—P和Ca—P之間。沉積物有機(jī)質(zhì)含量、粒度、沉積物的氧化還原電位以及含水率等都是影響沉積物中磷的形態(tài)及含量的重要因素。生物有效性磷的研究結(jié)果表明，沉積物中的Ads—P、Fe—P和OP等3種形態(tài)是大亞灣潛在的生物有效性磷，其占總磷的比例不足30％。 5.大亞灣表層沉積物間隙水中的溶解無機(jī)氮以NO2-—N為主要賦存形態(tài)，其次為NH4+—N，NO3-—N為最小。磷

8、酸鹽和硅酸鹽含量的空間分布總體趨勢(shì)是海灣西部、北部較高，而無機(jī)氮?jiǎng)t總體表現(xiàn)出海灣西部、北部海域明顯低于灣東南部海域的分布趨勢(shì)，這與大亞灣水質(zhì)情況、外源性污染分布情況及復(fù)雜的氮形態(tài)、磷形態(tài)轉(zhuǎn)換行為密切相關(guān)。大亞灣上覆海水和間隙水中DIN/DIP相近，均顯著低于海水中一般水生植物細(xì)胞和組織中氮磷原子比，也低于大亞灣多年平均值。沉積物中TN/TP和IN/IP均較低，并且IN/IP顯著低于YN/TP，ON/OP遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于16，說明大亞灣上覆海水的

9、營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)已受到實(shí)質(zhì)性影響。 6.4月和8月絕大多數(shù)站位的溶解無機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽均由沉積物向上覆海水釋放；DIN的擴(kuò)散速率主要由NO2-—N和NO3-—N貢獻(xiàn)，占85％以上；大亞灣沉積物氮磷釋放對(duì)上覆水營(yíng)養(yǎng)鹽的影響磷大于氮。大亞灣沉積物—水界面PO43-—P、SiO32-—Si、NH4+—N、NO2-—N和NO3-—N的平均擴(kuò)散速率分別為9.22、444.99、13.49、20.71、8.99μmol.m—2d-1。 7.兩

10、次交換模擬實(shí)驗(yàn)PO43-—P、SiO32-—Si、NH4+—N、NO2-—N和NO3-—N均由沉積物向上覆水釋放，交換總量隨培養(yǎng)時(shí)間的變化為非線性或線性。大亞灣沉積物—水界面PO43-—P、SiO32-—Si、NH4+—N、NO2-—N和NO3-—N的平均交換速率分別為67.83、3978.17、42.24、15.11、383.80μmol·m—2·d-1。應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)所得交換速率與相應(yīng)理化參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：PO43-—

11、P的交換速率主要由吸附—解吸、間隙水分子擴(kuò)散和氧化還原環(huán)境控制，SiO32-—Si的交換速率主要由溶解—沉淀和間隙水分子擴(kuò)散過程控制，溶解無機(jī)氮的交換速率主要由間隙水分子擴(kuò)散過程控制。與間隙水分子擴(kuò)散模型計(jì)算結(jié)果相比較，兩者所得速率具有數(shù)量級(jí)的差異，這種差異來源與海灣生物擾動(dòng)、浪流攪動(dòng)等作用有關(guān)。相比較而言，柱狀樣實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)法得出的交換速率更準(zhǔn)確客觀。 8.根據(jù)溶解無機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽在大亞灣沉積物-水界面的平均交換速率，并結(jié)合大亞灣的

12、面積，得到春、夏季溶解無機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽的交換通量，為維持大亞灣春、夏季的初級(jí)生產(chǎn)力，春季海底沉積物-水界面交換過程可提供約9.69％的DIN、20.85％的PO43--p和97.87％的SiO32--Si，夏季海底沉積物—水界面交換過程可提供約9.13％的DIN、24.40％的PO43--P和75.48％的SiO32--Si。 9.大亞灣濕沉積物對(duì)磷的吸附動(dòng)力學(xué)和等溫吸附實(shí)驗(yàn)表明，吸附動(dòng)力學(xué)過程和等溫吸附過程均可用Langmuir方