乳山湾近海与黄渤海溶解氧、有机碳、氮和磷的循环与收支的关键过程研究

摘要

氧(O)、碳(C)、氮(N)和磷(P)等生源要素在海洋生态系统中扮演着重要的角色。近年来人类活动的增强导致近岸海域出现了一系列的环境问题，如富营养问题日益凸显、低氧现象不断加剧等，这些海洋环境现象严重威胁了海洋生态系统的稳定。研究近岸海域生源要素的生物地球化学循环和收支过程对于了解区域物质循环、环境演变和近海环境保护具有重要的科学和现实意义。
　　本研究以典型的乳山湾外养殖海域和渤海和黄海为研究对象;通过对乳山湾外邻近海域的综合调查，着重分析了溶解氧(DO)、有机碳、氮和磷的含量及分布特征，并结合水文、生物和培养试验等同步观测数据以及数值模式，探讨了DO、有机碳、氮和磷与水文、化学及生物之间的关系，并建立了乳山湾外邻近海域溶解氧、碳、氮-磷的收支模式，旨在量化典型养殖海域物质循环与环境变化的相互关系。另依据对黄渤海以及黄河和长江的综合调查，并结合相关的历史资料，分析了黄渤海水体和沉积物中氮与磷的组成、分布及历史变化，建立了黄渤海氮-磷的收支模式，探讨了影响该区域氮和磷分布的主要因素，明确了陆-海界面、海-气界面、底界面和海洋内部主要生物地球化学循环过程，揭示了河流物质输入变化对黄渤海氮-磷循环和生态环境造成的影响。上述工作旨在丰富人类活动影响下的典型海域生源要素的生物地球化学过程的认识，以期为区域物质循环和陆海相互作用研究提供科学依据。
　　本文主要结论如下:
　　(1)2009年夏季乳山湾邻近海域水体DO含量为3.21～11.8 mg/L，均值为6.99mg/L; DO的平均值在7月最高，6月与9月次之，8月最低;表层水体DO的分布差异较小，而底层水体DO分布差异较大，并出现DO低值现象。DO的收支结果表明，水体耗氧是主要的DO消耗过程，约占水体总耗氧量的79％，底泥耗氧占总耗氧量的21％;海-气界面交换输入的氧的量占总输入的74％，光合作用产氧过程对于氧补给的贡献占总输入量的22％左右;水交换作用对于整个调查区域水体中DO输入的贡献相对较低，其对DO的净输送量仅占总输入量的4％左右。乳山湾邻近海域底层水体溶解氧低值现象主要受物理过程控制，较高的水体与底泥耗氧速率为低溶解氧的维持提供了基础。
　　(2)2009年夏季乳山湾近海水体溶解有机碳(DOC)含量为0.70～3.19 mg/L，均值为1.80 mg/L; DOC的平均值在7月最高，6月与9月次之，8月最低，2014年8月份DOC的变化范围(1.79～15.2 mg/L)高于2009年同期水平，颗粒有机碳(POC)的变化范围为0.04～1.33 mg/L;水体有机碳的分布受陆源输入、海洋初级生产以及潮汐的共同影响。研究区域夏季颗粒有机碳(POC)的沉降通量为(25±0.8)g/m2，约占初级生产固碳量的66％; DOC在沉积物-水界面存在由沉积物向上覆水释放的现象;乳山湾湾口DOC释放通量为14.4～97 g/(m2·a)，占水体DOC存量的1.1％～13.4％。人类活动一定程度上影响了乳山湾及其近海有机碳的构成与循环收支过程，是区域环境变化的重要驱动因子之一。有机碳的收支结果显示，有超过50％的有机碳会随潮流输送到乳山湾外海，反映了潮流在有机碳输送中巨大作用;沉积物-水界面DOC的交换会影响底界面有机碳的收支与循环过程，海域底界面有机碳的降解所产生的溶解有机碳是水体DOC的重要来源，最终保存在沉积物中的碳其埋藏量约占初级生产的13％。此外，相对较低的溶解氧水平可能会增加DOC的交换通量，影响碳在陆架边缘海的埋藏。
　　(3)夏季乳山湾邻近海域水体DIN和DIP的空间分布均具有明显的差异性，高值基本都出现在湾口区域;水体DIN主要存在形态为NO3-。潮汐潮流对于水体氮磷含量与分布的影响较为明显。上覆水-沉积物界面存在DIN和DIP从沉积物向上覆水扩散的现象，使得底层水体氮磷营养盐浓度高于表层水体。研究区域氮的收支表明，水体内部循环过程是初级生产所需DIN的主要来源，占初级生产总消耗量的86％，其次是水交换作用，占11％，底界面扩散对初级生产的贡献相对较小(3％);水体DIN的移出主要是通过沉积埋藏(80％)、向外海的输送(16％)和水体反硝化作用(4％);沉积的有机氮(ON)仅有6％重新活化进入水体，约70％的ON得以永久埋藏，另有24％的ON进一步矿化。磷的收支表明，水体内部循环过程贡献了初级生产所需DIP的91％，其次是水交换作用(9％)，底界面扩散对初级生产的贡献＜1％;水体DIP的支出主要是通过沉积埋藏(67％)和向外海的输送(33％);沉积的有机磷(OP)约90％得以永久埋藏，另有10％的OP进一步矿化，发生有机磷的早期成岩过程。对比氮和磷的收支结果，可以看出内部循环与缓冲作用是氮和磷获得补充的主要途径，不过外部来源的氮磷营养盐结构与系统内部具有显著的差异，对系统内部营养盐结构具有长远的影响。
　　(4)黄渤海溶解无机氮(DIN）和溶解无机磷(DIP)的含量受水文、河流输入和沉积物界面扩散作用的影响，DIN和DIP均具有秋季高于春季和近岸高于离岸的时空分布特征。DIN的收支计算结果表明，底界面扩散是黄渤海水体DIN的主要来源，其次是大气、周边河流、地下水和东海的输入;黄渤海水体DIN的支出主要是通过沉积埋藏和反硝化过程。DIP的收支计算结果表明，黄渤海水体DIP的主要来源是磷酸盐吸附解吸过程，占外源总输入的91％，底界面扩散和大气输入为其次，河流和地下水的输入贡献相对较小;DIP的支出主要是通过沉积埋藏和向东海的输出。黄渤海每年有11 Gmol的氮在水体积累，并导致其浓度提高约0.6 mol/(L·a)。近些年来陆地向黄渤海输入氮通量的持续增加，加剧了氮营养盐的积累，导致非硅藻类浮游植物比例以及赤潮发生频率和面积显著增加，同时还提高了水体初级生产力和海洋磷的埋藏量，进而加剧了磷限制的趋势，并可能威胁生态系统的稳定。因此，人类活动引起的陆源输入变异对近海生态环境的影响值得进一步研究。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究区域概况

1．1．1 乳山湾外邻近海域

1．1．2 黄海与渤海

1．2 研究进展

1．2．1 影响水体溶解氧的主要过程

1．2．2 海洋有机碳的研究进展

1．2．3 海洋氮、磷营养盐的研究进展

1．3 研究意义、目的与内容

1．3．1 研究意义

1．3．2 研究目的

1．3．3 研究内容

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 采样站位

2．2．2 样品采集与分析

2．2．3 溶解氧收支过程

2．3 结果

2．3．1 水文和化学参数分布特征

2．3．2 溶解氧的分布特征

2．3．3 溶解氧的收支结果

2．4 讨论

2．4．1 溶解氧的时空变化及影响因素

2．4．2 溶解氧的收支过程

2．4．3 与其他低氧区的比较

2．5 结论

第三章 乳山湾邻近海域有机碳的分布与底界面过程

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 采样站位

3．2．2 样品采集与分析

3．2．3 初级生产力与相应的DOC的生产量

3．2．4 界面通量计算

3．2．5 物源分析

3．3 结果

3．3．1 温度、盐度、COD、DO、总氮、总磷和叶绿素a

3．3．2 水体溶解有机碳

3．3．3 颗粒有机碳氮

3．3．4 沉积物中有机碳氮

3．3．5 初级生产

3．3．6 颗粒和沉积有机碳物源分析

3．3．7 沉积物底界面过程

3．4 讨论

3．4．1 海洋水环境变化对溶解有机碳分布和水平的影响

3．4．2 生物生长与溶解有机碳含量变化

3．4．3 与其他海域比较

3．4．4 有机碳底界面过程与收支

3．4．5 与中国东部陆架边缘海碳收支的比较

3．5 结论

第四章 乳山湾邻近海域氮、磷营养盐的分布与收支研究

4．2．1 样品采集与分析

4．2．2 收支计算

4．3 结果与讨论

4．3．1 水体氮的组成与分布

4．3．2 水体磷的组成与分布

4．3．3 水体氮磷营养盐结构

4．3．4 沉积物中氮磷的分布特征

4．3．5 氮磷营养盐收支

4．4 结论

第五章 黄渤海氮磷营养盐的分布、收支与生态环境效应研究

5．1 引言

5．2 材料与方法

5．2．1 样品采集与分析

5．2．2 收支计算

5．3 结果与讨论

5．3．1 水体中营养盐分布

5．3．2 沉积物间隙水中氮磷营养盐的分布特征

5．3．3 黄渤海氮磷营养盐的收支

5．3．4 N与P的历史变化与长期生态效应

5．3．5 氮磷浓度和结构变化对区域碳循环的影响

5．4 结论

第六章 结论

参考文献

硕士期间完成的论文

致谢