黄东海沉积物中还原无机硫的形态特征及影响因素研究

摘要

陆架海沉积物是有机质沉积和矿化的重要场所，也是早期成岩过程中能量转化和物质循环的重要载体。在有机质的早期成岩过程中，硫酸盐还原作用极为重要。据估计，硫酸盐还原对有机质矿化的贡献高达50％。陆架沉积环境也是硫铁矿形成和埋藏的重要场所。硫和铁的早期成岩直接影响海洋沉积物中C、P以及微量元素的循环，具有重要的地球化学意义。另外，养殖结构的不同也会影响硫化物的分布。反之，当硫化物积累到一定程度时，也会对养殖环境产生危害。
　　本论文通过对黄东海以及桑沟湾沉积物中还原无机硫的形态特征及影响因素进行研究，得出以下结论:
　　1.黄海、东海以及桑沟湾沉积物中酸可挥发性硫(AVS)的含量范围分别为0.01-17.14μmol/g，0.01-25.02μmol/g和0.20-12.56μmol/g。其垂直分布表现为表层含量较低，随深度的增加呈现先增加后降低的趋势，并在5-20 cm之间出现峰值。东海T10站的AVS含量极低，可能与砂质沉积有关。T02站的AVS含量随深度的增加而增加，并没有出现峰值，这可能是因为采样深度较浅所致。三个区域元素硫(ES)的含量范围分别为0.02-44.40μmol/g，0.14-27.75μmol/g和0.16-1.10μmol/g。其在上层10 cm含量较低，之后随深度的增加而增加。桑沟湾ES的整体水平较低，特别是在湾口区。三个区域黄铁矿硫（pyrite-S）的含量范围分别为0.61-113.1μmol/g，0.61-93.95μmol/g和0.57-51.52μmol/g。大部分站位上层5 cm的pyrite-S含量较低，然后随深度的增加而增加。黄海、东海以及桑沟湾各站沉积物中pyrite-S含量占总还原无机硫(AVS+pyrite-S+ES)的比例分别为16.1-99.0％，22.0-97.7％和58.2-96.9％，其平均值分别为72.5％，64.7％和85.0％，是沉积物中还原无机硫的主要形态。桑沟湾邻近的LDH和Wetland站的AVS含量较高，分别为264.72和191.64μmol/g，且这两个站的ES与pyrite-S之间存在明显的正相关性（r=0.84，p＜0.05; n=37），表明pyrite-S的形成是以多硫化物途径进行。
　　2.黄海、东海以及桑沟湾大部分站位AVS/pyrite-S的比值小于0.3，反映了AVS可以有效转化为pyrite-S。东海的P01，T06，38以及35站的AVS/pyrite-S比值在30 cm和10 cm之间呈现连续增加的特征，指示了在此期间沉积环境向强还原环境或者向频繁发生的低氧或者厌氧环境的转变。而桑沟湾的ST1站（5 cm以下）和Wetland站由于缺乏ES，从而不利于AVS向pyrite-S的转化。
　　3.黄海、东海以及桑沟湾沉积物中活性铁的含量范围分别为11.44-175.50μmol/g，14.98-260.71μmol/g和17.79-148.26μmol/g，其平均值分别为71.78μmol/g，100.38μmol/g和56.46±21.26μmol/g。大部分站位的活性铁含量高于黄铁矿铁(Fepy)，且其黄铁矿化度(DOP)小于0.6，反映了活性铁含量不会限制黄铁矿的形成。表层沉积物的DOP较低(＜0.2)，低于正常海洋沉积物，但活性铁的含量远高于黄铁矿铁(Fepy)，并且在采样深度范围内硫酸盐含量没有明显亏损，表明黄铁矿形成的限制因素不是活性铁含量，而是硫化物，从本质上讲是活性有机质的量。虽然黄海的C02和A08站的活性铁含量较低，但pyrite-S的形成并没有受到活性铁含量的限制，说明这两个站的黄铁矿形成也受到硫化物含量的限制。A04站的活性铁含量随深度的增加下降幅度高达84.2％，在20 cm以下，其DOP值高于0.65，反映了该站底层较低的活性铁含量会限制pyrite-S的形成。另外，与桑沟湾相邻的LDH以及Wetland站的活性铁含量范围为20.80-197.86μmol/g，其含量在上层15 cm随深度的增加而下降，之后则呈现逐渐增加的趋势。LDH站的DOP随深度的增加而增加，并且从7 cm开始已高于0.65，表明该站黄铁矿的形成会受到活性铁含量的限制。这可能是因为该站底部较高的硫酸盐还原速率所致。
　　4.黄海、东海以及桑沟湾沉积物孔隙水中的硫酸盐含量较高，随深度的增加没有明显的降低。与桑沟湾相邻的LDH和Wetland站的硫酸盐含量虽然较低，但没有限制硫酸盐还原。黄海、东海孔隙水硫酸盐的扩散通量范围分别为0.05-0.57mmol/m2/d和0.10-0.48 mmol/m2/d，并且随离岸距离的增加呈现下降的趋势。东海孔隙水硫酸盐的扩散通量同样受硫酸盐还原速率的影响。黄海、东海沉积物的硫酸盐还原速率（SRR）范围分别为1.06-8.85μM/d和2.00-40.60μM/d，并随深度的增加呈现指数下降的趋势。另外，SRR随着TOC含量的增加而增加。黄海、东海沉积物上层28 cm的硫酸盐还原的积分速率范围分别为0.36-0.94mmol/m2/d和0.91-4.34 mmol/m2/d，硫酸盐还原对有机质矿化的贡献分别为12.8-42.7％和36.8-60.2％，表明了硫酸盐还原是黄东海沉积物中有机质矿化的重要途径。桑沟湾沉积物的SRR为1.89 mmol/m2/d，其对有机质矿化的贡献为42.1％，Wetland站的SRR为3.22 mmol/m2/d，其对有机质矿化的贡献为20.7％。
　　5.桑沟湾沉积物中的还原无机硫含量和近底层海水溶解氧呈现明显的负相关性，但与有机质含量呈现正相关性，且还原无机硫也受到了不同养殖类型的影响。扇贝单养区以及扇贝与海带混养区的有机质含量高于海带养殖区，导致了扇贝单养区以及扇贝与海带混养区的还原无机硫含量较高。与牡蛎单养区相比，扇贝与海带混养区较低的有机质及还原无机硫含量显示了混养模式的环境优越性。总之，多年的养殖并没有对桑沟湾的硫化物积累以及底栖环境产生明显的影响。

目录

声明

摘要

0．前言

1．文献综述

1．1 海洋沉积物中硫的生物地球化学循环意义

1．2 海洋沉积物中还原无机硫的研究现状

1．2．1 海洋沉积物中的酸可挥发性硫

1．2．2 海洋沉积物中的黄铁矿硫

1．2．3 海洋沉积物中的元素硫

1．3 沉积物中硫酸盐还原速率的研究

1．4 黄东海沉积物中硫化物的研究现状

1．5 国内对其它沉积环境中硫化物的研究现状

1．6 本论文的研究意义及主要研究内容

1．6．1 研究意义

1．6．2 主要研究内容

2．研究区域概况、采样和分析方法

2．1 研究区域概况

2．1．1 黄海概况

2．1．2 东海概况

2．1．3 桑沟湾概况

2．2 采样与分析方法

2．2．1 样品采集

2．2．2 分析方法

2．3 数据统计分析

3．黄海沉积物中还原无机硫的形态特征及影响因素研究

3．1 结果

3．1．1 有机质、TOC含量及其垂直分布

3．1．2 黄海沉积物孔隙水中的硫酸盐

3．1．3 黄海沉积物的硫酸盐还原速率

3．1．4 黄海沉积物中的活性铁含量

3．1．5 黄海沉积物中还原无机硫的垂直分布

3．2 讨论

3．2．1 影响硫化物分布的因素

3．2．2 硫酸盐还原及其对有机质矿化的贡献

3．2．3 孔隙水硫酸盐的扩散通量

3．2．4 AVS／pyrite-S比值的意义

3．3 小结

4．东海沉积物中还原无机硫的形态特征及影响因素研究

4．1 结果

4．1．1 有机质、TOC含量及其垂直分布

4．1．2 东海沉积物孔隙水中的硫酸盐

4．1．3 东海沉积物的硫酸盐还原速率

4．1．4 东海沉积物中的活性铁含量

4．1．5 东海沉积物中还原无机硫的垂直分布

4．2 讨论

4．2．1 影响硫化物分布的因素

4．2．2 硫酸盐还原及其对有机质矿化的贡献

4．2．3 孔隙水硫酸盐的扩散通量

4．2．4 AVS／pyrite-S比值的意义

4．3 小结

5．桑沟湾养殖区沉积物中还原无机硫的形态特征及影响因素研究

5．1 引言

5．2 结果

5．2．1 近底层水的理化参数

5．2．2 沉积物中的有机质及有机碳含量

5．2．3 孔隙水中的硫酸盐

5．2．4 沉积物中活性铁的分布

5．2．5 沉积物中硫化物的分布

5．3 讨论

5．3．1 影响硫化物分布的因素

5．3．2 养殖活动对硫化物的积累以及底栖环境的影响

5．4 小结

6．论文的主要结论及创新点

6．1 主要结论

6．2 研究特色与创新

6．3 存在问题与今后的研究方向

参考文献

致谢

个人简历

发表的学术论文