河流与河口颗粒物中磷的生物地球化学特征研究

摘要

磷是地球生命系统不可或缺的生命元素之一。作为海洋中磷的主要来源，河流向海洋所输送的磷主要以颗粒态存在。颗粒物本身的许多性质影响着土壤、河流、湖泊、水库、河口以及陆架等环境中磷的形态、含量及分布，其中颗粒物粒径是主要影响因素之一。粒径不但影响着颗粒物这一磷的主要携带者在自然环境中的输运，而且磷在颗粒物中的存在形态与含量也与颗粒物粒径密切相关。对于分粒级技术的研究及在河流、河口中的应用，可以为研究自然界各种媒介中磷的行为特征提供有力的工具。 本文在实验室建立了水淘选颗粒物分级分离方法，该方法最大限度地保持了颗粒物的“原始存在状态”，然后在黄河调水调沙期间及一次流域降雨期间采集了悬浮颗粒物，在长江口采集了悬浮颗粒物、表层沉积物样品，以水淘选颗粒物分级分离方法对上述悬浮颗粒物、沉积物样品按粒径大小进行了分离，并以改进后的SEDEX化学连续提取法对悬浮颗粒物、表层沉积物、分粒级悬浮颗粒物以及分粒级沉积物中各形态磷的含量进行了分析。 主要研究结果如下： (1)依据斯托克斯原理在实验室制作了水淘选分级分离装置，并对分级条件进行了优化，选定100mL/min为装置的工作流量。在选定的工作条件下，水淘选分级分离装置对现场悬浮颗粒物各粒径颗粒物的分离效率在50％-95％之间，分级分离效果较好。 (2)利用水淘选颗粒物分级分离方法对黄河悬浮颗粒物、长江口悬浮颗粒物和长江口表层沉积物按粒径大小进行了分离，分析了不同粒径颗粒物中磷的赋存形态，结果表明不同粒径颗粒物中磷的赋存形态差异较大，可交换态磷、有机磷、自生磷灰石磷以及难分解有机磷在细颗粒物中(如粘土-极细粉砂、细粉砂)含量较高，而碎屑磷则主要存在于粗颗粒物中(如粉砂、砂)。 (3)2005年黄河调水调沙和一次流域降雨期间，在黄河利津站采集了悬浮颗粒物样品，并以改进后的SEDEX化学连续提取法对悬浮颗粒物中磷的赋存形态进行了分析。黄河调水调沙期间，黄河所输送的悬浮颗粒物中碎屑磷含量较高，而流域降雨期间黄河所输送的悬浮颗粒物中含有更多的可交换态磷、有机磷、自生磷灰石磷以及难分解有机磷。调水调沙期间，黄河所输送的悬浮颗粒物主要来源于河床，而流域降雨期间流域土壤则是河流悬浮颗粒物的主要来源。悬浮颗粒物来源的不同，使得黄河所输送的悬浮颗粒物在流域降雨期间含有更多的细颗粒物(如粘土-极细粉砂)和更少的粗颗粒物(如粉砂)，从而使得可交换态磷、有机磷、自生磷灰石磷以及难分解有机磷等在细颗粒物中含量较高的各形态磷，在此期间含量较高。 (4)2007年4月在长江口及毗邻海区进行了现场调查，研究了水体中各形态磷，并对悬浮颗粒物中各赋存形态磷进行了分析。在长江口低盐区(0-5)，随盐度升高悬浮颗粒物中的有机磷含量由7-8μmol/g减小到了3-4μmol/g，而溶解态有机磷和悬浮颗粒物中的可交换态磷则分别由0.34μmol./L和1.15μmol/g增加到了0.61μmol/L和2.61μmol/g，溶解态无机磷浓度变化于1.10-1.30μmol/L之间，高于理论稀释曲线浓度；颗粒态有机磷发生分解，一部分向悬浮颗粒物中可交换态磷转化，另一部分则以溶解态有机磷和溶解态无机磷的形式释放到水体中了。在盐度稍高区域内(6-15)，随盐度升高溶解态有机磷浓度及悬浮颗粒物中的可交换态磷分别由0.61μmol/L和2.61μmol/g减小到了0.10μmol/L和1.05μmol/g，而溶解态无机磷浓度变化于1.20-1.60μmol/L之间，高于理论稀释曲线浓度；部分溶解态有机磷及悬浮颗粒物中的可交换态磷向溶解态无机磷转化了。在位于较高盐度区(20-25)的河口羽状锋，溶解态无机磷浓度变化于0.07-0.23μmol/L之间，明显小于理论稀释曲线浓度，而颗粒物中可交换态磷和有机磷含量平均值分别高达10μmol/g和19μmol/g，是颗粒态磷的主要组成；在这一区域，光照不再是光合作用的限制性因素，大量的浮游植物将溶解态无机磷转化为颗粒态磷，该区域悬浮颗粒物主要由浮游植物组成。 (5)2006年6月在长江口及毗邻海区采集了悬浮颗粒物样品，以水淘选颗粒物分级分离方法对部分悬浮颗粒物按粒径大小进行了分离，并对悬浮颗粒物和分粒级悬浮颗粒物中磷的赋存形态进行了分析。同时，根据长江口淡水端不同粒径悬浮颗粒物中各形态磷含量、悬浮颗粒物含量、悬浮颗粒物粒径分布以及调查期间长江流量，对调查期间长江向河口区所输送的各形态磷通量及其在各粒径颗粒物中的分布进行了估算，并依据颗粒物沉降速度将其划分为“可沉降”和“不可沉降”部分。 结果表明，2006年6月长江通过悬浮颗粒物向河口区所输送的颗粒态磷的通量为45.45×108μmol/s；其中，通过“不可沉降”悬浮颗粒物输送的通量为8.27×108μmol/s，通过“可沉降”悬浮颗粒物输送的通量为37.17× 108μmol/s，即约有18％的颗粒态磷可参与向海洋的输送。长江向河口区所输送的颗粒态磷中，潜在生物可利用磷的通量为13.58×108μmol/s，约占颗粒态磷输送通量的30％，其远大于溶解态无机磷和溶解态有机磷输送通量；其中，通过“不可沉降”颗粒物输送的潜在生物可利用磷的通量为4.24×108μmol/s，通过“可沉降”颗粒物输送的潜在生物可利用磷的通量为9.34×108μmol/s，即约有31％的潜在生物可利用磷可以颗粒态的形式参与向海洋的输送。 (6)2006年6月和2007年4月对长江口及毗邻海区表层沉积物中磷的赋存形态进行了分析。发现在长江口及杭州湾外存在一个条状带，在这一区域内表层沉积物中可交换态磷、有机磷、铁结合态磷、自生磷灰石磷以及难分解有机磷呈现高含量，而碎屑磷在此区域含量则较低，这与沉积物的粒度分布有关。 细颗粒泥沙在此条状带内沉积，构成了长江口外的主要软泥区之一。通过将分粒级沉积物和分粒级悬浮颗粒物中各形态磷含量进行对比分析，估算在长江口颗粒物沉积过程中，约有9-11μmol/g磷由颗粒物中释放出来，其中颗粒态有机磷的分解提供了大约40％，是主要来源；释放出来的磷约有20-30％重新与颗粒物结合从而转化为自生磷灰石磷，剩余的70-80％则会脱离颗粒物释放到水体中。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1磷—生命体的重要组成、学者研究的热点

1.1.1 为什么人们如此关注磷?

1.1.2 岩石圈与土壤圈中磷的研究

1.1.3 海底沉积物—水界面磷的研究

1.2粒径—颗粒物运移以及生源要素输送的重要控制因素

1.2.1 颗粒物输运过程中粒径的重要作用

1.2.2 粒径与生源要素之间的密切关系

1.2.3 颗粒物分级分离方法

1.3颗粒物中磷的赋存形态研究

1.4河流、河口及陆架中磷的研究

1.4.1 河流中磷的研究

1.4.2 河口：溶解态无机磷的源或汇?

1.4.3 河口及陆架中颗粒态磷的研究

1.5本研究的意义和目的、研究思路和内容

1.5.1 研究意义和目的

1.5.2 研究思路和内容

2水淘选颗粒物分级分离方法的建立

2.1材料与方法

2.1.1 仪器与材料

2.1.2 实验方法

2.2结果与讨论

2.2.1 流量对于水淘选法分级效率的影响

2.2.2 水淘选法对于现场悬浮颗粒物样品的分级效率

2.3小结

3不同水文事件中黄河悬浮颗粒物中磷的形态特征变化

3.1研究背景

3.2样品采集及分析方法

3.3结果

3.3.1 水文特性

3.3.2 不同粒径悬浮颗粒物中磷的形态分布特征

3.3.3 (未分级)悬浮颗粒物中各形态磷的分布特征

3.4讨论

3.4.1 颗粒物粒径对各形态磷含量的影响

3.4.2 影响悬浮颗粒物中各形态磷含量的因素

3.4.3 颗粒态磷通量及生物可利用性

3.5小结

4长江口及毗邻海域水体中各形态磷的分布特征

4.1研究区域

4.2样品采集及分析方法

4.2.1 样品采集

4.2.2 SPM、Chl-a、DIP及DOP的测定

4.2.3 按照粒径大小对悬浮颗粒物进行分级分离

4.2.4 颗粒物中磷赋存形态的分析

4.3结果

4.3.1 悬浮颗粒物分布特征

4.3.2 盐度、Do、pH及Chl-a的分布

4.3.3 DIP和DOP的分布

4.3.4 (未分级)悬浮颗粒物中各形态磷的分布特征

4.3.5 不同粒径的悬浮颗粒物中各形态磷的分布特征

4.4讨论

4.4.1 悬浮颗粒物粒径对各形态磷含量的影响

4.4.2 长江口及毗邻海域磷的行为特征

4.4.3 长江向河口区输送的各形态磷通量

4.5小结

5长江口及毗邻海区沉积物中磷的分布特征

5.1材料与方法

5.1.1 样品采集

5.1.2 按照粒径大小对沉积物进行分级分离

5.1.3 分析方法

5.2结果

5.2.1 调查区域沉积物粒度分布特征

5.2.2 沉积物中各形态磷分布特征

5.2.3 不同粒径沉积物中各形态磷分布特征

5.3讨论

5.3.1 影响沉积物中磷赋存形态的因素

5.3.2 磷的沉积通量

5.3.3 河口颗粒物沉积过程中磷的行为特征

5.4小结

结论

论文的创新点

参考文献

攻读博士学位期间完成的论文

致谢