崇明东滩沉积物腐殖酸与重金属生物地球化学研究

摘要

河口地区咸淡水混合作用、海洋潮汐动力等作用使大量沉积物在河口地区沉积，形成典型的河口湿地。潮滩沉积物主要受水动力(波浪、潮流)、物理化学过程(来源、絮凝、沉降、氧化.还原反应)和生物过程(排泄物、生物扰动)所控制。在自然界中，氧化环境与还原环境的交界区域具有重要的地球化学意义，可以成为许多元素的富集地。在沉积物早期成岩过程中，许多重金属元素往往伴随氧化还原敏感元素Fe、Mn发生沉积后的再迁移，并通过Fe、Mn的氧化还原循环在氧化还原边界层形成富集，重金属元素在沉积物中的分布是受铁锰循环控制的。而在沉积物早期成岩过程中，有机质的矿化是沉积物中重金属迁移转化的主要驱动力，有机质矿化会改变沉积环境的物理化学条件，使各种物质发生转化、迁移和再分配，并导致沉积物与上覆水之间发生物质交换。腐殖化过程是有机质矿化过程中一个很重要的过程，腐殖质是腐殖化过程的重要产物。而腐殖酸是腐殖质很重要的一个组成部分，腐殖酸能强烈结合环境中的重金属，对重金属在环境中的迁移转化具有重要影响。腐殖酸本身还具有特殊的氧化还原效应，关于腐殖酸对沉积物中重金属迁移转化的影响具有重要的研究意义。 环境中各种金属离子的迁移及其在沉积物中的富集成岩与腐殖酸对金属离子的络合、吸附作用有关。在河口地区沉积物中，大多数金属离子的螯合物是和腐殖酸结合的形态。腐殖酸与金属离子的相互作用，对金属离子的生物地球化学行为有重要的影响，对于沉积物养分的保蓄、良好结构的形成、酸碱度调节、水土保持以及沉积物和水环境中有害有毒物质的降解或清除、植物元素营养平衡，乃至整个沉积物和水生生态系统的结构、功能等方面都起着至关重要的调节作用。 本文是在上海市科委重大项目：“崇明东滩国际重要湿地的监测、维护和修复技术体系”的支持下开展的研究工作，于2007年1月、4月、7月、9月分别采集春、夏、秋、冬四季高、中、低潮滩柱状沉积物，并对样品进行了有机质(包括总有机质及其中的总腐殖酸，包括胡敏酸和富里酸)、金属元素总量(包括重金属元素Mn、Cu、Zn、Pb、Cr，常量金属元素Fe、Al，及微量元素Rb、Zr、Sr)、总S、总Si以及生物可利用态重金属Cu、Mn、Zn、Fe、Cr等的测定，分析了潮滩不同地貌部位重金属迁移转化的影响因素，以及腐殖酸及其各组成部分在沉积物中的分布累积特征及其对沉积物中重金属迁移转化的影响，并分析了Zr作为地球化学标记层来反映潮滩冲淤变化的可行性。主要得出以下结论： 1 低、中、高潮滩沉积物影响重金属元素迁移转化的主导因素：低潮滩沉积物中重金属迁移转化主要受沉积物粒度组成、物源和水动力作用的影响。而中潮滩和高潮滩沉积物中重金属的分布受沉积物粒度组成、物源、早期成岩作用中沉积后的再迁移作用以及腐殖酸的共同作用。 2 Zr在沉积物中的富集可以作为地球化学标记层反映潮滩冲淤变化。崇明东滩冬季和春季以淤积作用为主，夏季和秋季以冲刷作用为主，季节冲淤变化深度为10cm左右。 3 生物可利用态重金属的时空分布特征：在垂岸方向上的分布规律为中潮滩>高潮滩>低潮滩。生物可利用态重金属表现出较为一致的垂向分布特征，并与总量的垂向分布特征较为一致。 4 腐殖酸的时空分布特征：潮滩表层沉积物有机质(包括腐殖酸、胡敏酸和富里酸)含量的最大值出现在春季或冬季，最小值均出现在夏季，垂岸方向上最大值出现在中潮滩。中潮滩和高潮滩表层胡敏酸与富里酸的季节变化表现出相反的分布趋势。有机质，包括总有机质、总腐殖酸(包括胡敏酸和富里酸)的含量在低潮滩整体上随深度增加而减少，高潮滩整体上随深度增加而增加。中潮滩腐殖酸随深度的分布规律与总有机质的分布规律表现出较强的一致性，春季和夏季与秋季和冬季表现出相反的垂向分布特征。中潮滩胡敏酸的分布主要受生物表层聚集作用的影响，表层含量较高，而富里酸由于其较强的迁移能力，其统一剖面的最大值基本上不是出现在表层，而是在表层以下一定深度。 5 腐殖酸与重金属的相互作用在中潮滩达到最大值。腐殖酸与生物可利用态重金属间的相关性春季均很低，夏季、秋季和冬季均很高。 6 腐殖酸的不同降解产物胡敏酸和富里酸对沉积物中重金属总量的影响：富里酸由于其迁移能力较强，将促进沉积物中重金属的溶解迁移，降低重金属在某一深度的含量；而胡敏酸具有较强的络合金属离子的能力，与金属离子形成稳定的络合物，会促进重金属在某一深度的富集。 7 中潮滩和高潮滩生物可利用态重金属的垂向分布受铁锰循环、胡敏酸和富里酸的共同影响。中潮滩富里酸对沉积物中重金属的分布起主导作用，胡敏酸和富里酸在沉积物中某一深度的峰值通常与生物可利用态重金属的低含量相对应，对生物可利用态重金属在沉积物中的累积起抑制作用。而高潮滩富里酸在某一深度的高含量会降低金属的生物可利用性，而胡敏酸以和铁锰氧化物形成复合胶体，从而促进铁锰氧化物对重金属的吸附，提高金属的生物可利用性为主。整体而言，胡敏酸对高潮滩沉积物中重金属的影响较强。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1潮滩沉积物中腐殖酸和重金属的研究意义

1.2国内外腐殖酸和重金属关系研究进展

1.2.1腐殖酸与重金属之间的相互作用

1.2.2影响腐殖酸与重金属相互作用的因素

1.2.3腐殖酸与重金属相互作用的机制

1.3沉积物中生物可利用态重金属研究进展

1.4存在的问题及展望

1.5论文研究目的和工作内容

第二章研究区域概况

2.1研究区域概况

2.2采样断面设置及主要采样断面概况

第三章样品的采集与实验方法

3.1样品采集与预处理

3.2样品分析方法及测定

3.2.1沉积物总有机质的测定

3.2.2腐殖酸及胡敏酸的测定方法

3.2.3重金属总量的测定

3.2.4生物可利用态重金属的提取及测定方法

3.3数据的处理

第四章重金属总量的分布特征

4.1金属元素的含量水平

4.2表层沉积物重金属的季节变化

4.3柱状沉积物中重金属的分布

4.3.1重金属主成分分析

4.3.2重金属的垂向分布

4.4小结

第五章生物可利用态重金属的分布特征

5.1表层沉积物中重金属的分布特征

5.1.1表层沉积物中生物可利用态重金属的含量水平

5.1.2表层沉积物重金属生物可利用态的垂岸分布

5.1.3表层沉积物生物可利用态重金属的季节变化

5.2沉积物中重金属生物可利用态的垂直分布

5.2.1低潮滩沉积物中重金属生物可利用态的垂向分布特征

5.2.2中潮滩沉积物中重金属生物可利用态的垂向分布特征

5.2.3高潮滩沉积物中重金属生物可利用态的垂向分布特征

5.3小结

第六章 有机质的分布特征

6.1总有机质的分布特征

6.1.1表层沉积物总有机质的分布特征

6.1.2柱状沉积物有机质的分布特征

6.2沉积物腐殖酸的分布特征

6.2.1总腐殖酸的分布特征

6.2.2胡敏酸和富里酸的分布特征

6.3小结

第七章有机质对重金属的影响机制探讨

7.1总有机质对重金属的影响探讨

7.2总腐殖酸对重金属的影响

7.2.1总腐殖酸对重金属总量的影响

7.2.2总腐殖酸对生物可利用态重金属的影响

7.3胡敏酸和富里酸对沉积物中重金属的影响

7.3.1胡敏酸和富里酸对沉积物中重金属总量的影响

7.3.2胡敏酸和富里酸对沉积物中生物可利用态重金属的影响

7.4小结

第八章结语

参考文献

致谢