东海特定海区表层沉积物中磷的形态、分布及其环境意义.pdf

东海特定海区表层沉积物中磷的形态 分布及其环境意义 3 3 3国家十五重点基金项目地球圈层相互作用中的深海过程和深海记录 海水与海底的物质能量交换 号和中日合作项目 ∀郑丽波女出生于年月博士研究生 ∞ 2 收稿日期 22 收修改稿日期 22 郑丽波 叶 瑛 周怀阳 王怀照 华东师范大学地理系 上海 浙江大学地球科学系 杭州 国家海洋局第二海洋研究所 杭州 提要 对国家海洋局第二海洋研究所年月调查过程中采集的长江口外东海特定海 区表层沉积物综合运用了∞⁄∞ ≥ 和李悦方法进行了系统的总磷及其磷赋存形态分 析∀把磷分为种赋存形态吸附态铁结合态钙结合态碎屑态和有机态∀同时结合其他 沉积物性质和化学组分以及海水环境特征讨论了磷的地球化学特征及其环境意义∀研究表 明表层沉积物中总磷 有机磷和铁结合态磷ƒ 2的含量主要受控于物质来源吸 附态磷 2与ƒ 2和同属于沉积物中生物可利用磷范畴其在沉积物中的循环主要与 铁氧化物有关钙结合态磷≤ 2主要来源于海洋浮游生物∀ 关键词 东海特定海区表层沉积物磷的分布环境意义 中图分类号 近海海底沉积物中的磷主要来自于河流∀河流携带人类活动产生的含磷物质进入海 洋经过各种物理化学反应及微生物的分解作用污染区域得以不同程度的自净李耀初 等 ∀海洋沉积物一方面是海洋污染物及其他各种物质的归宿另一方面沉积物中 的磷与底层水之间存在着复杂的化学反应和交换平衡磷也可以通过间隙水以及底层水 进入海洋 ∏ 海洋沉积物对水体中的磷有一定吸附和释放作用∀测定沉积物 中磷的不同化学形态及其含量对研究水体中磷的形态动态循环俞志明等以及 在水2沉积物界面的迁移转化和随后的成岩作用等地球化学行为都具有重要意义∀ 1 样品采集与分析方法 111 样品采集 调查研究海区的范围见图 ∀在该海区中设置准东西向条断面 ≤ 每条断面 上布设大面站个共个站位∀ ∞≥点位于绿华山北海域花鸟山附近海域1β 1β∞ 水深为∀作者对∞≥ ≤ ≤和≤站的表层 沉积物磷的种赋存形态进行了研究∀ 第卷 第期 海 洋 与 湖 沼 ∂ 年月≤∞ ∞ ≥ ≤ 图 东海调查区及站点示意图 ƒ 1 ∏ 沉积物样品均使用有根取样管 直径为1 的多管沉积物采集器采 集∀现场对沉积物样品进行了初步观 察照相描述然后进行子样分割∀一 般间隔 取一个样子样分割后 随即进行冷冻保藏运至陆地实验室后 再进行其他处理分析∀ 112 分析方法 在实验中综合运用了≥∞⁄∞方法 ∏ 李悦方法李悦等 ≥ 方法 ετ α λ 以及 ƒ分析法将沉积物中磷的形态分为种提取∀ 总磷 称取1样品研磨烘干于坩埚中在 ε高温下灰化冷却后 转移至聚乙烯瓶加 的≤ 置于振荡台上振荡离心待测∀ 总无机磷 称取1样品研磨烘干于聚乙烯瓶加 的≤ 置 于振荡台上振荡离心待测∀ 吸附态磷 2 称取1样品研磨烘干于聚乙烯瓶加 的 ≤为 置于振荡台上振荡离心待测∀ 铁结合态磷ƒ 2 称取1样品研磨烘干于聚乙烯瓶加 的 1 2 ≤1 置于振荡台上振荡离心待测∀ 钙结合态磷≤ 2 称取1样品研磨烘干于聚乙烯加 的 ≤2≤缓 冲液1 的 ≤ 用≤溶液调为1 置于振荡台上振荡离心待测∀ 碎屑态磷⁄ 2 总无机磷减去吸附态磷铁结合态磷钙结合态磷∀ 有机磷 总磷与无机磷之差∀ 另外沉积物的粒度由激光粒度分析仪测定化学组分由ƒ分析法测定∀ 2 结果和讨论 表列出了调查区几个站位表层沉积物中各形态磷的数据含量的范围为 1 1Λ 与杨光复在 年对长江口区βχ βχ∞ βχ βχ 表层沉积物调查时所获得的沉积物中磷的变化范围相似略低于黄河 口珠江口沉积物中含量表 ∀ƒ 2和在中含量较高 ƒ 2约为 约为1 1 ∀这两种形态磷的含量在各个站位中的变化幅度较大如在 靠近长江口的∞≥点为1Λ 约为≤站位含量1Λ 的倍∀从表列 出的相关分析数据可以看出 与ƒ 2 相关性很好并且显著性水平高置信度分别 在 和 的置信区间内而与 2⁄ 2相关系数虽然也较高但显著性 特希昂 克莱特ƒ 1 射线荧光定量分析原理1冶金部钢铁研究总院 期郑丽波等东海特定海区表层沉积物中磷的形态分布及其环境意义 水平不高可以认为随机性较大∀与ƒ 2有如此好的相关性表明的含量受到 ƒ 2和的控制∀ 表1 调查区部分站位表层沉积物中各形态磷的含量 1 ≤ ∏ ∏ 站 位 Λ Λ 2 Λ ƒ 2 Λ ≤ 2 Λ ⁄ 2 Λ 111111 111111 111111 1111 1111 111111 1111 ≤111111 ≤111111 ≤111111 ∞≥111111 表2 调查区和其他地区的表层沉积物中的ΤΠ含量比较 1 ∏ ∏ 区 域 本次调查区 平均值 珠江口 蓝先洪 滦河口 刘彬昌等 长江口 高善明 长江口 杨光复 Λ 11111 1 13 区域 黄河口 高善明 大陆 南京大学地质系 西太平洋 蓝先洪 Λ 111 3括号中数字为含量变化范围 表3 调查区沉积物中各形态磷及化学成分的相关分析数据 1 ≤ ∏ 成 分 2ƒ 2 ≤ 2⁄ 2 113113 3 11 13111 11 2111111 ƒ 213 3111 11 ≤ 2 1 11 111 ⁄ 2111111 ≤ 111111 131113 3 11 ƒ 11 13 3111 ≥ 111111 13 311 313 3113 3表示显著相关性水平在1水平3 3表示显著相关性在1水平 从和ƒ 2的等值线图图 可以发现它们在地理上有相似的分布规律它 海 洋 与 湖 沼卷 们的含量分布除了在西北角有一小高点之外基本趋势从西或西南面向东减少即 和ƒ 2的含量沿着河口向入海的方向逐渐减少但的变化相对比较复杂∀这种变化 趋势与水体中颗粒态磷的变化也很相似调查区域水体中磷元素浓度总的趋势 图 东海调查区表层沉积物中不同形态磷的等值线图 ƒ 1 ≥ ∏ 1 1ƒ 2 1 1≤ 2 1 2 1⁄ 2 期郑丽波等东海特定海区表层沉积物中磷的形态分布及其环境意义 为西高东低北高南低区域内这种海水中磷浓度的高低变化趋势也正好吻合于表层沉积 物中磷含量的变化趋势∀ 在近岸浅海地区对于 ƒ 2和在地理位置上的这种变化规律研究者们多倾 向于与人文活动有关许金树等 李佑清等 ∀据黄自强等报道在长江 口地区长江冲淡水中含量为外海水的倍左右其浓度从长江河口向外海递减指 示沿江地区的人为污染为的主要来源∀而ƒ 2与水体中ƒ ƒ 的含量紧密相 关受到水体中ƒ的可溶性浓度的控制翁焕新 表层沉积物中ƒ 2的含量可以指 示磷的来源和环境污染程度的标志 ∀因此调查区表层沉积物中和 ƒ 2的含量分布主要与陆源物质排放有关∀但是本区域中磷元素变化并不是简单的物 理稀释比如的变化趋势相对复杂这主要是的来源除了陆源排放还来自海洋浮 游生物 ετ α λ ∀ 在近岸沉积物中与钙结合的磷有不同类型与来源∀ ∏ 与 等 指出钙结合磷应分为两组一组指碎屑磷灰石即⁄ 2 另一组指生物骨骼碎屑碳 酸钙结合磷即自生钙磷∀而本次萃取的≤ 2即是自生钙磷主要来源于上层水体中生物 颗粒的沉积和早期成岩作用形成的氟磷灰石∀但氟磷灰石的形成一般在表层 以下 可以说表层沉积物中≤ 2主要来源于海洋浮游生物∀调查区表层沉积物中的≤ 2在 中含量不高变化范围在1 1 ∀作者认为一方面长江河口带来的大量颗粒物 对河口生物性颗粒物有稀释作用使得调查区沉积物中≤ 2含量低变化不大另一方 面调查区中生物主要为硅质生物钙质生物相对较少∀观察调查区≤ 2的等值线图图 ≤ 2的高含量在调查区中部即在 ≤站位中含量较高离河口最远和最近的≤ 和等站位中则最低这种变化与调查区的初级生产力有很好的耦合性∀两个航次 调查发现调查区初级生产力为中间高两边低以近岸水域最低高低值相差很大∀由于 调查区的沉积作用主要受长江口羽状锋的控制特别在 ≤一带初级生产力明显 高于相邻站位表 可以认为该区域的生物地球化学作用强烈为高生产力的锋区∀调 查区沉积物靠近河口及偏北部含沙量较低但其含沙量与≤ 2并无相关性∀另外≤ 2 与其他形态的磷也不相关甚至与≤亦不相关∀可以说调查区表层沉积物的≤ 2不 受沉积物本身的特性和陆源物质排放的影响只受制于本区域的生物活动∀ 表4 调查区部分站位初级生产力和叶绿素α的数据表1 1 ∏ √ 2α 项 目≤≤≤平均 初级生产力 ≈Λ ≤ 1111111111 叶绿素α Λ 1111111111 朱明远周怀阳乔方利等 1中日东海特定海区河流入海环境负荷及其对海洋生态系统影响项目的研究 报告 沉积物中的 2是活性磷主要源于水生颗粒即沉降颗粒的吸附或生物碎屑的再 生∀调查区表层沉积物中 2含量较低最高值出现在站位为1Λ 最低值出现 海 洋 与 湖 沼卷 在≤站位∀特定区域内表层沉积物的砂含量从东北角和西南或西面向中间增加粉砂和 粘土含量的变化趋势完全相反∀从等值线图图可见沉积物中 2在调查区的中 间站位含量较高调查区的东部含量较低∀ 2与沉积物颗粒度有一定关系这可能是 因为较细的颗粒有较大的比表面积因此吸附磷的可能性越大 2含量也相应变高∀ 但是根据相关分析调查区表层沉积物中 2含量与不相关但与ƒ显著相 关相关系数为1表 ∀这说明调查区表层沉积物中 2的沉淀并非取决于粘土矿 物而是与ƒ 2有关∀ ∏ 等认为氧的渗入程度和铁的循环对磷酸盐的早期 成岩行为特别在沉积物2水界面上十分重要∀ 2的行为可能还与生物活动有关观 察 2和≤ 2的等值线图可以发现它们有一定的相似性∀生产力高的地区生物碎屑 随着颗粒的矿化和有机质的降解相应地在沉积物中表现出较高的 2 ∀ 调查区表层沉积物中 ⁄ 2本次实验所测的⁄ 2主要为碎屑磷灰石和其他无机态 磷占的绝大部分变化范围为1 1 ∀ ⁄ 2在测线上含量较高表 总 体上从东北向西南逐渐减少图 ∀ ⁄ 2含量与水温酸碱度等微环境因子密切相关许 金树等 由于苏北沿岸流黄河流域对调查区东北角影响较大特别是测线上几 个站位这些水系的土质主要以碳酸钙为主其水流把大量溶解性钙带入海洋并在这些 站位沉积下来钙含量相对增加较大而沉积物与上覆水体中的磷酸盐存在着某种平衡关 系这种钙含量的相对增加使得钙的活动性也随之增加表现在沉积物上磷酸钙含量亦 随之增加∀另一方面由南往北的台湾暖流水遇到富含溶解和颗粒态的长江冲淡水和 黄东海混合水随着水温的增高酸碱度增高磷酸钙就沉淀下来了且越往北变化越大∀ 3 沉积物中化学成分对各形态磷含量的影响及其环境意义 在东海特定海区表层沉积物的化学成分中 ≥ ≤等是主要的氧化物组分∀ 表层沉积物中与≥ 和≤的相关系数分别为1 1和1表 ∀尽管 ≤ 2是重要的的形态但与基本不相关这可以进一步推断≤ 2主要来自生物碎 屑∀而与 的相关系数达到1表 对比与≤的不相关性可以推断研究区 主要来自陆源碎屑矿物因为 主要来源于碎屑矿物而≤则为亲生物元素∀ 从表可以看出沉积物中含量与部分重金属元素 ≤≤∏ 的相关系 数分别为1 1 1 1 1 1 相关性非常明显∀不仅如此与磷元素 相关性很好的重金属元素之间的相关性也极好造成此种现象的原因可能是浮游生物对 元素的选择性吸收 ∏ ετ α λ ∀这些生物死后重金属元素和磷元素又以各种形式 重新进入到海水中吸附在悬浮颗粒物表面而后沉积下来∀ 4 结论 根据上述结果和有关的讨论可以得到以下一些认识 411 调查区域内表层沉积物中总磷 有机磷和铁结合态磷ƒ 2的含量沿着 朱明远周怀阳乔方利等 1中日东海特定海区河流入海环境负荷及其对海洋生态系统影响项目的研究 报告 期郑丽波等东海特定海区表层沉积物中磷的形态分布及其环境意义 表5 东海特定海区磷与部分重金属元素的相关分析数据 1 元 素≤∏≤ ≥≠ 113 313 313 313 313 3 13 313 313 313 3 ≤∏113 313 313 313 3 13 313 313 31 ≤113 313 313 3 13 313 313 313 3 113 313 3 13 313 313 313 3 113 3 13 313 313 31 1 13 313 313 3 13 ≥1 13 3 13 3 1 ≠113 31 11 1 3表示显著相关性在1水平3 3表示显著相关性在1水平 河口向入海的方向逐渐减少变化趋势对应于水体中磷的浓度∀但是调查区中磷元素变 化并不是简单的物理稀释其他如沉积环境生物活动对各种形态的磷含量与分布有很大 影响∀ 412 表层沉积物中钙结合态磷≤ 2主要来源于海洋浮游生物不受沉积物本身的特性 和陆源物质排放的影响只受制于本区域的生物活动∀ 413 调查区表层沉积物中的碎屑态磷 2的沉淀并非取决于粘土矿物而是与铁氧化 物有关可能还与生物活动有关∀ 414 表层沉积物中影响碎屑态磷含量的因素主要为物质来源和环境因子∀ 415 磷与≤∏≤ 等元素呈现出正相关性是因为这些重金属元素与磷一起 沉积形成的∀ 参 考 文 献 李 悦乌大年薛永先1沉积物中不同形态磷提取方法的改进及其环境地球化学意义1海洋环境科学 李佑清张文漫 1武汉东湖底泥中磷的形态组成研究1环境科学与技术 李耀初李适宇周劲风等1星湖水动力条件及水质模型的研究 1水动力条件与水环境质量调查1海洋与湖沼 刘彬昌吕成功周希林等 1现代滦河口沉积化学特征1海洋学报 许金树李亮歌1台湾海峡中北部沉积物中磷的存在形态1海洋与湖沼 杨光复 1三峡工程对长江口区沉积结构及地球化学特征的影响1海洋科学集刊三峡工程对长江口区生态与环 境影响调查研究专辑1北京科学出版社 南京大学地质系编 1地球化学1北京科学出版社 周福根 1滦河口沉积物中元素的分布和环境的关系1海洋学报 俞志明宋秀贤1一种海洋环境中易被忽略的磷化合物 磷化氢1海洋与湖沼 高善明主编 1黄河三角洲形成和沉积环境1北京科学出版社 翁焕新 1河流沉积物中的磷的结合状态及其环境地球化学意义1科学通报 海 洋 与 湖 沼卷 黄自强暨卫东 1长江口水中总磷有机磷磷酸盐的变化特征及相互关系1海洋学报 蓝先洪 1珠江口沉积物的地球化学研究1张经主编中国主要河口的生物地球化学研究 化学物质的迁移与 环境1北京海洋出版社 薛雄志洪华生1香港维多利亚港沉积物中 活力与各形态磷及微生物特性的关系1海洋学报 ≤ ≥ ≠ 1 2 ∏ 1 ∏ 1 ⁄ ∏ 2 √ 1 ∏ ≤ ∞ ⁄ ετ α λ1 ∏ ∏ 1 ≤ ≥ ≤ 1 ≠ ≥ ∂ 1 ƒ ∏ ∏ 1 ∏ ≥ ≥ ƒ ≥ ƒ 5 ετ α λ1 ∏ ∏ ⁄ 1 ∏ ≤ ετ α λ1 ∏ 1 ≤ 2 ∏ ≤ 1 ⁄ √ ∏ ∏ 1 ∏ ∏ ≤ ετ α λ1 ≥ ∏ ≤ ⁄⁄ ≥ ∞ ≤ ≥ 1 ∏ ∏ 1 ƒ 2≤ ≤ 2 √≥ ∏ ∞√ ∞√ ∏ √ ∞ ∞ ∞ ≤ ≥ 1 ∆ΙΣΤΡΙΒΥΤΙΟΝ ΟΦ ∆ΙΦΦΕΡΕΝΤ ΦΟΡ ΜΣ ΟΦ ΠΗΟΣΠΗΟΡΥΣ ΙΝ ΣΕΑΒΕ∆ ΣΕ∆ΙΜΕΝΤΣ ΦΡ ΟΜ ΕΑΣΤ ΧΗΙΝΑ ΣΕΑ ΑΝ∆ ΙΤΣ ΕΝςΙΡ ΟΝΜΕΝΤΑΛ ΣΙΓΝΙΦ ΙΧΑΝΧΕ ∞ 2≠∞ ≠ ∏ 2≠ ∏ 2 Γεογραπηιχα λ ∆επαρ τεντ, Εασ τ Χ ηινα Νορα λ Υνιϖ ερ σ ιτψ, ∆επαρ τεντ οφ Εαρ τη Σχ ιενχε , Ζηεϕ ιανγ Υνιϖ ερ σ ιτψ, Ηανγζηου Σεχονδ ινσ τ ιτυτε οφ Οχεανογραπηψ, Στα τε Οχεαν Αδινισ τρα τ ιον , Ηανγζηου , Αβσ τραχτ ∏ ∏ √ ≤ √ ∏ ∞ ≤ ≥ ∏ ∏ ≤ √ 1 ∏ ∏ ≥∞⁄∞ ≥ ƒ ∏ 1 √ ∏ 2 ∏ 2 2 2 ∏ ƒ 2 2 ∏ ∏ 2 ∏ ≤ 2 ∏ 2 ∏ ⁄ 21 ∏ ∏ 1 ∏ √ 1 1Λ ∏ √ ƒ 2. ∏ 1 ƒ 2 ∏ ∏ √ 1 ƒ 2 ∏ ∏ ∏ ∏ 2 ∏ √ ∏ 1 ƒ 2 ∏ 2 ∏ ∏ √ ∏ 1 √ ∏ 期郑丽波等东海特定海区表层沉积物中磷的形态分布及其环境意义 √ ∏ ∏ 1 ≤ 2 ∏ ∏ ∏ ≤ ≤2 √1 ∏ ∏ ≤ 2 ≤ ∏ 2 √ ∏ √ 2 1 ≤ 2 ∏ ∏ ∏ 1 √ ∏ 2 ∏