环境海洋学化学部分答案.doc

一名词解释1.常量元素：即海水的主要的成分。除组成水的H和O外，溶解组分的含量大于1mg/kg的仅有11种，包括Na+、Mg2+、Ca2+、K+和Sr2+五种阳离子，Cl-、SO42-、CO32-（HCO3-）、Br-和F-五种阴离子，以及H3BO3分子。这些成分占海水中总盐分的99.9%，所以称主要成分。2.营养元素：主要是与海洋生物生长有关的一些元素，通常是指N、P和Si。3.主要成分恒比定律：尽管各大洋各海区海水的含盐量可能不同，但海水主要溶解成分的含量间有恒定的比值，这就是海水主要成分的恒比定律，也称为Marcet-Dittmar恒比定律。4.元素的保守性：海水中物质的浓度只能被物理过程（蒸发和降水稀释）而不被生物和化学过程所改变。5.海水的碱度：在温度为20时，1L海水中弱酸阴离子全部被释放时所需要氢离子的毫摩尔数6.碳酸碱度：由CO32-和HCO3-所形成的碱度7.硼酸碱度：由B(OH)4-所形成的碱度8.海洋低氧现象：对水生生物的生理或行为，如生长速率、繁殖能力、多样性、死亡等产生有害影响的氧环境。通常把溶解氧浓度不大于2mg/L作为缺氧判断临界值。9.悬浮颗粒物：简称“悬浮物”，亦称“悬浮体”、“悬浮固体”或“悬浮胶体”，是能在海水中悬浮相当长时间的固体颗粒，包括有机和无机两大部分。10.硝酸盐的还原作用：NO3-被细菌作用还原为NO2-，并进一步转化为NH3或NH4+的过程11.反硝化作用：NO3-在某些脱氮细菌的作用下，还原为N2或NO2的过程12.海洋生物固氮作用：通过海-气界面交换进入海水中的溶解N2，在海洋中某些细菌和蓝藻的作用下还原为NH3、NH4+或有机氮化合物的过程。13.Redfield比值：海洋漂游生物对营养盐的吸收一般按照C：N：P=106：16:1进行，这一比例关系常被称为Redfield比值。14.营养盐限制：营养盐比例不平衡会导致浮游植物生长受制于某一相对不足的营养盐，通常被称为营养盐限制。15.氮限制海区：一个海区含氮营养盐含量相对不足，导致浮游植物生长受制于氮营养盐。16.磷限制海区：一个海区含磷营养盐含量相对不足，导致浮游植物生长受制于磷营养盐。17.海水的络合容量：每升海水样品络合所加入的金属（通常用Cu2+）的物质的量。18.分子标志物：在分子水平上的生物标志物，用于测定污染物的暴露水平，也可测定污染物效应的生理和生化指标。19.海洋腐殖质：是海洋生物的代谢产物，死亡后残留物的简单成分或分解作用的中间产物。20.河口区的絮凝作用：在河口区,水中的物质颗粒由于化学因素和静电的作用而产生的絮凝和沉降现象。21.海洋生物泵：由有机物生产、消费、传递、沉降和分解等一系列生物学过程构成的碳从表层向深层的转移，就称为生物泵。22.海洋酸化：是由于海洋从大气中吸收人类活动释放的过量CO2引起的海水pH降低。23.沉积物间隙水：指占据海底沉积物颗粒之间及岩石颗粒之间孔隙的水溶液，也称孔隙水24.沉积物上覆水：一般指海底沉积物上一定厚度层海水25.海洋富营养化：水体由于营养物质的过量积累，造成藻类的大量繁殖，导致水质恶化的过程。26.潜在性富营养化现象：二问答题1.海水化学组成有什么特点？海水的组成为什么有恒定性？答：海水化学组成的特点：(1)海水中常量元素占总量的99%以上； (2)海水是电中性的；(3)海水中主要元素组成之比值大体上恒定不变；(4)海水的pH是8.2左右。海水组成有恒定性的原因：(1)海水常量成分恒定性原理海水的总含盐量或盐度是可变的，但常量成分浓度之间的比值几乎保持恒定；(2)海水常量成分恒定性成因：混合作用：大洋海水通过环流、潮流、垂直流等运动，连续不断地进行混合；体积巨大：海水体积极大，它所拥有的多种成分的总量也十分巨大，外界的影响（如大陆径流）很难使其相对组成发生明显的变化。即使海水的蒸发以及大气降水，也只能使海水的浓度在局部区域增加或减少，但对于主要成分相对比例的影响是极微小的。2.海水的pH一般是多少？海洋中pH变化与海洋生物的生命活动有什么关系？答：(1)海水的pH一般在8.1左右。(2)pH变化与海洋生物的生命活动的关系：在真光层中，当浮游植物光合作用旺盛时，吸收大量CO2，可以使得水体中pH升高；在深层水中，由于沉降的生物有机物不断分解，CO2浓度不断增加，因此pH降低；并且由于上层水体不断向深层水中输送CO2，随大洋环流，自北大西洋向太平洋深层水的pH不断降低。海水的缓冲特性，使其pH变化较小，从而有利于海洋生物的生长。3.影响气体在海水中溶解度的因素有哪些？答：(1)气体的本性；(2)压力；(3)温度；(4)盐度。4.什么是化学耗氧量？海水的化学耗氧量应采取什么方法测定？答：(1)化学耗氧量：水体中易被强氧化剂氧化的还原物质所消耗氧化剂折算成氧的量。(2)测定方法：由于海水介质中有机物含量不高，氯离子含量高，海水化学耗氧量的测试方法选用碱性高锰酸钾法。5.海洋中氮的循环包括哪些过程？答：海洋中不同形式的氮化合物，在海洋生物，特别是某些特殊微生物的作用下，经历着一系列复杂的转化过程，这些过程包括：(1)生物固氮作用：分子态氮（N2）在海洋某些细菌和蓝藻的作用下还原为NH3，NH4+或有机氮化合物的过程；(2)氮的同化作用：NH4+或NH3被生物体吸收合成有机氮化合物，构成生物体一部分的过程；(3)硝化作用：在某些微生物类群的作用下，NH3或NH4+氧化为NO3-或NO2-的过程；(4)硝酸盐的还原作用：被生物摄取的NO3-被还原为生物体内有机氮化合物的过程；(5)氨化作用：有机氮化合物经微生物分解产生NH3或NH4+的过程；(6)反硝化作用：NO3-在某些脱氮细菌的作用下，还原为气态氨化合物（N2或N2O）的过程。6.简述海水中营养盐的分布特征？答：(1)氮：海水中NO3-水平分布是河口近岸高于外海；在大洋水中其含量一般随纬度增加而增加，此外，太平洋、印度洋高于大西洋；在铅直分布上随着深度增加而增加。NH4+的水平分布是近岸高于远岸，一般在远离大陆的海区，其含量很低且平均；铅直分布为在近岸为表层低、底层高，在远岸则呈现表层较高，随深度增加而减少。NO2-在水平分布上因海区不同而不同；在铅直分布上，从有氧环境向缺氧环境转变的过渡带，含量可大于2mol/L，在浅水区域内，海底附近也可以存在，但在一般海区的深层，则很少。(2)磷：水中PO43-的分布为太平洋、印度洋含量高于大西洋；河口和封闭海区、沿岸水和上升流区含量较高，外海低；高纬度比低纬度高；在河口及近岸浅海区，垂直方向分布比较均匀，而在深海和大洋中表层含量较低，有明显分层，近海水域含量一般冬季较高，夏季较低。(3)硅：总的来说，硅酸盐含量随深度的增加而增加，但无明显的最大值，但在深海盆地和海沟水域中，硅酸盐含量都很高，垂直分布往往出现最大值，此最大值可能处于颗粒态硅胶被溶解的主要水层中。7.海水中有机物对海水的性质有何影响？答：(1)对水色的影响；有机物被无机悬浮物吸附后，增加了悬浮物的稳定性，从而影响海水颜色和透明度。(2)对海气交换的影响；有的有机物具有促使微表层起泡沫的性能，降低海气交换速度。(3)对多价金属离子的络合作用；溶解有机物中氨基酸腐殖质等含有多种活性官能团，能与金属离子发生络合，降低一些有毒金属离子的毒性等等。(4)改变一些成分在海水中的溶解度；例如有机物与一些离子形成络合溶解物，从而增加难溶盐溶解度等。(5)对生物过程和化学过程的影响；例如有机物的氧化还原作用，影响海水的氧化还原电位，从而影响海洋中的生物化学过程。(6)对海洋生物生理过程的影响；有些有机物质的含量对生物的生长有促进或印制抑制作用。8.海洋有机物的含量常以哪个参数表达？按照分离操作方式的不同可分为几种形式？答：(1)海洋有机物的含量常以化学耗氧量和生物耗氧量这两个参数表达。(2)按照分离操作方式的不同可分为：9.海洋放射性核素污染有哪些来源？迁移途径是怎样的？答：来源：(1)核武器在大气层和水下爆炸使大量放射性核素进入海洋；(2)核工厂向海洋排放低水平放射性废物；(3)向海底投放放射性废物；(4)放射性核素的应用和事故；(5)核动力舰艇在海上航行也有少量放射性废物泄入海中。迁移途径：海流是转移放射性物质的主要动力。风能影响放射性物质在海中的侧向运动。离子态核素通过水体的垂直运动，被颗粒吸着，与有机或无机物质凝聚、絮凝，或通过累积了核素的生物的排粪、蜕皮、产卵、铅直移动等途径才能较快地沉降于海洋的底部。沉积物对大多数核素有很强的吸着能力，其富集系数因沉积物的组成、粒径、环境条件有较大的差异。海流、波浪和底栖生物还可以使沉积物吸着的核素解吸，重新进入水体中，造成二次污染。10.河海界面的主要特点有哪些？河水和海水主要成分的差别是什么？答：河海界面的特点：(1)与绵延数千千米的陆地和浩瀚万里的大洋相比，河海界面是一个狭窄的区域，从几十到几百千米不等；界面的宽度主要与区域的地形地貌和河流规模相关；(2)河海界面具有物理、化学和生物过程快速变化的特征；(3)河海界面生态系统同时具有陆地生态系统和海洋生态系统的特征，并且存在一个由陆地向海的渐变过程；这一区域的生态系统最为复杂和敏感；(4)河海界面是一个深受人类活动影响的区域，包括废水排放、航运、海岸工程、水产养殖和溢油等。河水和海水的主要成分的差别：淡水和海水的组成成分存在显著差异。河水中通常含有较高的铁、铝、磷、氮、硅和溶解有机物，而海水中含量较高的是钠、镁、钙、钾、氯和硫酸根离子等。河水中含量最高的阴、阳离子分别是碳酸氢根离子和钙离子，海水中则分别是氯离子和钠离子。11.物质在河海界面的混合过程有哪些类型？试举例说明？答：物质在河海界面的混合过程可分为保守型混合和非保守性混合。保守型混合仅发生了简单的稀释过程，通常以盐度或氯度作为保守型混合的参照物质；非保守性混合指的是元素相对于简单的混合过程发生了亏损或添加。非保守型混合过程缘于溶质和颗粒物的相互作用，主要通过吸附和解吸作用。12.影响海气界面气体交换的因素有哪些？答：(1)温度的影响：CO2在25海水中交换速率是5的两倍；(2)气体溶解度的影响：不同气体在海水中的溶解度各不相同，因此，对于某一恒定的分压差，各种气体进入海洋的交换通量相差悬殊，如N2、O2、CO2的通量比率是1:2:70；(3)风速的影响：风速增加会使扩散层厚度减少，气体的交换速率增大，风速为0-3m/s时，交换速率几乎保持恒定；而在3-13m/时，交换速率迅速增加。13.海洋中二甲基硫是怎样产生的，它具有什么环境效应？答：二甲基硫的产生：海水中的硫主要以二甲基硫（DMS）、硫化氢、二氧化碳、二甲基亚砜等形式。由于H2S具有较强的还原性，在天然海水中往往会以重金属流化物形式沉入海底，而在海水中不占主要成分。CS2因其水溶性差也在海水中含量甚少。由于海洋浮游植物活动中的代谢产物可以产生DMSP，DMSP在酶的作用下分解得到DMS。环境效应：(1)DMS的氧化产物SO2、SO42-和甲磺酸（MSA）是酸性物质，能够影响大气气溶胶及降雨的酸碱度。pDMS氧化产物对雨水酸性的贡献率在各个地区不尽相同，在污染严重的地区相对较小，而在遥远海域上空则为主要贡献者。(2)DMS的气候调节机制海洋DMS大量进入大气后会直接增加云的凝结核（CCN）的密度，形成更多的云层，从而增加太阳辐射的云反射，使地球表面温度降低。据估计，全球天然（海洋+陆地+火山等）DMS输入大气的量为0.78Tmol S/a，其中由海洋表层输入大气的为0.5+0.3Tmol S/a，约占总输入量的2/3。Charlson等估计海洋上空的CCN的的增多可以抵消太阳常数增加2%或CO2加倍的增暖效应，Andreae人为如果DMS的通量变化一倍，全球的平均温度就会变化几度。有人人为尽管硫酸盐气溶胶产生与温室气体相反的气候效应，但这种影响是局部的。他们认为由于近百年来大气温室气体浓度增加所产生的辐射强度大约是2.3w/m2，所以全球平均而言硫酸盐气溶胶的气候效应不足以抵偿温室气体引起的温室效应。14.海洋中甲烷的生物地球化学循环过程是怎样的？对气候变化有什么影响？答：来源：(1)现场生物产生；(2)富甲烷河水的输入；(3)沉积物释放；(4)海底油气资源的泄漏；汇：(1)表层海水通过海气交换向大气的净输送；(2)海水中溶存的甲烷通过细菌的氧化过程消耗（主要汇）。分布：水平分布，大洋区表层水甲烷基本轻度过饱和，陆架斜坡区中度饱和，CH4在海水中的铅直分布是随深度增加CH4降低。对气候变化的影响：甲烷的辐射活性作用是二氧化碳的增暖效应的20-30倍，甲烷的总体效应是二氧化碳的20倍。15.海洋吸收大气二氧化碳的原理是什么？提高海洋生物泵运转效率的可能途径有哪些？答：海洋吸收大气二氧化碳的原理：(1)大气CO2溶入海洋的前体条件是大气中CO2分压高于海洋中的CO2分压。(2)碳必须实现垂直转移。(3)海洋生物泵的作用可实现碳的垂直转移，使表层水中CO2分压低于大气中CO2分压，从而使海洋对大气中的CO2有净吸收。提高海洋生物泵运转效率的可能途径：提高气-海界面碳通量的主要依据是设想通过加速生物泵的运转、提高某些海区新生产力的途径来实现。注意力主要集中在南大洋。当海水中的营养盐能够被完全利用时，生物泵的运转效率最高。16.海洋酸化对海洋生态环境及全球的气候变化有何影响？答：海水吸收CO2之后，形成稀释的碳酸，这种碳酸不断酸化天然的碱性海水，同时吞噬海洋中原本丰富的碳酸钙。海洋酸化意味着澳大利亚大堡礁等天然珊瑚群落正面临消失的危险，这将对整个海洋生态链产生重大影响。海洋酸化将使鱼类等生物的生存越来越艰难，10亿人的蛋白质来源将受到影响。海表面附近的酸性最高，而海表面正是海洋生物比较聚集的地方，由此对海洋生态系统造成的破坏将难以预测。随着海水的酸性越来越高，海洋吸收二氧化碳的能力也在下降，因此越来越多的二氧化碳将会滞留在空气之中，导致全球变暖进一步加速。17.什么是海水的富营养化？怎样评价海水的富营养化？答：海水的富营养化：水体由于营养物质的过量积累，造成藻类的大量繁殖，导致水质恶化的过程。评价海水的富营养化：(1)单项指标法：采用富营养化阈值进行评价，具体指标是：COD=13mg/dm3、DIP=0.045mg/dm3、DIN=0.20.3 mg/dm3、Ch1a=110 mg/dm3、初级生产力=110 mg/(dm3h)，多样性指数低等。这些阈值在不同水域可有所不同。(2)综合指标法（营养状态指数法）：E=(CODDINDIP106) /4500，当指数值E1时，则表示水体富营养化。(3)营养状态质量指数法（NQI法）：NQI=CCOD/CCOD+CTN/CTN+CTP/CTP，式中CCOD,CTN,CTP分别为化学耗氧量、总氮、总磷的实测浓度值；CCOD、CTN、CTP分别为评价标准采用的浓度值。当指数NQI3时，即为富营养化水平。18.海洋富营养化有哪些环境效应？答：(1)正效应适度的富营养化对于当地水产养殖和渔业生产是有益的。由于海水“营养度”的增加，海域的浮游植物初级生产率增加从而导致次级生产率的增加。因此，从一定意义上来讲适度的富营养化是有益的，尤其是对当地的水产养殖和渔业生产。如在某些河口区和上升流区存在大鱼场便是很好的例子。但是这种情况往往只限于某些自然过程而引起的富营养化海区。因为由人为因素引起的富营养化往往很难“富”至“恰到好处”，一旦引起水体的过分富营养化就会产生负面结果。对全球气候变化的贡献Walsh等人（1985）人为水体富营养化有助于海水中有机物向底质转移，从而加速海水作为大气中CO2储存库的过程，从这一点上来说对地球气候进一步变暖还有一定的缓解作用。另外，某些能生产二四基硫化物（DMS）的藻类的大量繁殖能使大气中硫酸盐含量增高，从而使大气中的云凝核增加，云的增加及云的反照率增加，会导致气温下降。(2)负效应对浮游生物的影响富营养化的海水再加上合适的温度和光照等，浮游生物便会大量繁殖（尤其是鞭毛藻类），相应地以这些浮游植物为生的浮游动物的生产量也会大量增加（尤其是桡足类甲壳动物）。但是水体中藻类的大量繁殖也降低了水体的透明度，从而限制了生活在较深水域的褐藻和红藻的繁殖。虽然这时也有有机物的垂直对流，但由于水体分层，这种对流量是很小的，因此，水体中的有机物就大量堆积，而无机营养物质则随着时间的推移而逐渐减少。这种趋势一直要到某种营养物的枯竭才停止，这种营养物通常为N或P。接着而来的是藻类的大量死亡和水体中有机物大量向底层转移。对底栖生物的影响通常，底栖动物能很快地吃掉上层水中陈降下来的有机物，而不至于导致多余有机物的细菌分解，从而使底层水处于厌氧状态。但是如果上层水体过份“肥沃”，藻类大量繁殖，情况就不同了。除了多余的有机物在分解时消耗氧气以外，底栖动物的大量繁殖也要消耗大量的氧气。在一些垂直对流差及水交换不良的海区，氧消耗量就有可能超过供应量，从而使底层水体处于厌氧环境。这时一些厌氧细菌通过消耗硫酸盐来进行新陈代谢。其结果是水体中出现像H2S、NH3之类的有毒气体，最后必定引起底栖生物的大量死亡。这又给厌氧细菌提供了大量的“食物”使其繁殖更迅速，从而形成恶性循环。海域的第一次厌氧环境对底栖大型生物的破坏尤为严重，它可以使经过多年才建立起来的底栖生物群落毁于一旦。对整个生态系统结构和生物分布的影响由于水体富营养化，在改变浮游植物结构的同时，也改变了整个生态平衡。如在水体富营养化以前通常是硅藻占支配地位，这时鮭鱼等高等鱼种的生产量较高。而在水体富营养化之后，水体中的浮游植物便以鞭毛类为主，食植动物增加，食肉动物减少，高级鱼种开始减少，低级的普通雨中增加，这对当地的渔业生产显然是非常不利的。在浮游植物（或动物）数量增加的同时，它们的种群数量减少（由于海域富营养化，生存环境变得越来越只适应于少数种类的生长），生物多样性变少，破坏了原先的生态平衡。其他影响富营养化还有可能改变海域的沉积模式（大量死亡的浮游植物在沉降过程中同时也吸附了大量的悬浮物一同沉到海底）。由水体富营养化引起的有毒藻类的大量繁殖还会造成贝类等海洋生物的中毒，间接地也会影响人类的身体健康。除此之外，海水富营养化引起的浮游植物大量繁殖，还会对沿岸旅游业造成不利影响（生活在表层的大量藻类很容易被带到海岸边和沙滩上，大大影响了海滨的景观），对工业用水造成影响（大量的藻类堵塞工业冷却水管道），及加速河口、海湾、泄湖的填埋（死亡）。19.海洋中的有机污染有哪些？简述海洋中有机污染物的分布特征和环境效应？答：(1)海洋中的有机污染主要包括石油污染、合成有机化合物污染和一般有机化合物污染有机污染物：石油、有机氯、有机磷(2)有机污染物分布特征和环境效应：海洋石油污染：石油属烃类物质，具有稳定、不易被降解、含有毒素等特性，其危害是多方面的。海上石油污染造成水体和沉积物中石油类含量的大幅度增加。a石油在水面形成油膜，阻碍水体与大气之间的气体交换，未被清除的部分石油类可以沉降到海底存留在沉积物中；b石油类的降解，无论是化学降解还是生物降解，都需要耗氧，因此可能造成水体中的溶解氧降低。c对海洋生物造成损害，油类粘附在鱼类、藻类和浮游生物上，导致海洋生物死亡，并破坏海鸟生活环境，导致海鸟死亡和种群数量下降；d溢油事故或长期慢性暴露于含有原油和多环芳烃的水体中，可导致水生生物丰度的降低，以及鱼类和无脊椎动物、鸟类和哺乳动物慢性死亡。e石油污染在经济鱼类和贝类中的富集，还会使水产品品质下降，造成经济损失，甚至危害到人类健康。有机农药：有机农药的施用主要在陆地农业生产中，随河流、地表水和地下水汇入海洋。因此海洋中的有机农药往往集中在河口、海湾和近岸等海域。有机氯农药污染在20世纪60年代末到80年代中期最为严重，并在20世纪70年代到达顶峰。危害：有机氯农药由于具有残留期长、不易降解的特性，进入海洋环境后不仅可在水体会沉积物中长期存留，而且可以通过大气、洋流等输送途径由近海向远海传递。同时，有机氯农药通过生物富集和食物链传递，造成海洋生物甚至对人类的危害。这一行为不仅对近海海洋环境和海洋生物体产生影响，甚至波及南极企鹅粪土地层、机体组织和卵。有机磷农药：与有机氯相比，虽然有机磷农药残留期较短，但在河口和海湾等海域已检测到一定含量的有机磷农药，并且不同区域的有机磷农药含量差异较大。危害：目前农林业广泛使用的有机磷农药随地