（环境科学专业论文）岱海乌梁素海硅的地球化学特征.pdf

内蒙古人学硕h l 仑文 出了各形态硅对富营养化的贡献。 关键词：硅形态，富营养化，内源释放，湖泊 g e o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fs i l i c o n i nt h ed a h a n dw u l i a n g s u h a il a k e a b s t r a c t s i l i c o n ，w h i c hr e p r e s e n t s2 7 o ft h el i t h o s p h e r e ，i sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n ti n t h el a k ee c o s y s t e m a b o u t8 0 i n p u t so fs i l i c i ca e i dt ot h ew o r l do c e a nc o m ef r o m r i v e r s e s t u a r i n ee n v i r o n m e n t sa r ep o t e n t i a ll o c a t i o n sf o rl a b i l es i l i c ab u r i a ld u et o r e m o v a lo fd i s s o l v e ds i l i c ad u r i n gm i x i n gp r o e e s s e so ff r e s ha n db r a c k i s hw a t e ra n d d e p o s i t i o no fb i o g e n i co p a l ，w h e r ec o m m o n l ys u p p o r t i n ga b u n d a n td i a t o mb l o o m s at e s s i e rs e q u e n t i a lc h e m i c a le x t r a c t i o nm e t h o d sh a v eb e e ni n t r o d u c e dt os t u d y t h ed i s t r i b u t i o no fs p e c i e so fs i l i c ab i o a v a i l a b i l i t yi nl a k es e d i m e n to fi n n e rm o n g o l i a ： i e x c h a n g e a b l e ，i i b o u n dt oc a r b o n a t e s ，i i i b o u n dt of e m no x i d e sa n d l v - b o u n dt o o r g a n i cm a t t e ra n ds u l f i d e i i i i sp r e d o m i n a n to v e rt h er e s to fo t h e rs p e c i e s t h e c o n t e n to ff o u rd i f f e r e n ts p e c i e si ns e d i m e n tc o r ei si i i v i i i i b a s e do nt h eb a s i so ft h er e s e a r c ho fs i l i c o nf o r m s ，s y s t e m a t i c a l l yc a r r yo u tt h e s i l i c o n c y c l i n g o fp l a t e a ul a k e si nw e s ti n n e rm o n g o l i af o rf i r s t ，r e v e a l st h e d i s t r i b u t i o nd i f f e r e n c em e c h a n i s mo fs i l i c o nf o r m si nt w ol a k e s ，e x p o u n d st h e c o n t r i b u t i o no fs i l i c o nf o r m st ol a k ee c o s y s t e m s ，w h i c hp r o v i d ev a l u a b l ed a t a b a s ef o r t h es t u d i e so fe n v i r o n m e n t a lg e o c h e m i c a lc y c l ea n df u n c t i o nt r a n s f o r m a t i o no f s o u r c e s i n ko fs i l i c o ni nl a k e ss e d i m e n t f o rs e d i m e n to nt h ec a r b o nc y c l es i l i c o n c y c l ee c o n o n m yp r o v i d e sb a s i cd a t a t h er e s u l t sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 t h ed o m i n a n tf o r mo fs i l i c o ni si m o f s i ，a c c o u n t sf o ra b o u t8 0 o ft h e t o t a ls i l i c o nb i o l o g i c a le f f e c t i v e n e s s e a c hp o i n ti ns e d i m e n t sh a v et h es e q u e n c eo f i m o f s i o s f s i c f s i m e f s i 2 t h r o u g ha n a l y s i st h et r a n s f e ro fc f - s im o d e ，i nv e r t i c a ld i r e c t i o n ，c f - s i d i a g e n e s i sh a v ek e p tt h em i n e r a l i z e do r g a n i cp r e c i p i t a t i o n ，a n dt r a n s f e rf u n c t i o no f i i i m i n e r a ls i l i c a t ed i s s o l v e d 内。袋古人学顾i j 论义 3 i nt h er e l e a s ee x p e r i m e n t ，v i b r a t i o nh e l p st or e l e a s es i l i c aw i t h i nac e r t a i n p e r i o d ；t h ei n f l u e n c eo fs a l i n i t yo nt h er e l e a s eo f s i l i c ai sr e l a t i v e l yc o m p l e x ，i nl o w s a l i n i t ys c o p e ( a b o u tw i t h i n5 ) ，t h ec o n t e n to fr e l e a s e ds i l i c av a r i e sn e g a t i v e l yw i t h t h ei n c r e a s eo fs a l i n i t y ，s u b s e q u e n t l yd i s s o l v e ds i l i c at e n dt oi n c r e a s ei nl i n ew i t h a s c e n d i n gs a l i n i t y ，b u tr e l a t i v e l yh i g hs a l i n i t y h a v el i t t l ei n f l u e n c eo ns i l i c a r e l e a s e w h i l ep hp l a c e sa ns i g n i f i c a n t l yo p p o s i t er o l eo nt h er e l e a s eo fs i l i c aw i t ht h e i n c r e a s eo fp hb e t w e e n3 9 r e l e a s et e s ta l s os h o wt h a t ，e x c e p tt h es u c c e s s i v e e x t r a c t i o ni nt h ef i v ek i n d so fc o n f i r m a t i o n ，s e d i m e n td e p o s i t i o ns i l i c o nf o r m se x i s ti n d e i o n i z e dw a t e re x t r a c t i o nc a nb eu s e dw i t ht h en o r m a ls i l i c o nl o o s e i fu s i n g s u c c e s s i v ee x t r a c t i o no fi e f s ic o m b i n e dw i t hc f t oe s t i m a t et h eb i o l o g i c a lc a n g i v eas t a t e s i l i c o nc o n t e n t ，s ow i l lt h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fn a t u r a lw a t e r e n v i r o n m e n tg e n e r a t eo b v i o u su n d e r v a l u e d 4 t h r o u g ht h es h e n g y u a ns i l i c o na n dn ，p ，o cr a t i o ，c a nd i s c o v e rt h a tal a r g e p a r to ft h eb u r i e d ，c a n n o tp a r t i c i p a t eb s ir e c y c l i n g a l s oo nt h eo t h e rh a n dp r o v i d e t h e o r e t i c a lb a s i sf o rs i l i c o nr e s t r i c t i o n s 5 t h r o u g hc o r r e l a t i o na n a l y s i s ，t h ev a r i o u sf o r m so fs i l i c o nh a sv e r yg o o d h o m o l o g yt r a n s f o r m a t i o n ；t h en u t r i e n tw h i c hn ，p ，o cw e r et h ep r i m a r yp r o d u c t i v i t y o fh a sv e r yg o o dc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ev a r i o u sf o r m s ，c o m p a r e dt ot h ec o n t r i b u t i o n o fs i l i c o n k e y w o r d s ：s i l i c o nf o r m s ，e u t r o p h i c a t i o n ，i n t e r n a lr e l e a s e ，l a k e i v 原创性声明 本人声明：所产交的学位论文是本人在导师的指导卜独力完成的研究】：作及取得的研究成果。除本文 已经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已发表或撰丐的研究成果，也不包含为获得内蒙古大学及其 他教育机构的学位或证i s 而使用过的材料。与我一同l 。作的同忠对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日 她 指导教师签名： 在学期间研究成果使用承诺书 期：出乎丝护 本学位论文作前完全了解学校有关保留、使用学何论文的规定，即：内蒙古大学有权将学位论文的全 部内容或部分保留行向国家有关机构、部门送交学化论文的复印件和磁盘，允许编入有关数据库进行检索， 也可以采州影印、缩印或其他复制手段保存、汇编。学位论文。为保护学院和导师的知识产权，作者在学期 间取得的研究成果属r 内蒙古大学。作者今后使用涉及 ：学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蒙古 人学就读期间导师的同意；若用于发表论文，版权单何必须署名为内蒙古人学方可投稿或公开发表。 学侮论文作者签名： 日 蛐、 指导教师签名： 内蒙古人学硕i ：论父 第一章绪论 硅是湖泊中生态系统重要的营养盐，硅藻、放射虫、硅质海绵、硅质鞭毛虫的生长和骨 骼的形成都离不开硅【l 】。硅在湖泊生态系统中扮演着重要角色。由于硅藻类的大量繁殖，使 水体中溶解性硅酸盐的含量急剧下降，使硅藻的生长受到限制；而环境条件适宜的情况下， 充足的硅则可成为硅藻赤潮的物质基础。 1 1 生物硅与全球碳循环 生物硅( b s i ) 是生物成因的硅质沉积物，常以蛋白石的形式出现，它主要来源于硅藻、放 射虫、硅质鞭毛藻和海绵等四种生物群。硅石是这些浮游生物重要的结构性组分。这些生物 中硅质骨骼的建造将硅酸从水圈迁移至生物卧2 1 。目前，硅藻是最重要的硅质浮游藻类，硅 鞭毛藻曾在第三纪广泛分布，而在现代生物硅产量中居第二位。与硅藻和硅鞭毛藻一样，大 多数放射虫生活在海洋表层几百米范围内，只有少数生活在深海。沉积物中生物硅的积累与 上覆水柱中硅质浮游植物的生长繁殖密切相关。硅藻在海洋表层中对有机碳生产起着主要作 用，一般认为硅藻所产生的海洋有机碳至少占总量的7 0 ，因此，海洋中硅的生物地球化学 循环与全球碳循环有着密不可分的关系【3 】。海洋沉积物中的生物硅记录了古海洋初级生产力 的变化及其时空分布，由于蛋白石沉积在现代和古代海洋沉积物中分布的广泛性，对其所包 含的信息的准确解读将有助于从机制上认识硅循环、海洋生产力、大气c 0 2 浓度和从季节到 冰期间冰期时间尺度上的全球气候变化之间的因果关系。 硅藻在有机碳向深海的输出方面起主要作用【4 卅。因此，研究硅藻对总生产力贡献的控 制因素对于理解现代海洋不同海域中碳生物泵效率的控制机制是重要的，而且生物硅输出的 重建对于确定有机碳向深海的输出通量【7 叫和沉降物的c 。曜c 。l b 比值也非常关键【1 0 ，1 1 1 。这两个 因素对于控制t c 0 2 和表层水体的碱度以及大气压c 0 2 非常重要。 生物硅记录具有全球意义，因为在所有深度( 从陆架到深海) 、所有纬度( 西北太平洋或非 洲南部的沿岸上升流、赤道太平洋、南大洋) 上和海洋的所有气候带上都发现有富含蛋白石的 内蒙古人学烦i j 论义 沉积物，尤其是在对地球气候起主要作用的h n l c 海域。南大洋是最明显的实例，现代海洋 最重要的生物硅积累就发生于此i i 引。该海域也被认为对冰期l 、日j 冰期c 0 2 的变化起关键作用 1 3 , 1 4 】。按照s a n n i e n t oe ta 1 ( 1 9 9 8 ) 的观点，在温室气体所致的气候变化过程中，南大洋对于c 0 2 生物泵的变更具有显著影响，尽管有其他模型研究表明南大洋的作用居于次要地位【l5 1 。由此， 通过在全球尺度上具有关键意义的蛋白石区域分布变化的研究，为过去生态和气候变化的重 建提供了可能。最后，蛋白石全球总体保存效率( 全球埋藏与表层水体产出的比值) 接近 3 ( g u e re ta 1 ，1 9 9 5 ) ，这比w e s t h r o e e ke ta 1 ( 1 9 9 3 ) 报道的有机碳的保存效率高一个数量级。 因此，表层水体蛋白石输出的长期记录要显著高于有机碳。 1 2 湖泊沉积物的源汇效应 湖泊生态系统中营养元素的来源、赋存、迁移、转换等过程，控制着水生生态系统的初 级生产力水平。富营养化过程通常是多种因子共同作用的结果【l6 1 。研究表明，硅可成为湖泊 富营养化的关键限制因子。胶州湾的营养盐氮、磷、硅和初级生产力的研究结果表明硅是控 制浮游植物生长和初级生产力的主要因子，造成了高氮、磷营养盐低生物量海域的出现【1 7 圳】。 沉积物是湖泊乃至整个流域重要的物质归宿。沉积物对上覆水中营养元素的“汇源”效 应在整个湖泊系统物质的生物地球化学循环过程中扮演着重要角色。当外源营养被控制时， 沉积物营养盐的季节性释放成为水体中可溶性硅酸盐的主要来源。石峰等【2 2 】关于东海沉积物 海水界面营养盐交换通量的初步研究表明，春、夏季s i 0 3 s i 在东海沉积物一海水界面上均表 现为由沉积物向水体的转移，平均交换速率为4 1 2m m o l m 2 d 。2 个航次的研究结果显示， s i 0 3 s i 在东海沉积物海水界面上的平均交换通量为3 1 8 x 1 0 1 2 m m o l d ，可提供维持东海初级 生产力所需s i 0 3 s i 量的5 5 2 2 】。因此，沉积物硅的释放对水体硅浓度的补充，是一个不可 忽视的来源，沉积物水界面是湖泊系统中重要的物理化学界面及物质输送交换中介 2 3 , 2 4 ，硅 元素在湖泊水生生态环境中的生物地球化学行为将对水体质量和营养状态造成极大的影响。 1 2 1 湖泊生态系统中硅的来源 硅在湖泊环境中的赋存、迁移和转化等过程，对湖泊生态系统的初级生产力具有重要意 义。自然条件下，硅可能是湖泊生态系统的限制性因子，控制湖泊的初级生产力水平2 5 1 。 2 内蒙古， ：学硕l j 论文 通常说来，湖泊水体中的硅主要来源于以下几个方面：( 1 ) 自然界含硅岩石风化后，随陆地 径流入湖，使近岸及i - it a 区硅的含量较高，这是湖泊中硅的重要来源【2 6 2 7 1 。含硅岩石风化和 含硅土壤的流失，使硅溶解于水并随陆地径流输送到河口和湖泊中。通过硅藻的吸收硅进入 了生物体。死亡的硅藻和摄食硅藻的浮游动物的排泄物离开真光层沉降到海底，硅离开了海 水表层沉降到海湖底；( 2 ) 湖面降尘和大气降水，陆源输入大海真光层的硅是主要的，大气与 降尘向湖泊输入硅量与河流相比是次要的；( 3 ) 湖区地表径流和农阳排水；( 4 ) 沉积物释放。 入湖径流、沙尘暴和湖底沉积物可以向缺硅的水体输入大量的硅。由陆地、大气、湖底的三 种途径将陆地的硅输入大海中，以满足浮游植物的生长。在近岸地区和流域瓮地，长时间暴 雨形成的洪水能向湖泊水体输入大量硅；内陆干旱区形成的沙尘暴可向海洋水体输入大量硅； 由海水温度异常升高所导致的台风和风暴潮可引起海底的沉积物再悬浮，也可向海洋水体释 放大量硅。 1 2 2 硅与湖泊富营养化 富营养化是湖泊演化过程中的一种自然现象，随着自然环境的变迁，任意湖泊必然要经 历从发生、发展、衰老到最终消亡的过程。通常来说，湖泊从自然环境中获得营养物质有限， 在自然因素作用下引起的水质演变过程极为缓慢，往往需要几千年，甚至要以地质年代来描 述湖泊富营养化的自然过程。然而，在人类现代文明社会中，在日益加剧的人类活动影响下， 湖泊由贫营养向富营养化的演化进程大大加快，湖泊富营养化进程被打上了人为作用的鲜明 烙印。研究【2 8 j 表明，北美的l a k ee r i e 从1 9 5 0 年到1 9 7 5 年短短2 5 年间在自然因素和人为因 素共同作用下完成的富营养化进程，相当于过去1 5 0 0 0 年的自然演变历史。 早在2 0 世纪初( n u a m n a ，1 9 1 9 ) ，湖泊富营养化的出现就已经引起了欧美一些国家的关注， 并随之开展了研究和防治。特别是最近4 0 年，随着全球水体富营养化问题的日益突出，各国 为控制富营养化进行了大量的研究与实践。胶州湾的研究结果表明，胶州湾西南部s i ：n 和 s i ：1 6 p 的比值在一年四季都小于1 ，揭示胶州湾西南部海域的浮游植物生长一直都受到营养 盐硅的限制，硅的匮乏改变了该水域的浮游植物集群的结构 1 7 - 2 1 1 。在河口区，d o r t c 和 w h i t l e d g e1 9 9 2 年、h i t c h c o c k 等1 9 9 4 年、n e l s o n 和d o r t c h1 9 9 6 年等人研究认为存在s i 限制。 h a r r i s o n 等1 9 7 7 年、l e v a s s e u r 和t h e r r i a u l t1 9 8 7 年提出s i ：p 3 和s i ：d i n i 为s i 限制。 3 内；装古j ：学f j i i ：j 论义 1 3 沉积物硅迁移转化机制及地球化学循环 1 3 1 水体中的硅 地壳中含有2 7 7 的硅，其中大多数以硅酸盐的形式存在。地壳中的成岩硅通过物理和 化学风化作用，使岩石中部分硅酸盐转变成了悬浮在天然水体中颗粒态的泥沙和粘土；部分 溶解在水中成为重要的营养盐，即溶解硅酸卦【2 9 】；其余部分转化为生物硅。， 硅在水体中主要以两种状态存在，即溶解态和悬浮颗粒态存f 3 0 1 。其中前者主要以s i ( o h ) 4 的形式存在；后者主要由生物硅和成岩硅组成。通常研究中对于水体中硅的存在形态划分如 图1 1 所示： 溶解硅酸盐( d s i ) j 水体中的硅( s i ) 生物硅( b s i ) 颗粒硅( p s i ) 夕 成岩硅( l s i ) 图1 1 水体中硅的形态 f i g u r e1 1 溶解硅酸盐( d i s s o l v e ds i l i c a ) 主要是指活性硅酸盐。通常把可通过o 1 0 5 u m 微孔滤膜， 并可用硅钼黄或硅钼兰法测定的低聚合度溶解硅酸盐等称为“活性硅酸盐”，这部分硅酸盐易 于被硅藻吸收。颗粒r 硅- ( p a r t i c u l a t es i l i c a ) 包括生物磕( b i o g e n i cs i l i c a ) 和成岩硅- ( l i t h o g e n i c s i l i c a ) 。生物硅是化学方法测定的无定形硅的含量，称为生物蛋白石或简称蛋白石，主要来源 于硅藻、放射虫、硅鞭毛虫和海绵骨针【3 2 】。成岩硅是粘土矿物中所含有的硅，在生物硅的测 定过程中，共存的粘土矿物释放出的成岩硅干扰是主要的误差来源。 1 3 2 湖泊沉积物中硅的形态研究 沉积物是湖泊环境中硅的重要储库，对湖泊硅循环起着至关重要的作用。研究表明，湖 泊沉积物中虽然含有大量的硅，但能参与循环的量可能仅占其总量的一小部分，所以沉积物 中参与再循环的硅的量是湖泊生物地球化学研究中至关重要的科学问题。湖泊沉积物中硅的 结合形态各异，某些较弱结合的形态在环境有较大变化时可参加循环，而结合牢固的部分就 4 内蒙占人学顾i ：论文 不能参加循环，因而沉积物中硅形态的研究是研究硅再循环的基础。 关于硅的形态的提取方法主要有t e s s i e r 连续化学提取法【3 3 1 分相浸取法【矧测定硅( s i ) 的形 态。按照t e s s i e r 连续提取法的操作步骤可依次定义出五种沉积硅的形态：i e f s i 、与c f s i 、 与i m o f s i 、与o s f s i 、r e s i d u a l 。用后一种方法得到的形态为分别得到沉积物自然粒度下离 子交换态( i e f ) 、碳酸盐结合态( c f ) 、铁锰氧化物结合态( i m o f ) 、有机物硫化物结合态( o s f ) 和硅酸盐碎屑态( s i f ) ，沉积物全分解得到总量( t ) 。 1 3 3 不同形态硅对内源释放的有效性 一般环境下，沉积物中的i e f s i 和c f s i 对环境的变化反应敏感，易于从沉积物中释放 进入到上覆水体中，为浮游植物提供营养物质。大量研究认为，几种生物可给态硅中i m o f s i 的含量最大，i e f s i 和c f s i 的含量最小，而宋金明的研究结果【3 5 】显示c f s i 是可交换念硅 的主要控制形态。但是无论是哪种结果都表现为i e f s i 和c f s i 的活性最大，对环境变化最 敏感。一般环境下，i m o f s i 和o s f s i 较难释放参与短时的硅循环，为相对稳定的结合态硅。 如果底层水体表层沉积物的氧化还原环境放生变化，这部分硅可能随着f e 3 + 转化为f e 2 十的还 原效应而释放出来。此过程通常被认为是硅释放的主要途径，对湖泊水质及营养状况有重要 影响。 1 3 g 沉积物硅的释放机制及影响因素 国内对沉积物硅的释放及其机制开展了一些研究，陈祥华等发现【3 6 】振荡在一定时问内有 利于硅释放；而盐度对硅释放的影响比较复杂，低盐度范围内( 小于5 9 , 0 0 ) ，随盐度升高，硅释 放量下降；当盐度继续升高时释放量又增加，但高盐度对硅释放影响不大；硅的释放在p h 值= 3 8 范围内随着p h 值升高而减少。秦亚超【37 】关于珠江口表层沉积物硅的释放实验表明， 沉积硅的释放量与振荡时间呈明显的对数关系。经过初始阶段的快速上升后，约需1 4 小时硅 释放基本达到动态平衡，最大释放量为4 6 i t g g 一。在p h 为3 , - 一9 范围内，硅的释放量总体上 随着p h 值的降低而提高。p h 在3 - 5 时，硅的释放量从5 0 嵋g - 1 ，快速下降至4 2 i _ t g g - 1 ；而 当p h 从5 增加至9 时，对硅的释放影响不大，其释放量仅从4 2 5u g g 缓慢降至4 0 3 p g g 。 盐度对沉积硅的释放影响非常明显，呈显著的线性负相关性( f 0 9 9 5 ，p 0 0 1 ) 。在盐度为3 5 o 5 内蒙古人掌帧i ：f i e 义 时，表层沉积物硅的释放量为2 1 1 8 2 2 7 6 9 9 g - 1 ，与其在去离子水中的释放情况相比，硅释放 量下降4 3 5 一4 4 5 。 1 4 硅循环及其研究进展 生源物质的循环是全球生物地球化学过程研究的核心内容，是全球变化研究的重要组成 部分。在水生生物中，硅是构成硅藻、放射虫、硅质海绵和硅鞭毛虫的重要组成元素，硅更 是构成有机体不可缺少的组分。其形成的无定型生物硅( b s i ，又称蛋白石) 是海洋沉积物中的 重要组成部分，在最近十几年中，全球海洋硅循环已经成为海洋界的研究热点之一1 3 8 - 4 1 】。 硅的海洋生物地球化学循环的研究在过去1 0 多年中有了重要进展。这主要体现在以下三 个方面：( 1 ) 硅酸在控制生源物质输出和有机与无机碳的相对比例方面所起的重要作用；( 2 ) 对 表层水体和水柱中控制s i ：c 比值空间变化因素的深入了解；( 3 ) 表层、水柱和沉积物储库在生 物硅产出、溶解和最后保存过程中的相互依赖性。 硅，作为海洋中一种重要的营养元素，对海洋中硅藻具有不可替代的作用【4 2 1 。n e l s o n 等 ( 1 9 9 5 ) 的研究表明，在河口近岸以及高营养盐水域，硅藻构成了当地初级生产力的7 5 ，从 全球的角度看，硅藻也构成了全球海洋生态系统初级生产力的4 0 以上，硅循环同碳循环一 样，与全球气候变化紧密联系。以硅在海洋中的输运、生产、沉积、再生及其时空变化为主 要内容的硅循环研究在最近1 0 年中已经成为国际海洋学的一个热点领域 3 8 , 4 2 - 4 9 】。 1 5 本文选题依据及研究意义 硅，作为重要的生源要素，对水生生态系统的初级生产力具有重要作用。富营养化是湖 泊生态环境面临的突出问题。沉积物是湖泊环境中硅的重要储库，对湖泊硅循环起着至关重 要的作用【4 7 却】。沉积物硅的释放过程取决于物理、化学和生物等多种因素。在不同环境条件 下，沉积物硅的释放机制不同。一般而言，湖泊环境中矿物的次生作用、生物或非生物的氧 化作用、生物同化、酶促和非酶促水解反应等对沉积物硅的行为有重要影响，沉积物中硅的 形态及丰度对硅的主要环境地球化学行为和过程具有关键控制作用。沉积物中不同硅形态的 准确提取是探讨不同形态硅的环境地球化学意义的关键，有利于深入探讨硅在沉积物水界面 的迁移转化机制，为揭示湖泊系统中硅的地球化学循环过程、对富营养化的作用机理及对碳 循环的拉动作用提供理论依据。 6 内蒙占，j 、：学硕i j 论爻 内蒙古高原湖泊湿地资源丰富，类型多样，在我国湖泊湿地整体研究中占有重要位置。 在内蒙古高原西部湖泊中，以乌梁素海和岱海的富营养化类型和湖水盐度的差异性最为明显， 是探讨富营养化类型和水平对沉积物碳形态的影响及控制机制、不同形态硅对碳循环及富营 养化贡献的典型区域，但至今未见该区有关硅的形态及迁移转化机制方面的报道。本研究以 硅的形态提取为基础，对沉积物硅的形态、行为及迁移转化机制进行较为系统、全面研究， 为湖泊沉积物硅源汇功能转化机制的研究提供借鉴，为厘定内蒙古高原湖泊硅形态的时空分 布格局奠定基础，为湖泊湿地资源的合理开发与保护利用提供科学依据等均有重要意义。 通过内蒙古高原湖泊沉积物的研究，了解该区域沉积物中硅的分布和赋存形态以及环境 因子对生物直接可利用性硅释放的影响具有比较重要的现实意义。 7 内蒙古人学顾l j 论_ 辽 2 1 岱海概况 第二章研究区概况及研究方法 2 1 1 岱海的自然地理环境 岱海位于我国北方环境敏感带的内蒙古中部凉城县境内，地处阴山山脉东段之南侧，雁 北古长城之北，是典型的内陆封闭微咸水湖泊，北靠阴山支脉海拔2 3 0 5 m 的蛮汗山，东邻丰 镇丘陵，南有马头山丘陵低山区【5 0 1 ，西侧较为开敞，分布着几条大的间歇性入湖河流。岱海 湖区界于4 0 0 2 9 ，2 7 ”一4 0 0 3 7 ，6 ，n 、1 1 2 0 3 3 ，3 1 ”1 1 2 。4 6 4 0 ”e ，面积约8 0 7 2k m 2 t s l , s 2 】，湖面海拔1 2 2 3 米，最大水深1 6 0 5 m ，平均水深7 4 1 m ，年均降雨量4 2 7 m m ，年均蒸发量1 9 3 8 m r n 5 3 5 4 】。 岱海是典型的地堑式断陷型盆地，短轴方向南、北两侧断层活动强度和幅度有明显差异， 西北侧断层活动明显强于东南侧，致使瓮地南北不对称及地形坡度相差较大，呈现出北岸陡、 南岸缓的地貌特点，盆地中地带性植被为草原，地带性土壤为栗钙土，在河流下游及湖滨地 区主要为盐生草甸和盐渍化草甸土，亦分布有沙生植被和栗钙土型沙土【4 6 1 。 岱海在气候上处于温带半干旱区向干旱区过渡地带，位于东亚季风的西北边缘地带，是 西伯利亚干冷气团南下与热带海洋湿暖气团北上相交锋的敏感地带【5 5 1 ，全新世以来，由于季 风的强弱进退变化引起的气候带界线迁移非常频繁，使本区成为环境敏感地区，成为历史上 典型的农牧交错地带【5 6 1 。岱海冬季漫长寒冷多风而干燥，春季天气多变而剧烈，夏季短促阿 水集中而温热，年平均气温5 左右，年平均水温8 - 9 ，岱海每年冰冻天数为1 0 1 1 4 3 天， 封冰期1 1 月下旬，融冰期4 月上旬，冰层厚度4 8 6 9 c m t 5 7 】。 岱海是内蒙古第三大湖泊，该湖南北长1 0 公里，东西宽3 5 公里，蓄水量为1 3 3 亿立方 米。湖水矿化度在2 5 l 左右，为内陆咸水湖，湖中有草、鲢、鲤、鲫等2 9 种鱼类。湖的四 周滩川广阔，林木茂盛。岱海流域面积2 0 8 4 4 k m 2 ，其中山地占6 8 ，平原占2 4 ，湖泊面 积约8 0 7 2 k m 2 。入湖大小河流计2 1 条，多系间歇性河流。其中流量较大、经常有水入湖的河 流有弓坝河、五号河、目花河、天成河、步量河、沙袋河、园子河和百窑河等。这些河流的 入湖水量约占总入湖水量的5 0 以上。岱海水位年内变化不大，年变幅常在1 米以内。 内蒙占人学硕l ：论义 2 1 2 岱海的生物群落 2 1 2 1 浮游植物 岱海目前浮游植物9 3 属，其中：绿藻门3 3 属，硅藻门2 7 属，蓝藻门1 9 属，甲藻门3 属，裸藻门5 属，隐藻门、金藻门、黄藻门各2 属。岱海的浮游植物有明显的季：符变化；夏 季种类和数量最多，秋季次之，冬春季较少。生物量也是夏季最高为4 0 5 9 m g l ，冬季次之 为3 3 0 6 m g l ，春季最少为1 5 2 m g l t 5 引。 2 1 2 4 水生维管束植物 岱海水生维管束植物4 0 年来变化甚大， 1 9 6 0 年，有6 7 种。挺水植物芦苇( p h r a g m i t e s c o m m u n i s ) 、蒲草( m y r i o p h y l l u ms p i a t u m ) 等长得极为茂盛，沿岸浅水区均有聚草等沉水植物生 长。1 9 7 4 1 9 7 5 年，大量芦苇、蒲草己消失，据调查是由于草鱼放养过量而被吃光。1 9 8 5 年 仅河1 ：3 一带有挺水植物，主要种类有芦苇、龙须眼子菜( p o t a m o g e t o np e c t i n a t u s ) 、冰莎草 ( j u n c e l l u ss e r o t i n u s ) 、7 嗽( t r i g l o c h i np a l u s t r e ) 等。1 9 9 6 1 9 9 7 年，水生植物1 3 种例，但在 水深4 m 以下水域无水草分布。 2 2 乌梁素海概况 2 2 1 乌梁素海自然地理环境 乌梁素海( 4 0 0 3 6 t 4 1 0 0 3 n ，1 0 8 0 4 3 1 0 8 0 5 7 e ) 位于内蒙古自治区临河市乌拉特前旗境内， 是黄河流域最大的湖泊。湖泊南北长约4 0k m ，东西宽约8k m ，水位控制高程10 18 5 m ，水 深约0 5 3m ，其中水深在0 8 1 0m 的水域占8 0 ，蓄水量约2 5 3 1 0 8m3 【砌。该地区属 典型的温带大陆性季风气候区，多年平均降雨量为2 1 5l a i n ，降雨主要集中在7 - 9 月，其降雨 量占全年总降雨量的7 3 ；多年平均蒸发量为2 2 0 0 i i i i l l ，其中5 7 月蒸发量约占全年总蒸发 量的5 0 ；多年平均气温为6 6o c ，7 月份气温最高，多年平均值为2 4 6o c ，1 月份气温最低， 多年平均值为1 0 2o c ；每年1 1 月至翌年2 月，月平均气温低于0o c ，导致水体表层冻结， 冻结厚度约8 0c n l 。据2 0 0 2 年卫片统计，现有水域面积3 3 3 4 8 k m 2 ，是我国十大淡水湖之一， 也是我国湿地的第1 个示范工程，同时是亚洲湿地公约组织名录中的大型湿地生物多样性保 护区。湖泊补给水源主要是河套灌区的农田退水，深受农田面源污染的危害，每年排入乌梁 9 内蒙古人学硕! j 论文 素海的总氮为1 0 8 8 5 9t 、总磷为6 5 7 5t 【6 。河套灌区农田化肥用量已由1 9 7 8 年的7 1 0 4 t 迅 速上升到1 9 9 7 年的4 3 8 1 0 4 t ，至2 0 0 2 年化肥用量已经超过5 2 x 1 0 4 t ，化肥利用率仅为3 0 ， 而流失的化肥、工业废水和生活污水随农田退水经西岸自北至南的总排干、通济渠、八排干、 长济渠、九排干、塔布渠和十排干等主要灌渠和排水沟进入乌梁素海，使湖中各种营养盐总 和达到5 6 1 0 4 l l o x l 0 4 t ，加速了其富营养化和沼泽化进程。2 0 世纪5 0 年代以来，湖底累计 沉积厚度已达3 6 0m m ，目前腐烂水草正以每年9 1 3m m 的速度在湖底堆积【6 2 1 ，使乌梁素海 成为世界上沼泽化速度最快的湖泊之一。据1 9 7 0 - 2 0 0 2 年入湖口水质监测，总氮平均 1 7 4 m g l - 1 、总磷平均o 0 7m g l ，分别为国际通用判断富营养水平标准( n0 2m g l 、po 0 2 m g l 。1 ) 的8 倍与3 5 倍6 3 1 ，乌梁素海水体中氮储备量已达其临界负荷的1 4 倍【6 4 6 5 1 ，使乌梁素 海成为以大型水生植物过量生长为主要表征的富营养化草型湖泊。湖内沉水植物和挺水植物 分布甚广，苇塘区面积约达“2 9 7k m 2 【6 6 】。芦苇造纸已经取代渔业成为当地居民最主要的经 济来源。 2 2 2 乌梁素海生物群落 乌梁素海为动物，尤其为鸟类提供了良好的栖息地，目前生活着1 0 0 多种鸟类，其中属 于国家1 级保护的有5 种，国家2 级保护的有2 5 种【6 1 1 。乌梁素海大型水生植物共6 科6 属 1 1 种，挺水植物有芦苇、小香蒲、宽叶香蒲，沉水植物有龙须眼子菜、柳叶眼子菜、穿叶眼 子菜、竹叶眼子菜、菹草、大茨藻、轮藻、狐尾藻，以芦苇( p h r a g m i t e sc o m m u n i s ) 和龙须眼子 菜( p o l a m o g e t o np e c t i n a t u s ) 。目前，乌梁素海挺水植物分布面积1 2 2 k m 2 ，生产量约2 4 x 1 0 4 t ( 干 重) a - 1 ，平均生物量1 9 6 7 9 ( - t - 蕈_ ) m ；沉水植物分布面积约9 7 5 k m 2 ，群落盖度1 0 0 ，生产 量8 5 x 1 0 4 t ( 干重) a - 1 ，平均生物量8 7 2 9 ( 干重) m 。2 。 乌梁素海沉水植物的优势种是龙须眼子菜，藻类植物的优势种是蓝藻，两者相互竞争制 约，由于水体中营养物过剩，其竞争不在营养水平，而是争夺光照。在水深0 7 m 以上的湖面 采用分条或分块间隔收割的方法顺序收割，保留一定数量沉水植物不会造成蓝藻泛滥。在水 深o 7 m 以下的湖面，沉水植物生物量较少，沉水植物浮于水体表层部分光照很强，温度较高， 蓝藻附着其上，竞争优势较大，在这些水域收割沉水植物，则会助长蓝藻泛滥。蓝藻在水面 呈分散漂浮状态，常在气温较高时发生在龙须眼子菜暴露于水面表层的地方，与水面表层的 龙须眼子菜附着在一起形成“水华”，但遇风或雨天则全部消失。每块分散漂浮的蓝藻面积小 l o 内蒙古人学颐i ：论文 于0 3 5 m 2 ，蓝藻分布面积之和约为明水面的2 4 。 2 3 采样点的布设 样品采集于2 0 0 7 年8 月，考虑到所选采样点的代表性，在岱海乌梁素海分别布点，样点 的选取区域尽量避开人类活动的实时干扰。采样点布设情况如图2 1 所示。在每个湖区一定 区域范围内分别采集乌梁素海的1 1 个表层沉积物和三个柱状样，岱海的1 4 个表层沉积物和 三个柱状样。同步采集上覆水。为了保证采样点的准确布设，采样过程中使用了全球卫星定 位系统( g p s ) 进行样点的定位，同时结合地形图校正。 l o n g i t u d e ( e ) 图2 1 乌梁素海采样站位分布图 f i g 2 1l o c a t i o n so fs a m p l i n gp o i n t si nt h ew u l i a n g s u h a il a k e 内蒙古人学硕 j 论文 2 4 现场采样与处理 图2 2 岱海采样站位分布图 f i g 2 2l o c a t i o n so fs a m p l i n gp o i n t si nt h ed a i h a il a k e 依据湖泊生态系统观测方法，针对各湖泊现有水域面积及湖泊生态系统类型设置采样 点。于2 0 0 7 年8 月对乌梁素海和岱海进行了系统的现场监测和样品采集( 图2 1 。2 2 ) 。沉积 物柱芯样视湖泊深度分别用挪威s w e d a q 公司产k cm o da o c hb 型无扰动采样器或荷兰 e i j k e l k a m p 公司产s ab e e k e r 型沉积物原状采样器采集，现场以2 c m 间隔分层；沉积物样品 装入封口聚乙烯塑料袋后冷藏保存，回实验室于2 4 。c 冷冻保存；同步采集上覆水样( 4 保 存) ；视测试目标元素和项目的不同，分别用玻璃瓶和聚乙烯塑料袋或瓶盛装样品。采样点用 g p s 定位。同时用便携式参数仪记录各个湖区样点的p h 、d o 、电导率等情况。 2 5 样品的试验室制备 2 5 1 自然粒度沉积物的处理 将表层沉积物及柱状沉积物在样品在室温下自然晾干，剔除其中的碎石等杂物，然后用 研钵轻轻捣碎，以保持沉积物的自然粒度。 1 2 内蒙古人学硕i ：论文 2 5 2 不同粒级沉积物的处理 将岱海湖区分为湖心区( 包括d h 5 ，1 0 ，1 2 ，1 5 ) ，湖东区( 包括d h 6 ，7 ，8 ) 和湖西区( d h 1 ， 1 3 ) 分别均匀混合3 个湖区的表层沉积物，并清除杂质。乌梁素海分为湖中( w l s h 3 ，4 ， 5 ，6 ，7 ，8 ，9 ) ，湖北区( w l s h 1 ，2 ) 和湖南区( w l s h 。1 0 ，l l ，1 2 ) 。分取每个混合样 沉积物样品2 0 0 9 左右在室温下晾干( 2 5 )