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(环境科学专业论文)长江口滨岸湿地盐生植被对生源要素循环的影响.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 摘要 还受到海三菱蔗草内源输入以及温度的控制。 ( 3 ) 对比光滩带和盐沼带沉积物有机碳剖面的垂向和季节变化发现,海三 棱蔗草对沉积物碳库的影响十分显著。随着海三棱蔗草的生长,盐沼带沉积物有 机碳含量在春季( 4 、5 月) 保持并略有累积,夏季有机碳库呈现“碳亏”,秋季9 月海三棱蔗草死亡分解使沉积物中有机碳含量增加,沉积物有机碳库进入“碳盈” 期。光滩带沉积物有机碳库的“盈”、“亏”变化取决于陆源颗粒物的输入。分析 进一步发现,盐沼带沉积物有机碳库主要来源于植物光合作用固定的大气碳素。 ( 4 ) 盐沼带植被和柱样沉积物全氮的分析发现,海三棱蔗草吸收同化沉积 物中的氮素,通过微生物的反硝化作用转化为n 2 和n 2 0 ,释放进入大气,且在 生长期末通过生物作用以有机氮的形式重新补充归还沉积物中。春季( 4 、5 月) , 崇明东滩全氮含量保持并略有累积,夏季潮滩沉积物氮库呈现“亏损”,从秋季9 月海三棱蔗草的死亡分解使得沉积物中有机氮含量增加,沉积物氮库进入“盈余” 期,周而复始,实现氮的循环。 ( 5 ) 沉积物通过与海三棱蔗草相互作用实现其磷汇或者磷源功能的转换。 夏季商海三棱藤草生物量及高的全磷总量,说明此时的海三棱蔗草群落是磷营养 库,由于海三棱蕨草的摄取直接导致沉积物中磷的损失,此时沉积物为磷源,全 磷含量为最低。秋冬季节枯萎凋落的海三棱蔗草以及其地下根系腐解以磷酸盐的 形式转入沉积物中,此时沉积物从磷营养源转变为汇。 ( 6 ) 在大量研究的基础上,初步构建了潮滩生源要素生物地球化学循环的 框架模型,通过估算整个崇明东滩海三棱蔗草和沉积物中生源要素的总含量,试 图建立潮滩生源要素的迁移平衡模式。可以说崇明东滩是生源要素的汇集地之 一,来源于外源沉积的o c 、t n 、t p 年均总量约为1 9 0 4 t 、1 8 8 t 和5 3 t 。盐沼海 三棱蔗草群落吸收来自沉积物、水域以及大气中的营养物质生长,枯萎死亡后归 还,年归还量约为1 2 2 0 5 t0 c 、3 0 2 tt n 和6 2 tt p ,主要补给入沉积物营养库。 盐沼沉积物生源要素主要来源于外源颗粒物的输入和植被枯萎后的物质归还,但 由于潮滩的复杂环境条件,潮滩植被一沉积物系统中的物质和能量在植物的光合 作用、呼吸作用,微生物的硝化、反硝化作用以及水动力作用的影响下与大气圈 和水圈交换和传递都十分活跃,初步估算出沉积物营养库获得约为2 1 2 1 1 0 3 t o c 、1 2 1 1 0 3 t i n 和0 4 6 1 0 3 t t p 的年补给。 i i 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文摘要 本论文的创新点: ( 1 ) 注重多学科交叉、宏观现象和微观机理的结合。强调野外定点观测与 室内实验相互结合,从而确保了研究结果的可靠性、严谨性和普遍适用性。 ( 2 ) 系统揭示了崇明东滩湿地盐沼植被的生物特征和生源要素含量的季节 分布规律,详细论述了植被生源要素的来源、输送、迁移和转化的过程和机制。 ( 3 ) 深入探讨了崇明东滩潮间带沉积物中生源要素的季节变化和剖面变化, 揭示了湿地盐生植被一沉积物系统的生源要素循环过程。 ( 4 ) 比较完整地估算了崇明东滩湿地植被一沉积物系统生源要素的源汇通 量,初步建立了潮滩生源要素的生物地球化学循环框架模型。 关键词:长江口生源要素海三棱蔗草生物地球化学 i i i 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 a b s 订a c t b i o g e o c h e m i c a l e e c t so fs a l t m a r s h e so nn u t r i e n t s c y c l i n g a tc o a s t a lt i d a ln a t ,y - a n g t z ee s t u a r y a b s t r a c t e s t u a r i 鹏觚dc o a s t a lt i d a ln a ta r ci m p 删e n v i r o m e n t a li n t e d k e so f 。 s e a - t e r r e s m a l 洒t e r a c t i o n s e d i m e n 招e x p o n e d 硒ml a n db yr i v e r ss e t n e dd o w ni nm e e s t u a r i e s ,s od ot h ec h e m i c a l st r a l l s p 州e dh e r eh y d r o l o g i c a l ly e s 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2 ) 1 1 1 es u r f k e1 咖s e d i m c n t st a l ( c n 舫mt l l ec h o n g r i l i n ge a s tt i d a ln a t 劬l sa d i s t i n c t i v es e a s o n a lv a r i a t i o ni nt h cc o n t c n to f0 c t n 锄dt pt h es e d i m e n t s0 co f t l l em u dn a tm o s t l yc o m ef b ma l l o c h t h o n o u st e r r i g e n o u sp a r t i c i e ss e t t l e m e n t ,a n di t s c o n t e n tl l a sc l o s ec o r r e l a 廿o n 、i m l eq u 跚t i t ya i l ds i z eo fm ei n p u tp a n i c l e s w h i l e m cv a r i a t i o no fs e d i i n e n 协o cc o n 锄t si nm es a l tm a r s hi sa l s oc o n t m l l e d b ym c a u t o c h t h o n o u sp r o d u c t i o no f s 小酊幻“e 把,a i l dt c m p 蹦m 鹏 ( 3 ) t h ec o m p a r a t i v ei n v e s t i g a t i o f l so nm em u dn a ta n d 也es a l tm a r s hr e v e a lt h a t s 埘删幻船f 8 ,h 勰ag r e a ti m p a c to nt l l es e d i m e n t sc a r b o ns t o r a g e i nm es a hm a r s ho f t h ec h o n 鲫i n ge a s tt i d a lf l a t ,s e d i m e n t so cc o n t e n tk e 印ss t e a d 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a l l yc o n s t m c t e d k e yw o r d s :y 抽g 切ee g t u a r y ,n u 们e n 协,& r 驸m 删g “甜,b o g e o c h e m i 蚰r y v i 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知,除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含其他个人已经发 表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均己在文中 作了明确说明并表示谢意。 作者签名:丛生日期 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定,学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将 学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将 学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出 版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名 日期:迎:! : 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 河口滨岸潮滩湿地生源要素循环研究的科学背景和意义 湿地( w e t l a n d ) 是介于陆地生态系统和水域生态系统之间的过渡带,它是 具有独特水文、土壤与生物特征的生态系统。自2 0 世纪7 0 年代,湿地研究成为 国际环境科学和生态学研究的热点领域之一。1 9 9 6 年国际地圈一生物圈计划 ( i g b p ) 湿地研讨会后,全球分析、解释与建模( g a i m ) 计划,水循环生物学 计划( b a h c ) 、i g b p 的数据信息系统( i g b p d i s ) 、国际全球大气化学计划 ( i g a c ) 、土地利用与土地覆盖变化计划( l u c c ) 联合报告认为湿地与陆地、 大气圈、水圈作用系统中的绝大部分生物地球化学通量有关。提出加强湿地生物 地球化学循环的全球分布和自然与人类活动共同产生的变化,设计湿地功能特 征,把湿地的分布并入到生物地球化学模型中,提出了9 个影响湿地痕量物质生 物地球化学循环的重要基本参数:水文、温度、初级生产力、植被、土壤类型、 含盐量、化学成分、有机质及沉积物的迁移、地形和地貌。 据初步统计,全球湿地总面积约为8 5 6 1 0 8l 蛐2 ,约占世界陆地面积的 6 4 。我国湿地面积达6 5 9 4 1 0 4h m 2 ,仅次于加拿大、美国、俄罗斯,居世界第 四位、亚洲第一位,几乎囊括了国际湿地公约的所有湿地类型( 杨永兴,2 0 0 2 ) 。 河口滨岸湿地是陆源物质的重要归宿,它是河流携带陆源物质( 主要为泥沙和溶 解质) 输入海洋,在海陆交互作用下,在河口地区堆积而形成独特的河口地貌, 受潮流与径流咸淡水相互作用的影响,水动力作用强烈,泥沙冲淤变化频繁,生 物多样性极为丰富,是地球上重要的湿地类型之一。由于河口位于陆地、海洋和 大气三相界面处,是径流、海洋、大气、生物、地质过程和人类活动等诸多因素 相互作用最活跃的耦合带,生态环境相当脆弱,极易受到台风、洪水、围垦、排 污等自然以及人类活动的影响。近十年来,随着社会经济的高速发展和城市化进 程的加快,大型工程建设、滩地围垦、大量工农业以及生活污水的近岸排放等高 强度人类活动使得河口潮滩的自然生态环境以及近岸水体遭到了不同程度的污 染( s a n g e r 甜矗,1 9 9 9 ;h o ,a r t h “以,2 0 0 2 ;1 1 a y l o re r 以,2 0 0 3 ;陈振楼等,2 0 0 0 ; 刘敏等,2 0 0 l b ;毕春娟等,2 0 0 3 ) 。 入海的陆源物质中包含有相当量的碳( c ) 、氮( n ) 、磷( p ) 等生源要素及 一些污染物质。河口滨岸湿地是陆源物质的重要归宿,也是容纳净化污染物质、 削减其入海的天然屏障( n e d w e l l 甜烈,1 9 9 6 ) ,地球表层系统中一系列地球化学 h t t p :g a i m 1 1 i l h e d u p m d u c t s r e p o n s ,r e p o n j l 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 第一章绪论 界面过程及人类活动影响均真实地反映在这海陆边缘的沉积物中( 张秀梅等, 2 0 0 1 ) 。c 、n 、p 等生源要素是海洋能量上下传递的主体,它们在河口沉积物中 的含量和分布,在一定程度上制约着河口生物的生长发育状况,同时,生物的生 长发育状况也影响着沉积物中生源要素的分解、释放、埋藏等生物地球化学过程 ( f i e l d i i l g 甜以,1 9 8 8 ;c a l l o o n 吖砒,1 9 9 9 ) 。二者相互影响相互制约,如此维持 着整个河口的生态平衡。因此,研究河口滨岸湿地这一复杂巨系统内生源要素的 来源、分布、富集、迁移和转化等生物地球化学循环过程已成为当前河口近岸环 境地球化学等领域内的熟点问题之一。 1 2 河口滨岸湿地沉积物生源要素生物地球化学研究进展 河口滨岸湿地作为联系海、陆两个生态系统的主要通道,不仅是陆源物质输 入海洋的主要通道,也是陆源和海岸侵蚀物质的主要沉降池。在物理、化学和生 物过程的耦合作用下,河口区各种生物地球化学作用非常复杂,物质循环非常活 跃。目前,国内外有关河口生源要素方面的研究成果已有大量报道,一般仅在河 口区生源要素地球化学行为的某一方面特征进行研究,比如河口生源要素的来 源、空间分布规律和累积特征、赋存形态、迁移转化过程和机制以及生态效应等, 由于不同河口具有不同的自然地理特征、水动力条件和污染状况,因此,河口生 源要素的生物地球化学循环过程也存在很大的差异,对比研究河口区生源要素的 上述特征显得十分重要。下面着熏评述近十年来国内外在这一领域的一些主要研 究进展,并指出其存在问题以及今后的努力方向,以期推动国内在这一热点领域 的研究。 1 2 1 滨岸沉积物生源要素的来源 累积在沉积物中的有机物质的降解是潮滩环境中生源要素的重要输入源 ( a l o n 百“口f ,1 9 9 9 ;g o 趾和t h o m 嬲,2 0 0 3 ) ,尤其对河口滨岸潮滩而言,由于 沉积物中的有机物质降解可形成水体氮的次生污染,因此近年来趋向于间接利用 沉积物有机物质中稳定碳、氮同位索含量及其c n 比值的差异性对潮滩生源要 素的来源进行定量分析。5 0 年代初c r a i g ( 1 9 5 3 ) 首次详细调查了天然物质中碳 的同位素组成,认为不同来源的有机质可能具有不同的6 1 3 c 值。m i d d e l b u r g 和 n i e l 删e i l l l u i z c ( 1 9 9 8 ) 依据稳定c 、n 同位素含量及c 肘比值的差异对荷兰 s c h e l d e 河口滨岸潮滩沉积物中有机物质的输入来源进行了判析,发现当有机物 质中6 ”c 。一2 6 o ,6 1 硝。3 5 ,c n 一2 1 时为陆相输入;当有机物质中 6 ”c 一1 8 0 ,6 1 5 n 9 ,c n 8 时为海相输入:当有机物质中6 ”c 一3 0 o , 2 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文第一章绪论 6 1 5 n 9 o ,c 肘7 5 时为河流相输入;当有机物质中6 ”c 2 9 ,6 ”n 1 5 , c n 一8 时为河口相输入。据此判断s c h e l d e 河口沉积物主要是外部来源。g m h 啪 等( 2 0 0 1 ) 也利用了类似的方法对f o r t i i 河口沉积物中有机物质的来源进行了研 究。黄小平和黄良民( 2 0 0 2 ) 研究珠江口发现,珠江口沉积物无机氮主要来自于 河流。刘敏等( 2 0 0 4 ) 研究长江河口南岸潮滩表层沉积物有机质中碳、氮同位素 进行分析与测试发现,7 月稳定碳同位素普遍低于2 月份的稳定同位素值,其地 区分布与季节变化特征揭示,有机质中的稳定碳、氮同位素组成不仅受陆源和海 源有机质输入量之间消长变化的影响,同时一系列的生物地球化学过程、人为有 机质的输入和沉积物粒度与叶绿素对碳、氮同位素组成均存在不同程度的改造作 用。 1 2 2 滨岸沉积物生源要素的时空分布规律和累积特征 生源要素在河口的时间、空间分布格局和行为是河口过程对生源要素影响的 直观体现。不同河口、甚至同一河口的不同区域的生源元素的特性和行为都存在 很大的差异。 1 2 2 1 滨岸沉积物有机碳的时空分布规律和累积特征 沉积物有机碳含量在水平空间以及垂向深度上的分布随地域的不同变化较 大。b a d u 等( 1 9 9 9 ) 研究了印度西海岸表层沉积物中碳的分布,有机碳含量在 0 0 8 一5 1 5 之间。p a l a l l q u e s 等( 2 0 0 2 ) 研究发现极地海洋中底部沉积物中有机 碳含量在o 2 8 1 3 8 之问,平均约为o 4 2 。i s l a 等( 2 0 0 2 ) 研究了高生产力 海域碳的埋藏,发现在g e m a n c h e 海峡沉积物中有机碳占总碳的9 0 以上,表层 沉积物中有机碳的含量一般在0 7 2 一1 6 1 之间,在0 1 2 c m 层有机碳的含量随 深度而减少,沉积物中有机碳的分布主要受初级生产力、沉积物结构和沉积物再 悬浮控制,而受氧化条件影响较小。袁华茂等( 2 0 0 3 ) 对渤海的渤海湾、黄河口 外和辽东湾3 个典型海域6 个站位柱状自然粒度沉积物中的有机碳进行了研究, 探讨了有机碳的垂直分布特征及其氧化还原环境对渤海沉积物中有机碳的影响 l 因素。渤海自然粒度沉积物中的有机碳含量在o 3 9 如8 6 ,一般在表层一次表 层含量变化较剧烈,在下层变化较缓,这主要与沉积物中的有机碳早期成岩作用 的进程及沉积物来源有关。 1 t 2 2 2 滨岸沉积物氮的时空分布规律和累积特征 n e d w e l l 等( 1 9 9 6 ) 和t r j m m e r 等( 1 9 9 8 ) 利用培养箱逐月测定了英国( h a t 3 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文第一章绪论 0 u s e 河口沉积物一水界面n 0 3 一、n 0 2 一和n h 4 + 的扩散通量,发现沉积物是n 0 3 一 的一个有效汇库、是n h 4 + 的一个有效源库,但几乎没有进出沉积物。 r i s g a a r d p e t e r s e n 和o 怕s e n ( 2 0 0 0 ) 研究了潮滩沉积物中氮循环的季节变化,发 现春夏季潮滩沉积物是d i n 的汇,秋季则是d i n 的源,冬季又恢复为d i n 的汇, 上覆水和沉积物之间d i n 交换通量的季节变化主要受界面上矿化的n 与植物吸 收的n 之间的平衡控制。a i g a r s 和c 彻距( 2 0 0 1 ) 对波罗的海融g a 湾滨海表 层沉积物中全氮的时空分布进行了研究,发现大型底栖动物的扰动作用和春秋季 节藻类的大量沉积对表层沉积物中全氮的时空分布有重要的影响。刘敏等 ( 2 0 0 l a ) 根据长江河口及上海滨岸潮滩沉积物间隙水和上覆水营养物质的浓度 ,梯度,用f i c k s 第一定律初步估算了沉积物一水界面间营养物质的扩散通量,计 算结果表明n 0 3 _ - n 是沉积物一水界面间物质交换的主要组分,其次是n 】吼_ - n : 从营养物质扩散方向来看,n 主要是由上覆水向沉积物扩散,说明沉积物是n 元素的重要蓄积库。 1 2 2 3 滨岸沉积物磷的时空分布规律和累积特征 沉积物中磷的垂向分布特征受沉积物速率影响显著( 侯立军等,2 0 0 1 ) 。 g e 而t s e 等( 1 9 9 8 ) 对澳大利亚s 啪n - c 趾n i n g 河口沉积物中磷的累积特征进行了 研究,依据沉积历史记录表明,由于人为磷源的大量输入,沉积物中磷出现高度 累积。p a l u d a l l 和m o r r i s ( 1 9 9 9 ) 发现与三价铁结合的无机磷在淡水和半咸水的 盐沼表层沉积物中含量最高,而与钙结合的磷是盐沼无机磷的优势组分,在还原 性的沉积物中,不论盐度如何,与铝氧化物和粘土结合的磷酸盐是熏要的无机磷 沉淀池。l e 删砌和p i t k l i i l e i l l ( 2 0 0 3 ) 研究波罗的海f i n l a i l d 湾近岸沉积物中 磷的累积时发现,沉积物中磷的累积与铁和氮之间存在显著相关关系。李金等 ( 2 0 0 4 ) 研究拓林湾表层沉积物中全磷的平均含量为5 2 6 0 陷g ,季节变化显著, 夏季呈上升趋势,秋季有所下降。 1 2 3 滨岸沉积物生源要素的赋存形态 沉积物中不同存在形态的p 具有不同的环境化学行为和生物有效性( 华兆 哲,2 0 0 0 ) ,沉积物中能参与界面交换及生物可利用磷的量取决于沉积物中磷的 赋存形态( 吴丰昌等,1 9 9 6 ;翁焕新和刘云峰,1 9 9 7 ) 。磷的吸附过程影响着沉 积物中磷的累积及其赋存形态,a n d r i e u x 1 0 y e r 和a 蚵n o t ( 2 0 0 1 ) 对法国滨海沉 积物中磷的赋存形态进行了分析,结果发现吸附态和铁铝结合态磷分别与细颗粒 沉积物和铁含量有显著的正相关关系。n k 等( 1 9 9 7 ) 分别研究了美国l a g u 础a s 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 第一章绪论 支流悬浮颗粒物与t o m a l e s 海湾底层沉积物磷的赋存形态,认为在悬浮颗粒物从 l a g u n i t a s 支流向t 0 m a l e s 海湾迁移的过程中,溶解态磷与颗粒态磷之间几乎不发 生再分配现象
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