第6章 海洋中的痕量金属

1、第六章海洋中的痕量金属第六章海洋中的痕量金属第第1 1节引言节引言v痕量金属是海洋生态系统的重要组分之一，其生物痕量金属是海洋生态系统的重要组分之一，其生物地球化学循环对于了解海洋生态系的结构和功能具地球化学循环对于了解海洋生态系的结构和功能具有重要意义。有重要意义。v某些痕量金属对于海洋生物的生长起着促进作用，某些痕量金属对于海洋生物的生长起着促进作用，而某些金属则对海洋生物有毒性作用，而且这些作而某些金属则对海洋生物有毒性作用，而且这些作用与痕量金属的存在形态有关。用与痕量金属的存在形态有关。v不少痕量金属在古海洋学研究中也发挥着重要的作不少痕量金属在古海洋学研究中也发挥着重要的作用，是解

2、开地球环境变迁历史的重要指标。用，是解开地球环境变迁历史的重要指标。v随着工农业的发展，由废水排放等引起的海洋重金随着工农业的发展，由废水排放等引起的海洋重金属污染已成为人们日益关注的问题。属污染已成为人们日益关注的问题。一、痕量金属在生物生长中的作用一、痕量金属在生物生长中的作用v痕量金属几乎参与了海洋生命的方方面面，痕量金属几乎参与了海洋生命的方方面面，从细胞壁形成到蛋白质合成，无不存在痕量从细胞壁形成到蛋白质合成，无不存在痕量金属的踪迹。金属的踪迹。参与一系列生化反应中，起催化剂的作用，激发、参与一系列生化反应中，起催化剂的作用，激发、调控或抑制某些生化反应的进行。调控或抑制某些生化反应

3、的进行。在原子量大于在原子量大于5050的元素中，大约有十几种元素已的元素中，大约有十几种元素已经知道具有生物学作用，并影响到海洋生物地球经知道具有生物学作用，并影响到海洋生物地球化学过程，它们通常作为海洋生物蛋白质的构成化学过程，它们通常作为海洋生物蛋白质的构成元素或酶体系的调控元素。元素或酶体系的调控元素。海洋重要生物地球化学过程及可能起作用的痕量金属海洋重要生物地球化学过程及可能起作用的痕量金属痕量金属元素的毒性作用痕量金属元素的毒性作用v即使是生物生长所必需的某些痕量金属元素，即使是生物生长所必需的某些痕量金属元素，在其浓度过高时也会对生物生长产生抑制或在其浓度过高时也会对生物生长产生

4、抑制或毒性作用。毒性作用。v问题问题毒性效应产生机制毒性效应产生机制海洋生物应对策略海洋生物应对策略研究意义研究意义二、海水痕量金属的测定问题二、海水痕量金属的测定问题v19701970年之前，由于仪器年之前，由于仪器灵敏度不足灵敏度不足以及采以及采样与分析过程的样与分析过程的污染污染等，所报道的数据存等，所报道的数据存在较大问题在较大问题不同时期所测海不同时期所测海水中部分痕量金水中部分痕量金属元素浓度属元素浓度1969年年Caribbean Sea样品比对结果样品比对结果v对于现在的研究，采样、分析过程，污染问对于现在的研究，采样、分析过程，污染问题仍然是一个严峻的考验题仍然是一个严峻的考

5、验MITESS痕量金属采样系统痕量金属采样系统开阔大洋表层水部分金属开阔大洋表层水部分金属溶解态浓度溶解态浓度第第2 2节海洋痕量金属元素的来源与迁出节海洋痕量金属元素的来源与迁出一、海洋中痕量金属的来源一、海洋中痕量金属的来源（1）大陆径流）大陆径流（2）大气沉降）大气沉降（3）海底沉积物间隙水向上覆水体的扩散）海底沉积物间隙水向上覆水体的扩散（4）海底热液作用）海底热液作用（5）人类活动）人类活动（1 1）大陆径流输入）大陆径流输入v河流是海洋颗粒态、溶解态金属的主要来源河流是海洋颗粒态、溶解态金属的主要来源之一。之一。吸附、解吸作用吸附、解吸作用沉淀作用沉淀作用（2）大气沉降）大气沉降v

6、对于某些金属元素大气沉降是进入海洋的最对于某些金属元素大气沉降是进入海洋的最主要来源，如主要来源，如As、Pb等等对于开阔大洋中心区域的环流区，由于远离陆地，对于开阔大洋中心区域的环流区，由于远离陆地，河流输送量很少，而垂直混合又受到层化作用的河流输送量很少，而垂直混合又受到层化作用的抑制，由深层水向上输送的量也有限，大气输送抑制，由深层水向上输送的量也有限，大气输送变得非常重要。变得非常重要。（3）海底沉积物间隙水向上覆水体）海底沉积物间隙水向上覆水体 的扩散的扩散v沉降颗粒物输送痕量金属到沉积物后，沉积沉降颗粒物输送痕量金属到沉积物后，沉积物中所发生的化学反应可将部分痕量金属重物中所发生的

7、化学反应可将部分痕量金属重新溶解，这个过程称为新溶解，这个过程称为再生重动再生重动。v富含有机质的沉积物（如近岸沉积物）由于富含有机质的沉积物（如近岸沉积物）由于具有高金属浓度以及有机物相对不稳定的性具有高金属浓度以及有机物相对不稳定的性质，通常是痕量金属元素从沉积物重新回到质，通常是痕量金属元素从沉积物重新回到海洋的重要区域。海洋的重要区域。（4）海底热液作用）海底热液作用v海底热液通常富含痕量金属元素。海底热液通常富含痕量金属元素。（5）人类活动）人类活动v人类活动同样会向海洋输入痕量金属元素，人类活动同样会向海洋输入痕量金属元素，绝大部分是通过河流和大气沉降的途径进入绝大部分是通过河流和

8、大气沉降的途径进入海洋。海洋。二、海洋中痕量金属的迁出v海水中痕量金属的浓度均很低，原因在于它们被快速而有效地清除至颗粒物上，并随颗粒物从海洋中迁出。迁出的具体途径主要包括：（1）氧化环境下颗粒物表面的吸附和沉淀（2）结合进入到生源颗粒物（3）还原性环境的沉淀（4）海底热液作用（1）氧化环境下颗粒物表面的吸附和沉淀）氧化环境下颗粒物表面的吸附和沉淀海洋中的颗粒物，在海水pH条件下一般带少量负电荷，阳离子可被静电吸引至它们表面。被吸附的痕量金属可随颗粒物从水体迁出至沉积物。溶解态金属从海水中清除、迁出的速率与程度取决于：v（1）金属元素本身的性质；v（2）颗粒物的丰度；v（3）其它溶质的浓度；v

9、（4）水深。对于清除、迁出速率高的区域，溶解态金属浓度将明显偏离其全球平均值，且溶解态金属浓度比较低。v痕量金属的清除、迁出痕量金属的清除、迁出速率速率可用可用周转时间周转时间（turnover time）或）或停留时间停留时间（residence time）来表示来表示。周转时间：通过一系列周转时间：通过一系列过程将海洋中某一特定过程将海洋中某一特定组分全部清除、迁出海组分全部清除、迁出海洋所需要的时间。也代洋所需要的时间。也代表通过一系列过程重新表通过一系列过程重新产生海洋中现有储量所产生海洋中现有储量所需要的时间。需要的时间。（2）结合进入生源颗粒物）结合进入生源颗粒物海洋生物会将某些痕

10、量金属元素富集于他们的组织和骨骼中，这些痕量金属元素通常被称为微量营养盐。生物可能也以一定比例吸收某些痕量金属元素：某一金属元素在生物体内被富集的程度用富集因子表示：v一般生物富集金属元素的特点：海水中的主要阳离子的富集因子最低铁具有最高EF值不同生物富集痕量金属的能力不同。一般而言，越低等生物往往有高的EF值。浮游植物和褐藻中部分金属元素的浮游植物和褐藻中部分金属元素的富集因子（富集因子（EF）v富集因子的影响因素：生物对阴、阳离子亲和力的大小通常与离子价态有关。离子价态越高，富集因子一般较大：对于同一族的阴离子，富集因子一般随中心原子重量的增加而减小：（3）还原性环境的沉淀）还原性环境的沉

11、淀沉积物中颗粒有机物氧化分解可导致缺氧环境，释放结合的金属元素，同时细菌可将硫酸盐还原为S2-，由此产生的S2-和溶解态金属浓度足以产生硫化物沉淀。如在有机物含量高的沉积物中经常可发现FeS2矿物。（4）热液活动）热液活动海底热液活动是海洋Mg的一个重要迁出途径，但这一迁出途径对其它痕量金属的作用有多大仍不是十分清楚，其中冷却的玄武岩的低温风化可能是海水中一些金属元素的重要迁出路径。第第3 3节海洋痕量金属的垂直分布节海洋痕量金属的垂直分布v海洋中溶解态金属的水平或垂直分布受控于其输入海洋中溶解态金属的水平或垂直分布受控于其输入与迁出的速率，因此，通过海洋中溶解态金属的垂与迁出的速率，因此，通

12、过海洋中溶解态金属的垂直分布可反映该元素收支平衡的状态。直分布可反映该元素收支平衡的状态。v根据垂直分布的特点，可分成根据垂直分布的特点，可分成7 7类类（Bruland, 1983Bruland, 1983）: :（1）保守行为型（2）营养盐型（3）表层富集型（4）中层极小值型（5）中层极大值型（6）中层亚氧层的极大或极小值型；（7）缺氧水体的极大或极小值型。一、保守行为型一、保守行为型v少量痕量金属，少量痕量金属，如如RbRb+ +、CsCs+ +、MoOMoO4 42-2-、WOWO4 42-2-等，等，其垂直分布与温其垂直分布与温度或盐度的变化度或盐度的变化相一致，说明其相一致，说明其

13、分布仅受控于物分布仅受控于物理过程。理过程。v这类金属元素通这类金属元素通常不会明显富集常不会明显富集在生源物质中，在生源物质中，故也是生物非限故也是生物非限制性元素。制性元素。二、营养盐型二、营养盐型v类似于主要营养盐，均在类似于主要营养盐，均在深层水存在富集现象，如深层水存在富集现象，如ZnZn、CuCu、NiNi、CdCd等。等。v产生原因：这些元素在上产生原因：这些元素在上层水被浮游生物吸收，生层水被浮游生物吸收，生物死亡后，部分在上层水物死亡后，部分在上层水体再循环，另有部分通过体再循环，另有部分通过颗粒沉降输送至颗粒沉降输送至中深层中深层。进入中深层水体的颗粒物进入中深层水体的颗粒

14、物发生发生再矿化再矿化作用，重新回作用，重新回到水体中，由此形成表层到水体中，由此形成表层低而中深层高的分布。低而中深层高的分布。中心北太平洋溶解态中心北太平洋溶解态NiNi、CuCu、ZnZn、CdCd的垂直分布的垂直分布NiCuZnCd营养盐型痕量金属与主要营养盐之间营养盐型痕量金属与主要营养盐之间往往存在良好的线性正相关关系往往存在良好的线性正相关关系中心北太平洋溶解态中心北太平洋溶解态ZnZn与与H H4 4SiOSiO4 4、溶解态、溶解态CdCd与与HPOHPO4 42-2-的关系的关系v对于对于营养盐型痕量营养盐型痕量元素，深层水相对元素，深层水相对富集程度富集程度与以与以下下（

15、影响）因素（影响）因素有关：有关：（1 1）元素在生物体的富集因子（）元素在生物体的富集因子（EFEF）；）；（2 2）元素的颗粒沉降通量；）元素的颗粒沉降通量；（3 3）水体运动的相对速率。）水体运动的相对速率。v不同的元素，其垂向富集程度不同。不同的元素，其垂向富集程度不同。v营养盐型营养盐型垂直分垂直分布的布的3 3种种子类型子类型：（1 1）中层深度）中层深度存在极大值；存在极大值；（2 2）深层水存）深层水存在极大值；在极大值；（3 3）中层与深）中层与深层同时存在极大层同时存在极大值。值。中心北太平洋溶解态中心北太平洋溶解态NiNi、CuCu、ZnZn、CdCd的垂直分布的垂直分布

16、三、表层富集型三、表层富集型v由供给源输送至表层水，而后迅速并永久地由供给源输送至表层水，而后迅速并永久地从海水中迁出。它们在海洋中的周转时间远从海水中迁出。它们在海洋中的周转时间远短于水体混合时间。短于水体混合时间。v引起表层富集的过程主要有：引起表层富集的过程主要有：（1 1）大气输送进入海洋，导致）大气输送进入海洋，导致表层富集表层富集（2 2）由河流输送或由陆架沉积物释放，而后通过）由河流输送或由陆架沉积物释放，而后通过水平混合进入开阔大洋，形成表层或次表层极大水平混合进入开阔大洋，形成表层或次表层极大值值（3 3）生物过程导致的氧化还原反应会使还原态金）生物过程导致的氧化还原反应会使

17、还原态金属元素在表层或次表层出现极大值属元素在表层或次表层出现极大值（1 1）大气输送进入海）大气输送进入海洋，如洋，如PbPb。PbPb主要通过人类燃烧主要通过人类燃烧含含PbPb汽油进入大气，汽油进入大气，并被大气气溶胶颗粒并被大气气溶胶颗粒所吸附，其后颗粒态所吸附，其后颗粒态PbPb主要通过降雨输送主要通过降雨输送进入海洋表层。进入海洋表层。北大西洋百慕大时间系列站表层水北大西洋百慕大时间系列站表层水溶解态溶解态PbPb浓度的时间变化浓度的时间变化（2 2）由河流输）由河流输送或由陆架沉送或由陆架沉积物释放，而积物释放，而后通过水平混后通过水平混合进入开阔大合进入开阔大洋，形成表层洋，形

18、成表层或次表层极大或次表层极大值（如值（如MnMn）。）。北太平洋沿岸海域、开阔大洋溶解态北太平洋沿岸海域、开阔大洋溶解态Mn的垂的垂直分布及表层水溶解态直分布及表层水溶解态Mn随离岸距离的变化随离岸距离的变化北太平洋东北太平洋东部沿海部沿海北太平洋北太平洋中心海域中心海域北太平洋表层水北太平洋表层水(33N,123W)(33N,145W)经度经度MnMnMn水水深深水水深深（3 3）生物过程导致的氧化还原反应会使还原）生物过程导致的氧化还原反应会使还原态金属元素在表层或次表层出现极大值，例态金属元素在表层或次表层出现极大值，例如如Cr(III)Cr(III)、As(III)As(III)。四

19、、中层极小值型四、中层极小值型v表层水溶解态表层水溶解态AlAl较高的较高的浓度来自大气沉降的输浓度来自大气沉降的输入，而深层水溶解态入，而深层水溶解态AlAl较高的浓度来自沉积物较高的浓度来自沉积物中中AlAl重新溶解后向上覆重新溶解后向上覆水体的扩散。中层水体水体的扩散。中层水体的极小值是由于该区域的极小值是由于该区域距离源区较远，同时通距离源区较远，同时通过吸附至沉降硅质外壳过吸附至沉降硅质外壳而迁出共同形成。类似而迁出共同形成。类似的痕量金属元素有的痕量金属元素有SnSn。五、中层深度极大值五、中层深度极大值v缘于痕量元素存在中层来源，如海底热液的水缘于痕量元素存在中层来源，如海底热液

20、的水平输送。平输送。六、中层亚氧层的极大或极小值六、中层亚氧层的极大或极小值v海洋的次表层相对于溶解氧通常是不饱和的，海洋的次表层相对于溶解氧通常是不饱和的，在存在少量溶解氧的情况下，称为亚氧化环在存在少量溶解氧的情况下，称为亚氧化环境（境（suboxicsuboxic）。）。v最明显的亚氧化环境出现在沿岸上升流区和最明显的亚氧化环境出现在沿岸上升流区和水体运动不活跃的区域水体运动不活跃的区域太平洋的秘鲁上升流区太平洋的秘鲁上升流区印度洋的阿拉伯海。印度洋的阿拉伯海。v在亚氧化环境中，部分金属元素会发生还原在亚氧化环境中，部分金属元素会发生还原作用，如果其作用，如果其还原形态还原形态比氧化形态

21、比氧化形态溶解度更溶解度更大大的话，那么元素在该水层中将出现极大值。的话，那么元素在该水层中将出现极大值。v如果某金属元素的如果某金属元素的还原形态还原形态比氧化形态比氧化形态溶解溶解度小度小的话，则将产生极小值的分布形态，如的话，则将产生极小值的分布形态，如CrCr3+3+。七、缺氧水体中的极大或极小值七、缺氧水体中的极大或极小值v开阔大洋几乎没有缺氧现象，但在边缘海开阔大洋几乎没有缺氧现象，但在边缘海（如黑海）和深海沟中（如（如黑海）和深海沟中（如Carciaco TrenchCarciaco Trench）可以见到。可以见到。v痕量金属在中深层水体存在极大或极小值的痕量金属在中深层水体存

22、在极大或极小值的原因与亚氧化条件下相同。原因与亚氧化条件下相同。黑海水体中溶解态痕量金属的垂直分布黑海水体中溶解态痕量金属的垂直分布第第4 4节海洋痕量金属的水平分布特征节海洋痕量金属的水平分布特征一、太平洋与大西洋深层水痕量金属浓度的比较一、太平洋与大西洋深层水痕量金属浓度的比较1、许多元素在太平洋深层水中的浓度高于大西洋许多元素在太平洋深层水中的浓度高于大西洋深层水，原因在于太平洋深层水较老的年龄让它累深层水，原因在于太平洋深层水较老的年龄让它累积了更多来自上层水体的金属元素。积了更多来自上层水体的金属元素。2 2、例外例外的情况是的情况是PbPb2+2+和和AlAl3+3+，太平洋深层水

23、中的，太平洋深层水中的溶解态溶解态PbPb和和AlAl浓度低于大西洋深层水，原因在于浓度低于大西洋深层水，原因在于它们在大西洋表层具有较高的输入通量，且它们它们在大西洋表层具有较高的输入通量，且它们不断地从水体中清除、迁出，导致无法累积在太不断地从水体中清除、迁出，导致无法累积在太平洋深层水中。平洋深层水中。二、近岸海域与开阔大洋痕量金属浓度的比较二、近岸海域与开阔大洋痕量金属浓度的比较1、绝大多数痕量金属元素在陆架区具有较高的绝大多数痕量金属元素在陆架区具有较高的溶解态浓度，意味着它们存在陆地来源（包括河溶解态浓度，意味着它们存在陆地来源（包括河流或沉积物）。流或沉积物）。v北大西洋开北大西

24、洋开阔海洋阔海洋欧欧洲沿岸断面洲沿岸断面表层水溶解表层水溶解态态CdCd、CuCu、MnMn的分布的分布500m等深线等深线磷酸盐磷酸盐硅酸盐硅酸盐MnCuCd盐度盐度温度温度开阔大洋开阔大洋沿岸沿岸北太平洋北太平洋Hawaii-Montery BayHawaii-Montery Bay断面表层水痕量金属的分布断面表层水痕量金属的分布2、一些元素在大洋中心环流区的浓度较高，意一些元素在大洋中心环流区的浓度较高，意味着存在大气沉降输入。味着存在大气沉降输入。MnCuNiPb夏威夷夏威夷蒙特利湾蒙特利湾第第5 5节海水中痕量金属的存在形态节海水中痕量金属的存在形态一、痕量金属存在形态的生态学意义一

25、、痕量金属存在形态的生态学意义1、海水中痕量金属的地球化学行为往往与其存在形态密切相关，存在形态的变化会影响到海洋生物对金属的吸收、金属对生物的毒性效应、金属的反应活性以及金属在海水中的溶解度大小等等。vFe（II）和Mn（II）可为海洋生物直接吸收，而Fe（III）和Mn（IV）在没有转化前难以被生物直接吸收；vCu2+可被H2O2快速地还原，而CuCO3和Cu-EDTA则难以被H2O2还原。2、海水中痕量金属元素的存在形态通常受其与无机配位体（Cl-、OH-、CO32-等）和有机配位体（多糖、腐殖酸等）的离子相互作用所控制3、与不同金属元素结合的无机配位体会有所变化一些痕量金属（Cu+、A

26、g+、Hg2+）主要与海水中的Cl-、Br-等卤族元素结合绝大多数二价和三价金属元素会与OH-、CO32-形成强的络合物绝大多数过渡金属元素（Fe、Co、Cu、Zn）会与有机配位体络合二、海水痕量金属的形态二、海水痕量金属的形态1、与常量元素不同，痕量金属元素会有更大比例以与常量元素不同，痕量金属元素会有更大比例以离子对离子对或或配位化合物配位化合物形态存在。形态存在。 海水痕量金属的存在形态分配（海水痕量金属的存在形态分配（%）2 2、在在氧化性氧化性海水中，与痕量金属元素结合的无机配海水中，与痕量金属元素结合的无机配位体主要包括位体主要包括OHOH- -、ClCl- -、SOSO4 42-

27、2-、COCO3 32-2-等，有机配位等，有机配位体包括羰类、酚类、胺类和氨基酸等。体包括羰类、酚类、胺类和氨基酸等。3 3、在在缺氧缺氧水体中，形成硫化物往往会明显影响痕量水体中，形成硫化物往往会明显影响痕量金属的存在形态。金属的存在形态。4 4、在大部分情况下，海水中配位体的浓度要高于痕在大部分情况下，海水中配位体的浓度要高于痕量金属元素的浓度。量金属元素的浓度。5 5、由于海水中痕量金属元素浓度很低，且分析过程由于海水中痕量金属元素浓度很低，且分析过程常受到其他元素的干扰，直接测量获得海水中痕量常受到其他元素的干扰，直接测量获得海水中痕量金属元素的存在形态是非常困难的。金属元素的存在形

28、态是非常困难的。第第6 6节海洋中铁的生物地球化学循环节海洋中铁的生物地球化学循环一、一、FeFe生物地球化学循环的重要性生物地球化学循环的重要性调控大气调控大气COCO2 2浓度浓度南极冰芯气泡中南极冰芯气泡中COCO2 2浓度与铁浓度之间的关系浓度与铁浓度之间的关系两个关联假说两个关联假说vJohn Martin假说：当大气铁沉降通量增加时，刺激海洋生物的生长，特别是占世界1/3面积的HNLC海域，生物生产力得到明显提高，由此吸收更多的大气CO2，导致冰期大气较低的CO2浓度（Martin et al.，1990）。vPaul Falkowski假说：海洋中的固氮作用可能受铁所限制，当冰期

29、通过大气沉降输入到温暖的低纬度海域的铁增加时，可能激发海洋固氮作用，增加海水中生物可利用氮储库，提高生物生产力，从而降低大气CO2浓度（Falkowski，1998）。铁在海洋铁在海洋生物地球生物地球化学过程化学过程中的可能中的可能作用作用二、海洋中Fe的收支平衡1、海水中铁的化学性质（1）铁在海水中以多种物理形式存在，包括颗粒态与溶解态、有机态和无机态等。（2）溶解态Fe（0.20.4 m）主要由有机络合组分构成，无机水解产物仅占很小一部分。（3）溶解态Fe的一部分以胶体态存在，胶体态Fe占溶解态的比例可从开阔大洋水中的10%变化至沿岸海水中的90%。（4）海水中的Fe以两种氧化态形式存在，

30、即Fe（III）和Fe（II）；（5）在氧化性海水中，Fe（III）是最重要的存在价态，其相对于水解、吸附和络合作用等是非常活跃的。（6）溶解度更高且动力学上相对不稳定的Fe（II）通常作为Fe（III）的还原产物短暂地存在于海水中。（7）与Fe（III）不同，无机Fe（II）组分不仅容易溶解于海水中，且有机物对其的络合作用较弱。因此，当Fe（III）还原作用发生时，可短暂地增加海水中生物可利用性Fe的数量。2、海洋中溶解态铁储量3 3、铁输入海洋的途径、铁输入海洋的途径 河流输入河流输入 大气沉降输入大气沉降输入 海底热液输入海底热液输入 海底沉积物的输入海底沉积物的输入河流输入河流输入大气

31、沉降输入大气沉降输入v大气沉降颗粒物通量：（0.41）1015 g/a；铁在土壤、岩石中的含量：2.94.8%，平均：3.5%；大气沉降进入海洋的铁总量：250630109 mol/a。v大气颗粒物输送约70%通过干沉降： 175440109 mol/a，它们进入海洋后的溶解几乎是可以忽略的；30%通过湿沉降：75190109 mol/a；v湿沉降（pH=47）约14%溶解：1026109 mol/a。关键参数：大气沉降通量、湿沉降份额、Fe溶解度海底热液输入海底热液输入v估计热液作用输送的Fe总量：（3090）109 mol/a。热液进入海洋后会快速冷却，Fe会以各种矿物形式沉淀，残留在水体

32、中的Fe很少，比起其他来源项来说估计是可以忽略的。海底沉积物的输入海底沉积物的输入v海底沉积物向上覆水体提供的Fe通量估计与大气沉降输送通量在同一数量级。v对于大气沉降输入较低的开阔大洋水体，沉积物铁的输入可能起着重要作用。4 4、铁从海水的迁出、铁从海水的迁出v溶解态Fe从海水中迁出的最主要途径是生物过程所驱动的颗粒物垂向输出。溶解态Fe会被海洋生物吸收，生物排泄的粪粒及死亡后的残骸与河流输送、大气沉降输入的部分颗粒物一起，在重力作用下向中深层海洋输送，并最终进入海底沉积物中。在颗粒物的垂向输送过程，颗粒物仍会不断地从所经历的水体中吸附溶解态Fe，进而将Fe从水体中迁出。v生物驱动的上层水体

33、生物驱动的上层水体FeFe输出通量输出通量：假设开阔大洋浮游植物Fe:C = 1 : 33000 沿岸海域浮游植物Fe:C = 1 : 3300全球海洋初级生产力： 2.61015 molC/a 沿岸海域单位面积初级生产力= 4开阔大洋初级生产力 沿岸海域面积/开阔大洋面积= 1 : 9 沿岸海域初级生产力= 0.81015 molC/a 开阔大洋初级生产力= 1.81015 molC/a沿岸海域浮游植物吸收的Fe = 242109 molFe/a 开阔大洋浮游植物吸收的Fe = 55109 molFe/a假设沿岸海域垂向输出Fe占生物吸收Fe 比值= 25%，开阔大洋垂向输出Fe占生物吸收F

34、e 比值= 10%沿岸海域Fe输出通量= 61109 molFe/a 开阔大洋Fe输出通量= 5.5109 molFe/a三、铁生物地球化学循环的关键过程三、铁生物地球化学循环的关键过程l大气铁沉降通量大气铁沉降通量l铁的生物吸收铁的生物吸收l铁的清除、迁出铁的清除、迁出1 1、铁的大气沉降、铁的大气沉降v大气沉降来源：大气沉降来源：主要来自北半球中纬度区的主要来自北半球中纬度区的干旱与半干旱地区干旱与半干旱地区受受人类活动影响人类活动影响大气尘埃源区及输送路径v由地壳产生的尘埃的粒径一般介于由地壳产生的尘埃的粒径一般介于1100m之间，之间，其中大的颗粒物会在距离源区比较近的地方沉降下其中大

35、的颗粒物会在距离源区比较近的地方沉降下来，直径小于来，直径小于10m的颗粒物则可以输送至很远的地的颗粒物则可以输送至很远的地方。方。已有研究显示，来自中国戈壁沙漠的尘埃运移已有研究显示，来自中国戈壁沙漠的尘埃运移10000 15000 km达到中心太平洋仅需要达到中心太平洋仅需要814 d的时间。的时间。v源区尘埃的产生速率具有很大的时空变化，降雨量、源区尘埃的产生速率具有很大的时空变化，降雨量、风速、人类对土地的利用模式等均会影响到尘埃的风速、人类对土地的利用模式等均会影响到尘埃的产生速率。产生速率。大气沉降颗粒通量大气沉降颗粒通量： 西北太平洋与赤道大西洋最高西北太平洋与赤道大西洋最高干、

36、湿沉降贡献：干沉降占干、湿沉降贡献：干沉降占70%70%，湿沉降占，湿沉降占30%30%沉降颗粒沉降颗粒FeFe的溶解度：的溶解度：pHpH、颗粒物源、铁形态等影响、颗粒物源、铁形态等影响v地壳地壳矿物源矿物源气溶胶干沉降中气溶胶干沉降中FeFe在海水在海水pHpH值条值条件下的总件下的总溶解度不足溶解度不足1%1%，但在有光条件下，但在有光条件下，其中部分其中部分FeFe将被还原为生物可利用的将被还原为生物可利用的FeFe（IIII），而），而FeFe在在雨水中雨水中的的溶解度溶解度平均为平均为14%14%，因此，尽管输入全球海洋的因此，尽管输入全球海洋的FeFe通量主要受控通量主要受控于干

37、沉降，但海水中溶解态于干沉降，但海水中溶解态FeFe应主要来自湿应主要来自湿沉降。沉降。2 2、铁的生物吸收、铁的生物吸收v吸收机制：（1）铁载体输送系统v原核生物，如陆地细菌与真菌、部分海洋异氧细菌和部分海洋蓝细菌，在Fe限制的情况下会采用此种Fe吸收方式。（2）Fe(II)或Fe(III)膜蛋白输送系统铁载体输送系统：原核生物铁载体输送系统：原核生物siderophoreiron atomsOrganic ligandsFe(II)或或Fe(III)膜蛋白输送系统：真核生物膜蛋白输送系统：真核生物海洋硅藻（海洋硅藻（Thalassiosira weissflogii）对铁的吸收速率与自由对

38、铁的吸收速率与自由Fe离子浓度的关系离子浓度的关系开阔大洋与沿岸海域浮游生物铁需求量的变化开阔大洋与沿岸海域浮游生物铁需求量的变化生长速率生长速率细胞内铁含量细胞内铁含量Fe浓度3 3、铁的清除、迁出、铁的清除、迁出（1）海水中）海水中Fe(III) 组分具有很强的颗粒活性，极易组分具有很强的颗粒活性，极易被沉降的矿物颗粒或生源碎屑清除、迁出。被沉降的矿物颗粒或生源碎屑清除、迁出。铁锰水合物、黏土矿物或有机组分等颗粒物表面往往都铁锰水合物、黏土矿物或有机组分等颗粒物表面往往都含有强的吸附介质，能快速地从水体中吸附溶解态含有强的吸附介质，能快速地从水体中吸附溶解态Fe。颗粒物对溶解态颗粒物对溶解

39、态Fe的清除速率取决于水体中溶解态的清除速率取决于水体中溶解态Fe的的浓度浓度以及颗粒物的以及颗粒物的丰度丰度和和粒径粒径分布。分布。（2） 在上层海洋，在上层海洋，Fe(II)被海洋生物吸收利用，进入被海洋生物吸收利用，进入生源颗粒物而迁出生源颗粒物而迁出Fe与细胞结合的两个储库：与细胞结合的两个储库： 细胞内细胞内Fe 细胞表面吸附细胞表面吸附FeFe与细胞结合的两个储库：与细胞结合的两个储库：细胞内细胞内Fe细胞表面吸附细胞表面吸附Fe南大洋天然悬浮颗粒物表面结合与内部结合的铁南大洋天然悬浮颗粒物表面结合与内部结合的铁Bowie等，2001四、海洋中四、海洋中FeFe的含量与分布的含量与

40、分布1、溶解态铁v（1）海水中溶解态Fe的浓度变化达4-5 个数量级： 开阔大洋表层水：低至0.030.5 nmol/L 开阔大洋深层水： 0.31.4 nmol/L 半封闭边缘海：110 nmol/L 沿岸海域海水：1100 nmol/L 潮汐影响明显的近岸海域与河口区：10400 nmol/L 河水：平均720 nmol/L 亚氧和缺氧水体：3003000 nmol/L 沉积物间隙水：300 mol/L 海底热液流体：高达3 mmol/L。来自陆架沉积物的溶解态来自陆架沉积物的溶解态Fe向开阔大洋的输送向开阔大洋的输送离岸距离离岸距离(km)（2 2）溶解态）溶解态FeFe浓度垂直分布浓度垂直分布营养盐型营养盐型痕量金属痕量金属开阔大洋深层水典型浓度值：开阔大洋深层水典型浓度值： 北太平洋北太平洋 0.76nmol/kg0.76nmol/kg 北大西洋北大西洋 1.2nmol/kg1.2nmol/kgv开阔大洋溶解态开阔大洋溶解态Fe浓度垂直分布浓度垂直分布关键特征关键特征：由于生物吸收，表层水含量较低由于生物吸收，表层水含量较