河口沉积物中的厌氧反应及其对碳酸盐系统的影响

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自工业革命以来,海洋吸收的人为CO2已导致表层海水中的自由氢离子浓度升高了26%,海水pH降低了0.1个单位,同时,水体溶解无机碳(DIC)和HCO3-浓度升高,CO32-浓度降低,海水碳酸盐系统对CO2的缓冲能力降低。碱度(TA)的高低是海水对pH变化起缓冲作用的重要因素,一般地说,TA越高,则海水碳酸盐系统的缓冲能力越强。  每年通过河口输入海洋的DIC大致相当于全球海洋吸收大气CO2量的20%,与同时入海的TA一起对海洋碳酸盐系统产生重要影响。低纬度河口面积占全球河口总面积的60%,其在调节海洋碳酸盐系统缓冲能力上的重要性更是无法忽略。珠江口和九龙江河口均属于受人类活动干扰严重的低纬度河口,但二者的水体含氧状况、碳酸盐含量和生态环境都存在差异。本研究通过对这两个河口沉积物间隙水的地球化学性质的研究,探讨沉积物厌氧反应对沉积物间隙水TA的影响,同时结合沉积物-水界面的TA输出通量探讨不同河口的沉积物间隙水TA输出对水体碳酸盐系统的影响。  本研究的主要结果来自2013-2014年间在九龙江河口和珠江口开展的三个航次的观测数据。研究发现,由于受到沉积物中有机物分解作用的影响,除个别站位外,九龙江河口和珠江口的沉积物间隙水中TA、DIC和NH4+的浓度都随沉积物深度增大逐渐升高。同时,九龙江河口和珠江口的沉积物间隙水都检测到了Mn2+和Fe2+,沉积物也检测了FeS,说明铁锰氧化还原和FeS形成是珠江口和九龙江河口沉积物普遍发生的成岩反应。  九龙江河口的沉积物间隙水地球化学性质具有显著的空间差异和季节变化。空间差异大体表现为上游沉积物间隙水的TA、DIC和NH4+浓度高于下游,但个别站位也出现异常。从季节变化上讲,中上游站沉积物间隙水的TA、DIC和NH4+浓度夏季高于冬季,下游则相反。九龙江河口通过沉积物-水界面输入水体的TA通量也具有显著的季节差异,冬季为17.21±9.13至7671.23±863.58mmol·m-2·d-1,夏季为45.02±11.97至1819.58±299.7mmol·m-2·d-1,由沉积物输送的TA总量占水体TA总储量的5.8%±2.6%。  夏季九龙江河口沉积物间隙水中NH4+的累积对实测间隙水TA变化的贡献量2.5%-15.8%,每厘米的平均贡献量为3.1%-11.9%(JL00站除外);间隙水中Mn2+和Fe2+的累积对实测间隙水TA变化的贡献量为1.4%-96.6%和1.3%-80.9%,每厘米的平均贡献量分别为4.8%-49.7%和4.0-30.3%,外源NO3-的反硝化作用导致的TA变化较小,且其贡献量随沉积物深度增大逐渐降低。  秋季珠江口通过沉积物-水界面输入水体的TA通量为5.16±0.55至1116.94±57.66 mmol·m-2·d-1。在内伶仃洋区域,由沉积物输送的TA总量占内伶仃洋水体TA总储量的7.6%±0.3%,对水体碳酸盐系统产生非常重要的影响。  秋季珠江口中上游沉积物间隙水中NH4+的累积对实测间隙水TA变化的贡献量为3.7%-10.5%,每厘米的平均贡献量为6.6%-7.5%;外源NO3-的反硝化作用导致的TA变化对实测间隙水TA变化的贡献量为0.4%-7.6%,且其贡献量随沉积物深度增大逐渐降低,每厘米的平均贡献量为1.3%-5.9%。
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