胶州湾沉积物-海水界面硅的交换速率及其影响因素探讨

2016-12-21 06:50汪雅露袁华茂宋金明李学刚李宁曲宝晓康绪明王启栋邢建伟梁宪萌
海洋学报 2016年12期
关键词:胶州湾底层表层

汪雅露,袁华茂 ,宋金明,李学刚,李宁,曲宝晓,康绪明,王启栋,邢建伟,梁宪萌

(1.中国科学院 海洋生态与环境重点实验室,山东 青岛266071;2.中国科学院大学,北京100039;3.青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋生态与环境科学功能实验室,山东 青岛266071)



胶州湾沉积物-海水界面硅的交换速率及其影响因素探讨

汪雅露1,2,3,袁华茂1,3*,宋金明1,3,李学刚1,3,李宁1,3,曲宝晓1,3,康绪明1,3,王启栋1,2,3,邢建伟1,2,3,梁宪萌1,2,3

(1.中国科学院 海洋生态与环境重点实验室,山东 青岛266071;2.中国科学院大学,北京100039;3.青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋生态与环境科学功能实验室,山东 青岛266071)

采用实验室培养法在原位温度和溶氧条件下测定了胶州湾沉积物-海水界面硅的交换速率,并探讨了相关环境因子对界面交换速率的影响机制。结果表明,胶州湾沉积物-海水界面硅的交换表现为从沉积物向水体释放,其交换速率在947~4 889 μmol/(m2·d)范围内,平均速率为1 819 μmol/(m2·d)。表层沉积物中叶绿素a(Chla)和总有机碳(TOC)是影响胶州湾沉积物-海水界面硅交换速率的主要环境因子,同时表层沉积物的含水率(φ)、生源硅(BSi)和粘土含量以及间隙水中溶解硅酸盐(DSi)对沉积物-海水界面硅的交换也有重要影响。由此可推知,胶州湾沉积物-海水界面硅的交换速率主要受生物活动和溶解-扩散双重过程调控,而表层沉积物粒度与底层水体中DSi对胶州湾硅的释放影响较小。

胶州湾;沉积物-海水界面;硅;交换速率;环境影响因子

1 引言

在很多海区,硅是限制浮游植物生长的主要营养元素[1—2],决定了浮游生物的丰度和组成,在海洋系统的碳循环中起着重要作用。沉积物是水体溶解硅酸盐(DSi)的重要来源[3],Cowan等[4]对波士顿海湾的研究表明,沉积物释放的硅占浮游植物生长所需的60%;在我国渤海,沉积物释放的硅相当于初级生产所需的65%[5]。据调查,沉降到底层的颗粒物中,80%的生源硅(BSi)在沉积物表层被分解回到水体[6],因此研究沉积物-海水界面硅的迁移转化对评价海洋中硅的收支与循环具有重要意义。目前,国内外针对沉积物-海水界面硅通量的研究有很多[5,7—10],然而对其影响因子还缺乏系统认识。沉积物中的可交换态硅主要存在于粘土矿物(如伊利石)和硅质生物残体中,通过溶解和扩散的方式进入水体。温度、盐度、pH、孔隙率、粘土含量和间隙水中DSi浓度是调控溶解和扩散过程的重要环境因子,因此对沉积物-海水界面硅的交换有着重要影响[4,11—13]。在近岸海域,沉积物中微生物的降解作用、底栖硅藻的同化作用和底栖生物的扰动都会改变沉积物-海水界面硅的交换速率,因此沉积物中与生物活动相关的有机质、叶绿素a(Chla)以及生源硅(BSi)的含量也会影响沉积物-海水界面硅的交换[12,14]。沉积物-海水界面硅的迁移转化过程是一个复杂的体系,受生物因素、物理因素和化学因素共同调控,这些环境因子之间关系密切,简单的相关性分析并不能系统阐述环境因子对沉积物-海水界面硅交换的影响。

胶州湾平均水深7 m,海湾面积约353.92 km2,南面与黄海相接,属于典型的温带半封闭型海湾。有研究表明,硅是限制胶州湾浮游植物生长的重要营养元素[2],但是针对胶州湾沉积物-海水界面硅通量的研究较少。蒋凤华等[15—16]曾利用实验室培养法对胶州湾沉积-海水界面的硅通量进行调查,并利用相关性分析探讨了沉积物-海水界面硅的交换速率与沉积物含水率、间隙水中硅酸盐浓度、粘土含量及平均粒径的关系。但是,其培养实验均是在充气和非原位温度条件下进行的,因此界面间溶解氧水平和温度与实际条件存在一定差异,其调查结果可能存在一定偏差。另外,蒋凤华等选取的环境影响因子基本忽略了生物因素的影响,并不全面。为了更为准确的获得胶州湾沉积物海水界面间硅的交换通量,本文在原位条件下进行实验室培养,设定接近现场环境条件(温度和溶氧)的培养条件,以斜率法获得原位交换速率。同时,测定了表层沉积物中总有机碳(TOC)、Chla、含水率(φ)、BSi、粘土含量、中值粒径(D50)以及间隙水和底层水体中的DSi浓度,利用相关性分析和主成分回归分析探讨了底层环境因子对沉积物-海水界面间硅交换速率的影响,以期更为系统的探讨胶州湾沉积物-海水界面硅交换的关键控制因素,为进一步研究硅的生物地球化学循环提供理论依据。

2 材料与方法

2.1 样品采集

在胶州湾预设10个采样站位(图1),分别于2015年7月乘“创新号”调查船,用箱式采样器采集了湾内8个站位的表层未扰动柱状沉积样(高度为10~15 cm)和全部站位的表层沉积物(0~1 cm)。将柱状沉积样置于有机玻璃管(D内=16 cm)中,4℃避光保存。同时,将表层沉积物分为3份,其中1份-20℃冷冻保存,用于实验室测定BSi、Chla、TOC。另外两份避光冷藏保存,带回实验室,1份离心(4 500 r/min,10 min,4℃)后用0.45 μm醋酸纤维膜过滤取间隙水,另一份称重测含水率、粘土含量和D50。取同站位底层海水10 L,4℃避光保存,8 h内带回实验室进行培养实验。

图1 胶州湾采样站位Fig.1 Sampling stations in the Jiaozhou Bay

2.2 室内培养实验

现场测定的底层水体温差不超过3℃(表1),因此选取底层水体平均温度(24.5℃)作为培养温度。培养开始前,将沉积柱与底层海水均置于预先恒温的培养箱中,底层海水温度达到培养温度时,向沉积柱中缓慢加入4 L底层海水,避光培养,另取一有机玻璃管加入等量底层海水作为对照组,培养装置简化图见图2。向上覆水中通入经预实验确定的一定流量的空气或空气与氮气的混合气,使培养水体的溶解氧浓度接近各站原位溶解氧条件。实验过程中,以24 h为间隔用Thermo Scientific OrionTMVersa StarTMpH/ ISE/电导率/溶解氧多参数台式测量仪对上覆水体的盐度、DO和pH进行监测,培养条件如表1所示。电极法条件下测定的DO值经碘量法校正(r2=0.99)。

图2 实验装置示意图 Fig.2 Schematic diagram of the experimental device

站位温度/℃溶氧/mg·L-1盐度pH原位条件培养条件原位条件培养条件原位条件培养条件原位条件培养条件S325.824.5±0.56.636.72±0.0730.9031.097.857.81S424.624.5±0.55.565.52±0.1030.8231.007.847.84S524.724.5±0.55.965.99±0.1730.8931.117.867.87S625.224.5±0.56.236.01±0.1731.0131.027.787.71S723.224.5±0.56.997.10±0.1031.0431.217.917.93S823.724.5±0.56.656.63±0.1531.0331.137.917.87S924.524.5±0.56.636.69±0.1331.0631.157.877.84S1024.724.5±0.56.857.05±0.2031.0331.137.887.87

培养稳定6 h后开始采集水样,培养56 h,将第一次采样时刻作为起始点,间隔6~20 h取样,每次取出40 mL海水,用0.45 μm醋酸纤维膜过滤后,加氯仿-20℃保存。每次取完水样后加入原站位采集的等体积底层海水,保证培养过程中上覆水体积不变,依据公式(1)、(2)计算沉积物-海水界面硅的交换量与交换速率:

(1)

(2)

式中,Mi为ti时间内沉积物-海水界面的硅交换量(μmol);ΔV取为取样体积(单位:L);V为培养过程中上覆水体积(L);C0为底层海水DSi浓度(单位:μmol/L);Ci-1为ti-1时刻实验组上覆水DSi浓度;F为沉积物-海水界面硅的交换速率[单位:μmol/(m2·d)];dM/dt为交换量随时间变化的斜率(单位:μmol/h);A为交换面积,且A=π(D内/2)2=0.02 m2。

2.3 底层参数测定

2.3.1 水体参数测定

用CTD现场测定底层水体盐度,pH由Thermo Orion 5-star pH计配置雷磁E-201-D复合电极测定,底层水体的DO利用碘量滴定法(GB 12763.4-2007-T)测定。采集的底层水、间隙水和培养水样用0.45 μm醋酸纤维膜过滤后用Quaatro39型营养盐流动分析仪测定DSi浓度。

2.3.2 表层沉积物参数测定

表层沉积物的含水率(φ)用质量法测定,BSi含量参照Michalopoulos和Aller[17]的方法进行测定,沉积物中的Chla参照Parsons等[18]的方法用N,N-二甲基甲酰胺[19]萃取后用同步荧光法[20]测定,表层沉积物的粒径分布用Malvern激光衍射粒度仪分析,TOC用vario TOC cube型总有机碳分析仪测定。

3 结果与讨论

3.1 胶州湾沉积物-海水界面的硅通量

图3为胶州湾不同站位培养过程中上覆水体的硅酸盐(SiO3-Si)的交换量随时间变化的曲线,在开始采样后的25~56 h内,SiO3-Si交换量随培养时间均呈线性变化(r2>0.98),随着培养时间的增加,培养体系环境(如上覆水浓度等)发生变化,硅酸盐在沉积物-海水界面的交换量随时间的变化曲线可能会偏离原本的线性趋势,考虑到初始条件较接近原位条件,因此选取初始线性部分的斜率来计算沉积物-海水界面硅的交换速率[21]。

图3 不同站位上覆水体中SiO3-Si交换量随培养时间的变化Fig.3 SiO3-Si exchange amount in overlying water versus incubation time

将硅酸盐交换量随时间变化的斜率代入公式(2)可以求得硅酸盐在胶州湾沉积物-海水界面的交换速率。如表2所示,胶州湾夏季沉积物-海水界面硅的交换速率为947~4 889 μmol /(m2·d),与蒋凤华等[15]的调查结果接近(1 000~5 000 μmol/(m2·d))相近。各站位的平均速率为1 819 μmol/(m2·d),大部分站位的硅酸盐交换速率在947~1 872 μmol/(m2·d),但是S5站位硅酸盐的交换速率远远大于其他站位,这可能是因为S5站位靠近李村河口,底层有机质含量高(表4),生物活动较为活跃。

表3为中国近海不同海域沉积物-海水界面硅的交换速率。从表中可以看出,在中国近海,沉积物中的硅通常表现为向水体释放,这证明在近海海域沉积物基本表现为水体DSi的源。比较浙江近海赤潮前后测得的沉积物-海水界面硅的交换通量,可以看出生物作用能加快沉积物中硅的循环速度。

表2 SiO3-Si在胶州湾不同站位沉积物-海水界面间的交换速率

表3 中国近海不同海域沉积物-海水界面硅的交换速率

3.2 环境相关影响因子解析

3.2.1 底层环境因子的空间分布

从湾内到湾口,沉积物表层的BSi、Chla、TOC、粘土含量、含水率和间隙水及底层水体中DSi浓度均呈降低趋势,沉积物的D50有增大的趋势。表层沉积物的BSi在2.64~4.21 mg/g之间,Chla为0.59~4.62 μg/g,TOC在0.30%~0.95%之间,粘土含量为13%~26%,D50为9~85 μm,含水率为28.88%~51.00%,间隙水中DSi浓度为46.92~186.77 μmol/L,底层水体的DSi浓度在5.08~14.97 μmol/L范围内。

表4 不同站位的底质环境参数

沉积物-海水界面硅的交换主要由沉淀(矿化)-溶解、吸附-解吸和扩散过程控制,受多种环境因子共同制约。盐度、pH和DO是影响沉积物-海水界面硅交换的重要环境因子,但由于本次调查所得胶州湾各站底层水体的温度为23.2~25.8℃,盐度为30.82~31.06,pH为7.78~7.91,DO在5.56~6.99 mg/L范围内,变化并不显著,故在本文中不予讨论。根据相关环境因子的不同性质,将其分为以下3类进行讨论:(1)与扩散过程相关的参数:沉积物间隙水中DSi浓度和底层水体中DSi浓度;(2)与表层生物活动相关的参数:表层沉积物BSi、Chla和TOC;(3)与沉积物本身性质相关的参数:表层沉积物的粘土含量、D50和含水率。

表5 沉积物-海水界面环境参数的相关性分析及其与硅交换速率的关系

注:*p< 0.05 ;**p< 0.01。

3.2.2 底层水体中DSi浓度和沉积物间隙水中DSi浓度

由相关分析可知,随着底层水体和间隙水中DSi浓度的升高,沉积物中硅的释放速率变大(表5)。实际上,界面DSi浓度差(间隙水与底层海水的DSi浓度差)是影响沉积物-海水界面硅扩散过程的重要因子,两者呈显著正相关(r=0.71,P<0.05)。由表4可知,胶州湾沉积物间隙水中DSi浓度远高于底层海水,因此底层海水中DSi浓度主要受间隙水中DSi扩散影响(r=0.71,P<0.05),且界面浓度差主要由间隙水中DSi的浓度决定(r=1.00,P<0.01)。因此间隙水中DSi浓度越高,底层DSi浓度和界面DSi浓度差越大,沉积物-海水界面硅的释放速率越大。一般情况下,随着间隙水中DSi浓度的升高,沉积物-海水界面硅的释放速率变大,然而Srithongouthai等[12]的研究表明,间隙水中DSi浓度越高,沉积物中可交换态硅的溶解速率越低,因此间隙水中DSi会抑制沉积物中硅向水体迁移。显然,胶州湾沉积物间隙水中DSi对扩散过程的促进作用占主导,能促进沉积物中硅向水体迁移。

3.2.3 表层沉积物的TOC、Chl a和BSi含量

表层沉积物中TOC与沉积物中硅的释放速率呈显著正相关(r=0.91,P<0.01),这表明在有机质丰富的底质环境中,沉积物中的硅更容易向水体迁移。TOC能表征有机质含量,是影响沉积物-海水界面硅交换的重要环境因子。针对Mobile海湾的研究表明,营养盐交换速率的最大值一般发生在富含有机质的沉积物中[4]。一般而言,沉积物中有机质降解能使间隙水中营养盐浓度升高,从而促进沉积物中营养盐向水体释放。Abe等[14]对濑户内海的研究表明,沉积物中硅的释放速率与有机质的降解相关,由此推测微生物可以降解包裹在硅质细胞壁周围的有机质,从而促进沉积物中硅的溶解和释放。综合前人的研究可以推知,在富含有机质的沉积物中,微生物的降解作用可能较为活跃,因此包裹在硅质残体周围的有机质能被迅速矿化,从而使沉积物中硅更容易溶解并释放到上覆水体。

表层沉积物的Chla含量与沉积物-海水界面硅的交换速率同样呈显著正相关(r=0.95,P<0.01),即随着沉积物表层Chla含量的增加,沉积物-海水界面硅的交换速率呈增大趋势。通过相关性分析可知,表层沉积物中的Chla与TOC显著相关(r=0.95,P<0.01),这是因为高的生产力有利于有机质的积累,而丰富的有机质能为生产者补给营养物质,因此丰富的有机质通常与高生产力耦合。另外,Chla作为初级生产的重要指标,在一定程度上能表征有机质的代谢速度[25],而底层有机质的代谢利于沉积物中BSi的溶出(如前所述),因此表层Chla含量越高,沉积物中硅的释放速率越大。同时,在有机质含量丰富、生产力较高的近岸海域沉积物中,底栖生物的丰度可能较高,生物扰动能加大沉积物与水体的接触面积,从而加速可交换态硅的溶解和扩散过程,使得沉积物-海水界面硅的交换速率更大。

沉积物-海水界面硅的交换速率与表层沉积物的BSi含量存在一定正相关性(r=0.69,P=0.057),这与Srithongouthai和Loassachan的研究结果相悖[12,26]。考虑到硅藻是胶州湾底栖藻类的主要组成之一[27],沉积物中BSi对底层硅交换的影响并不能用单一机制解释。一方面,胶州湾沉积物中的BSi和Chla显著相关(r=0.71,P<0.05),BSi在一定程度上能表征底栖硅藻丰度,而硅藻能将DSi转化为沉积物中BSi,促进DSi向沉积物转移,使沉积物-海水界面硅的净释放速率降低[12,26];另一方面,沉积物中BSi是水体DSi的主要来源[28],随着底质BSi含量的增加,沉积物中可交换态硅的溶解速度变大,更容易向上覆水体迁移。显然,在胶州湾,沉积物中BSi对溶解过程的促进效应占主导。

3.2.4 表层沉积物特性

(1)含水率

沉积物的含水率与沉积物-海水界面硅的交换速率存在显著正相关关系(r=0.97,P<0.01),这与沉积物-海水界面硅通量主要受含水率(孔隙率)影响的结论一致[11,15],进一步证实了沉积物-海水界面的硅交换受溶解和扩散过程控制。另外,含水率与TOC、Chla、粘土含量均显著相关(r>0.67,P<0.05),这说明高含水率的沉积物往往富含有机质、生产力高且有较高的粘土含量,因此含水率相当于胶州湾沉积物的一个复合指标。

(2)粘土含量与D50

随着沉积物中粘土含量的增大,沉积物-海水界面的硅交换速率有变大的趋势(表5)。这是因为沉积物中粘土矿物含有更高含量的可交换态硅,其晶体中的Si较容易被阳离子取代而溶于水。另外,粘土粒径较小,比表面积较大,利于底层硅交换。

D50与沉积物-海水界面硅的交换速率无明显相关关系(表5),但是,随着D50的增大,沉积物-海水界面的硅通量呈降低趋势。这是因为D50越大,沉积物平均粒径越大,而比表面积越小,不利于沉积物可交换态硅的溶解。

3.3 基于主成分回归分析的影响因素分析

如前所述,沉积物-海水界面硅的交换受多种环境因子影响,而这些影响因子之间相互关联(表5),简单的相关性分析和多元线性回归模型将环境因子看作独立变量,并不能科学的量化各个环境因子的影响。在数理统计中,主成分回归分析在保留大部分信息的同时,考虑了环境因子之间的相关性,能对多因素影响下的研究对象进行合理预测和归因[29—32],能较为系统的阐述环境因子对沉积物-海水界面硅交换的影响。此次研究通过主成分回归分析量化了环境因子对沉积物-海水界面硅交换通量的影响,以此探究影响胶州湾沉积物-海水界面的主要影响因子。

将所有数据进行Z标准化去量纲,利用SPSS Statistic 19对沉积物-海水界面硅的交换速率与相关环境因子进行主成分回归分析,分析结果如表6、7所示。对环境自变量进行主成分分析,可以得到3个主成分变量(Y1、Y2、Y3),主成分变量与环境变量的关系见表7。主成分回归模型剔除了与沉积物-海水界面交换速率无显著相关的两个变量(Y2、Y3),涵盖了43.1%的环境因子信息,能解释90.4%的实际情况(表6),拟合度良好;变量Y1和回归模型的概率P值小于0.001,这表明模型有显著统计意义;从标准化残差P-P图(图4)也可以看出残差具有正态分布的趋势,因此这个回归模型是恰当的。依据环境变量在回归模型中的权重(表7),对各环境因子的影响由大到小进行排序:Chla、TOC、含水率、BSi、间隙水中DSi浓度、粘土含量、底层水体DSi、D50,其中表层沉积物中的Chla、TOC、含水率、BSi、粘土含量、间隙水中DSi浓度和底层水体中DSi浓度是沉积物-海水界面硅的释放速率的正相关因子,其他为负相关因子。

表6 回归分析结果

注:*P< 0.05 ;**P< 0.01。

图4 回归标准化残差的P-P值Fig.4 Normal P-P plot of regression standardized residual

依据主成分回归模型中的权重大小(表7)可以进一步把环境影响因子分为3类:(1)主要影响因子:表层沉积物中的Chla和TOC;(2)重要影响因子:含水率、表层沉积物BSi、间隙水中DSi和粘土含量;(3)几乎无影响的环境因子:表层沉积物的D50和底层水体中DSi。表层沉积物中Chla和TOC在回归模型中权重都很高,说明沉积物中的有机质累积和叶绿素丰度是影响胶州湾沉积物-海水界面硅交换的主要环境因子,生物活动对胶州湾沉积物-海水界面硅交换影响显著。此外,含水率、表层沉积物中的BSi、间隙水中DSi浓度和粘土含量在回归模型中的权重也比较高,这些环境因子共同调控着界面的溶解-扩散过程,是影响沉积物-海水界面硅交换的重要环境因子。然而,底层水体中DSi和表层沉积物的D50在主成分回归模型中的权重都相对较低,说明上覆水体中DSi和沉积物平均粒径对胶州湾沉积物-海水界面硅的交换影响较小。

表7 环境变量与主成分(Y1、Y2、Y3)的关系及各环境变量在回归模型中的权重

续表7

4 结论

利用实验室培养法,调查了原位条件下胶州湾沉积物-海水界面硅的交换速率,并测定了表层沉积物中BSi、Chla、TOC、粘土含量、D50和含水率及底层水体和间隙水中DSi浓度,利用相关分析和主成分回归分析探讨了底层环境因子对沉积物-海水界面硅交换速率的影响,获得主要结论如下:

(1)胶州湾沉积物-海水界面硅的交换均表现为从沉积物向水体释放,其交换速率在947~4 889 μmol/(m2·d)范围内,平均速率为1 819 μmol/(m2·d)。

(2)表层沉积物中Chla和TOC是胶州湾沉积物-海水界面硅交换速率的主要环境影响因子,含水率、BSi、间隙水中DSi和粘土含量对沉积物中硅的释放也有重要影响。沉积物-海水界面间硅的释放主要受生物活动和溶解-扩散双重过程调控,而沉积物粒度和底层水体中DSi对沉积物中硅的释放影响较小。

[1]Dugdale R C,Wilkerson F P. Silicate regulation of new production in the equatorial Pacific upwelling[J].Nature,1998,391(6664):270-273.

[2]沈志良. 胶州湾营养盐结构的长期变化及其对生态环境的影响[J]. 海洋与湖沼,2002,33(3):322-331.

Shen Zhiliang. Long-term changes in nutrient structure and its influences on ecology and environment in Jiaozhou Bay[J].Oceanologia et Limnologia Sinica,2002,33(3):322-331.

[3]Fouillaron P,Claquin P,L’Helguen S,et al. Response of a phytoplankton community to increased nutrient inputs:a mesocosm experiment in the Bay of Brest (France)[J]. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology,2007,351(1/2):188-198.

[4]Cowan J L W,Pennock J R,Boynton W R. Seasonal and interannual patterns of sediment-water nutrient and oxygen fluxes in Mobile Bay,Alabama (USA):regulating factors and ecological significance[J]. Marine Ecology Progress Series,1996,141(1/3):229-245.

[5] 王修林,辛宇,石峰,等.溶解无机态营养盐在渤海沉积物-海水界面交换通量研究[J].中国海洋大学学报,2007,37(5):795-800.

Wang Xiulin,Xin Yu,Shi Feng,et al. The exchange rate and flux of macro-nutrients and the regulating factors at the seawater-sediment interface in the Bohai Sea[J]. Periodical of Ocean University of China,2007,37(5):795-800.

[6] Ragueneau O,Chauvaud L,Leynaert A,et al. Direct evidence of a biologically active coastal silicate pump:ecological implications[J]. Limnology and Oceanography,2002,47(6):1849-1854.

[7] 胡佶,张传松,王修林,等.东海春季赤潮前后沉积物-海水界面营养盐交换速率的研究[J].环境科学,2007,28(7):1442-1448.

Hu Ji,Zhang Chuansong,Wang Xiulin,et al. Exchange rates of dissolved nutrients at the sediment-water interface before and after diatom bloom in the East China Sea in spring[J]. Environmental Science,2007,28(7):1442-1448.

[8]扈传昱,潘建明,刘小涯,等.南大洋沉积物间隙水中营养盐分布及扩散通量研究[J].海洋学报,2006,28(4):102-107.

Hu Chuanyu,Pan Jianming,Liu Xiaoya,et al. Study on distribution and benthic fluxes of nutrients in sediment interstitial water of the Southern Ocean[J]. Haiyang Xuebao 2006,28(4):102-107.

[9] 孙珊. 东、黄海营养盐的分布和沉积物—水界面交换通量[D].青岛:中国海洋大学,2008.

Sun Shan. Distribution features of nutrient and flux between the sediment and water interface of East China Sea and Yellow Sea[D]. Qingdao:Ocean University of China,2008.

[10]张洁帆,李清雪,陶建华.渤海湾沉积物和水界面间营养盐交换通量及影响因素[J].海洋环境科学,2009,28(5):492-496.

Zhang Jiefan,Li Qingxue,Tao Jianhua. Exchange flux and effect factors of nutrients between bottom sediment and water in Bohai Bay[J]. Marine Environmental Science,2009,28(5):492-496.

[11]石峰.营养盐在东海沉积物—海水界面交换速率和交换通量的研究[D].青岛:中国海洋大学,2003.

Shi Feng. Benthic exchange rates and fluxes of dissolved nutrients at the sediment-water interface in the East China Sea[D]. Qingdao:Ocean University of China,2003.

[12]Srithongouthai S,Sonoyama Y I,Tada K,et al,The influence of environmental variability on silicate exchange rates between sediment and water in a shallow-water coastal ecosystem,the Seto Inland Sea,Japan[J]. Marine Pollution Bulletin,2003,47(1/6):10-17.

[13]Wirth G S,Gieskes J M. The initial kinetics of the dissolution of vitreous silica in aqueous media[J]. Journal of Colloid and Interface Science,1979,68(3):492-500.

[14] Abe K,Tsujino M,Kazama T,et al. Underestimation of nutrient fluxes due to possible bacterial activity during a core incubation experiment[J]. Journal of Oceanography,2015,71(3):263-270.

[15]蒋凤华,王修林,石晓勇,等. Si在胶州湾沉积物-海水界面上的交换速率和通量研究[J]. 青岛海洋大学学报,2002,32(6):1012-1018.

Jiang Fenghua,Wang Xiulin,Shi Xiaoyong,et al. Benthic exchange rate and flux of dissolved silicate at the sediment-water interface in Jiaozhou Bay[J]. Journal of Ocean University of Qingdao,2002,32(6):1012-1018.

[16]蒋凤华.营养盐在胶州湾沉积物-海水界面上的交换速率和通量研究[D].青岛:青岛海洋大学,2002.

Jiang Fenghua. Benthic exchange rate and flux of dissolved silicate at the sediment-water interface in Jiaozhou Bay[D]. Qingdao:Ocean University of Qingdao,2002.

[17] Michalopoulos P,Aller R C. Early diagenesis of biogenic silica in the Amazon delta:alteration,authigenic clay formation,and storage[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta,2004,68(5):1061-1085.

[18] Parsons T R Maita Y,Lalli C. A manual of chemical and biological methods for seawater analysis[M]. Oxford:Pergamon Press,1984:173.

[19]焦念志.一种新的叶绿素高效萃取剂及其应用方法[J]. 海洋科学,1994,18(3):20.

Jiao Nianzhi. A new chcorophyll extractant and its usage[J]. Marine Sciences,1994,18(3):20.

[20] 夏滨,郑晓玲,何鹰.常规荧光法与同步荧光法用于浒苔叶绿素a测定的比较研究[J]. 现代科学仪器,2012(3):60-63.

Xia Bin,Zheng Xiaoling,He Ying. Comparison of two fluorometric methods for chlorophyllameasurement in enteromorpha prolifera[J]. Modern Scientific Instruments,2012(3):60-63.

[21] Seiki T,Izawa H,Date E. Benthic nutrient remineralization and oxygen consumption in the coastal area of Hiroshima Bay[J]. Water Research,1989,23(2):219-228.

[22] 丘耀文,王肇鼎,高红莲,等. 大亚湾养殖水域沉积物-海水界面营养盐扩散通量[J]. 热带海洋,1999,18(3):83-90.

Qiu Yaowen,Wang Zhaoding,Gao Honglian,et al. Diffusive fluxes of nutrients across sediment-seawater interface in cultural sea area of Daya Bay[J]. Tropic Oceanology,1999,18(3):83-90.

[23] 何桐,谢健,余汉生,等. 春季大亚湾海域沉积物-海水界面营养盐的交换速率[J]. 海洋环境科学,2010,29(2):179-183.

He Tong,Xie Jian,Yu Hansheng,et al. Exchange rates of nutrients at sediment-seawater interface in Daya Bay in spring[J]. Marine Environmental Science,2010,29(2):179-183.

[24]吕莹,陈繁荣,杨永强,等.春季珠江口内营养盐剖面分布和沉积物-水界面交换通量的研究[J]. 地球与环境,2006,34(4):1-6.

Lü Ying,Chen Fanrong,Yang Yongqiang,et al. Study on profile distribution of nutrients and exchange fluxes at sediment-water interface in inner Pearl River estuary in spring[J]. Earth and Environment,2006,34(4):1-6.

[25]Boon A R,Duineveld G C A. Chlorophyllaas a marker for bioturbation and carbon flux in southern and central North Sea sediments[J]. Marine Ecology Progress Series,1998,162:33-43.

[26] Loassachan N,Ichimi K,Tada K. Evidence of microphytobenthic roles on coastal shallow water of the Seto Inland Sea,Japan[J]. Journal of Oceanography,2009,65(3):361-372.

[27]刘东艳.胶州湾浮游植物与沉积物中硅藻群落结构演替的研究[D].青岛:中国海洋大学,2004.

Liu Dongyan. Community structure succession study of phytoplankton and sediment diatom in Jiaozhou Bay[D]. Qingdao:Ocean University of China,2004.

[28]Conley D J,Schelske C L. Processes controlling the benthic regeneration and sedimentary accumulation of biogenic silica in lake michigan[J]. Archiv Fur Hydrobiologie,1989,116:23-43.

[30]Kumar A,Goyal P. Forecasting of air quality in Delhi using principal component regression technique[J]. Atmospheric Pollution Research,2011,2(4):436-444.

[31] Lee Y,Ha S Y,Park H K,et al. Identification of key factors influencing primary productivity in two river-type reservoirs by using principal component regression analysis[J]. Environmental Monitoring and Assessment 2015,187(4):213.

[32]Zhang Weiying,Lou I C,Kong Yijun,et al. Eutrophication analyses and principle component regression for two subtropical storage reservoirs in Macau[J]. Desalination and Water Treatment,2013,51(37/39):7331-7340.

Benthic exchange rates of dissolved silicate at the sediment-water interface in the Jiaozhou Bay and the impact of relevant environmental factors

Wang Yalu1,2,3,Yuan Huamao1,3,Song Jinming1,3,Li Xuegang1,3,Li Ning1,3,Qu Baoxiao1,3,Kang Xuming1,3,Wang Qidong1,2,3,Xing Jianwei1,2,3,Liang Xianmeng1,2,3

(1.KeyLaboratoryofMarineEcologyandEnvironmentalSciences,InstituteofOceanology,ChineseAcademyofSciences,Qingdao266071,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China; 3.MarineEcologyandEnvironmentalScienceLaboratory,QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology,Qingdao266071,China)

The benthic exchange rates of dissolved silicate (DSi) at the sediment-water interface in Jiaozhou Bay were measured by intact sediment cores incubation. Further,the impacts of environmental factors on the exchange rate were also discussed. Silicate transported from sediment to overlying water,and the exchange rate ranged from 947 to 4 889 μmol/(m2·d) with a mean of 1 819 μmol/(m2·d). Total organic carbon (TOC ) and chlorophylla(Chla) in surface sediment which were relative with the biological activity were the dominant factors controlling the exchange rate of DSi. Moreover,water ratio(φ),biogenic silicate(BSi),clay content of sediment and DSi in the pore water also had important effects on the exchange process. As a result,the exchange of DSi at the sediment-water interface in Jiaozhou Bay was a consequence of dissolution-dilution process which was dominantly controlled by biological activity. Grain diameter of sediment and DSi in bottom water,however,were not relatively important when compared with those factors.

Jiaozhou Bay; sediment-water interface; silicate; exchange rate; benthic environmental factor

2016-03-25;

2016-06-14。

国家重点基础研究发展计划项目课题(2015CB452902,2015CB452901);国家基金委-山东省联合基金项目(U1406403);青岛国家海洋实验室“鳌山人才”卓越科学家专项项目资助。

汪雅露(1991—),女,湖北省仙桃市人,主要从事环境工程研究。E-mail:wangyalu2013@163.com

*通信作者:袁华茂,研究员,硕导,主要从事海洋生物地球化学循环研究。E-mail:yuanhuamao@qdio.ac.cn

10.3969/j.issn.0253-4193.2016.12.006

P734.2

A

0253-4193(2016)12-0055-11

汪雅露,袁华茂,宋金明,等. 胶州湾沉积物-海水界面硅的交换速率及其影响因素探讨[J].海洋学报,2016,38(12):55—65,

Wang Yalu,Yuan Huamao,Song Jinming,et al. Benthic exchange rates of dissolved silicate at the sediment-water interface in the Jiaozhou Bay and the impact of relevant environmental factors[J]. Haiyang Xuebao,2016,38(12):55—65,doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.12.006

猜你喜欢
胶州湾底层表层
航天企业提升采购能力的底层逻辑
半潜式平台表层卡套管处理与认识
水体表层沉积物对磷的吸收及释放研究进展
平流雾罩,海上蓬莱胶州湾
超声波光整强化40Cr表层显微硬度研究
回到现实底层与悲悯情怀
胶州湾夏季盐度长期输运机制分析
中国底层电影研究探略
略论“底层”
德国侵占胶州湾始末