胶州湾沉积物-海水界面硅的交换速率及其影响因素探讨

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（Chl a）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。     

胶州湾海水中一氧化碳的分布与海-气通量研究

CO是大气中的重要痕量气体,它对控制大气中羟基自由基的浓度、参与全球碳循环进而影响全球气候变化等方面起着重要作用。本研究分别于2007年6,8和10月开展了3个航次的调查,对胶州湾海水中CO的时空分布进行了研究。3个月中胶州湾表层海水中CO的浓度分别为(4.90±2.24),(6.31±1.56)和(3.50±1.27)nmol/L,表现出明显的季节性变化,其中8月大于6月大于10月。水平分布上,6月和10月沿岸平均浓度高于同航次湾内和湾口的平均浓度;8月沿岸平均浓度小于本航次湾内和湾口平均浓度。分别将3个月中CO的浓度按取样和测试时间以小时为单位分割求平均值,平均浓度和时间的分布关系总体符合周日变化的规律。但是胶州湾东部近岸站位的浓度出现周日变化的异常值,说明人文活动对CO的分布也起重要作用。结合中国大气中CO的平均浓度(0.329×10-6v/v)可知胶州湾表层海水中CO处于绝对的过饱和状态,6,8和10月3个月过饱和系数分别为(18.2±8.3),(20.6±5.1)和(10.3±5.28)。胶州湾CO的海-气通量6月大于10月,而小于8月。     

胶州湾沉积物-海水界面溶解无机氮的迁移特征及其影响因素解析

采用实验室培养法,在原位温度和溶氧条件下,研究了夏、冬季胶州湾沉积物-海水界面溶解无机氮(DIN)的迁移特征。结果表明,夏、冬季胶州湾沉积物-海水界面DIN主要以NO_3-N和NH_4-N的形态进行交换,夏季胶州湾沉积物表现为水体DIN的源,其交换通量为1.64×10~9 mmol/d,可以提供维持初级生产力所需氮的39.3%;而冬季沉积物表现为DIN的汇,其交换通量为–2.12×10~8 mmol/d。利用相关分析和主成分回归分析,研究界面不同形态DIN交换速率和底层环境因子的关系,结果表明,夏季胶州湾沉积物-海水界面DIN的交换主要受沉积物中有机质的矿化、底栖藻类的同化作用和扩散过程共同调控,而冬季则主要受内源有机质的矿化、底栖藻类的同化作用、吸附-解吸和扩散过程共同调控。     

胶州湾中砷（Ⅴ）还原初步研究

研究胶州湾沉积物对砷（Ⅴ）的还原作用。结果表明：１．随泥水比增大，还原率升高，泥水比为且：１０００时，沉积物对砷（Ⅴ）的还原率为１６％；２．未煮沸的泥－水提取液还原率高于煮沸杀菌泥－水提取液。指示：沉积物有机质在微生物作用下，对砷（Ⅴ）有一定的还原作用。此外，根据胶州湾的调查结果及实验室藻类培养模拟实验结果，分析了胶州湾砷（Ⅲ）产生原因。指出：主要是由于藻类和沉积物、水体有机物的还原作用，两者的还原能力相当，但在不同季节所起的作用不同。     

Si在胶州湾沉积物-海水界面上的交换速率和通量研究

本文应用实验室培养法研究了 Si O3 - Si在胶州湾 1 6个站位沉积物 -海水界面上的交换速率。考虑培养时间、取样时间和间隔等因素 ,采用连续函数的方法计算了 Si O3 - Si交换速率。结果表明 ,Si O3 - Si在胶州湾沉积物 -海水界面上的交换表现为由沉积物向水体的释放 ,交换速率一般在因为 1～5mmol·m-2· d-1范围内 ,平均为 3.3mmol·m-2· d-1。高含量有机质沉积物 ,特别是生物扰动作用可以增大 Si O3 - Si交换速率。考虑胶州湾各种沉积物类型占胶州湾总面积的权重 ,Si O3 - Si在胶州湾沉积物 -海水界面上的交换通量为 1 .0 6× 1 0 9mmol·d-1 ,是河流输入量的 5.3倍 ,可提供浮游植物生长所需硅的 58%。     

长江口外浮游植物死亡释放溶解有机质的降解及其溶氧消耗

浮游植物光合作用产生的溶解有机质(dissolved organic matter,DOM)是海洋中溶解有机质的重要来源,浮游植物死亡后释放的新鲜溶解有机质活性高、数量大、生物可利用性高,其降解过程中对溶解氧(dissolved oxygen,DO)的消耗显著。但到目前为止,对此类溶解有机质的降解过程以及其耗氧情况还鲜有研究。本文基于2013年8月东海航次,对浮游植物(硅藻为主)死亡后释放的新鲜有机质进行人工受控培养,研究其降解过程及对DO的消耗,并评估该降解过程对低氧现象形成的贡献。研究发现:培养体系中溶解有机碳(dissolved organic carbon,DOC)和DO浓度皆随时间呈指数下降,总溶解态碳水化合物(total carbohydrate,TCHO)也出现明显降解;体系的初始DOC浓度越高,降解速率常数k(DOC)、k(DO)越大,k(DOC)受DOC浓度、活性以及DO浓度的影响;培养过程中细菌丰度明显增加,添加Hg Cl2的对比实验表明细菌在降解过程中起到重要作用。本文的研究结果表明,浮游植物死亡后释放的溶解有机质的快速降解及其对溶解氧的消耗,对长江口低氧环境的促成具有重要意义。     

胶州湾水体和表层沉积物营养环境现状及影响因素

为了解胶州湾水体和表层沉积物营养环境状况及其主要影响因素,于2019年8月在胶州湾30个站位点采集了海水和表层沉积物样品,并于2021年5月在胶州湾沿岸采集了18个站位点的水样,对水体溶解无机态营养盐浓度和组成以及表层沉积物中总有机碳、总氮、总磷及生物硅含量和碳、氮稳定同位素（δ13C、δ15N）进行了分析。结果表明,胶州湾内水体和沿岸水体中溶解无机氮、溶解无机磷和溶解硅酸盐浓度空间分布相近,高值均位于湾东北部,主要受到河流输入和沿岸污水排放的影响,低值主要出现在湾中部和湾口处。结合近30年来的历史数据分析发现,胶州湾夏季营养盐浓度在1990?2008年期间呈持续上升的趋势,政府实施的污染物总量控制措施以及河流径流量下降使得2006年以来营养盐浓度呈现下降的趋势,该变化在空间上主要体现为大沽河氮、磷输入量的减少及其对应的湾西部营养盐高值的消失。胶州湾氮、磷营养盐输入的不平衡使得“磷限制”在2000年后逐渐加剧。胶州湾表层沉积物中总有机碳、总氮、总磷含量高值均集中于东北部和东部沿岸,结合生物硅和水体营养盐含量分析显示,这主要是河流与排污输入及其带来的高初级生产力造成的,沉积物生源要素与水体营养盐在空间分布上存在较好的耦合关系。沉积物粒度较粗对有机质保存的不利影响以及湾口较强的水动力作用共同导致了湾西部、中部以及湾口的生源要素含量较低。δ13C以及二端元混合模型显示,胶州湾表层沉积物有机质来源总体以海源为主,平均占比为64%,东部沿岸受陆源输入影响较明显。δ15N的空间分布显示,胶州湾表层沉积物中氮元素受到了海水养殖与污水排放的共同影响。水体和沉积物营养环境现状共同表明,对东北部河流和沿岸污水排放的控制是后期胶州湾污染治理的关键。     

胶州湾柱状沉积物中无机与有机磷的形态研究

研究了胶州湾柱状沉积物磷的存在形态、浓度水平及其分布特征.结果表明3种形态磷的浓度为:总磷(TP) 12.78 μmol·g-1;无机磷(IP)9.60 μmol·g-1;有机磷(OP)3.18 μmol·g-1.无机态磷占总磷的75%,为沉积物中磷的主要存在形式.磷在柱状沉积物中的分布呈上层低(0～10cm),中间层段(66～90cm)略高,155cm以深层段浓度稳定且较低的态势,尤以TP和IP表现明显.磷在上层沉积物中浓度水平较低的现象可能与近年来入湾河流磷的输入量较低有关.     

胶州湾沉积物中有机碳、三氧化硫和矿物学的初步研究

作者曾对胶州湾表层沉积物的化学成分和部分微量元素作了初步研究。但有关胶州湾沉积物的矿物学和有机质的研究,迄今未见报道。本文对该湾表层沉积物的矿物学和有机碳、三氧化硫作了初步探讨。     

胶州湾海水甲烷氧化速率的水平与垂直变化初步研究

系统考察2014年4月胶州湾海水中甲烷的氧化速率。通过一系列的海水培养实验,采用气相—稳定同位素比值质谱仪(GC-IRMS)追踪了培养样品中δ13 CH4的变化,计算了胶州湾海水的甲烷氧化速率(MOX)。结果表明:胶州湾表层水中甲烷的氧化速率的变化范围为3.7~255.5nmol·L~(-1)·d~(-1),平均值为(104.7±89.7)nmol·L~(-1)·d~(-1)。底层水中甲烷的氧化速率的变化范围为38.2~227.1nmol·L~(-1)·d~(-1),平均值为(148.9±76.2)nmol·L~(-1)·d~(-1)。总体而言,在胶州湾东部和西部,特别是海泊河口、洋河河口附近的水域,表层海水中甲烷氧化速率的分布都明显呈现出近岸高,远岸低的趋势。胶州湾甲烷的氧化速率与溶解无机碳浓度的变化以及甲酸的含量呈较明显的线性正相关。根据甲烷氧化速率估算出胶州湾氧化甲烷的量为1.15×108 mol/a,该值相当于胶州湾甲烷海-气通量的6.4~14.3倍。     

夏季东海一氧化碳的浓度分布、海-气通量和微生物消耗研究

研究了夏季东海海水中和大气中一氧化碳(CO)的浓度分布、海-气通量和表层海水中CO的微生物消耗。夏季东海大气中CO的体积分数范围为63×10-9~120×10-9,平均值为87×10-9(SD=18×10-9,n=37),呈现出近岸高,远海低和北高南低的特点。夏季东海表层海水中CO的浓度范围为0.24~5.51nmol/L,平均值为1.48nmol/L(SD=1.46,n=37),CO的浓度受太阳辐射影响明显;CO在垂直分布上表现出浓度随深度增加迅速减小的特征,浓度最大值出现在表层。调查期间表层海水中CO相比大气处于过饱和状态,过饱和系数变化范围为3.65~113.55,平均值为23.63(SD=24.56,n=37),这表明调查海域是大气中CO的源。CO的海-气通量变化范围为0.25~78.50μmol/(m2·d),平均值为9.97μmol/(m2·d)(SD=14.92,n=37)。在CO的微生物消耗培养实验中,CO的浓度随时间增长呈指数降低,消耗过程表现出一级反应的特点,速率常数KCO范围为0.043~0.32/h,平均值为0.18/h(SD=0.088,n=9),KCO与盐度之间存在负相关关系。     

铜锈环棱螺( Bellamya aeruginosa ) 生物扰动对藻华水体沉积物微生物群落结构的影响

应用磷脂脂肪酸(PLFAs)法测定了不同密度铜锈环棱螺生物扰动下沉积物表层微生物群落结构的变化。结果表明,与对照组相比,含螺处理组PLFAs总生物量有了明显的升高,且与底泥总有机碳(TOC)含量变化趋势有很高的相关性(r=0.541)(P<0.05)。实验过程中细菌/真菌值发生显著变化,中密度处理组的细菌/真菌值显著高于其它实验组(P<0.05),说明中密度螺影响下细菌生长较真菌更快,细菌生物量显著升高。主成分分析(PCA)显示,低、高密度螺处理下沉积物的微生物群落结构与对照组相似,而中密度螺处理组(3个螺/培养柱)(相当于196ind/m2)能够使沉积物微生物群落结构产生明显变化。     

胶州湾沉积物中氨基酸对有机质降解及细菌源贡献的指示作用解析

基于对胶州湾表层沉积物中总可水解氨基酸（THAA）的含量、组成、构型及分布特征的系统研究，通过氨基酸碳氮归一化产率（THAA-C%，THAA-N%）、降解因子DI、反应活性指数RI以及D型氨基酸占比（D-AA%，摩尔百分比）等指标结合碳氮比（TOC/TN）、碳稳定同位素（δ13C）探析了胶州湾沉积物中有机质的来源与降解状态，利用细菌源有机质及胞外肽酶活性（EEA）探讨了微生物在有机质迁移转化过程中的作用与贡献。结果表明，胶州湾表层沉积物中氨基酸平均含量为（7.60±3.64）μmol/g，在陆源与海源混合影响下，其水平分布呈现湾内高于湾外、湾内东部高于西部的特点，表明湾内东部陆源输入对沉积物THAA具有较高贡献。THAA-C%、THAA-N%、DI、RI以及D-AA%等指示因子均显示胶州湾表层沉积物中有机质的降解程度呈现湾外高于湾内、湾内东部高于西部的变化趋势，有机质来源、微生物活性与上覆水水深共同影响了有机质的降解程度。胶州湾表层沉积物中细菌源有机碳的贡献率为（29.35±18.73）%，其水平分布显示出湾内西部与湾外相近且高于湾内东部的特点。细菌胞外肽酶活性（EEA）平均为（0.81±1.31）nmol/（g·h）（以MCA计），整体分布趋势与细菌贡献率相反，呈现湾内东部高于湾内西部和湾外的特性。沉积物中有机质的不同海源、陆源占比决定了有机质的可降解性，而有机质的降解程度进一步影响了细菌源有机质的贡献与胞外肽酶活性。     

胶州湾海水中硼的研究

首次实验研究胶州湾海水中的硼,胶州湾表层海水中硼的浓度为３．２４ ～３ ．８７ｍｇｋｇ－ １ ,Ｂ／Ｃｉ比值为０ ．１８１ ～０．２１５ ,平均值为０ ．２０４ ±．０ ．００９ 。Ｂ／Ｓ比值为０ ．１００～０ ．１２０,平均值为０ ．１１３ ±０．００５。湾内硼的分布,低值区在李村河口沧口湾附近,而在湾的东西两侧、东北角及湾口区域海水中硼浓度则较高。湾内海水中的硼主要靠湾外海潮输入。因湾内无常年径流流入,盐度分布变化小,硼浓度随盐度及氯度变化不明显。相对于北黄海水,胶州湾海水硼平均迁出量８．６５％ ,胶州湾海水中的硼表现为非保守性质。     

溶解无机氮在胶州湾沉积物一海水界面上的交换速率和通量研究

应用实验室培养法测定了溶解无机氮(DIN)在胶州湾16个站位沉积物-海水界面上的交换速率。结果表明, NH4 -N,NO2 -N和NO3 -N的交换速率一般分别在-0.5~1.6,0.005~0.67, + - --2.0~2.8 mmol/(m2·d)范围内。由于间隙水中DIN主要以NH4 -N形态存在,DIN在胶州湾沉 +积物-海水界面上的交换以NH4 -N的扩散为主,在大部分站位表现为由沉积物向水体的释放, +NO3 -N主要来自NH4 -N的硝化反应,而NO2 -N是NH4 -N和NO3 -N之间化学转化过程的中 - + - + -间产物。考虑胶州湾沉积物类型, 在胶州湾沉积物-海水界面上的交换通量为9.68×108 DINmmol/d,是河流输入DIN的50%左右,可提供维持胶州湾初级生产力所需DIN的52%。     

盐场海芽孢杆菌与大洋铁锰结核相互作用

本文研究了盐场海芽孢杆菌(Marinibacilluscampisalis)与大洋铁锰结核的相互作用过程,以及海洋微生物在铁锰结核形成中的作用。实验选取从深海沉积物中分离培养的盐场海芽孢杆菌(Marinibacillus campisalis)和大洋铁锰结核样品进行相互作用实验,设置有菌组和无菌组,培养过程中间隔取样分析。运用X射线荧光光谱(XRF)分析测定大洋铁锰结核元素组成,通过电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)和电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定反应过程中Fe、Mn、Co、Ni、Cu等离子浓度的变化,通过透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)观察并分析微生物表面情况,利用X射线衍射(XRD)分析手段测定铁锰结核矿物组成的变化。实验进行1天内细菌处于对数生长期,有菌组的Fe、Mn等离子浓度增加; 2—7天内细菌处于稳定期, Fe、Mn等离子浓度有一定程度降低,但总体浓度均大于无菌组的离子浓度,金属离子被吸附在菌体表面,新形成了简单的含Fe化合物和矿物;实验结束后,XRD分析结果显示样品的矿物含量,如菱铁矿、赤铁矿和针铁矿等有轻微程度的增加。研究表明盐场海芽孢杆菌(Marinibacilluscampisalis)能够促进释放铁锰结核中的Fe、Mn等元素,同时对释放出的金属离子又有富集作用,并能够诱导新矿物的形成。本研究为深入了解铁锰结核的生物成因提供了新的依据。     

内湾沉积物生物硅化学测定法的实验条件探讨

对国内外已经建立的几种生物硅的测定方法进行简要的评述,并详细地对内湾沉积物中生物硅化学提取法的条件选取进行实验探讨,对低生物硅含量的内湾沉积物测定提出了较优的条件。     

烟台四十里湾表层沉积物中生物硅的研究

以烟台四十里湾作为研究区域,分析了16个站位表层沉积物中生物硅的含量,探讨沉积物中生物硅对内湾环境的指示作用.结果表明,污水排放区、垃圾倾倒区沉积物中生物硅含量较高(平均值分别为0.71％和0.78％),对应上层水体的富营养化;航道区生物硅含量很低(平均值0.37％),与航船扰动造成的低生产力状况符合.沉积物中生物硅含量较好地反映了上层水体的浮游植物状况,并与上层营养盐浓度具有很好的对应关系.研究表明,沉积环境能够明显影响沉积物中生物硅的沉积和保存.     

海洋微生物Paenisporosarcina quisquiliarum对Fe的生物矿化过程

为了解海洋微生物的生物矿化作用在大洋铁锰结核形成过程中的意义,选取芽孢八叠球菌作为实验菌株,通过实验室模拟中性有氧环境下的生物矿化实验,测定了Fe生物矿化过程中Fe离子浓度与价态的变化、细菌表面形态与矿物成分的变化。反应过程中,通过与死菌对照组和空白对照组的对比研究,有菌实验组的总Fe浓度、Fe²⁺浓度和Fe³⁺浓度下降最快,尤其是在前24 h。TEM照片显示细菌表面有明显的矿物颗粒生成,对这些矿物颗粒进行EDS分析测定,推测为Fe的氧化物或氢氧化物。实验结果表明,以芽孢八叠球菌为代表的海洋微生物在中性有氧条件下,通过主被动相结合的过程,对Fe产生了明显的矿化作用,揭示了微生物矿化作用对大洋铁锰结核形成的贡献。     

胶州湾表层沉积物重金属元素分布特征及其影响因素

利用胶州湾高密度网格化的306个表层沉积物样品地球化学分析数据,研究了胶州湾表层沉积物重金属空间分布规律,探讨了影响其空间分布差异性的因素。研究结果表明:Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Hg和As重金属元素由近岸向湾内呈现出差异性的分布规律,值得注意的是,Cu、Pb、Zn、Hg和Cr5种重金属元素在黄岛北部也存在一个明显的高值区;20世纪80年代以来人类活动的加强使得胶州湾的物质来源发生了明显的改变,其成为影响胶州湾表层沉积物重金属空间分布的最主要因素,此外,胶州湾的底质类型、复杂海洋水动力环境、底质类型多样性及生物作用等因素也对重金属的空间分布起到了不同程度的影响。