台湾东部黑潮区海源碳的沉积物记录与近千年来生产力与气候变化的反演

本文基于对台湾以东黑潮主流区沉积物的粒度和定年,通过解析沉积物总有机碳及其同位素组成获取海源碳变化特征,首次报道了该海区近千年来的初级生产力与气候变化反演结果。研究显示,台湾以东黑潮主流区近千年来的平均沉积速率为34.44 cm/ka,沉积环境较为稳定。另外,台湾以东黑潮主流区沉积物中的总有机碳和总氮含量主要受台湾东部河流输入、海洋初级生产力的沉降过程、成岩作用和粒度效应影响。对沉积物海源碳的定量估算表明,近千年来台湾以东黑潮主流区沉积物中40.02%~73.88%的有机质为海源输入,陆源输送次之。同时,近千年来台湾以东黑潮主流区沉积物记录较好地反映了中世纪暖期、小冰期和现代暖期3个气候变化阶段。1150-1420年期间,沉积物中总有机碳、总氮和海源碳含量缓慢升高,较高的表层海水温度有利于海洋初级生产力水平的升高。1500-1840年期间,较低的表层海水温度和亚洲大陆风尘输送水平使得海洋初级生产力较低,同时台湾地区小冰期较高的降水量有利于台湾东部河流向海输送,增强的水动力条件可能会加强海底沉积物的东移,从而导致该区域沉积物中总有机碳含量的增加。进入现代暖期以来研究区的海水温度逐渐增暖,而东亚季风强度和降水量却表现出波动的年际变化特征,并体现在研究区1930-1950年和1970年期间沉积物的中值粒径、总有机碳和总氮含量的快速波动。     

冲绳海槽表层沉积物元素地球化学及其对物源和热液活动的指示

对采自冲绳海槽北部和南部唐印、第四与那国热液区附近的表层沉积物进行了主、微量和稀土元素分析。结果表明冲绳海槽北部和南部表层沉积物元素组成具有很大差异。北部沉积物中Ca、Sr、Na元素含量较高,大部分微量和总稀土元素含量较南部沉积物低。北部沉积物中有钙质生物组分及火山物质的加入,由于这些物质稀土含量较低,对沉积物中的稀土元素造成了稀释作用。北美页岩标准化稀土元素配分模式整体较平坦,轻稀土略富集,重稀土相对亏损,弱Ce和Eu异常,表明冲绳海槽北部表层沉积物陆源物质主要来自黄河和台湾河流输入的部分物质。冲绳海槽南部表层沉积物Si、Fe、Ba、Cu、Pb、Zn和稀土元素含量较高,轻重稀土分馏减弱,重稀土含量升高。由于受热液活动影响,一定量的黄铁矿、磁黄铁矿、重晶石及热液Fe-Mn氧化物的加入,使得南部沉积物的Fe以及部分微量元素含量升高,并表现出类似热液流体正Eu异常的稀土特征。这些Fe-Mn氧化物不仅从热液流体中清扫稀土元素,而且可以从海水中清扫稀土元素,使得沉积物负Ce异常减弱,总稀土含量升高。此外,样品中有一定量的过剩Si,来自热液活动。稀土元素配分模式及(La/Sm)N-(Gd/Yb)N比值表明冲绳海槽南部沉积物主要陆源物质来自台湾。     

东太平洋CC区沉积物稀土元素特征及物源

对东太平洋CC区中西部33站表层沉积物进行了稀土元素(REE,包括Y)地球化学研究。结果表明,REE在沸石粘土中最富集,在硅质沉积物中含量明显偏低;所有沉积物样品中REE都存在Ce负异常和Eu正异常的轻稀土(LREE)亏损特征,表现为典型受到海水来源物质影响的REE配分模式;硅质粘土中Ce亏损程度、Eu正异常和REE富集程度都比硅质软泥更明显。与东区相比,西区沉积物中LREE、HREE(重稀土和钇元素)和∑REE(稀土元素总量)普遍偏高,LREE与HREE分异更明显,HREE相对更富集,LREE和Ce亏损更显著。研究区表层沉积物中REE主要来自海洋自生物质,同时受到陆源物质、海底火山物质的影响。     

南海北部陆坡海洋沉积物稀土元素及物源和成岩环境

通过对0DP184航次1146站位海底岩心沉积物中稀土元素含量及其配分模式的研究,确立了其分配规律,即相对富集轻稀土,Eu亏损等,并且与东海大陆架及中国黄土的稀土分布模式相似,表明本区沉积物物源主要来自陆源,是大陆岩石分化过程的产物。对富集因子的研究也证明了沉积物主要来自陆源。δCe的弱负异常值与∑REE和δEu值一样,主要受陆源源区气候环境变化控制,而与海水关系不大。稀土元素与生物作用基本无关,可能主要是赋存于陆源碎屑矿物的晶格中。通过对岩心沉积物间隙水成分的研究,表明成岩环境主要为还原环境。68m(mcd)以上主要为硫酸盐的还原作用,68m以下主要为甲烷的生物生成作用。     

近千年来台湾以东黑潮主流区沉积物来源及其对气候波动的响应

基于AMS¹⁴C定年结果,对近千年来台湾以东黑潮主流区沉积物的粒度、黏土矿物组成及结晶学特征等进行研究,分析该区沉积特征、物质来源及近千年来环境演化的沉积记录。结果表明,台湾以东黑潮主流区沉积物主要为细粒的粉砂和黏土,沉积速率平均为34.44 cm/ka,低于东海陆架和冲绳海槽南部,高于开阔大洋,具有从陆架向大洋过渡的沉积特征。黏土矿物组成的分析结果表明,台湾以东黑潮主流区沉积物黏土矿物组成以伊利石(平均57%)和蒙脱石(平均25%)为主,含有少量绿泥石(平均16%),几乎不含高岭石(平均2%),其中蒙脱石主要来源于吕宋岛弧物质输送和附近海域原位的基性火山物质蚀变,伊利石和绿泥石主要来源于亚洲大陆风尘输送和台湾东部河流输入,高岭石主要来源于台湾东部河流和吕宋岛弧物质输入。黏土矿物的物源定量识别研究表明,研究站位的黏土矿物有26%～72%来源于亚洲大陆风尘输送,11%～55%来源于台湾东部河流输入,11%～26%来源于吕宋岛弧物质输送。近千年来沉积物物源的变化特征较好地反映了中世纪暖期、小冰期和现代暖期这3个百年尺度的全球性气候变化阶段。亚洲大陆风尘输送和台湾东部河流输入对研究区沉积物的相对贡献量变化反映了中世纪暖期较强的东亚冬季风特征和台湾地区较为干旱的气候环境,同时也反映了小冰期逐渐减弱的东亚冬季风强度和台湾地区较为湿润的气候环境。现代暖期和中世纪暖期在东亚热力差异和降水异常上的差别反映了人类活动对沉积物的扰动。而研究区小规模的沉积特征突变事件主要与暴雨、台风和地震活动相关。     

神狐海域水合物沉积层稀土元素地球化学特征

利用ICP-MS对神狐海域天然气水合物SHW2和SHW7两钻孔柱状样品含水合物层沉积物中的稀土元素进行了分析和研究,结果表明:SHW2及SHW7两钻孔各12个样品的ΣREE丰度平均值与上陆壳的平均值接近;沉积物中轻稀土和重稀土存在显著分异,两钻孔稀土元素配分模式相近,与上陆壳和代表上地壳平均值的澳大利亚后太古代页岩(PAAS)的稀土元素分布形态相似,并继承了源区母岩性质,显示出物源主体为陆源岩。两钻孔稀土参数剖面图显示,稀土总量(ΣREE)和轻稀土总量(LREE)、重稀土总量(HREE)具有很好的正相关性,δCe与δEu基本显示负相关,推测其沉积物源具有相似性。     

安达曼海东南部海域表层沉积物稀土元素特征及其物源指示意义

对取自安达曼海东南部海域的95个表层沉积物样品进行了稀土元素(REE)地球化学研究,揭示了区内稀土元素分布特征及其指示的物质来源。结果表明研究区沉积物REE总量变化范围为31~228μg/g,平均值为117μg/g。沉积物REE球粒陨石配分模式呈现轻稀土元素相对富集而重稀土元素平坦,无明显Ce异常,呈现中等程度的Eu负异常等特征,表现出明显的陆源属性。REE的富集和分布受物质来源、沉积物类型、生物碳酸盐以及重矿物含量共同制约。根据沉积物REE特征参数将研究区分为4个物源区,各区沉积物稀土元素UCC标准化模式明显不同。物源判别分析显示,研究区西北部(Ⅰ区)沉积物主要来源于伊洛瓦底江陆源物质的输入;马来半岛西部浅海内陆架区(Ⅱ区)沉积物可能主要来自马来半岛沿岸水系输入的陆源物质以及现代近岸侵蚀;研究区北部(Ⅲ区)为残留沉积区,主要为全新世海侵形成的残留砂质沉积;研究区中部和南部大部分海域(Ⅳ区)为多源混合沉积区,主要为受印度季风驱动的西南季风流所搬运的伊洛瓦底江和马来半岛河流输入的陆源物质,该区沉积物受马来半岛入海物质影响更大。     

太平洋东部深海沉积物稀土元素地球化学

通过对太平洋东部CC区深海沉积物的稀土元素研究发现:该区沉积物的REE含量较高,普遍具有较小的Eu正异常和较大的Ce负异常;不同类型沉积物中的稀土含量、比值和分布模式存在着差异,这种差异主要取决于沉积物组分的不同;沉积物的来源有自生源、火山源、生物源和陆源,稀土元素主要是通过自生组分富集的,区域上,Ce异常值低处,Eh值高,为强氧化环境区,也是南极底层流的流经路径,是多金属结核富集的有利地区。     

台湾以东黑潮沉积物中的生源要素对近千年来气候环境变化的响应

基于台湾以东黑潮主流系沉积物中碳、氮、磷等生源要素指标的变化,在沉积物年代学的基础上,探讨了近千年来气候环境变化在黑潮沉积物中的历史记录。结果表明,近千年来台湾以东、琉球岛弧南侧斜坡的黑潮主流区平均沉积速率可达34.2 cm/ka,据其变化可大致分成的3个沉积阶段,与中世纪暖期、小冰期和现代暖期的划分基本一致。沉积物中碳以无机碳为主,总无机碳（TIC）的含量从1850年开始逐渐增大并伴随剧烈波动,恰好与大气CO₂水平的快速升高相对应;总有机碳（TOC）含量的变化则与东亚夏季风强度的变化关系密切,在夏季风较弱的小冰期其含量明显高于夏季风较强的中世纪暖期和现代暖期,这是由于较弱的夏季风有利于亚洲大陆风尘的产生和向海输送,从而促进了研究海域的初级生产力。1850年以来,沉积物中的C∶N∶P逐渐从低于转变为高于Redfield比,反映了上层水体营养盐结构从氮缺乏到氮充足的转变,这与近现代以来急剧增加的全球氮排放密切相关。总体来说,黑潮主流系沉积物中的生源要素指标,明确记录和响应了近千年来的气候环境变化,尤其是近150多年以来不断加剧的人类活动所造成的气候环境剧变。     

东菲律宾海表层沉积物中元素的赋存状态

为了解东菲律宾海不同类型表层沉积物中元素的赋存状态,采用化学提取方法对有无新型铁锰结壳发育站位表层沉积物样品进行了分级提取及测试,不同类型表层沉积物中成矿和稀土元素的赋存状态总体一致,表明研究区表层沉积物形成于相似的地质和海洋环境中。成矿元素中Fe绝大部分赋存在残渣态中,Mn、Cu、Co和Ni则主要赋存在铁锰氧化物结合态中,稀土元素也主要赋存在这两个相态中,碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和有机结合态对重稀土元素优先吸附或具络合作用,引起重稀土元素的相对富集和铈的负异常,残渣态优先吸附轻稀土元素,导致轻稀土元素的富集和铈的正异常,火山物质则使表层沉积物残渣态表现出铕的正异常特征。同时,不同表层沉积物样品间也存在一定的差异,这与其局部形成条件——铁锰结壳发育与否有关。     

南海北部神狐海域水合物赋存层位古环境和古生产率

天然气水合物作为一种新型的清洁能源,其形成需要稳定的有机质供应。南海北部神狐海域为天然气水合物成藏的有利区域,2017年中国地质调查局在神狐海域水合物试采获得突破性成功。为了进一步了解古环境和古生产率对形成水合物有机质供应的影响,对南海北部神狐海域水合物钻探区SH3站位180～215mbsf(meters below the sea floor)层位,尤其是水合物主要赋存层位190～200mbsf的古环境、古生产率以及陆源碎屑物质的地球化学指标进行分析研究。研究表明水合物主要赋存层位陆源碎屑物质(TDM)输入增加,较高的陆源碎屑物质输入和次氧化的沉积环境共同造就了比较好的有机质的外部保存条件;同时较强的水动力条件,有利于藻类生物的繁殖,因此,生物成因有机质比较丰富,再加上神狐海域有比较良好的热解气的形成条件,这3个层面共同保证了神狐海域具有比较充足的有机质供应。     

西菲律宾海26万年来古生产力变化的颗石藻证据

基于国际海洋古全球变化研究项目(IMAGES)在西菲律宾海本哈姆海台获取的高质量柱状沉积物岩芯MD06-3047(17°00.44′N、124°47.93′E),利用颗石藻下透光带属种Florisphaera profunda的相对丰度以及初级生产力转换函数,恢复了260 ka以来西菲律宾海上部水体营养跃层以及初级生产力的变化历史。发现该区域26万年以来初级生产力冰期-间冰期变化特征较不明显,冰期生产力平均值略高于间冰期。通过与前人已发表的指示东亚冬季风强弱的伊利石/蒙脱石记录和热带太平洋纬向表层海水温度梯度记录的对比,提出MIS 8期以来,热带西菲律宾海古生产力变化的主要受控因素在MIS 5a左右发生明显转变。在MIS 8后期至MIS 5a之间,初级生产力受到长期类ENSO过程的影响较为显著,当热带东西太平洋海水表层温度梯度较小的时期,认为热带太平洋处于类El Niňo状态,此时西菲律宾海营养跃层相对较浅,生产力较高,反之则相反。而在MIS 5末期至末次冰消期时段,生产力受东亚冬季风的影响相对于长期ENSO过程更强,可能掩盖了后者的古生产力信号。冰期东亚冬季风加强,一方面,可以引起上部水体混合加强,增加下部营养物质向上的输送,另一方面大量风尘物质的输入可以刺激颗石藻的生长;反之在冰消期,水体混合较弱,风尘输入显著减少,生产力也随之降低。     

鸭绿江端元粒度分级样品常量元素控制因素分析及物源识别

对鸭绿江河口表层沉积物陆源组分进行了水动力敏感粒度分级,以消弱"粒度效应"对沉积物地球化学组成的影响。通过多元统计方法,对不同粒级样品内常量元素含量特征、控制因素、源区特征等内容进行了探讨,并与全样测试结果进行对比分析。结果表明:源区化学风化程度是控制常量元素分布的主要因素,"粒度效应"和表生环境下的自生作用对常量元素的分布也有一定的控制作用,但"粒度效应"主要控制8μm以下样品内元素分布;源区目前处于以斜长石风化为主的中等化学风化程度阶段,风化产物未遭受钾交代影响;Al2O3、Fe2O3、MgO、MnO、TiO2、P2O5六种元素在>63μm、32~63μm和8~32μm 3个粒级内含量相近,8μm以下样品随粒级减小元素含量显著增加,CaO、Na2O两种元素在各粒级内含量分布特征与上述6种元素相反,高K2O含量且未受"粒度效应"控制,可作为鸭绿江端元的指示性元素。根据流域岩性特征分析,>2μm粒级样品可能主要来自鸭绿江中下游地区变质基底和花岗质侵入体的风化产物;而<2μm粒级样品则可能主要来自鸭绿江上游地区基性侵入体的风化产物。此外,对比分析还表明,全样测试结果仅相当于分粒级样品的均值水平,极大地掩盖了不同粒级内元素地球化学特征的差异性和规律性。因此,在利用全样地球化学特征进行物源示踪时需综合考虑。     

嗜碱盐单胞菌X3中异化型硝酸盐还原酶编码基因簇的功能验证及蛋白结构预测

细菌的氮代谢推动环境的氮循环,硝酸盐还原反应是氮代谢途径中重要步骤之一。本文运用酶活测定、qRTPCR和生物信息学软件分析的方法,对嗜碱盐单胞菌(Halomonas alkaliphila)X3中编码细菌异化型硝酸盐还原酶(Dissimilatory nitrate reductase,Nar)不同亚基的基因簇narGYJV进行了功能验证、蛋白结构预测和系统发育分析。研究表明,X3菌株中存在narGYJV基因簇并具有表达活性,测得Nar的酶活为每克蛋白21.415U;预测到的narGYJV编码蛋白功能区域中1～1246氨基酸属于NarG超家族,编码Nar的α亚基;1261～1752氨基酸属于DMSOR-beta-like超家族,编码Nar的β亚基;2061～2279氨基酸编码γ亚基,1802～2018氨基酸编码δ亚基;Nar的二级结构中无规卷曲占37.59%,α螺旋占34.43%,延伸链占18.33%;NarG、NarY和NarV的3D结构与PDB中大肠杆菌(Escherichia coli)的1Q16 3D结构最接近,覆盖率96%～100%。系统发育树显示,菌株X3中NarG与同属菌的遗传距离较近,在不同菌属间虽然功能相似,其同源性较低;NarY与大肠杆菌中的氨基酸序列的同源关系较近,说明异化型硝酸盐还原酶Nar中不同亚基的系统发育地位不同。研究结果表明,Halomonas alkaliphila X3菌株中存在编码Nar的基因簇narGYJV,编码蛋白具有独特的3D结构,不同亚基的系统发育地位不同。研究结果为进一步研究该菌的氮代谢通路选择和调控机制提供了依据。     

北戴河退化滨海湿地土壤微生物多样性研究

滨海湿地退化是全球关注的一个热点研究问题,其中湿地退化对土壤细菌群落结构和生态学功能的影响程度目前知之甚少。对北戴河大潮坪滨海湿地植被区和退化区土壤细菌多样性、环境因子和共现性关系的研究显示,滨海湿地植被区微生物香农指数显著高于退化区的,细菌OTU注释结果表明变形菌门(Proteobacteria)、浮霉菌门(Planctomycetes)、厚壁菌门(Firmicutes)、放线菌门(Actinobacteria)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、酸杆菌门(Acidobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)是主要的细菌类群,它们相对丰度共占群落的85%～95%。厚壁菌门的芽胞杆菌纲(Bacilli)在退化区丰度显著高于植被区的,浮霉菌门的Planctomycetia和Phycisphaerae在植被区的丰度明显高于退化区的。环境因子分析表明,退化区域微生物群落结构受土壤多环芳烃(PAHs)质量比和土壤含盐量的影响,其中土壤PAHs质量比高于1.273 mg/kg时,微生物多样性呈现下降趋势,土壤含盐量和细菌的丰富度呈负相关关系。属间共现性关系(Co-occurrence)研究表明随着滨海湿地的退化,土壤中固碳细菌的生态学功能逐渐增强。对滨海湿地退化影响土壤细菌群落结构和生态学功能的进一步认识,为滨海湿地生态修复和效果评价提供了科学依据。     

细砂质含水合物沉积介质的非线性弹性力学模型

描述含水合物沉积介质的应力-应变关系,建立含水合物沉积介质的力学模型,预测水合物储层的变形规律,是有效开发水合物资源的基本前提。以经典邓肯-张模型为基础,结合细砂质含水合物沉积介质力学三轴试验数据,提出了适合细砂质含水合物沉积介质的非线性弹性力学模型及其参数,并验证了模型的准确性。结果表明,该模型及其参数可以很好地描述细砂质含水合物沉积介质的应力-应变的非线性弹性关系。     

电渗析-厌氧膜生物反应器处理含甘油高盐废水

利用电渗析(ED)-厌氧膜生物反应器(AnMBR)处理含甘油高盐废水,电渗析过程脱盐率达99%以上,平均能耗为616kJ/L,电流效率91.4%。AnMBR处理含甘油废水过程中COD去除率达95%,膜在COD去除中发挥了重要作用,其COD截留率为41%~81%。期间发生膜污染现象,跨膜压差快速上升并最终稳定在0.040~0.043MPa。AnMBR沼气中甲烷比例为78.3%,甘油比产甲烷速率0.252LCH4/g甘油。甘油在厌氧条件下首先转变成丙酸,然后再被分解。研究证明,在厌氧处理甘油的过程中有机负荷不宜过大,否则会造成严重的挥发性脂肪酸(VFA)积累,尤其是丙酸的积累。此外,CaCl2浓度与甘油转化关系的实验结果表明:厌氧菌群受到4%以下盐度冲击时能在6d内恢复活性,受到6%以上盐度冲击将导致活性恢复缓慢。因此,厌氧反应器进水盐度需控制在4%以内。研究还发现VFA中丙酸所占比例随着盐度升高逐渐下降,说明高盐度会使厌氧菌活性受到抑制,影响甘油降解。     

对马海峡水团组成对日本海温盐分布影响的季节及年际变化

基于WOD13(World Ocean Database 2013)的温盐观测资料,分析了对马海峡断面和日本海内一断面上温盐分布的季节变化特征,并利用水团组成混合比的方法探讨了对马海峡断面处的水团组成对日本海内断面上温盐分布的影响的季节和年际变化。研究表明:对马海峡断面上水团组成呈现显著的季节变化。冬季,整个水层被高盐水占据;夏季,对马海峡表层出现高温低盐水,底层为高盐水,次表层为表层低盐水和底层高盐水的混合水体;春秋为过渡季节。日本海断面上,秋季温盐分布最为复杂,表层为高温低盐水,次表层为高盐水,其下为低温高密水。两个断面季节变化对比可以看出,夏季对马海峡断面处的水团组成会影响秋季日本海断面上的温盐分布。夏季对马海峡表层和次表层水是秋季日本海断面表层50m以浅出现低盐水的主要原因;对马海峡深层高盐水主要影响秋季日本海断面50～150m水层,混合比可达0.82;其下为日本海固有水。夏季对马海峡处水团组成的年际变化也会影响秋季日本海断面上温盐分布的年际变化。长江流量较大的年份,夏季对马海峡表层和次表层低盐水的核心盐度值偏低,秋季其在日本海断面上的混合比就高于其他年份;对马海峡底层高盐水在日本海断面上混合比的年际变化则决定于其影响水层上的流场结构和温盐分布。     

沙尘和灰霾对西北太平洋浮游植物群落结构变化的影响

通过在西北太平洋黑潮亲潮混合区(E02和E10M)和副热带寡营养区(M1和M1B)开展的船基围隔培养实验,探究了不同海域表层海水中浮游植物对沙尘和灰霾添加的响应,以及浮游植物群落结构的变化。结果表明,黑潮亲潮混合区浮游植物可能受铁(Fe)限制,副热带寡营养区浮游植物主要受氮(N)限制。沙尘和灰霾添加均可以促进浮游植物生长,并可使浮游植物的粒级结构分布发生明显变化。在黑潮亲潮混合区,沙尘添加组使小型浮游植物对总叶绿素a的贡献率(C_Micro)由～10%上升至～55%,超微型浮游植物对总叶绿素a的贡献率(C_Pico)由～70%下降至～20%,但在培养实验过程中,各粒级浮游植物对总叶绿素a贡献率的变化量与沙尘添加量无明显的相关关系,这种现象的原因可能是不同量的沙尘添加均可为浮游植物的生长提供较充足的Fe导致的。在副热带寡营养区,沙尘或灰霾添加组的C_Micro由～10%上升至～35%,C_Pico由～70%下降至～55%～～35%,各粒级浮游植物对总叶绿素a贡献率的变化与沙尘或灰霾添加量呈线性相关关系,表明浮游植物的生长对沙尘或灰霾的N供给量具有较高的敏感性。