我国不同气候带河口沉积物痕量金属行为及其对全球气温上升背景下的生物有效性指示

Marine primary productivity is varied in different climate condition, and presumably having different capacity in organic carbon fixation in marine sediments. The availability of this substrate likely constrains sulfate reduction and pyritization of several trace metals. However, the feedback from sulfur-cycle-related trace metal behavior in marine sediments to the temperature rising is less clear. This work is based on the estuarine sediments from the Pearl River Delta, where lies in the tropic-subtropic climate zone, and on the estuarine sediments from the Nanpaishuihe estuary of the west bank of the Bohai Sea, and estuarine sediments from Liaohe estuary and Yellow River estuary, where lies in the temperate climatic system. The research contents put emphasis on pyritization patterns of trace metals. The techniques will be involved in undisturbed sediment core sampling, oxygen free subsampling and pore water extractions, chemical sequence extraction and analysis in the lab, as well as the powerful tool MATLAB for data analysis. Moreover, the comparative data from cold temperate (boreal) zone in other countries will be obtained from literatures. The statistic significant patterns of trace metal pyritization in each climate system will be identified, and its responses to pore waters, salinities, acid volatile sulfide (AVS), organic carbon (total carbon), grain size of marine estuarine sediments are expected to explore by using the analysis of variance (ANOVA), Kruskal-Wallis (KW) and runs tests modules of MATLAB. The degree of trace metal pyritization in esturarine marine sediments if associated with a significant feedback with the temperature rising will be finally predicted. And consequently the implications for their bioavailability to aquatic ecosystem at elevated temperatures will be discussed as well.

不同气候系统的海洋初级生产力是不同的，其固定于沉积物的有机碳也会不同，决定了不同气候带参与硫循环过程的痕量金属行为存在差异。本研究拟选取地处高温多雨的热带-亚热带季风气候的广州珠江河口、地处温带半湿润大陆性季风气候的渤海湾西岸的南排水河、黄河河口和辽河河口为研究对象，以痕量金属为研究内容；采用水下未扰动柱状样采集、无氧分样与孔隙水提取、化学分步提取、现代高精度分析测试技术以及matlab强大的数据分析功能，研究识别出不同气候带具有统计意义的沉积物痕量金属黄铁矿矿化程度剖面模式及其对孔隙水化学、上覆海水盐度、沉积物酸可释放硫、有机碳/总碳、沉积物粒度以及水深等环境因子变化的响应情况。同时对比世界其它国家不同气候带的同类研究成果，综合研究上述模式和响应特征在不同气候带所呈现的差异性的显著性水平，从而预测在全球气温上升背景下河口沉积物痕量金属行为特征变化趋势及讨论对水生系统生物有效性的指示意义。

根据项目设计的研究目标是研究亚热带地区珠江三角洲河口沉积物痕量金属在硫循环中的行为特征。此外，由于硫循环的关键科学问题是沉积物中碳的埋藏通量，因此，增加了对比湿润多雨-冷气候的辽河三角洲沉积物与相对干燥-温暖气候的黄河三角洲沉积物的碳的埋藏效率。其研究结果概述如下：.（1）利用地处亚热带地区珠江三角洲河口沉积物3个未扰动柱状沉积物样品和室内分步提取、化学测试等，研究了该气候带痕量金属伴随着硫循环的行为。主要的结果有：不论沉积物类型和环境如何，DTMP与DOP基本呈现正比关系，且在有机碳埋藏通量高的沉积物中，这种特征更明显。痕量金属的这一行为表明近海沉积物中痕量金属正在进行着黄铁矿矿化过程（亦即痕量金属伴随着黄铁矿形成发生了共沉淀作用）。在亚热带河口，近海沉积物中的痕量金属在其黄铁矿中形成了重要的地球化学垒，其DOP浓度可高达60%，痕量金属Mo、As和Hg的DTMP可高达90%以上。上述地球化学垒的形成具有重要的环境、生态和地球化学意义。相反地，还原性含硫的沉积物环境中任何明显的物理扰动（包括挖掘和大型底栖生物的扰动）将会使黄铁矿相态氧化，从而向水柱中释放相当大量的溶解态痕量金属，有时会达到毒性水平。.（2）利用2010年在干燥-温暖气候的黄河三角洲建林乡附近至河口布设7个剖面，同时本年度在湿润多雨-冷气候的辽河三角洲双台子河口东侧的两个翅碱蓬湿地区域采取7个柱状样，通过对样品的化学分析测试，并利用210Pb和沉积地理学测年法确定的沉积速率研究了沉积物对碳的埋藏速率，结果表明：该干-暖气候条件下的黄河口沉积物碳的浓度非常低，其总碳与有机碳的浓度分别为<2%和<1%，总碳和有机碳的加积速率分是为588-1770 g m-2 yr-1和60-241 g m-2 yr-1。在冷湿气候条件下有机碳浓度分别与各营养元素浓度间有显著的正相关关系（p<0.01），研究区总碳浓度范围为10.5-14.6 g kg-1，其中~83%为有机碳，因而其相应的沉积物对总碳和有机碳扣留速率分别为91-399 g m-2 yr-1和170-487 g m-2 yr-1。本研究区，沉积物对碳的扣留速率主要受沉积物的沉积速率与沉积物的营养成分控制，并（p<0.01）。冷湿气候条件下的沉积物对有机碳的扣留效率大约是干暖沉积物的1.5倍。