不同典型体系沉积物中陆源有机质的分布和活性铁的潜在碳汇效应

来源 :华东师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:helen_shen
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河流连接陆地和海洋两大碳库,陆地通过河流向海洋输送大量的陆源有机碳(OC),其中大部分陆源OC会在河流内沉积或转化为CO2释放到大气中,剩余部分被输送到海洋,其中绝大部分陆源OC被埋藏在边缘海的沉积物中。活性Fe与OC的生物地球化学循环过程紧密相连,活性铁被证明是沉积物中OC长期保存的关键因素。因此深入了解河流-河口-边缘海沉积物中不同形态活性Fe对OC的保存作用,对深入了解陆源OC在河流-河口-边缘海沉积物中的埋藏和保存具有重要意义,让我们对全球碳循环过程有一个更加清晰的认识。本文以长江口及其邻近海域和受泥炭地浸出影响强烈的马来西亚小河流、河口沉积物作为研究对象,利用木质素作为陆源有机物的示踪剂,结合OC含量(OC%)、总氮含量(TN%)、碳稳定同位素和粒度等基本参数,综合分析了两个研究区域表层沉积物中陆源有机质的来源、分布、降解情况及其影响因素,并对长江口样品进行了季节性差异对比。利用不同试剂(焦磷酸钠(PP)、盐酸羟胺(HH)和连二亚硫酸钠(DH))选择性提取不同形态活性铁,研究了两个研究区域表层沉积物中络合态铁(FePP)、低结晶度铁(FeHH)和高结晶度铁(FeDH)的含量、组成比例和与之结合的OC含量,并做区域对比,综合分析铁-碳结合的影响因素,并尝试探索不同形态铁与木质素之间的关系,得到的主要结论如下。在长江口及其邻近海域,粒径是决定该区域沉积物OC%、TN%、木质素含量、总铁含量(Total Fe)、不同形态铁含量的主要因素,但粒径对木质素降解程度的影响程度较为有限。木质素含量整体分布特征为:近岸高,远岸低,并随着离岸距离的增加而减小。木质素单体浓度和组成随洪季和枯季长江冲淡水的扩散方向的变化而发生相应的变化:洪季时,长江输送的陆源有机质主要沉积到长江口附近并向北输运,导致长江口门附近Λ8(木质素相对于样品总OC的含量)和Pn/P(P系列酮占P系列木质素酚的比例,可以指征陆源有机碳的比例)较高;而枯季时,长江口大部分泥沙主要向沿东海内陆架向浙闽沿岸输送,导致枯季时靠近浙闽沿岸的泥质区Λ8和Pn/P较高。沉积物Total Fe、FePP、FeHH和FeDH的含量整体分布趋势为:近岸高,并随着离岸距离的增加而减小,且三种不同形态Fe占总Fe的比例都随着离岸距离的增加而降低,即参与稳定OC的活性Fe占总Fe比例降低,Fe相变得“老化”;同时,fFe-OC(PP)(与FePP结合的OC占原始沉积物OC的比例,其它Fe相同理)和fFe-OC(HH)也在同步降低,表明在由陆向海的过程中,各形态Fe在碳保存中所起的作用会越来越有限。长江口到浙闽沿岸的近岸泥质区,沉积物中活性Fe以FeDH为主,FeHH/FeDH<1,随着离岸距离的增加,FeHH逐渐占据优势,FeHH/FeDH>1,可能是由于泥质区的移动泥中,频繁的再悬浮过程,导致快速的Fe氧化还原循环(还原和再氧化),增加了Fe氧化物的结晶度。除此之外,FePP与Λ8具有显著的正相关关系,除个别站点,FeHH与Λ8也具有一定的正相关关系,二者可能都倾向与木质素类化合物结合,但FePP结合木质素的能力更强?由于受泥炭地浸出影响强烈,马来西亚泥炭地河流和河口沉积物中OC%、TN%和木质素含量远高于长江口,木质素降解程度相对较低。水体溶解氧(DO)和酸碱度(pH)对沉积物中OC、TN和木质素含量具有重要影响,而粒径对其影响相对较小。沉积物中FePP、FeHH、FeDH组成比例和与之结合的有机物比例可能受DO和pH共同调节:随着DO和pH的升高,FePP和FeHH占总Fe的比例逐渐降低,FeDH占总Fe的比例逐渐增加。不同形态Fe与OC的结合能力也存在一定的差异,虽然FePP含量最低,FePP/Total Fe%仅为5.51±4.93%,但fFe-OC(PP)最高,为21.38±6.24%,整体来看,fFe-OC(PP)>fFe-OC(DH)>fFe-OC(HH)。无论是FePP还是FeDH,Fe与OC的结合能力远大于Fe与TN,两种形态Fe结合TN大约只占Fe结合OC的60%左右,导致与这两种形态Fe结合有机物更具富碳特征,与原始沉积物相比,具有更高的C/N,除此之外,相比于FeHH,与FePP结合的OC具有更强的芳香性和更高的分子量特征。与长江口相比,马来西亚泥炭地小河流沉积物中能稳定有机质的三种活性Fe含量总和更高(接近100%),而长江口则要低得多,仅有40%左右,大部分都是较“老”的Fe,只是一小部分Fe参与了稳定有机质的过程。与Fe比例相对应,马来西亚沉积物fFe-OC(PP)和fFe-OC(HH)分别为20%和11%左右,而长江口沉积物分别为10%和6%左右。马来西亚泥炭地小河流沉积物高活性Fe比例和较高的fFe-OC,可能是多个因素共同作用的结果:1)马来西亚地处热带,原生矿物风化程度较高引起Fe矿物相的相对累积;2)河流水体较低的DO和低pH条件导致Fe的还原溶解促进了Fe的活化;3)受泥炭地浸出影响,高浓度溶解态Fe对沉积相来说,具有一定的Fe添加作用;4)沉积物中高有机质、高腐殖质含量可能促进了Fe-OC的相互保存。而长江口不存在上述四种情况,除此之外,长江口长期的水动力分选和频繁的物理改造,导致快速的Fe氧化还原循环,可能导致Fe氧化物的结晶度增加,加速了活性Fe“老化”。
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