镭同位素示踪钦州湾海底地下水排放及其营养盐输送通量

来源 :华东师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:mathayus0422
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海底地下水排放(Submarine Groundwater Discharge,简称为SGD)是营养盐、碳和微量金属等生源要素进入近岸水体的重要途径,尤其是SGD携带的营养物质在近年来受到了越来越多科学工作者的关注。已有研究表明在有些区域,SGD向近岸水体输送的营养盐接近甚至超过了河流的输送量。因此,SGD在地下河口及其邻近海域的水和营养盐循环中具有重要作用。本文选取我国亚热带强潮海湾——钦州湾作为研究区域,研究了在河口区域镭(Ra)的解吸行为。钦州湾河流沉积物的Ra解吸实验的结果表明:沉积物中的Ra在海水(盐度:33.9)中的解吸活度随着粒径增大(平均粒径范围为0.9μm136μm)而逐渐减小,且变化趋势逐渐变缓,当沉积物平均粒径大于44μm后,解吸量几乎不变;沉积物中镭同位素解吸活度随着盐度增大(海水盐度范围:4.933.9)而逐渐增大,海水盐度大于24.9后,解吸量趋于恒定。通过应用沉积物表面分形理论,创新性地建立了沉积物中的Ra解吸理论模型,该理论模型能较好地适用于室内实验数据以及类似研究的文献数据。拟合得到钦州湾河流沉积物(干重)表面最大可交换态224Ra、226Ra和228Ra的活度分别为1.1、0.17和0.85dpm g-1;沉积物中224Ra、226Ra和228Ra的最大解吸比分别为30%、7.0%和18%。将结果与全球相关研究数据比较,可知钦州湾河流沉积物颗粒表面最大可交换态224Ra和226Ra活度分别处于全球中等水平和较低水平,而其最大解吸比分别处于全球较高水平和较低水平。这部分研究有助于更好地理解河口区域Ra同位素的解吸行为,该研究结果也被直接应用于下述钦州湾SGD的计算。基于2016年洪季和2017年枯季所采集样品,本文分析了Ra同位素在钦州湾的时空分布特征,同时结合室内实验得出的解吸参数,利用Ra同位素的质量平衡模型定量估算了钦州湾洪季和枯季SGD通量及其所携带的营养盐通量,并比较两个季节的差异。使用纳潮量法计算得到钦州湾洪季和枯季水体滞留时间分别为2.7 d和5.8 d。基于钦州湾的水文特征和Ra同位素分布特征以及钦州湾水体中Ra的来源和归宿,建立Ra的质量平衡模型,并结合海底地下水端元的Ra同位素活度计算得到钦州湾洪季和枯季SGD通量分别为(2.5±1.3)×107 m3 d-1和(3.7±1.3)×107 m3 d-1,相应SGD速率分别为8.9±4.8 cm d-1和13±4.6 cm d-1。与河流输送相比,SGD通量分别占洪季和枯季径流量的13%和70%。结合海底地下水端元的营养盐浓度,计算得到钦州湾洪季SGD携带溶解态无机氮(DIN)、溶解态无机磷(DIP)和溶解态硅(DSi)通量分别为5.4×106、6.9×104和7.8×106mol d-1,占同期河流输送通量的28%、10%和30%;枯季DIN、DIP和DSi通量(mol d-1)分别为3.9×106、6.7×103和4.5×106,占河流输送的38%、3.8%和69%。以上结果表明,尽管洪季SGD通量小于枯季,但其输送营养盐通量洪季明显大于枯季,再循环海水虽然没有“净”水量上的贡献,却向沿海提供了大量的营养盐,同时也说明,不论洪季还是枯季,SGD是钦州湾海域营养盐的重要来源之一,在评估钦州湾营养盐收支情况时必须予以考虑。本研究的结果可为钦州湾生态评估和环境状况评价提供重要的基础数据。
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