应用溶解态硅同位素认识硅在长江流域、长江口和东海陆架的行为

硅(Si)是地球上丰度第二大的元素,广泛分布于地球的各个圈层。陆地硅酸盐的化学风化和海洋中硅藻的光合作用分别在不同的时间尺度上影响着大气CO2浓度。海洋储碳的机制主要是“生物泵”作用。硅藻是全球海洋初级生产力最重要的贡献者,其生长过程必须利用溶解态硅(DSi)以合成其硅质外壳,因此海洋中的“生物碳泵”(Biological carbon pump)很大程度上是由“生物硅泵’驱动。鉴于此,研究硅从岩石圈向水体的迁移、DSi从陆地向海洋的输送及其在近海水体的生物地球化学过程,对于认识硅循环及其对碳循环的影响尤为重要。东海具有非常高的初级生产力。已有研究表明东海DSi主要来源于黑潮入侵、长江淡水输送以及经台湾海峡北上的水体。但是,各个水团贡献的DSi对于东海陆架不同地区表层硅藻水华的贡献尚未有细致研究。作为东海主要的淡水和重要的DSi来源,已有一些研究讨论了长江水体中的溶解态硅组成,但是,对于长江输出的DSi组成特征对流域内的生物、地球化学过程以及人类活动如何响应,河口区对河流信号的改造作用,这些问题需进一步研究。本文首次将长江、长江口和东海陆架水体作为一个体系,借助于溶解态硅浓度和硅同位素组成,对硅在长江流域、长江口和东海陆架的行为进行初步研究。(一)硅同位素分析方法。通过优化多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)分析条件,δ29Si和δ30Si仪器分析的长期稳定性可达到0.08‰~0.10‰(2sd)。以氨水作为共沉淀剂并优化共沉淀条件,通过单次氢氧化镁共沉淀和阳离子交换法联用可实现不同水体中DSi的富集、纯化,全流程回收率接近100%,且不存在同位素分馏。本实验室参与了国际GEOTRACES首次海水硅同位素实验室互校,所分析的ALOHA300和ALOHA1000两个样品∧30Si分别为+1.69±0.24‰(n=8,2sd)和+1.27±0.04‰(n=8,2sd),与全球7个国家11个实验室所得平均值完全吻合。(二)长江流域内溶解态硅同位素组成及影响因素。长江干流和支流中DSi浓度变化范围分别为91.3μmol/L~124.7μmol/L和58.4μmol/L~194.0μmol/L,δ30Si变化范围分别为+1.00‰~+1.86‰和+0.83‰~+2.27‰。从上游至下游,δ30Si呈现逐渐上升的趋势,且非洪水季节的变化幅度大于洪水时期。质量平衡估算结果表明,洪水时期长江输出的δ30Si主要受控于上游来水和中下游支流、湖泊汇入的影响。但非洪水时期,淡水硅藻的利用可进一步增加下游水体δ30Si增加0.2‰左右。地下水补充对长江干流水体溶解态硅组成的影响有限。常量组分分析结果显示,风化过程不是控制长江流域水体δ308i的主要因素。土地利用数据与δ30Si统计结果发现,阔叶林覆盖率与支流δ30Si存在显著正相关关系(r2=0.78,p<0.05),反映了淡水硅藻和高等植物对溶解态硅的利用产生的生物分馏效应的影响。依据对三峡库区以及三峡出库水体(宜昌站)的观测结果,本研究认为目前尚无明显证据显示三峡库区对长江中的溶解态硅有强烈的截留作用。与文献对比发现,不同时期调查中长江中硅同位素组成及沿程变化趋势存在差异,且主要出现在存在支流汇入的采样点,可能反映了支流汇入和不均匀混合的影响。(三)应用稳定硅同位素示踪河流输送的溶解态硅在河口区的生物地球化学行为。夏季、冬季长江口DSi浓度变化范围分别为11.2 μmol/L~116.5μmol/L和5.92μmol/L~112.9μmol/L,δ30Si变化范围分别为+1.48‰~+2.35‰和+1.54‰~+1.95‰。长江淡水端元DSi浓度和δ30Si平均值分别为112.7±3.2μmol/L和+1.61±0.07‰。DSi浓度分布受到受咸淡水混合的控制性影响。夏季盐度20以内δ308i与淡水端元一致,而盐度20以上δ308i逐渐升高至+2.35‰,表明存在生物利用过程。冬季长江口溶解态硅的生物分馏程度明显弱于夏季。盐度20是夏季长江口浮游植物生长和溶解态硅生物分馏的重要边界。盐度20以内,光限制以及河流对营养盐的补充使得硅藻对DSi的利用程度低,水体δ30Si主要体现长江淡水端元的组成特征;盐度20以上,光限制解除同时营养盐含量降低,硅藻对DSi利用程度增加,导致DSi明显富集重。基于长江口夏季样品结果和稳态开阔模型,本文模拟得到的长江口硅藻对溶解态硅的分馏系数308为-0.95‰,与中肋骨条藻(Skeletonema costatum)的实验室培养结果一致。(四)东海陆架溶解态硅同位素组成以及不同水团对表层春季硅藻水华的贡献。调查区域内,DSi浓度变化范围为1.3 μmol/L~116.5μmol/L,∧30Si变化范围为+0.85‰~+2.53‰,整体变化程度达1.68‰。表层DSi浓度呈现出近岸高于远岸的趋势,垂向上底层DSi浓度总体上高于表层。表层水体相比于底层具有更正的δ30Si值,反映了表层水体的生物分馏作用更强。东海陆架沿岸水体硅藻生长主要受长江冲淡水和浙闽沿岸流控制,陆架中部表层硅藻受黑潮次表层水入侵带来的营养盐支持,黑潮表层水也存在向岸输送并与其它水体混合过程,但其影响限制在外陆架和陆坡区域。东海南部主要受台湾海峡暖水控制,但其影响范围在向北推进的过程中逐渐挤压至陆架外侧。东海陆架表现为很强的硅酸盐泵效应,且从内陆架至东海陆坡,生物硅的再矿化程度逐渐增加。本文针对长江流域、长江口以及东海陆架的溶解态硅行为的研究表明,溶解态硅在流域、河口区以及边缘海地区受到物理混合、硅藻利用、生物硅再生等多种因素的控制,利用硅同位素组成可以帮助我们更好地区分物理过程与生物过程的影响。

硅同位素; 溶解态硅; 长江流域; 长江口; 东海陆架;

"973"项目;

张经;

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