长江与黄河下游硅输送的基本特征研究

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硅是地壳中第二大组成元素，其生物地球化学循环过程对地球生态系统有着重要作用；硅自陆地向海洋的输送及其对海洋环境的影响是陆-海相互作用研究的关键领域，也是全球环境变化研究的重要内容。硅元素广泛运用于光收集、光催化、给药、生物传感器及吸附等方面,是一类重要的材料。相比于硅藻土，硅质壳具有孔隙结构完整、杂质少等独特优势，是硅生物化工领域研究的新的着力点。然而，人类活动影响了极大地影响了全球硅循环，并对海洋以硅藻为基础的生态系统产生了深远的影响，并可能对上述硅材料的获取产生不利影响。因此，研究以硅为基础的陆海硅循环是保证硅材料来源与稳定的前提。河流输入又是海洋外源性硅的主要来源，在其中大河一直扮演着至关重要的角色。溶解硅和生物硅是河流输送硅的生物可利用部分，也是硅循环研究基础参数。在水体富营养化加剧以及河流硅含量和入海通量降低的当前，海洋硅限制日益凸现，对大河开展硅输送的研究具有非常重要的科学意义。本文以长江和黄河为研究对象，以现场采样、实验室分析和统计计算为技术手段，并结合历史数据，分析河流中溶解硅和生物硅的分布特征、生物硅的组成、硅的变化规律和影响因素等，以期加深对大河硅输送与结构的基本认识，丰富区域硅循环的理论体系。主要结论如下：
　　2013年5月至2014年5月长江下游水体中溶解硅的浓度范围为89.3~123.0μmol/L，平均值为102.0μmol/L；生物硅的浓度范围为4.9~47.0μmol/L，平均值为21.3μmol/L，溶解硅和生物硅的浓度均低于世界河流的平均水平。溶解硅和生物硅的浓度的季节变化趋势相一致，夏季高于冬季。长江下游水体中BSi/(BSi+DSi)比值为0.16（0.05~0.32），表明生物硅是长江向东海输送生物可利用硅的重要组成部分。近50年来，长江下游水体中溶解硅的浓度呈明显降低趋势，自1963年至2013年累计下降约68％。
　　长江下游水体中生物硅由植硅体、硅藻和海绵骨针3种形态构成，其中植硅体占生物硅总量的比例为43.1%，硅藻占比为55.0%，海绵骨针仅占1.90%。长江中的植硅体主要来自禾本科植物，浮游硅藻主要为中心纲硅藻和羽纹纲硅藻。
　　2013年5月至2015年1月黄下游水体中溶解硅的浓度介于31.0~121.3μmol/L之间，平均值为81.4μmol/L；生物硅浓度变化范围在30.7~158.2μmol/L，平均浓度为70.0μmol/L。溶解硅和生物硅的浓度的季节变化趋势相一致，丰水期相对较高。黄河水体中BSi/(BSi+DSi)比值为0.25~0.58，平均为0.41。与世界其他河流相比，黄河水体中生物硅浓度较高，土壤中的生物硅是黄河向渤海输送生物可利用硅的重要组成部分。自1986年以来，黄河水体中溶解硅的浓度呈降低趋势；受流域内自然过程和人类活动对硅的滞留作用的影响，1986~2013年间约有29%的溶解硅因土壤侵蚀的减少而滞留在流域内。
　　黄河下游水体中生物硅由植硅体、硅藻和海绵骨针3种形态构成，其中植硅体占生物硅总量的比例为50.3%，浮游硅藻占比为49.8%，海绵骨针仅占0.26%。黄河中陆地植硅体也是主要来自禾本科植物，浮游硅藻中羽纹纲硅藻多为月形藻属、异形藻属和双壁藻属，中心纲硅藻多为小环藻属和圆筛藻属，个别月份观察到小等刺硅鞭藻。
　　可见，黄河和长江生物硅的结构与组成极为相近，且近几十年来溶解硅的含量和输送通量都发生了显著的降低。影响河流硅含量和组成的因素主要是由地表过程和人类活动，在其中人类活动起到关键的作用；今后应采用大流域的观点，从流域连续统的理论出发，系统地研究地表过程与人类活动对硅输送的影响以及硅输出减少的长期生态效应。

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作者
马永星;
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作者单位

青岛大学;

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授予单位青岛大学;
学科生物化工
授予学位硕士
导师姓名张波涛,臧家业,冉祥滨;
年度 2015
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类河流;
关键词
富营养化; 河流输送; 溶解硅; 生物硅; 植硅体;

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