刘 军,臧家业,张丽君,3,孙 涛,于志刚,冉祥滨*(.中国海洋大学,海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室,山东 青岛 6600；.国家海洋局第一海洋研究所,海洋生态研究中心,山东 青岛 6606；3.青岛大学化学科学与工程学院,山东 青岛 6607)



黄海硅的分布与收支研究

刘 军1,2,臧家业2,张丽君2,3,孙 涛2,于志刚1,冉祥滨2*(1.中国海洋大学,海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室,山东 青岛 266100；2.国家海洋局第一海洋研究所,海洋生态研究中心,山东 青岛 266061；3.青岛大学化学科学与工程学院,山东 青岛 266071)

摘要：基于2012年在黄海的综合调查,对黄海水体和沉积物中溶解硅和生物硅的含量和分布及主要影响因素进行了分析,并结合历史数据建立了黄海硅收支与循环的模型.结果表明,黄海水体溶解硅和生物硅在秋季均高于春季,生物硅占活性硅的22%,陆源输入、初级生产和底界面扩散对硅的含量和分布的影响较为突出.收支表明,底界面扩散是黄海水体溶解硅的主要来源,占外部输入的48%,其次是东海的输入, 占32%,河流贡献为9%,地下水贡献为6%,地表径流(非河流部分)贡献为3%,渤海贡献为1.5%,大气仅贡献0.5%;黄海水体溶解硅的支出主要是通过生物的吸收与随后的沉积埋藏和向东海的输出,其比例分别为72%和27%,黄海向渤海输出比例仅为1.0%;黄海沉积物是水体溶解硅的源,同时黄海体系还具有潜在汇的特性;黄海硅的净埋藏量约为55×109mol/a,占当年生物硅总量的7.2%,高于全球海洋的平均比值(3%),是外部输入硅总量的47%.本研究量化了黄海硅循环的主要过程,初步揭示了硅的源-汇特征以及陆地输入对近海硅收支与循环的影响.

关键词：黄海；硅；生物硅；收支

* 责任作者, 副研究员, rxb@fio.org.cn

硅为地球上第二丰度的元素,构成了地壳总质量的27%[1],是海洋硅藻等硅质生物的主要组成元素[2].海洋中硅的来源和含量深刻影响着海洋的初级生产与生态系统稳定性.溶解硅(DSi)和生物硅(BSi)是硅循环中非常重要的组成部分;后者主要来源于硅藻、放射虫和海绵骨针以及植硅体等,特别是硅藻控制了近岸海域70%以上的初级生产力[1,3-4],是一类重要的生物硅库.海洋沉积物中BSi和碳的生物地球化学过程紧密联系[5-6],同时也是上层水体DSi的重要来源[4,7-9].尽管陆架边缘海区仅占全球海洋面积的8%[12],但该区域无论是初级生产力还是BSi的埋藏效率均显著高于大洋[1,4,9],因此在全球硅循环中发挥着重要的作用.

河流是陆地硅向海洋输运的主要方式,占海洋外来硅总量的80%以上[1,4-5];近年来日益增强的人类活动显著改变了近海营养盐的含量和结构,特别是筑坝很大程度减少了河流硅的入海通量[4,10-11],打破了水体原有的氮、磷和硅的化学平衡,从而影响海洋的初级生产和浮游植物群落组成[5-6],并对海洋生态系统造成了深远的影响[1].

黄海作为典型的半封闭型陆架浅海,深受人类活动、区域环流和区域外流系的影响,是陆海相互作用和区域物质循环研究的热点区域.目前有关黄海硅的研究主要集中在DSi,而BSi相对较少,收支方面主要从氮与磷营养盐的角度进行分析[13-15],而将BSi的生物地球化学过程考虑到硅的收支中则未见报道,特别是在陆地硅滞留与近海硅限制日益凸现的今天,有关海洋硅的来源与控制机制方面的研究则显得尤为重要.本文根据黄海及其邻近海域的综合调查以及相关的文献资料,分析了水体和沉积物中硅的含量、组成和分布,讨论了影响硅的主要生物地球化学循环过程,计算了黄海硅的收支,旨在评估影响海洋硅循环的主要过程,识别陆海相互作用、海洋界面过程和海洋初级生产等在硅收支与循环中的贡献以及人类活动在其中的潜在影响.

1 材料与方法

1.1 样品采集与分析

图1 黄海与渤海的采样站位与流系分布Fig.1 Sampling stations and circulation systems in the Yellow and Bohai SeasBSC:渤海环流;KWC:黑潮支流;YSCC:黄海沿岸流;YSWC:黄海暖流;ZFCC:浙闽沿岸流;流系分布重绘自文献[19]

于2012年春季(5月3～24日)和秋季(11月2～20日)搭载“东方红2”号调查船在黄海与邻近的渤海进行了海洋科学综合调查,采样站位如图1所示.调查中使用CTD采水器(Seabird 911CTD Plus)采集水样,同时获取水体温度与盐度等水文参数;部分站位采集表层沉积物和柱状沉积物样品(图1a).取一定体积的水样用孔径0.45µm聚醚砜滤膜(预先用体积比1:1000HCl溶液浸泡24h,并以Milli-Q水洗至中性,45℃烘干称重)过滤,记录水样体积并将膜放入膜盒,冷冻保存(-20℃),用于测定水体悬浮颗粒物中BSi,滤液加入1滴氯仿4℃保存,用于测定DSi.现场用箱式采泥器采集表层沉积物,除去上覆水,取表层沉积物(0～1cm)于密封袋中,冷冻保存.部分站位在采集表层沉积物的同时,同时采集柱状沉积物样品(采样管内径Φ=9cm),上覆水采集后,现场分割取样,取样间隔为1cm,取一部分沉积物离心过滤制得间隙水,上覆水和间隙水样品处理和保存方法同水样,用于DSi的分析,另一部分沉积物样品装入密封袋中冷冻保存,用于BSi的分析.

DSi采用硅钼蓝法,利用营养盐自动分析仪(QuAAtro,德国SEAL公司)进行测定.悬浮颗粒物中的BSi采用NaOH溶液两步提取—硅铝校正法测定[16-17],沉积物中的BSi分析采用8h连续提取法[17-18].DSi检出限为0.03µmol/L,相对标准偏差<0.3%;BSi相对标准偏差<3%.

1.2 收支计算

进行硅的收支评估前,首先需要确定水量的收支;黄海水收支平衡受河流、降水、蒸发、地下水、黄海与渤海的水交换以及黄海与东海的水交换等过程的影响;根据已有的研究,黄海水量的收与支各过程满足如下方程:

式中:河流输入(QR)考虑影响较大的7条河流(表1),降雨量[20](QA)、蒸发量[20-21](QEVA)、黄海与渤海水交换量[13](QBTY、QYTB)、黄海与东海水交换量[13](QETY、QYTE)、地下水[22](QGW)均引自相关文献,地表径流(非河流部分)(QSR)由式(1)计算得到,它表征地表侵蚀以及未被表1统计的小型河流.各过程如图2所示.

黄海水量收支平衡,为硅的收支计算提供了基础.黄海活性硅(RSi,为DSi与BSi之和)的收支评估为零维稳态箱式模型,即以水体RSi为核心,考虑主要的水文、化学与生物过程,将硅的外源和内源输入(河流输入、地表径流(非河流部分)、大气干湿沉降、海洋自生、渤海和东海的输入、底界面的释放和地下水输入等)以及支出(黄海向渤海和东海的输出、沉积埋藏和初级生产消耗等)等过程纳入到模型中.主要过程的计算方法如下所述.

图2 黄海水量收支(109m3/a)Fig.2 Water budget in the Yellow Sea (109m3/a)

1.2.1 河流输入 黄海沿岸入海河流主要有7 条,根据多年的水文数据和RSi监测资料,通过加权平均得到DSi和BSi的入海通量,另外对于缺少BSi监测的河流,考虑黄河与长江流域面积广阔,且多与其它流域存在交叉和重合的情况以及BSi来源的相似性[23],根据2013～2014年长江(观测点:长江江阴大桥)和黄河(观测点:黄河胜利浮桥)中泥沙含量与BSi浓度(课题组未发表数据)的相关关系(R=0.878,n=24,P<0.001)估算其它河流的BSi浓度,公式如下:

式中:CBSi为河流中BSi浓度,µmol/L; CTSS指河流中含沙量,mg/L;泥沙与径流等数据来源见表1.此外,除了输送DSi和BSi外,河流携带的无定型硅的碎屑在向海洋输送的过程中也可能被溶解,同时反风化作用则会使部分硅沉积下来[4],然而这些过程相对漫长,在稳态情况下难以对模型各环节的通量产生大的影响,故而忽略.

1.2.2 大气输入 黄海RSi的大气干湿沉降依据黄海基站千里岩岛[15,24-25]降水和气溶胶中DSi的浓度,以及黄海降水量[20]、干沉降速率[24]和黄海水域面积(38.0×1010m2)计算得到.由于雨水和气溶胶中BSi未有系统的报道,且含量与通量都应相对较低[1,4],故而忽略其贡献.

1.2.3 初级生产力 尽管黄海初级生产力的研究相对较多,但时间和区域有一定的局限性,为对黄海全年的初级生产力进行更好地评估,这里根据1984～1985年黄海125°E以西区域的季节性(2月、5月、8月和11月)调查资料[26],以及利用分级初级生产力模式反演2003～2005年黄海年平均初级生产力[27],综合确定黄海真光层平均初级生产力,并结合Redfield比值(C:Si=106:15)估算出浮游植物从海水中吸收DSi以及新生BSi的速率.之后,根据黄海的水域面积计算因初级生产力产生BSi和消耗DSi的通量.

1.2.4 黄渤海和黄东海水交换 黄海与渤海和东海之间的水交换主要考虑渤海沿岸流、东侧北上的黄海暖流、黑潮支流和西侧南下的苏北沿岸流.根据本研究和东海DSi与BSi的相关资料(表1)以及水交换通量为基础估算黄海与渤海和东海硅的交换通量.

1.2.5 沉积物–水界面释放 DSi在沉积物界面的扩散通量根据Fick第一扩散定律[28]计算:

式中: JF为扩散速率,mmol/(m2·d),负号表示扩散是由沉积物向水体方向进行的; φ为沉积物孔隙率,引自文献[29-30]相近站位数据(0.55～0.83);Ds为沉积物中DSi的扩散系数;∂C/∂z为沉积物–水界面处DSi的浓度梯度; D0为无限稀释溶液中溶质的分子扩散系数[31]; m为经验系数,(φ≤0.7, m=2; φ>0.7, m=2.5～3.0)[31].为了减小误差,除了本研究计算得到的结果,DSi的扩散速率还引用了其它有关黄海的研究结果[13,32],以覆盖整个研究海域.1.2.6 沉积埋藏 黄海BSi沉积通量由BSi沉积速率和黄海面积所得,计算公式如下:

式中: RBSi为BSi沉积速率mol/(m2·a); CBSi为沉积物表层BSi含量,%; DR为沉积速率,g/(cm2·a); rw为含水率,%.根据黄海沉积物BSi的数据以及沉积速率等资料,计算得到黄海BSi的沉积通量.

1.2.7 地下水输入 黄海地下水硅的输入研究较少,主要是通过228Ra和226Ra示踪和端元模型估算地下水交换量[22].根据已有的研究,黄海地下水输入量为(100～670)×109m3/a,约为入海河流总量的40%[22],DSi浓度为(52±46)µmol/L[22];由此估算黄海地下水DSi的输入通量.

1.2.8 地表径流输入 黄海硅的收支考虑的是稳态箱式模型,水体中硅的输入和支出相平衡是确保各收支过程准确性的前提.除了上述过程,地表径流(非河流部分)输入也是海洋外来硅的来源之一,受限于资料来源,其输出贡献通过收支平衡间接得到,这在水量收支平衡的前提下具有合理性.

2 结果与讨论

2.1 水体中硅的分布特征

春季,黄海水体DSi和BSi的变化范围分别为0.16～21.2µmol/L和0.01～7.07µmol/L,平均值分别为(4.46±4.23)µmol/L和(1.03±1.38)µmol/L;秋季,DSi和BSi的变化范围分别为2.59～19.3µmol/L和0.01～10.4µmol/L,平均值分别为(8.63±4.64)µmol/L和(2.01±2.35)µmol/L.黄海BSi的浓度与东海接近[9],高于南海(未检出～1.70µmol/L)[33];BSi占RSi总量的22.0%,低于黄河的平均值(52%)[23],但高于长江(13%)[11]、东海(11%)[9]和世界河流的平均值(16%)[5],表明BSi是黄海水体中硅的重要组成部分.

黄海DSi的分布如图3所示.春季表层水体中DSi在长江口邻近水域较高,中部海区相对较低,这很大程度上是受河流输入特别是长江冲淡水的影响;底层水体DSi则是在中部海区浓度较高,可能是受到黄海冷水团积累效应的影响[34].秋季表层水体DSi的分布特征和春季表层一致,大体呈近岸高,离岸低的分布趋势;底层水体DSi的高值区除了长江口外,中西部海域也存在大范围的DSi高值区域,这主要是受秋季黄、东海高DSi的混合水团随黄海暖流北上入侵的影响[13,35].与历史调查结果相比近二十年来黄海DSi浓度并没有明显差别[13,34,36].

黄海BSi的分布如图4所示.春季黄海表层水体中BSi含量较低,且分布均匀;底层BSi高值区分布在长江口邻近海域.秋季黄海表和底层水体BSi分布特征相似,高值区主要位于河口和近岸区域.统计表明,黄海BSi和盐度呈显著负相关(春季:R=-0.366,P<0.05;秋季:R=-0.451,P<0.01),长江口邻近海域水体中BSi浓度显著高于高盐度海区,反映了陆源输入对BSi分布的显著影响.黄海BSi和颗粒有机碳(POC)[37]的Si/C比值(原子比,下同)平均值为0.14,约等于近岸水体硅藻中Si/C的值[2],略高于长江(0.10)和黄河(0.08)[23],但低于东海(0.45)[9]和胶州湾(0.28)[38];此外,黄海BSi和POC[37]呈显著正相关(春季:R=0.4604, P<0.01;秋季:R=0.465,P<0.01),表明BSi的来源与有机碳一致,主要受海洋自生初级生产的影响[37].在陆架海域,BSi的一个重要来源是沉积物的再悬浮[9],这也是黄海底层水体BSi普遍高于表层的原因之一.另外春、秋季DSi和BSi均没有显著的线性关系,表明DSi并非控制BSi含量的主要因素.

图3 黄海与邻近的渤海2012年春季和秋季溶解硅的分布Fig.3 Distributions of dissolved silica in the Yellow and Bohai Seas in 2012

图4 黄海与邻近的渤海2012年春季和秋季颗粒态生物硅的分布Fig.4 Distributions of particulate biogenic silica in the Yellow and Bohai Seas in 2012

2.2 沉积物中硅的分布特征

2.2.1 沉积物中生物硅 黄海表层沉积物中BSi的变化范围为0.33%～0.58%,平均值为(0.45± 0.11)%,与渤海和东海沉积物BSi含量相近[9,17],黄海沉积物BSi与世界其它大洋如印度洋[8]和南大洋[39]相比,属于低含量海区.沉积物BSi含量的变化幅度较大,其分布特征和有机碳(TOC)相一致,高值区主要分布在泥质区和长江口邻近海域[37],表明沉积物粒径和水动力环境对BSi的保存有一定的影响.将水体中BSi对SPM归一化,黄海水体颗粒物中BSi含量介于0.50%～3.3%之间,平均值为(0.77±0.37)%,水体颗粒物中BSi相对含量高于沉积物,表明颗粒物中BSi在沉降过程中相当一部分被降解.黄海表层沉积物中BSi 和TOC呈显著正相关(R=0.810,P<0.01),表明BSi的来源和有机碳一致,主要来源于海洋初级生产[37].此外,沉积物中Si/C平均值为(0.50±0.17),远高于悬浮颗粒物中比值,间接表明有机碳的降解速率高于BSi[6],这也可能是世界大洋海洋自生有机碳保存效率(0.1%)[40]远低于海洋自生BSi保存效率(3%)[4]的原因.

黄海柱状沉积物中BSi的剖面变化如图5所示.柱状沉积物中BSi的含量介于0.25%～1.04%之间;各柱状样BSi的分布具有显著的差异性(P<0.05),泥质区站位B02沉积物中BSi含量相对较高,其次是河口区E01站位,其它站位BSi的含量相对较低;此外,河口及近岸站位沉积物BSi随深度的变化相对于深海而言更为剧烈;上述结果显示了初级生产、陆源输入和沉积环境对沉积物BSi埋藏和保存的综合影响.E01站位BSi 和TOC[37]均具有显著的相关性(R=0.490,P<0.01),其它站位BSi和TOC没有显著的相关性,同时所有站位Si/C的比值大于水体硅藻中Si/C的值0.13[2],说明有机碳较BSi更容易分解,随着沉积物的不断积累,有机碳成岩降解更明显,有机质的分解速率大于BSi的溶解速率,导致柱状样中TOC和BSi呈现不同的分布规律,而对于陆源型的有机质而言,有机碳[41]与BSi相对难以降解,因而在陆源输入主导的河口区,BSi和有机碳的分布规律相似.

图5 柱状样间隙水中溶解硅和沉积物中生物硅的剖面变化Fig.5 Vertical profiles of dissolved silica in pore water and biogenic silica in the core sediments虚线表示上覆水－沉积物界面

2.2.2 间隙水中溶解硅 间隙水中DSi的垂直分布如图5所示.其中B02站位间隙水中DSi的浓度相对较高,介于84.4～376µmol/L之间,DSi浓度随深度变化的曲线由表层到深层波动剧烈;其它站位间隙水中DSi浓度相对较低,平均浓度在110～160µmol/L之间,在0～10cm变化剧烈,>10cm深度相对稳定.上覆水–沉积物界面DSi的浓度梯度显示调查站位均存在DSi从沉积物向上覆海水扩散的现象,表明沉积物是水体DSi的源,其扩散速率在0.49～1.14mmol/(m2·d),与Liu等[13]的结果(0.73～1.25mmol/(m2·d))相近,高于渤海[42].柱状样沉积物中DSi和BSi显著相关(R=0.464, P<0.01),表明沉积物间隙水中DSi主要来自BSi的溶解.

2.3 黄海活性硅的收支

2.3.1 河流输入 黄海沿岸入海河流DSi和BSi的通量分别为(92±14)×109mol/a和(20±8.5)× 109mol/a,入海河流RSi主要以DSi为主,BSi占18%,与世界河流中BSi占DSi份额的1/5[4-5]相比略高,这是因为长江等高泥沙含量河流中携带丰富的BSi所致.全世界河流RSi入海通量为7.3×1012mol/a[4],黄海沿岸河流贡献量为1.5%.考虑到长江并非主要输入到黄海,其间接流入黄海的水量约占其入海径流总量的14.1%[13],以此估算,沿岸河流直接输入到黄海的RSi通量为(22± 3.2)×109mol/a,占中国入海河流硅输入总量(180×109mol/a)[43]的12%.长江间接输入到黄海的RSi为(15±3.2)×109mol/a,占入黄海河流输送总量的67%,表明长江是黄海河流来源RSi的主要提供者.除去BSi的贡献,与以往的研究相比[13,15,44],河流向黄海输送的硅通量有所减小,这主要是因为筑坝、灌溉和跨流域调水等人类活动显著改变了长江等入海河流的径流量及泥沙含量[10,44],增强了河道的滞留功能,减少了河流硅的入海通量[11,23,44],这也是人类活动对近海硅循环影响的直观体现.

2.3.2 大气输入 估算得到黄海硅的干湿沉降通量为(1.16±0.3)×109mol/a(表1),其中湿沉降占86%.除了DSi,大气也会携带一分部分BSi,如沙尘暴携带的颗粒中存在一定量的来自于土壤的BSi,但其在海洋硅收支的研究中几乎是空白,且其贡献量相对较小[4],故而忽略其对黄海的贡献.

表1 黄海活性硅的主要收支过程Table 1 Main fluxes of reactive silica budget in the Yellow Sea

2.3.3 初级生产力及生物硅产量 海洋中DSi的消耗和BSi的产生主要是通过初级生产来完成[4,18],中国近海及陆架海域海洋自生BSi主要来源于硅藻[9,17].经统计黄海真光层平均初级生产力为(155±16)g/(m2·a)(以碳记),换算成硅藻初级生产力则为(2.0±0.2)mol/(m2·a),由此估算得到黄海的生物硅产量为(760±76)×109mol/a,即水体中每年需要消耗(760±76)×109mol的DSi来维持硅藻的初级生产水平.

2.3.4 黄海与渤海和东海水交换 黄海向渤海输出的RSi总量为(3.2±2.9)×109mol/a.黄海向东海输出的RSi通量为(64±33)×109mol/a;渤海向黄海输入的总量为(3.5±3.4)×109mol/a,东海向黄海输入的通量为(75±30)×109mol/a.黄海和黄东海之间硅的交换主要是DSi的交换,BSi的交换通量几乎相等(表1);东海向黄海净输入的硅与河流相当,反映了东海对黄海水体硅的分布和迁移具有重要的影响,渤黄海水体交换对RSi总量的贡献则近乎可以忽略.

2.3.5 沉积物–水界面释放 沉积物界面DSi的扩散速率为(0.82±0.26)mmol/(m2·d),其向水体输入通量(114±36)×109mol/a.黄海相对较高的底界面DSi扩散通量对于维持水体较高的初级生产力具有重要的意义,同时也是底层水体DSi浓度高于表层水体的主要原因.

2.3.6 内部循环与沉积埋藏 由式(5)计算得到黄海BSi的沉积通量为(169±41)×109mol/a(表1).结合BSi的溶解扩散通量可知,黄海BSi的净埋藏量约为55×109mol/a,占初级生产的7.2%,高于世界大洋的平均值3%[4];BSi的埋藏效率为33%,低于东海(36%～97%)[9],高于世界大洋的平均值20%[1];上述分析表明黄海BSi的保存效率高于深远海,是潜在的硅的汇,对区域物质循环和碳的保存意义重大.

2.3.7 地下水输入 黄海地下水的输入通量为(14±12)×109mol/a,占河流输入硅的64%.虽然有关地下水的研究相对缺乏,但零星的研究表明黄海地下水营养盐输入与河流输入相近[22,53];显然地下水输入是边缘海获取硅的重要途径之一,其对区域海洋物质循环的影响不可忽视.

2.3.8 收支模型 为了维持黄海初级生产水平,除了BSi的再生循环,河流和大气DSi的输入,黄海与渤海、东海的水交换,地下水输入以及底界面DSi的释放外,还需要其它来源,即地表径流(非河流部分)输入,根据收支平衡计算得到其通量大约为(6.5±5.0)×109mol/a,它可以粗略地反映地表侵蚀以及未被统计的小型河流对黄海硅输入的贡献,根据水收支将河流和地表径流归一化,得到河流和地表径流RSi的浓度分别为113µmol/L和130µmol/L,二者近乎相当,反映了收支计算的合理性.

黄海硅的收支模式如图6所示.在黄海内部RSi循环平衡的前提下,一部分BSi将再生循环形成BSi,其通量为(591±117)×109mol.抛开水体硅的再生循环,从硅的收支过程来看,底界面扩散是黄海水体硅的主要来源,占总输入的48%,其次是东海的输入,占32%,河流贡献为9.0%,地下水贡献为6.0%,地表径流贡献为3.0%,渤海贡献为1.5%,大气仅贡献0.5%;收支结果与影响RSi分布的主要因素相吻合,这从一定程度上说明收支计算的合理性.黄海水体硅的支出主要是通过BSi的沉积埋藏和向东海的输出,其比例分别为72% 和27%,黄海向渤海输出比例仅为1%.维持黄海初级生产水平主要是通过内部循环和底界面DSi的扩散,二者贡献约90%以上,外源输入的贡献不到10%,且影响区域应主要集中在河口等有限的区域.黄海BSi的净埋藏量占外部硅输入总量的47%,表明黄海沉积物是水体DSi的主要供给源.尽管外部来源的硅对黄海的贡献相对较小,但从硅循环的长时间尺度来看,稳定的外源输入仍然是维持海洋初级生产的决定因素[1,4],特别是受人类活动影响日益明显的陆源输入过程,除了短期内影响近海营养盐浓度和结构的变化外,还将导致长期的生态效应,如影响以硅藻为基础的生态系统的稳定[7].事实也证明,由于受到筑坝、径流和泥沙减少等因素的影响,中国主要河流输入硅的通量都在不同程度的减少[11,23,44],这在一定程度上造成了非硅藻类赤潮等生态灾难的频发.陆地硅输出的降低会对海洋物质循环及生态系统产生不利的影响,尽管目前还无法量化陆源硅的减少从多大程度上改变着近海硅循环以及对生态系统结构和稳定的影响,但近海硅循环主要过程的量化将对上述过程研究提供支撑,并可为我国东部陆架海区环境演化研究提供基础.

图6 黄海活性硅的收支(109mol/a)Fig.6 Flux and budget of reactive silicon in the Yellow Sea (109mol/a)FA:大气干湿沉降;FR:河流输入; FP.BSi:BSi的初级生产;FRc.DSi:DSi的再生循环;FS.BSi:BSi的沉积;FB.DSi:DSi的底界面扩散;FGW:地下水输入;FSR:地表径流(非河流部分);FBTY:渤海入黄海;FYTB:黄海入渤海;FETY:东海入黄海;FYTE:黄海入东海;FNb.BSi:BSi净埋藏

3 结论

3.1 春季黄海水体DSi和BSi的变化范围分别为0.16～21.2µmol/L和0.01～7.07µmol/L;秋季DSi 和BSi的变化范围分别为2.59～19.3µmol/L和0.01～10.4µmol/L;BSi占RSi总量的22.0%.黄海硅的分布具有明显的区域性和季节性特征,陆源输入、初级生产和底界面扩散对其含量和分布的影响较为突出.黄海沉积物中BSi的含量介于0.25%～1.04%之间,高值区主要分布在河口和泥质区.沉积物间隙水中DSi浓度显著高于上覆水体,上覆水－沉积物界面均存在DSi从沉积物向上覆水扩散的现象.

3.2 硅的收支评估表明,底界面扩散是黄海水体硅的主要来源,占总输入的48%,其次是东海的输入,占32%,河流贡献为9.0%,地下水贡献为6.0%.黄海水体硅的支出主要是BSi的沉积埋藏和RSi向东海的输出,其比例分别为72%和27%.黄海沉积物是水体DSi的源,同时黄海体系还具有潜在汇的特性.黄海通过硅循环进入海底硅的净埋藏量约为55×109mol/a,占当年生物硅总量的7.2%,高于世界海洋硅埋藏量的平均值,是外部输入硅总量的47%.

参考文献：

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致谢：本研究的现场采样工作由国家海洋局第一海洋研究所车宏和郑莉莉等研究生协助完成,在此表示感谢.

Distribution, fluxes and budget of silicon in the Yellow Sea.

LIU Jun1,2, ZANG Jia-ye2, ZHANG Li-jun2,3, SUN Tao2, YU Zhi-gang1, RAN Xiang-bin2*(1.Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China；2.Research Center for Marine Ecology, First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China；3.College of Chemical Science and Engineering, Qingdao University, Qingdao 266071, China).China Environmental Science, 2016,36(1)：157～166

Abstract：Based on the comprehensive investigation in the Yellow Sea in 2012, Si concentrations and distributions in the water column and sediment were analyzed; and a budget model of Si in the Yellow Sea was established.The results show that both dissolved silica (DSi) and biogenic silica (BSi) in the water column are higher in Fall than in Spring.BSi accounts for 22% of total reactive Si.DSi and BSi in the water column are largely affected by terrestrial inputs, phytoplankton production and diffusion at the water-sediment interface.Si budget indicates that the major process contributed to the primary production in the water column is the benthic flux, accounting for 48% of total input loading, followed by water exchange from the East China Sea, representing for 32%.Riverine input, groundwater discharge, surface runoff (excluding riverine input) and Bohai Sea input contribute 9%, 6%, 3%, and 1.5% of total Si input, respectively, while the atmospheric deposition holds only 0.5%.The dominant removal of DSi from water column in the Yellow Sea is diatom uptake then sedimentation and export to the East China Sea, accounting for 72% and 27%, respectively, while output to Bohai Sea contributes only 1.0%.Net burial of BSi is about 55×109mol/a, representing 7.2% of primary production and accounting for 47% of exogenetic Si inputs into the Yellow Sea.This study quantifies the main processes of Si cycling, and reveals the source-sink characteristics and the influence of terrestrial loadings on the Si budget in the Yellow Sea.

Key words：Yellow Sea (Huanghai Sea)；silicon；biogenic silica；flux and budget

中图分类号：X55,P72

文献标识码：A

文章编号：1000–6923(2016)01–0157-10

收稿日期：2015-06-08

基金项目：国家自然科学基金(41106072,41376093);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金(2012G19)

作者简介：刘 军(1985-),男,湖北宜昌人,博士研究生,主要从事海洋生物地球化学研究.发表论文2篇.