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中国北方沙漠粘粒铁矿物与化学形态取得进展【

发布时间:2019-11-08 03:03编辑:环球彩票登录网址浏览(51)

    地球科学与工程学院季峻峰研究团队和地理科学与海洋学院鹿化煜研究团队合作,针对我国北方沙漠的地表沉积物样品,联合地球化学连续提取、漫反射光谱、X射线衍射等方法,着重研究了能够长距离传输粘土粒级(< 2 µm)中的含铁矿物及其地球化学形态,获得主要认识有中国主要沙漠表层沉积物粘粒中含铁矿物和铁形态西部沙漠和东部沙地存在明显空间分布差异,西部沙漠铁矿物和铁形态分布特征可能和青藏高原隆升存在联系;塔克拉玛干沙漠中易还原铁氧化物含量高于其它沙漠,这种现象可能与盆地周围山脉剥蚀/风化所致通过高山作用输送至塔克拉玛干沙漠;沙漠沉积物粘土粒级中潜在输送给太平洋的主要含铁矿物是针铁矿和绿泥石;研究提供了东亚主要尘源区的含铁矿物及化学形态的数据,可能有效提高全球粉尘铁模型的基础数据之一。

    核心提示:“近20年来,长江口水体氮、磷含量增加3~5倍,使得长江口及邻近海域营养盐结构也发生改变,河口和近岸生态系统原有的生物种群结“近20年来,长江口水体氮、磷含量增加3~5倍,使得长江口及邻近海域营养盐结构也发生改变,河口和近岸生态系统原有的生物种群结构发生变化,导致赤潮发生频繁,生态系统衰退,生物多样性减少,生物资源再生产和食物安全受到严重影响。”华东师范大学河口海岸学国家重点实验室教授李道季忧心地告诉记者。为了破解其中的难题,李道季领衔“973”重大课题“高浑浊河口水域的生物地球化学过程”进行攻关。5年来,课题组在长江口和黄河口水域共组织参与以及与其他在研项目联合进行了19次大大小小的现场观测和实验研究。近日,课题组结题成果揭示了三峡工程蓄水后长江口的营养盐状况,发现长江口浮游生物群落结构已发生明显变化,并且对悬浮颗粒物浓度与营养盐浓度关系的研究修正了传统观点。揭示三峡蓄水后长江口营养盐状况课题组对长江口及邻近海域的水体营养盐和沉积物进行了深入研究,获得了长江三峡蓄水后首个夏季长江口营养盐的主要扩散方向、扩散强度和范围等资料,特别是通过对以磷为主的营养盐循环过程研究,揭示出长江口营养盐的分布变化状况。随后,为了弄清不同粒级各种形态的磷参与长江口生物地球化学循环中的作用,课题组定量研究了它们,发现在长江向河口区输送的颗粒态磷中,以难以参与生物循环利用的矿物中碎屑磷为主,其次为有机磷及非活性有机磷;长江口及毗邻海区沉积物中总磷的主要存在形态依次是碎屑磷、可交换态磷、铁结合态磷、有机磷、自生磷灰石磷及非活性有机磷。其中,可交换态磷、铁结合态磷、有机磷可以通过降解等过程被生物利用参与再循环。这丰富了人们对长江河口不同形态磷的认识。课题组在三峡截流蓄水后的第一时间,调查获得长江口及邻近海域营养盐分布状况及大量连续观测数据。“因不可重复获取而具历史性,为研究三峡工程对河口的影响评估具有重要科学价值。”李道季告诉记者。长江口浮游生物群落结构变化明显近10年来,长江口及毗邻海域浮游生物群落结构已发生明显变化。由于流域人类活动的影响,自2000年以来,该水域悬浮物和硅酸盐浓度呈显著下降趋势,无机氮的浓度在2003年以后也呈现出下降趋势,富营养化程度有所缓解,但氮磷比值高于警戒线。长期的营养盐氮、磷、硅比值的失衡导致甲藻类在浮游植物群落中所占比例大增,硅藻比例下降,甲藻类赤潮频繁发生,这是长江河口生态系统发生恶化的强烈信号。李道季认为,“全球气候变暖和人类活动导致的营养盐结构改变,是长江口及邻近海域浮游生物群落结构变化的主要原因,而维持其群落结构的稳定性,控制输入营养盐比例比控制流域营养盐输入量更为重要。”课题组还通过在长江口水域现场模拟培养实验研究,发现在磷浓度为1~2微摩尔/升之间,浮游植物的生长速度最快,其最佳氮磷比为20到30之间。在光照较强的情况下,微型和微微型浮游生物生长过程不受光照限制,对碳生物量贡献率最大,占到80%~90%以上。该研究把以往只针对大小型浮游植物的研究推向对微型和微微型浮游植物的生理生态过程研究,具有开创性。研究结果也为今后国家制定近岸河口环境磷的水质标准提供了参考。修正悬浮颗粒物与营养盐浓度关系的传统观点以往的研究认为,长江口悬浮颗粒物浓度与营养盐之间存在着显著的吸附—解吸和吸收—释放的相互作用,营养盐浓度的变化主要受悬浮颗粒物浓度变化的影响。而课题组以新的视角探讨了长江口悬浮颗粒物浓度变化及其综合影响,发现悬浮颗粒物浓度对营养盐浓度影响较小,只具有统计意义。这修正了传统观点。“过去对于长江口营养盐保守性和通量收支的认识,总是通过考察营养盐浓度与盐度的关系,或者通过箱式模型来描述,其中的问题在于缺乏对物理过程影响的详细了解以及定量的计算。”李道季介绍。课题组在长江口水域进行了12个连续观测站的定点季节性观测研究,通过应用新的研究方法,课题组得出了与传统观点不一样的结论。研究表明,悬浮颗粒物浓度对长江口营养盐影响不大。悬浮颗粒物浓度对长江口营养盐影响较小与水体在长江口较短的滞留时间以及复杂的环流状况有关。李道季表示:“长江口环流复杂是造成河口营养盐成分分布不平衡的最主要原因。”

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    研究成果《Iron Mineralogy and Speciation in Clay-Sized Fractions of Chinese Desert Sediments》( of Geophysical Research: Atmospheres》,南京大学为第一署名和通讯作者单位,该工作得到国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目的资助。

    (地球科学与工程学院 科学技术处)

    (地球科学与工程学院 科学技术处)

    感谢地球科学与工程学院表生地球化学教育部重点实验室和内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室等平台的大力支持,该工作得到国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目的资助。

    铁元素是生物体重要的营养元素,粉尘里的含铁矿物是影响远洋浮游植物生物可利用铁的重要因素之一。全球“高营养盐、低叶绿素”海域需要足够的铁促进浮游植物生长,降低大气CO2含量,进而缓解全球变暖的趋势。北太平洋是HNLC海域之一,我国北方沙漠的含铁粉尘经盛行西风或冬季风长途搬运、沉降到北太平洋,成为太平洋铁的重要来源之一。粉尘源区释放的主要矿物中铁形态对提高全球粉尘中铁循环模型的预测的重要依据,粉尘含铁矿物及形态研究也倍受大气过程研究关注,然而亚洲粉尘铁源释放缺乏系统的调查。

    长距离传输的矿物尘的尘源、传输在理解尘-气候系统中矿物尘改变大气辐射、大气云核/冰核属性和尘营养影响海洋初级生产力进而影响大气CO2浓度等关键科学问题中至关重要。北非作为全球最大的矿物尘源区,每年产生大约0.8TG矿物尘,约占全球矿物尘量的70%。稳定的矿物相的粘粒矿物是远距离传输矿物尘中主要组分,运用粘粒中地球化学指纹识别北非尘源并示踪长距离传输矿物尘传输途径有助于理解非洲季风演化过程及北非矿物尘在沉积记录中的尘-气候反馈机制。为此,南京大学表生地球化学教育部重点实验室风尘示踪团队开发了粘粒Sr-Nd-Hf同位素系统作为地球化学指纹限定长距离传输尘源和尘传输途径。该团队多年来对不同粒度的Sr-Nd-Hf同位素研究发现:不同粒度的同位素εNd值变化很小甚至保持不变,同位素εNd值不受粒度控制而受控于源岩地质构造背景;87Sr/86Sr同位素受矿物分选控制存在明显的变化,而粘粒同位素87Sr/86Sr值与CIA和Al/K等指示硅酸盐化学风化强度的地球化学指标显著相关,粘粒同位素87Sr/86Sr值受母岩化学风化控制;而同位素εHf值主要与受锆石约束的εHf值关系较大,而不含锆石的粘粒中的εHf值与CIA和Al/K没有关系,影响粘粒εHf值变化的可能与其母岩的地质背景存在联系。因此粘粒Sr-Nd-Hf同位素系统是可靠的地球化学指纹,能够很好地限定长距离传输矿物尘的物源。

    图1 中国沙漠表层沉积物粘粒中铁矿物与铁形态分布特征

    图1. 季节变化的光学气溶胶厚度与北非尘源同位素分区

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    研究团队通过对北非沙漠沉积物粘粒开展Sr-Nd-Hf同位素发现,北非尘源粘粒Sr-Nd-Hf同位素受地质构造控制存在明显East、Central和West三分区特征。比较跨大西洋传输现代尘和源区粘粒Sr-Nd-Hf同位素发现,跨大西洋传输尘主要来自西Sahel和Sahara地区,也发现跨大西洋传输的尘源区存在季节差异,通过源区粘粒Sr-Nd-Hf同位素限定四季变化的跨大西洋传输的矿物尘,夏季尘主要来自西Sahel地区,冬季尘中心向南移至多哥,证实了跨大西洋传输尘受季节移动的ITCZ控制源区释放发生同位素差异。粘粒Sr-Nd-Hf同位素示踪尘源的结论得到了来自NOAA网站同期尘AOD的验证。北非尘源区粘粒同位素Sr-Nd-H地球化学指纹对理解大西洋中的北非矿物尘及其跨大西洋传输尘记录的尘-气候演化信息打开了新的视窗。该工作近日发表于地球科学领域Earth and Planetary Science Letters杂志上,题为Sr–Nd–Hf isotopic fingerprinting of transatlantic dust derived from North Africa(

    DJF:冬季;MAM:春季;JJA:夏季;SON:秋季。

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