利用镭同位素示踪法定量研究亚热带海湾和岛屿的海底地下水排放——福建省三沙湾和东山岛

摘要

镭同位素来自母体钍的衰变，钍是强颗粒活性的元素，而其子体镭同位素却有一定的水溶性。223Ra、224Ra、226Ra、228Ra的半衰期分别为11.4天、3.6天、1600年和5.75年，这四种同位素的半衰期差异为近岸海域的水团混合和物质交换提供了重要的方法(Moore，1998)。其中，短半衰期的两种同位素能有效地示踪几天至几十天时间尺度的海洋学过程，而在这时间尺度内，长半衰期镭同位素的自身衰变可以忽略(Moore，1998;Moore，2000)。海底地下水排泄(SGD)是海陆相互作用和水循环的重要过程，也是陆地向海洋输送水量和物质的重要通道，对沿岸生态环境有重要的影响。SGD作为近岸水体中重要的镭源，与外海水形成明显的活度差异，且镭的各种同位素都容易准确测量，使得镭同位素成为SGD的优良示踪剂。此外，镭的长半衰期同位素也是示踪几年至千年尺度的水团移动和混合等海洋学过程的重要物质。
　　三沙湾和东山岛都属于亚热带海洋性气候区，常年温和湿润，四季分明。三沙湾位于台湾海峡北口，而东山岛位于台湾海峡南口，台湾海峡作为东海和南海的唯一水交换通道，同时也连通了三沙湾和东山岛东南海域的水体交换。本文旨在利用镭同位素定量研究三沙湾和东山岛的水体停留时间和SGD及其携带陆源物质的通量，并以此研究SGD对近海生态系统的影响。三沙湾和东山岛东南海域均受不同程度的养殖废水的影响，且两者均受台湾海峡水团的影响，但影响程度有所差异。三沙湾是福建省典型的近封闭型海湾，而东山岛东南海域则为水交换强烈的开阔海域;三沙湾内水源复杂，河流众多，而东山岛内无显著河流和湖泊;三沙湾沿岸和东山岛东南沿岸的地质条件和降雨量等均存在较大差异。
　　本文利用224Ra和228Ra在三沙湾上混合层的质量平衡，对三沙湾的水体停留时间和SGD及其携带的陆源物质进行定量研究。结果如下:研究区域内冬季水体停留时间为8.14-19.02d，夏季为1.02-4.52d;冬季SGD的通量为3.31×107-2.45×108m3·d-1，夏季通量为9.23×107-1.88×109m3·d-1。三沙湾的SGD中，绝大部分为再循环海水，陆源淡水仅占SGD总量的0.06％-2.37％。研究区域内由SGD携带入海的物质通量较为可观，冬季溶解无机氮(DIN)，溶解硅酸盐(DSi)和溶解活性磷酸盐(SPR)的总通量为(0.74-10.90)×107mol·d-1，溶解有机碳(DOC)通量为(0.29-3.40)×107mol·d-1，总碱度(TA)通量为(0.81-58.70)×107mol·d-1;夏季DIN，DSi和SPR总通量为(3.28-20.90)×108mol·d-1，DOC通量为（0.90-21.90）×107mol·d-1，TA通量为（2.21-31.9）×108mol·d-1。研究表明，三沙湾内SGD的水通量与当地河流流量在同一量级，甚至可能高于河流径流量。
　　东山岛东南沿岸的地下水是东南沿岸唯一的陆源输入水体，其物质浓度和季节变化都对沿海生态环境有重要影响。地下水与沿岸海水相比，属于高营养盐、高溶解无机碳(DIC)和TA的水体，对近海生态环境造成持续性的影响。六月地下水中DIC和TA的平均浓度分别为3020.76μmol·L-1和3027.13μmol·L-1，研究海域的DIC和TA的平均浓度分别为1999.67μmol·L-1和2274.56μmol·L-1。此外，东南沿岸地下水中DIN一月、六月和十月的浓度平均值分别为57.27μmol·L-11、53.09μmol·L-1和70.55μmol·L-1，远高于六月航次研究海域的DIN平均值。由224Ra/226Ra和224Ra/228Ra计算得到东山海域的水体停留时间分别为4.95±2.19d和2.37±1.43d，基于此停留时间的SGD通量分别为0.12±0.06m3·m-2·d-1和0.25±0.16m3·m-2·d-1。

目录

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摘要

缩略词表

图目录

表目录

第一章 绪论

1．1 海底地下水排放(SGD)的定义

1．2 SGD的研究历史与现状

1．3 SGD的研究方法与方法比较

1．3．1 直接测量法

1．3．2 水文分析和数值模拟法

1．3．3 地球化学元素示踪法

1．3．4 远程观测法

1．3．5 不同方法的比较分析

1．4 SGD研究的环境意义

1．5 科学问题和研究内容

1．6 研究框架

第二章 研究区域和方法

2．1 研究区域概况

2．1．1 三沙湾概况

2．1．2 东山岛概况

2．2 三沙湾与东山岛沿海的异同点分析

2．2．1 三沙湾和东山岛东南海域的相同点总结

2．2．2 三沙湾和东山岛东南海域的差异性比较

2．3 航次概况和样品采集

2．3．1 三沙湾和东山岛航次概况

2．3．2 样品采集和测定

2．4 基于镭同位素的水体停留时间和SGD通量估算方法

2．4．1 镭同位素及其示踪作用

2．4．2 三沙湾的水体停留时间和SGD通量估算方法

2．4．3 东山岛水体停留时间和SGD通量估算方法

第三章 结果

3．1 三沙湾

3．1．1 三沙湾溶解态镭的分布特征

3．1．2 地下水中溶解态物质的分布特征

3．1．3 河流输入的镭

3．1．4 水体停留时间

3．1．5 SGD及其携带的陆源物质的通量

3．2 东山岛

3．2．1 东山岛东南沿岸地下水的时空变化

3．2．2 东山岛东南海域的物质分布特征

3．2．3 东山岛东南海域的水体停留时间

3．2．4 东山岛的SGD及其携带的物质通量

第四章 讨论

4．1 三沙湾

4．1．1 极端天气影响下镭的分布异常现象

4．1．2 水体停留时间和SGD通量的时空变化

4．1．3 SGD对三沙湾水环境的影响及其生态效应

4．1．4 停留时间的季节变化原因分析

4．2 东山岛

4．2．1 东山岛东南沿岸地下水成分时空差异的形成原因初探

4．2．2 东山岛东南沿岸地下水对近岸海域生态系统的影响

4．3 特色与创新

4．4 问题与展望

参考文献

硕士期间参加的科研工作

致谢

附表