论文部分内容阅读
红树林、盐沼等蓝碳生态系统,通过植被高水平的生产力将大气中的CO2捕获并封存在沉积物中,是地球上最密集的碳汇之一。然而,对红树林等生态系统沉积物中有机碳的埋藏机理却知之甚少。环境中无处不在的铁氧化物的表面对有机碳表现出很强的亲和力。在全球海洋沉积物中,与铁氧化物结合的有机碳占沉积物总有机碳平均比例高达21.5%。铁氧化物主要通过吸附和共沉淀与有机碳相互作用,作用过程中会导致有机碳的分馏。铁氧化物在蓝碳生态系统的碳埋藏方面发挥着重要的作用,其对有机碳不同组分的选择保存也影响着有机碳的生物地球化学过程。因此,本文调查了典型蓝碳生态系统——中国河口红树林和盐沼湿地沉积物中铁氧化物对有机碳的保存作用,并结合室内模拟实验,利用傅立叶变换红外光谱（FTIR）、二维相关傅立叶变换红外光谱（2D-COS FTIR）和三维荧光激发发射矩阵光谱（3D-EEMs）研究了水铁矿与红树林和盐沼腐殖酸吸附和共沉淀的作用过程,主要结论如下:1)在红树林沉积物中,粉砂和砂占主,TOC（总有机碳,Total Organic Carbon）含量为0.80～1.31%（1.03±0.17%,n=10）,活性铁氧化物含量为5.6～20.4 mg g-1(11.0±5.6 mg g-1,n=10)。Fe-OC（铁结合态有机碳）的含量为0.01～0.25%（0.12±0.09%,n=10）。fFe-OC（铁结合态有机碳占总有机碳的比例）为0.4～24.8%,平均有11.3±8.7%（n=10）的有机碳与活性铁氧化物结合。大部分样品C/Fe摩尔比小于1,表明活性铁氧化物主要通过吸附与有机碳结合。活性铁氧化物的主要成分是水铁矿。Fe-OC的C/N摩尔比平均值大于沉积物总OC的相关参数,Fe-OC的δ13C平均值小于OC的相关参数,表明植物来源和陆源有机碳被活性铁氧化物优先保存。去除活性铁后,沉积物疏水性指数减小,脂肪峰增强,表明疏水的有机碳和芳香碳可能被优先保存。富氮的有机物可能促进铁碳吸附,盐度抑制了活性铁氧化物与有机碳的结合。2)在盐沼沉积物中,粉砂占主,TOC含量为0.06～1.84%（0.63±0.45%,n=29）,活性铁氧化物含量为0.78～10.5 mg g-1(5.1±2.3 mg g-1,n=29)。Fe-OC的含量范围为0.002～0.36%（0.08±0.08%,n=29）。fFe-OC范围为0.6～38.9%,平均有13.6±8.2%（n=29）的有机碳与活性铁氧化物结合。75%的样品C/Fe摩尔比小于1,表明活性铁氧化物主要通过吸附方式与有机碳结合。Fe-OC的C/N摩尔比平均值、δ13C平均值大于沉积物总OC的相关参数,表明植物来源和海源有机碳被活性铁氧化物优先保存。去除活性铁后,沉积物疏水性指数减小,脂肪峰减弱,表明疏水的有机碳和脂肪碳可能被优先保存。沉积物颗粒组成可以通过影响活性铁氧化物含量和TOC来影响Fe-OC的形成。TOC与活性铁氧化物的含量线性相关。铁结合态有机碳显著促进了盐沼TOC的保存。3)在两种沉积环境中,铁碳结合的主要影响因素不同,红树林中活性铁氧化物的含量是影响Fe-OC的主要因子,而盐沼中Fe-OC的形成受到沉积物有机碳含量和活性铁氧化物含量的同时控制。基于碳氮摩尔比、稳定碳同位素和红外光谱的结果,在两种沉积环境中,活性铁氧化物都优先保存植物来源的有机碳以及疏水的有机碳。在盐沼中,铁氧化物倾向于结合脂肪碳和海源碳;而在红树林中,芳香碳和陆源碳被活性铁氧化物优先保存。4)在水铁矿与红树林和盐沼腐殖酸的吸附模拟实验中,荧光类物质的吸附亲和顺序为陆源类腐殖酸>海源类腐殖酸>类蛋白。二维红外相关分析显示在吸附过程中,红树林腐殖酸有机官能团的亲和顺序为多糖中的C-O伸缩振动>芳香族C-H面外弯曲振动>芳香族C-H振动>烷基C-H弯曲振动;盐沼腐殖酸有机官能团的亲和顺序为COO-对称伸缩振动>复杂碳水化合物-C-O-C振动>多糖C-O-C/C-C伸缩振动>脂肪族C-H弯曲振动>芳香族C=C振动。在水铁矿与红树林和盐沼腐殖酸的共沉淀模拟实验中,红树林腐殖酸有机官能团的亲和顺序为脂肪族的C-H弯曲振动>脂肪族C-OH伸缩振动>复杂碳水化合物-C-O-C振动>酯和羧基C=O振动>芳香族C-H振动>芳香族C-H弯曲振动>COO-对称伸缩振动;盐沼腐殖酸有机官能团的亲和顺序为多糖C-O-C振动>多糖C-O振动>脂肪族C-H弯曲振动>芳香族C-H弯曲振动>羧酸C=O伸缩振动。5)模拟实验中,水铁矿通过吸附作用优先结合盐沼和红树林中的类腐殖质荧光物质,通过共沉淀作用优先结合盐沼和红树林中的类蛋白荧光物质。盐沼HA中的多糖和芳香碳被优先吸附,而红树林HA中的羧酸碳和多糖被优先吸附。盐沼HA中的多糖比脂肪碳先沉淀下来,而红树林HA中的脂肪碳比多糖先沉淀。腐殖酸的来源对水铁矿与腐殖酸的相互作用的过程具有重要的影响。不同来源的腐殖酸在分子结构、功能基团存在差异,这可能是造成结合顺序差异的主要原因。铁氧化物在蓝碳生态系统的碳埋藏方面发挥着重要的作用。河口湿地是陆海作用的关键地带,铁氧化物对不同组分的碳的选择性保存,也将带来不同的环境效应。然而蓝碳湿地生态系统正面临着逐渐消失的威胁,保护蓝碳生态系统,维持其对碳的有效埋藏,对于环境气候变化有十分重要的意义。