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黄海近岸溶解活性态铁定点连续分析研究

丁小艳 陶文艳 韩海涛 潘飞 潘大为

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黄海近岸溶解活性态铁定点连续分析研究

    作者简介: 丁小艳(1993-),女,宁夏青铜峡人,回族,硕士研究生,主要从事海岸带水环境研究,E-mail:543867441@qq.com;
    通讯作者: 潘大为,研究员,E-mail:dwpan@yic.ac.cn
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2019YFD0901103);中国科学院基础前沿科学研究计划从0到1原始创新项目(ZDBS-LY-DQC009);山东省重点研发计划项目(2017GHY215002)
  • 中图分类号: P734;X142

Continuous analysis of dissolved reactive iron at fixed-point of Yellow Sea coast

  • 摘要: 铁(Fe)是海洋浮游植物生长必需的微量元素,也是影响海洋初级生产力的关键因素。溶解活性态铁(DRFe)是溶解态Fe的主要组成之一,与海洋生物体的吸收密切相关。本文通过对黄海近岸海水30天定点连续分析监测,研究了黄海近岸海水中DRFe在高、低潮时的浓度变化特征,分析监测了潮汐作用对DRFe的影响,并探讨了DRFe与海水理化参数间的关系。研究表明:高潮时DRFe浓度略高于低潮,最大浓度差为2.32 nmol/L,最小浓度差为0.44 nmol/L;DRFe浓度月变化差异不大,其范围为4.06~8.34 nmol/L,平均浓度为5.70 nmol/L;5月初,DRFe浓度较高,随后逐渐下降;海水温度升高会促进浮游植物生长,致使Chl a含量增加,同时加速DRFe的消耗。
  • 图 1  采样点站位

    Figure 1.  Sampling station

    图 2  溶解活性态铁的检测流程

    Figure 2.  Diagram showing the analysis processes of DRFe

    图 3  高、低潮时溶解活性态铁浓度的变化趋势

    Figure 3.  Concentrations change trend of DRFe at high and low tide

    图 4  高、低潮时海水理化参数值的变化趋势

    Figure 4.  Variation trend of physicochemical parameters of seawater at high and low tide

    表 1  海水样品中DRFe与海水理化参数的相关性分析

    Table 1.  Pearson correlation matrix for the concentrations of DRFe and physicochemical parameters of seawater samples

    参数温度盐度pHDOChl aDRFe
    温度1
    盐度−0.0761
    pH−0.3500.0571
    DO−0.868**−0.0460.450*1
    Chl a0.459*0.168−0.147−0.426*1
    DRFe−0.824**−0.1510.447*0.813**−0.3091
    注:** p<0.01;* p<0.05
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-08
  • 录用日期:  2020-11-20
  • 刊出日期:  2021-08-20

黄海近岸溶解活性态铁定点连续分析研究

    作者简介:丁小艳(1993-),女,宁夏青铜峡人,回族,硕士研究生,主要从事海岸带水环境研究,E-mail:543867441@qq.com
    通讯作者: 潘大为,研究员,E-mail:dwpan@yic.ac.cn
  • 1. 中国科学院海岸带环境过程与生态修复重点实验室(烟台海岸带研究所),山东省海岸带环境过程重点实验室,中国科学院烟台海岸带研究所,山东 烟台 264003
  • 2. 中国科学院大学,北京 100049
  • 3. 华南师范大学汕尾校区 物理与新能源学院,广东 汕尾 516625
基金项目: 国家重点研发计划项目(2019YFD0901103);中国科学院基础前沿科学研究计划从0到1原始创新项目(ZDBS-LY-DQC009);山东省重点研发计划项目(2017GHY215002)

摘要: 铁(Fe)是海洋浮游植物生长必需的微量元素,也是影响海洋初级生产力的关键因素。溶解活性态铁(DRFe)是溶解态Fe的主要组成之一,与海洋生物体的吸收密切相关。本文通过对黄海近岸海水30天定点连续分析监测,研究了黄海近岸海水中DRFe在高、低潮时的浓度变化特征,分析监测了潮汐作用对DRFe的影响,并探讨了DRFe与海水理化参数间的关系。研究表明:高潮时DRFe浓度略高于低潮,最大浓度差为2.32 nmol/L,最小浓度差为0.44 nmol/L;DRFe浓度月变化差异不大,其范围为4.06~8.34 nmol/L,平均浓度为5.70 nmol/L;5月初,DRFe浓度较高,随后逐渐下降;海水温度升高会促进浮游植物生长,致使Chl a含量增加,同时加速DRFe的消耗。

English Abstract

  • 潮汐是在月球和太阳引力作用下,海水水面发生周期性涨落的现象[1],是海水运动的主要类型之一,也是近岸海域能源输入最重要的途径[2]。军事、航海、渔业、海水养殖业以及沿海生产活动等都会受到潮汐的影响。已有很多关于近岸海域和潮汐的研究报告[3-7],但潮汐对近岸海域影响方面的研究却为数不多。近岸海域受潮汐影响较大,开展潮汐对近岸海域影响方面的研究是必要的。

    金属元素是海洋生态系统重要的组成部分[8],有些金属元素对海洋生物的生长有促进作用,有些则有毒害作用,这些作用与金属元素的存在形态密切相关[4]。Fe是海洋浮游植物生长不可或缺的微量元素,也是影响海洋初级生产力的限制因子[9-10],在海洋生物地球化学循环中起着关键作用[11]。海水中溶解态Fe的研究意义重大,但不是所有溶解态Fe都能被海洋生物利用[12],Fe的形态变化会影响生物体对Fe的吸收[13-14]。已有研究表明,能被生物体吸收利用的Fe是溶解态Fe(II)和Fe(III)[13]。溶解活性态铁(DRFe)包括无机态的Fe(II)、Fe(III)和部分不稳定的有机络合态Fe(III),可以被生物体直接吸收利用[12]。研究海水中的DRFe对进一步认识Fe的有效性及了解Fe与浮游植物间的关系至关重要。

    电化学法,因其操作简单、携带方便、灵敏度高而成为金属元素形态分析最常用的方法[15],其中,电化学阴极溶出伏安法可通过控制电位并结合必要的预处理实现环境中不同形态Fe的分析检测[4]。本文采用阴极溶出伏安法对高、低潮时近岸海域DRFe浓度的变化情况进行研究,分析监测潮汐作用对DRFe的影响,并探究了DRFe与海水理化参数温度(T)、Chl a、盐度(S)、pH、溶解氧(DO)间的关系。5月,气温逐渐上升,浮游植物开始生长,对Fe含量影响较大。为了获得更详细、更有价值的实验数据,选取5月(2019年5月1日至2019年5月30日)作为本次实验的监测时间。

    • 采样点(37.49°N,121.46°E)的位置如图1所示。该采样点位于黄海近岸,受人为活动和海水潮汐作用的影响较显著。海水样品均为表层海水(0~1 m),样品的采集、保存、测定和分析等过程均参照《海洋调查规范》(GB/T 12763-2007)和《海洋监测规范》(GB 17378-2007)进行。采样管和采样瓶已事先清洗干净,均为聚四氟乙烯材质。采样前,先用采样点海水润洗采样管和采样瓶3次,再进行海水样品收集。海水样品经过滤后,冷冻(−20 ℃)保存至实验室,并尽快进行分析。采样时间为2019年5月1日至2019年5月30日,每天在高、低潮时各采集一次样品(高、低潮时间查询自全球潮汐软件),共采集样品30天,累计样品60个。收集所有海水样品的叶绿素,于−20 ℃的条件下保存待测。样品的温度、盐度、pH和DO均采用美国YSI多参数水质分析仪现场测定。

      图  1  采样点站位

      Figure 1.  Sampling station

    • 采用阴极溶出伏安法对DRFe浓度进行测定。检测流程如图2所示,海水样品进行预处理后,取10 mL置于检测池中,再依次加入100 μL缓冲溶液(1 M HEPPS/0.5 M NaOH,使测定体系pH保持在8.0左右)、10 μL 络合剂(DHN)和500 μL氧化剂(KBrO3),通入5 min高纯氮气去除氧气后进行阴极溶出伏安扫描,采用标准加入法[16]即可进行DRFe的含量测定。所有电化学实验均在797伏安极谱仪(瑞士万通)上进行。实验采用三电极体系,悬汞电极为工作电极,Ag/AgCl电极为参比电极,铂电极为辅助电极。差分脉冲溶出伏安法的详细参数如下:沉积时间60 s;沉积电位−0.1 V;初始电位−0.1 V;终止电位−1.1 V[4]。实验方法的准确性和可靠性已通过标准海水(CASS-5和NASS-6)的检测得到验证[4]

    • 采用荧光光度计(Trilogy,Turner Designs,美国)进行Chl a的测定[17]。Chl a样品置于10 mL离心管中,加入10 mL 90%的丙酮溶液,在4 ℃条件下提取24 h,以4000 r的速度离心10 min,静置,取上清液即可进行Chl a的测定[18]。整个测定过程需在避光条件下完成。

      图  2  溶解活性态铁的检测流程

      Figure 2.  Diagram showing the analysis processes of DRFe

    • 采用阴极溶出伏安法对DRFe进行连续30天的定点监测,使用至少3次测量的平均值进行研究分析。DRFe浓度在高、低潮时的变化趋势如图3所示。研究结果显示,高潮时,DRFe的浓度范围为4.89~8.34 nmol/L,平均浓度为6.24 nmol/L;低潮时,DRFe的浓度范围为4.06~6.67 nmol/L,平均浓度为5.15 nmol/L。显然,高潮时DRFe浓度略高于低潮,高、低潮DRFe浓度的最大差值为2.32 nmol/L,最小差值为0.44 nmol/L,表明潮汐作用对DRFe浓度有一定影响。DRFe浓度在一个月内变化不大(所有样品的浓度范围为4.06~8.34 nmol/L,平均浓度为5.70 nmol/L),但在月初时,DRFe浓度较高,随后逐渐下降。5月温度逐渐升高,浮游植物开始生长,此时DRFe含量降低,这表明浮游植物的生长会消耗DRFe

      图  3  高、低潮时溶解活性态铁浓度的变化趋势

      Figure 3.  Concentrations change trend of DRFe at high and low tide

    • 为深入探究DRFe浓度的变化特征,对海水样品的理化参数做了进一步分析。海水样品理化参数值的变化趋势如图4所示。高潮时,温度、盐度、DO、pH和Chl a的范围分别为12.0 ℃~17.8 ℃、31.28~31.45、6.80~8.66 mg/L、8.09~8.21和0.29~2.84 μg/L。低潮时,温度、盐度、DO、pH和Chl a的范围分别为13.0 ℃~18.3 ℃、31.28~31.46、6.86~8.87 mg/L、8.09~8.21和0.62~2.02 μg/L。所有海水样品的温度、盐度、DO、pH和Chl a的平均值分别为15.35 ℃、31.34、7.69 mg/L、8.16和1.14 μg/L。温度和Chl a在月初时较低,随后逐渐上升,与DRFe的变化趋势相反。DO在月初时较高,随后逐渐下降,与DRFe的变化趋势相似。整体上,盐度和pH的数值变化较小,变化趋势无规律性,但二者在5月下旬的数值变化较明显。5月下旬,海水温度逐渐升高,近岸人类活动和海水动、植物的生长繁殖越来越活跃,这可能是导致盐度和pH波动较大的原因。潮汐作用对海水理化参数无显著影响,这可能与研究区域的特殊性有关,近岸海域受人类活动的影响较大,海水环境相对复杂,潮汐作用对海水理化参数影响方面还需进一步研究。

      图  4  高、低潮时海水理化参数值的变化趋势

      Figure 4.  Variation trend of physicochemical parameters of seawater at high and low tide

    • 采用Pearson相关分析法对DRFe与海水理化参数间的相关性进行探讨,结果如表1所示。温度和Chl a呈正相关性,与喻龙等人的探究结果一致[19]。DRFe浓度与温度、Chl a呈负相关性,这表明温度升高会促进浮游植物生长,致使Chl a含量增加,同时加速DRFe的消耗。DRFe浓度与盐度呈负相关性,但相关性较弱,这可能与盐度值变化差异较小有关。DRFe浓度与DO、pH呈正相关性,相关系数的绝对值分别为0.813和0.447。正常情况下,pH上升,OH-浓度增大,易形成难溶的氢氧化铁沉淀,DO浓度增大,以高价态的三价形式存在的铁离子增多,也易形成难溶的氢氧化铁沉淀[4],因此,溶解态Fe与DO、pH呈负相关性,本文的研究结果与之相反,这可能与近岸海水环境的复杂性有关。

      参数温度盐度pHDOChl aDRFe
      温度1
      盐度−0.0761
      pH−0.3500.0571
      DO−0.868**−0.0460.450*1
      Chl a0.459*0.168−0.147−0.426*1
      DRFe−0.824**−0.1510.447*0.813**−0.3091
      注:** p<0.01;* p<0.05

      表 1  海水样品中DRFe与海水理化参数的相关性分析

      Table 1.  Pearson correlation matrix for the concentrations of DRFe and physicochemical parameters of seawater samples

    • (1)高潮时,DRFe浓度略高于低潮,最大浓度差为2.32 nmol/L,最小浓度差为0.44 nmol/L,结果表明潮汐作用对DRFe含量有一定影响。

      (2)DRFe浓度在一个月内变化不大,其范围为4.06~8.34 nmol/L,平均浓度为5.70 nmol/L,5月初,DRFe浓度较高,随后逐渐下降,这表明浮游植物的吸收是引起DRFe浓度下降的主要原因。

      (3)潮汐作用对海水理化参数(水温、叶绿素a、盐度、pH和DO)无显著影响,这可能与近岸海域环境的复杂性有关。

参考文献 (19)

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