海洋生物地球化学的产生与发展.pdf

海洋生物地球化学
- K( F  ~6 i+ T% ~9 C6 X的产生与发展
5 K2 w: g" O# N& Q/ Q' ~3 J+ V研究员、博导 宋金明
7 @  S4 j9 Q; c* N(中国科学院海洋研究所, 青岛266071)
" p2 E/ f; o1 x( @摘 要:对全球环境问题如全球气候变化、全球生态环境变化等的关注导致了海洋生物地球化学的飞速发展,使海洋生物地球化学成为了全球变化研究的核心,本文阐述了海洋生物地球化学的产生与发展及我们实验室近年来这方面研究的主要结果。
关键词:海洋地球生物化学 发展
% I0 r# A( ]! e当今的人类面临着全球气候变暖和全球
生态环境遭到严重破坏等一系列重大环境问
  D/ F4 T, k7 U2 Z; @( C4 h题,海洋占据地球表面积的70 8%,占地球总
. S8 b* @2 y, A2 T9 d  p1 ^6 ~水量的96 5%,海洋在全球环境中占据的地位
9 H$ \8 Y  \3 h( ?5 X/ w1 q是首屈一指的[1-3]。海洋可以减缓全球气温
升高的幅度,海洋环境的健康与修复在全球生
' X; C. ?+ e$ b! n: a) N态环境变异中起决定性的作用。因此,要解决
全球环境问题就必须面对海洋这个在全球环
境变化中起决定作用的庞然大物,要深入研究
  \# `5 v8 a* N/ A) P海洋的作用,深层次的海洋学过程是科学家们
' k2 Q0 ^4 n2 x( l' t1 j( C0 e, u" z( @必须要研究的,作为海洋学过程核心的海洋生
0 y* }9 l( m; h# p物地球化学过程就成为了近年来海洋学乃至
全球变化研究的中心,所以有必要对生物地球
* N1 r8 S5 A! E. i/ R" o* h& `化学的产生与发展有一深刻地了解,本文对此进行了阐述,并简要叙述了我们近年来在海洋生物地球化学过程研究方面取得的主要结果。
! H' z$ @6 |  i# N8 P7 a5 M; r海洋生物地球化学(biogeochemistry),我们从这个词很容易看出这是一个复合词,是一个多学科交叉的综合产物。下面,我们首先从生物地球化学的产生谈起。
. u6 D3 C% }  R, [  I8 C一、生物地球化学的产生
一般认为,生物地球化学这个词最早正式提出是在1939年,前苏联著名的地球化学家维尔纳斯基(W.I.Vernadsky)院士首次创立并发表了系列论文,尔后在1943年,由哈钦森(G.E.Hutchi nson)引入到英文中,这方面的早期研究主要涉及生物体对微量元素的富集,研究生物体与环境中的元素比。这是生物地球化学作为独立研究领域发展的第一个阶段。
实际上,有关生物地球化学的研究远不止始于二十世纪的三十年代,应该说很早以前,
) o6 s! o+ E" m& @" ]0 b许多科学就注意到了生物过程在元素地球化
学循环中的作用,在这里值得一提的是英国牛
' K# d" w: X0 w4 W. p  e津的地质学家多布尼(C.G.B.Daubeny,1796-
1867),在170年前,他先做化学教授,而后又做
4 ?7 I4 ^- B4 e! m) A了植物学教授,对火山喷发、大气CO2水平对
" X* J( Q1 r9 P0 [/ k* M石炭纪植物的影响以及臭氧产生的机制进行
过卓有成效的研究[4],这是典型的生物地球化
- D$ ?  i. E  @6 S5 e学综合研究,看来,个人多学科的知识是生物
: B2 u; V2 I2 l地球化学产生的基础之一是不容质疑的。
1971年,著名的生态学家奥德姆(E.P.O dum)对生物地球化学循环提出了较清晰的解释,他认为!化学物质包括原生动物体内的所有组成元素,在生物圈内从环境到生物体再返回到环境的特定运转途径,就是所谓的生物地球化学循环∀,他并把生物地球化学循环分为两类,第一类是大气圈与水圈贮库中呈气态的物质,第二类是在地球表壳贮库中沉积的物质。在二十世纪七十年代,生物地球化学研究出现了一些重要的进展,是生物地球化学研究发展的第二个阶段,其标志是环境生物地球化学的研究取得了长足进步。
) I* T1 Q3 t7 s二十世纪七十年代,生物地球化学得到了迅速发展,这期间国际上召开了几次生物地球化学或与之相关的国际会议,如水地球化学与生物地球化学会议(1972)、第四届国际环境生物地球化学会议(1979)等,都出版了会议论文集。这个时期还发表了大量的学术论文及几部有影响的专著,如克伦宾(Krumbein,W.E)的三卷本的!环境生物地球化学与地质微生物学∀(1978),尼雷古(Nriagu.S.O.)二卷本的!环境
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宋金明(SONG Ji nming,1964,4~),男,1985年毕业于长春地质学院(现长春科技大学),后在中国科学院海洋研究所获硕士和博士学位。现任中国科学院海洋研究所海洋化学研究室副主任、研究员、博士生导师。主要从事海洋生物地球化学与应用海洋化学研究,已在#中国科学∃等重要刊物发表学术论文70余篇,出版#中国近海沉积物-海水界面化学∃等专著4部。1999年获国家杰出青年科学基金资助。曾获中国科学院自然科学二等奖(1992)、三等奖(1998)各一项,中国科学院科技进步一等奖(1996)、三等奖(1996)各一项,1998年获山东省委组织部、省人事厅、省科协授予的!山东省青年科技奖∀和中共中央组织部、国家人事部、中国科协授予的!中国青年科技奖∀,1999年获青岛市委市政府授予的!青岛市青年学术工程技术带头人∀称号。
% J+ \& R  X9 E3 O% }% ]2 q1 n国家杰出青年科学基金(No.49925614)和国家自然科学基金(No.49776300)资助课题。
- ]6 |+ ?) `! Z1 E/ n9 i* n' P第1页生物地球化学(1976)∀,扎基克(Zajic,J.E.)的!微生物的生物地球化学∀(1969)。克伦宾(Krumbei n,W.E)!微生物地球化学∀(1983)等,这些专著对环境生物地球化学及微生物地球化学进行了系统的阐述,总结了生物地球化学研究领域自二十世纪三十年代创立以来四十年的研究成果,并为以后的系统打下了基础。
! Q$ d! Z' Z, k! P- x3 c8 R二、海洋生物地球化学的发展
如果说环境生物地球化学是生物地球的化学发展的第二个阶段,那么二十世纪八十年代中期至二十世纪末的海洋生物地球化学显然是生物地球化学发展的第三个阶段。
& Q1 G% E4 d2 e. L. u) G二十世纪八十年代以来,国际大型研究计划的兴起导致了生物地球化学成为科学家们注重的焦点,其代表是1983年提出,1991年正式开始实施的国际地圈生物圈计划(IGBP),侧重研究物质的生物地球化学循环,其目标是阐述和了解控制地球系统及其演化的相互作用的物理、化学和生物过程,以及人类活动在其中所起的作用,中心目标是为定量评估整个地球的生物地球化学循环和预报全球变化建立科学基础,目前已实施和将要实施的IGBP 中有8个核心计划,即IGAC 、JGOFS 、PAGES 、GC TE 、BAHC 、LOICZ 、GAIM 和GLOBEC,这其中大部分与海洋有关或整个核心计划都集中于生源要素的海洋生物地球化学过程研究,可以说是全球变化研究导致了近年来海洋生物地球化学的迅猛发展。
* i' L* q4 W; z' f" i1 I在整个地球系统中,生物地球化学循环实质上占据并参与了大部分过程,而海洋生物地球化学过程在海洋中成为了控制海洋系统最关键的体系[1,7]。这些我们可从图1地球系统与生物地球化学过程的关系中明确地看出这一点[1]。应该这样说是科学探索自然的进步,对过程研究的强烈需求,
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导致了海洋生物地球化学成为了地球科学的核心。
: I" n( Q. I& {+ Y1 P9 y1 G图1 地球系统与生物地球化学过程的关系
海洋生物地球化学是研究海洋环境中生物参与下生源要素或生物有关元素的地球化学过程,目前侧重于对碳、氮、硫、磷、氧、硅等生源要素的研究。碳是海洋生物地球化学研究的核心元素,因此,碳循环也是海洋生物地球化学过程研究的关键之所在[4-8],它的特殊关键地位在于,第一、海洋循环在很大程度上决定了全球气温乃至全球气候的变化趋势;第二、碳循环是海洋生态系持续、发展的基础,因此,决定了海洋生态环境变化的走向,从这两个方面可明确看出海洋碳循环在全球变化研究中作用的极端重要性。海洋碳循环的研究也是围绕全球气候与全球生态变化展开的。
三、海洋生物地球化学研究的重要进展
9 D9 S4 A* ^+ ]! D4 q* T2 P近年来,我们一直从事中国近海生物地球化学过程研究,在珊瑚礁生态系生源物质循环、近海沉积物-海水界面化学过程、海洋沉降颗粒物及沉积物中的早期成岩作用等几个方面进行了研究,取得了一些重要进展,具体表现在以下几个方面:
2 u" Y0 k! g1 N1 R# P5 f1 获得了珊瑚礁生态系中稀有与稀土元素的垂直通量[7]
: c8 D/ Q, u  n; `& {, A1 i,并提出了维持珊瑚礁生态系高生产力原因的新观点%%%拟流网理论[1]。珊瑚礁生态系是典型的海洋生态系之一,它最大的特点是存在于周围非常寡营养的水域中,那么高生产力的珊瑚礁是如何保持它这种特性的,这就是科学工作者一直难解的!珊瑚礁营养盐之谜∀。近年来,珊瑚礁作为全球变化研究的重点,珊瑚礁生态系研究成为国际海洋学的前沿,我们通过对南沙珊瑚礁生态系的系统研究,提出了维持其高生产力的根本原因是热带相对固着生物对营养物质的吸收,即珊瑚礁是一个特殊的!生物化学反应器∀,其中的生物相对于海水来说是相对固着的,不像外海许多生物随海水运动而迁移,这些固着生物可以吸收外界相对寡营养水中的营养物质,且吸收量随海水流速的增大而增加,这些生物起到了寡营养水中营养物质!富集器∀的作用,形象地说这些生物类似海中捕鱼用的!流网∀,尽管水中的鱼虾较少,但一进入流网区内,鱼虾全被网了下来,而正是这种流水源源不断地向流网区内输送大量的鱼虾,所以由热带相对固着的生物组成的生物化学反应器大量富集外海寡营养水中的营养物质是珊瑚礁生态系高生产力最根本的原因[1]。珊瑚礁生态系中生源物质的快速循环是其维持其高生产力的主要原因。当相对固着的生物富集了寡营养水中大量的营养物质以后,其代谢、排泄与尸体分解又将营养物质释放到水中,沉入到泻湖底部的颗粒进一步分解亦向水体扩散,泻湖内营养物质的循环速度是外海的几十倍到数百倍,营养物质的快速循环维持了珊瑚礁生态系的高生产力[1]。这是目前关于!珊瑚礁营养盐之谜∀最新的研究结果。并提出在珊瑚礁生态系中,非生源要素的垂直转移主要依赖于生物过程的新观点[1,2],珊瑚礁内稀有、稀土元素及部分主要元素的垂直转移与海水温度密切相关,部分元素可以成为预测海水温度变化的!指示剂∀,可用来反推全球气温变化的趋势,这是对全球海洋通量研究的重要贡献,对珊瑚礁生态系生态系统动力学研究有重要的科学意义。
2 系统研究了中国近海沉积物-海水界面化学过程,建立了一整套界面化学的研究方法[1]。沉积物-海水界面化学过程是近海物质循环的关键控制环节之一,在陆架体系中,沉积物-海水界面附近物质的循环在很大程度上控制和决定其上的海水体系中物质的分布,南沙珊瑚礁泻湖中沉积物向海水提供大量的营养物质,对NH -4N 而言,占其总循环
量的12%[1]
8 T- X5 l/ w8 F  G3 @) A,东海的冲绳海槽海域Cl -向海水的转移量达10 2mmol/(m 2&d),充分表明该区域火山活动的特殊影响[1],所有这些新的结论对研究海洋中的物质循环和近海沉积物-海水界面化学新学科的形成都有重要的作用。
3 提出了评价海洋沉积物氧化还原特性的定量标准,为系统研究海洋中的化学过程奠定了基础[1]。海洋沉积物中的氧化还原过程是变价元素在海洋中的主要控制过程,以往由于海洋沉积物氧化还原特性的复杂性,对海洋沉积物氧化还原特性的描述是定性的,即采用单因素法或多因素分立因
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% y( x2 T+ |$ ^/ W! x  s+ n& {5 r第2页子评价法,这样也就不可能真正搞清海洋沉积物的氧化还原特性,我们提出了定量评价其特性的评价函数即新概念!氧化还原度(ROD)∀,并随之提出了描述沉积物氧化还原电对的!相对平衡度(DRE)∀,描述沉积物粒度的纯化学标准!粒度标(GSL)∀等一系列新概念,继而提出近海沉积物氧化还原界面在Eh=200mV和ROD=15[1],使海洋沉积物氧化还原特性的研究完全定量化,推进了化学海洋学理论的发展,这一套方法用于渤海沉积物腐蚀环境评价,取得了很好的结果。
# s5 w9 k) W& V0 O4 通过对沉降颗粒物-海水-沉积物复合体系研究,建立了判断沉降颗粒物特源与沉降过程的判定指标与方法[7]。垂直沉降颗粒物中的有机组分到达沉积物-海水界面前,已经过了强烈的生物化学改造,其含有丰富的类异戊二烯酮、醛、醇脂类及类异戊二烯二烯烃(C25HBI)证明了这一点。有机组分主要来源于泻湖内的生物包括细菌,陆生高等植物(主要为人为带入)占较少部分[1,7]。C25HBI主要来源于角刺藻和根管藻。垂直沉降颗粒物中的矿物主要由文石及方解石组成,并含有少量的粒土矿物。文石占70%以上,方解石不超过30%,文石质主要由六射珊瑚、仙掌藻、软体动物提供,垂直沉降颗粒物与表层沉积物的矿物组成极为相似,不同沉积环境其垂直沉降颗粒物的矿物组成完全不同[1]。
6 I( z  z4 J. ]4 u6 I$ M  Q& [5 建立了我国近海沉积物早期成岩作用的数学模型,得到了一系列有价值的化学动力学参数[1]。将!扩散-平流-反应∀模式引入早期成岩作用研究,建立反应项,得到在南黄海沉积物中硅溶解的一级动力学常数为0 00142a-1,有机磷分解的一级动力学常数在0 00171~0 00231a-1,SO2-4还原的速率在表层超过1m mol/(dm3&a),在辽东湾,通过反应速率得到的卤素与碳(有机部分)的计量系数F/C=0.12,Br/C= 10 37~6.4)∋10-9[1],显然这些化学动力学参数的获得对研究生源物质的循环具有重要的价值。
目前,海洋生物地球化学研究正方兴未艾,所揭示的规律必将大大促进人类利用海洋来减缓全球环境变化的认识与行动。
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Origination and Evolution of Marine Biogeochemistry
Professor SONG Jinming
(Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Qingdao266061)
9 ]. ?0 H! N3 h% d0 S. Z. o4 DAbstract:The results o f the global changes p otentially have enormous consequences for the functionary o f the earth system and the well being o f human endeavors.Focuses on the global environmental problems such as world climate chenges,e coenvironment worsening have been accelerting the evolution o f marine biogeochemistry.In this pap er,the origination and evolution o f marine biogeochemistry,the main pro gresses in ou laboratory are induced.
2 }" @9 M) b9 Y% q7 BKey words:biogeochemistiy,development
/ f+ q3 e; \; @8 e: R, S8 Q(责任编辑:李克勤) 21世纪青年学者论坛
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