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新研究揭示陆-海交互带的“海绵交换模态”: 碳、氮的耦合与传输
发布日期:2020-3-4      浏览次数:347

2020年2月14日,我实验室蔡平河教授课题组在Geochimica et Cosmochimica Acta 期刊发表了题为“Carbon and nutrient export from intertidal sand systems elucidated by 224Ra/228Th disequilibria”的研究论文,首次在定量水平上揭示了潮间带内碳、氮的耦合与传输过程存在层次清晰的水平嬗变规律,并对潮汐和波浪的外部驱动产生响应和反馈,形成 “海绵式呼吸”的碳﹑氮交换模态。

碳、氮是构成生命体的核心元素。地球系统内各圈层之间碳、氮元素的流动和交换决定了地质年代中大气主要组分的演变,进而影响着地球的气候系统。潮间带作为陆‒海交互带的中心区域,是这两大圈层之间的碳、氮流动和能量交换的关键场所。但囿于技术手段的限制,迄今为止尚缺乏潮间带沉积物-水界面碳、氮循环的定量研究。

该课题组借助独创的224Ra/228Th天然放射性同位素体系,建立简化的二维平流传输模型,定量研究了沙质潮间带不同潮位线上沉积物孔隙水与海水的交换过程。观测结果发现孔隙水‒海水的交换存在由陆向海逐渐减弱的规律;与之对应,沉积物孔隙水的溶解无机碳(DIC)含量由陆向海逐渐升高,溶解无机氮(DIN)含量则呈现先升后降的分布模态。通过分析,研究人员发现孔隙水DIC含量的增加可以用有机质降解反应的一级动力学模型很好地予以描述。由于孔隙水‒海水交换的水平嬗变规律,潮间带沉积物在高潮线为全氧化态(Fully oxic state),向低潮线逐渐过渡到亚氧化态(Suboxic state)。在全氧化态下,有机质被完全分解,孔隙水DIC与DIN含量按照Redfield比值(106:16)增加;在亚氧化态下,反硝化过程主导了有机质的分解,潮间带相应地蜕变为“氮汇”。

图1. 沙质潮间带海水-孔隙水二维平流传输模型

 

图2. 陆-海交互带内部的碳、氮循环“气候系统”示意图

 

以上工作于2020年2月发表于地学领域顶级期刊Geochimica et Cosmochimica Acta,蔡平河为第一作者兼通讯作者,2017级博士生魏琳完成主要实验工作。

论文全文链接:https://doi.org/10.1016/j.gca.2020.02.007