| 题名 | 胶东半岛滨海沉积物中硫的迁移转化及其与铁的耦合机制 |
| 作者 | 姜明 |
| 答辩日期 | 2022-05-12 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院烟大学 |
| 授予地点 | 中国科学院烟台海岸带研究所 |
| 导师 | 盛彦清 |
| 关键词 | 海岸带 沉积物 硫 铁 耦合机制 |
| 学位名称 | 工学博士 |
| 学位专业 | 环境工程 |
| 英文摘要 | 硫与铁的相互作用是滨海水体黑臭形成的主要原因，而滨海沉积物中硫的迁移转化与不同形态铁的耦合过程会直接或间接影响水体与沉积物的质量演变。海岸带作为海陆相互作用最为剧烈的区域，其具有水质水文条件复杂、咸淡水混杂交替、高负荷污染汇集、高悬浮物聚集沉积等显著特征，该区域沉积物中不同形态硫的迁移转化及其与铁的耦合机制一直是同领域的研究热点之一。胶东半岛滨海河流众多，绝大部分河流的外源污染已经得到了有效控制，但部分河流及近岸海域依然黑臭，这可能与沉积物中硫、铁耦合密切相关，而当前对于滨海沉积物硫、铁循环及其耦合作用机制的认识尚不明朗，无法对滨海水质演变过程进行深度解析和精准防控。因此，本论文以上述问题为导向，聚焦“流域-河口-近海”体系沉积物中的硫循环，探究滨海沉积物中硫的迁移转化及其与铁的耦合机制，以期为滨海河流及河口海岸带环境质量演变过程识别提供科学依据，并为海岸带水体与沉积物污染防治提供技术支撑。主要研究内容和结果如下： （1）近海柱状沉积物中硫铁纵向分布特征及其成岩机制研究：采用改进的冷扩散法，系统地研究了近海区域深层柱状沉积物（深约 4 m）中无机硫和活性铁的纵向分布特征和成岩作用机理。结果表明，沉积物的粒径组成以粉砂（73.6 %）为主，无机硫以铬还原性硫（CRS）为主（65 %），酸可挥发硫（AVS）含量随深度变化保持稳定，但CRS和元素硫（ES）呈现表层和底层高的趋势；活性铁（RFe）以RFe(II)为主（约 80 %），且随深度增加而升高；浅表层沉积物（0 至 -30 cm）以有机质微生物降解为主，该过程有利于AVS向CRS转化，但随着深度增加（-30 至 -160 cm），硫酸盐还原作用增强，此时AVS累积速率大于转化速率；对于深层沉积物（-160 至 -370 cm），铁的还原以化学还原为主，同时生成ES，并促进AVS向CRS的转化；低黄铁矿化度（DOP，0.01 - 0.24）和硫化度（DOS，0.03 - 0.25）值表明，沉积物硫的矿化和硫化几乎不受RFe限制，而主要受活性有机质含量的限制。 （2）滨海河流不同沉积环境下硫铁的横向迁移转化机制研究：综合运用冷扩散提取法、化学提取法、X射线能谱等技术（XPS），以胶东半岛不同沉积类型滨海河流为研究区域，分别对存在潜在工业污染的胶莱河、作为饮用水水源地的夹河以及实施河床硬化的逛荡河表层沉积物中硫和铁的空间分布、赋存形态、迁移转化特征等进行了深入研究。结果表明，三条河流表层沉积物中硫和铁赋存形态分别以有机硫（89 %、85 %和77 %）和高活性Fe(II)（88 %、71 %和84 %）为主。胶莱河、夹河中下游和逛荡河沉积物中低DOP（< 0.52）和高AVS/CRS（> 0.3）值表明，沉积物的黄铁矿化度低，AVS大量积累，活性有机质的含量限制了CRS的形成；夹河中上游站位高DOP（高达0.73）和低AVS/CRS（< 0.3）值表明，CRS大量积累，高活性Fe(III) 的含量是CRS形成的主要限制因素。基于C/N比值和XPS分析表明，外源有机质输入促进了硫酸盐异化还原，有利于胶莱河和逛荡河沉积物中富里酸硫（76 % 和75 %）和AVS（65 % 和 70 %）的富集；而内源性生物输入促进了同化性硫酸盐还原作用，有利于夹河沉积物中腐殖酸硫（74 %）和CRS（70 %）富集。 （3）高磷酸盐和盐度胁迫下滨海流域表层沉积物中硫铁耦合机制研究：以胶东半岛 “流域-河口-近海”体系下两条富含磷酸盐及一定盐度的滨海河流为研究区域，探究了表层沉积物中硫铁磷的耦合作用机制。结果表明，高盐度胁迫会促进CRS的积累（56 %）和钙结合态磷（HCl-P）的固定（71 %），并可诱导沉积物中铁铝结合态磷（NaOH-P）的活化，增加水体富营养化的风险；相关性分析表明，高盐度胁迫沉积物中的活性有机质的含量是 CRS生成的主要限制因素，而ES可以指示高盐度胁迫下沉积物中无机硫和总有机碳的储存损失。高磷酸盐胁迫促进了铁氧化物的异化还原，增加了NaOH-P的固定（58 %），抑制了无机硫富集；当沉积物受人为扰动时，沉积物中AVS的氧化生成铁的氢氧化物和ES，可作为NaOH-P和CRS形成的潜在来源；相关性分析表明， ES的含量是沉积物中AVS向CRS的转化的限制因素。 （4）盐度对河口湾沉积物硫铁纵向迁移与生物作用的影响机制研究：以胶东半岛五龙河河口-丁字湾-黄海为研究区域，探究了盐度梯度下硫铁生物地球化学特征。结果表明，盐度和腐殖酸共同作用增加了细颗粒沉积物的絮凝沉降，致使表层沉积物粒径由河口向海洋方向逐渐变细（50.44 - 76.54 %），对总有机碳的吸附作用增强（0.32 - 0.67 %）；基于微生物群落和三维荧光平行因子分析，盐度还会促进溶解性有机质（DOM）构象变化或间接光降解，使其更具有生物降解性，提升沉积物细菌群落的丰富度和多样性，增加表层沉积物类腐殖质的降解，抑制了表层沉积物有机硫的富集；无机硫和有机硫的含量沿盐度升高而增加，其中无机硫含量随深度增加而升高，CRS占主导（51 - 69 %），有机硫含量呈现表层（0至 -14 cm）低，中间层（-14 至 -22 cm）高的趋势，FAS占主导（63 - 82 %）；相关性分析表明，CRS和FAS的形成分别受活性有机质和ES的含量的限制；沉积物中RFe(III)占主导（94 %），其含量随深度增加而降低。盐度升高，增加了微生物活性，促进了次表层和底层沉积物硫酸盐异化还原和铁的化学还原，从而有利于无机硫和有机硫的积累。 （5）潮汐过程对沉积物硫铁耦合环境效应模拟研究: 选取典型滨海黑臭沉积物设置室外潮汐模拟实验，探究了潮汐作用下干湿交替过程对高（长期干/湿）、中（短期干/湿）、低（淹水）潮滩沉积物中硫铁生物地球化学耦合过程的响应机制。结果表明，干湿交替过程降低了中高潮滩沉积物中微生物的丰度和多样性，抑制了总有机碳的矿化（增加了7.86 % 和10.13 %），有利于沉积物中RFe(III)的富集（增加了85 %和77 %）。沉积物含水率与AVS存在显著正相关，表明淹水条件有利于硫酸盐还原产生AVS。沉积物无机硫含量排序为：低潮滩 > 中潮滩 > 高潮滩，分别降低了46.82 μmol/g， 63.05 μmol/g，156.56 μmol/g；高潮滩沉积物中无机硫和铁分别以CRS为主（48 %）和RFe(III)（55 %）为主；相关性分析表明，ES是高潮滩沉积物中CRS形成的重要驱动因素；中低潮滩沉积物中无机硫和铁分别以AVS为主（69 % 和71 %）和RFe(II)（54 % 和55 %）为主，相关性分析表明，硫化物的可给性抑制了中低潮滩沉积物中AVS向CRS的转化。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 162 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.yic.ac.cn/handle/133337/30529]  |
| 专题 | 烟台海岸带研究所_中科院烟台海岸带研究所知识产出 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 姜明. 胶东半岛滨海沉积物中硫的迁移转化及其与铁的耦合机制[D]. 中国科学院烟台海岸带研究所. 中国科学院烟大学. 2022. |
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