摘要
“从源到汇”主题研究将地球系统不同环境单元联结起来，对增进海陆相互作用的理解至关重要。在“从源到汇”的研究中，沉积物是重要的研究对象，其与上覆水之间的物质交换将显著影响物质在不同环境单元之间的分布。沉积物与上覆水之间的物质交换取决于物质的迁移能力，受到物质在沉积物颗粒-孔隙水之间的迁移转化过程的深刻影响。 砷作为高毒致癌物，能降低水体环境质量，其在水环境中的行为日益受到关注。铁、锰氧化物具有较大的比表面积，吸附能力强，是砷的强力吸附剂，其地球化学行为深刻影响着砷的迁移能力。沉积物中的铁、锰循环过程受到硫酸盐异化还原作用的影响，因此，研究铁、锰循环应当结合硫的地球化学行为。总之，研究铁、锰、硫在沉积物-孔隙水界面的生物地球化学行为和三者的耦合关系以及它们对砷迁移行为的影响，并对河流入海过程中的不同水体环境（下游、河口、海岸带）进行沉积物-上覆水物质交换通量评估，具有重要科学意义。 本文依托国家自然科学基金项目《海底地下水排泄(SGD)的地球化学过程、物质输送及其对海洋的贡献和影响(41372242)》和《福建前湖湾的海底地下水排泄及其水循环过程研究(41672226)》，选择不同沉积环境的九溪下游、河口及海岸带，分别在夏季和冬季，联合采用ZrO-Chelex DGT/AgI DGT薄膜扩散梯度技术和HR-Peeper薄膜扩散平衡技术，原位、高分辨率采集了表层泥质沉积物中DGT有效态和孔隙水样品，进而获得孔隙水中铁、锰、硫和砷的精细浓度-深度剖面。在此基础上，分析了铁、锰、硫和砷的氧化-还原机理、溶解-沉淀机制、吸附-解吸机制及其影响因素，分析了铁、锰、硫的耦合关系，分析了铁、锰、硫对砷释放的影响，计算了铁、锰、砷向上覆水的扩散通量，对比分析了不同沉积环境、不同季节条件下的铁、锰、硫和砷的地球化学行为和界面扩散通量。通过该项研究，本论文主要获得以下几点认识: (1)受有机质含量以及易还原态铁、锰的影响，越临近海岸带，铁、锰和硫的还原强度越大，夏季还原强度大于冬季。受溶解氧的抑制，潮间带铁、锰还原带上界面埋深较大。 (2)锰还原作用在夏季同时受到沉积物易还原态锰含量的控制和有机质含量的限制，而在冬季的限制因子主要为有机质含量。锰氧化物被还原溶解释放进孑孔隙水中后，容易形成溶解络合态锰存在于孔隙水中。越临近海岸带，孔隙水中的溶解络合态锰越多，冬季孔隙水中溶解络合态锰浓度小于夏季。溶解络合态锰使锰的还原不再局限于颗粒态氧化物的表面。 (3)铁的还原在夏季同时受到有机质含量和易还原态铁的制约，而在冬季主要受沉积物中有机质含量的限制。与锰相比，铁更容易被SⅡ沉淀，溶解络合态铁含量较低。 (4)硫酸盐还原受到有机质含量的制约，同时可能受到温度的影响。夏季铁、锰异化还原和化学还原强度均较强，冬季铁、锰异化还原强度减弱，以硫酸盐还原主导的铁、锰化学还原为主。铁、锰还原途径的变化，造成冬季铁、锰还原强度弱于夏季的现象。 (5)无机砷(AsⅤ、AsⅢ)的浓度变化是造成总溶解态砷浓度变化的主要原因，颗粒态铁、锰氧化物的还原溶解是控制无机砷释放进入孔隙水的主导因素。溶解络合态锰可以强力吸附无机砷，进而影响总溶解态砷的分布情况。SⅡ可以通过与砷发生共沉淀，导致无机砷含量的降低，也可以通过还原铁、锰氧化物、还原AsⅤ形成硫代砷酸盐等方式，使孔隙水中总砷浓度升高。 (6)由于夏、冬水位的变化改变了沉积物氧化还原电位，九溪下游锰、铁、砷在夏季从上覆水补给到沉积物，而在冬季从沉积物释放到上覆水中。总溶解锰在上覆水中的浓度随季节变化明显，其变化幅度大于孔隙水，受此影响，冬季河口和潮间带沉积物对上覆水的补给增强。沉积物对上覆水铁的贡献主要受到孔隙水浓度变化的影响，冬季对上覆水的贡献减小，甚至接受上覆水的补给。砷对上覆水的贡献同样受到孔隙水浓度变化的控制，冬季砷对上覆水的贡献减少，接受上覆水的补给增多。
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