地球科学进展

地球科学进展 ›› 2024, Vol. 39 ›› Issue (6): 647 -658. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2024.047

研究简报 上一篇    

莱州湾南岸陆海交互地层间隙水有色溶解有机物的光谱特征研究
祝唐刘 1( ), 刘智丹 1, 邹立 1( ), 钟希煌 2, 奚嘉鸿 2, 江雪艳 2   
  1. 1.中国海洋大学，海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100
    2.中国海洋大学，海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室，山东 青岛 266100
  • 收稿日期:2024-02-21 修回日期:2024-05-03 出版日期:2024-06-10
  • 通讯作者: 邹立 E-mail:ztl3377@stu.ouc.edu.cn;zouli@ouc.edu.cn
  • 基金资助:
    国家重点研发计划项目(2022YFC2803803);国家自然科学基金项目(41876077)

Spectral Characterization of Chromophoric Dissolved Organic Matter in the Interstitial Water of Land-sea Interaction Strata Along the South Coast of Laizhou Bay

Tangliu ZHU 1( ), Zhidan LIU 1, Li ZOU 1( ), Xihuang ZHONG 2, Jiahong XI 2, Xueyan JIANG 2   

  1. 1.Key Laboratory of Marine Environment and Ecology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China
    2.Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Engineering Technology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China
  • Received:2024-02-21 Revised:2024-05-03 Online:2024-06-10 Published:2024-07-15
  • Contact: Li ZOU E-mail:ztl3377@stu.ouc.edu.cn;zouli@ouc.edu.cn
  • About author:ZHU Tangliu, Master student, research area includes marine environmental chemistry. E-mail: ztl3377@stu.ouc.edu.cn
  • Supported by:
    the National Key Research and Development Program of China(2022YFC2803803);The National Natural Science Foundation of China(41876077)
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陆海交互区较高的固碳效率和较大的固碳潜力是在自然条件下长期解决气候变化和实现“碳达峰”“碳中和”的重要方案。为揭示莱州湾南岸陆海交互层中溶解有机物的来源和赋存形式，丰富对陆海交互区的碳源和碳汇的认识，于2021年11~12月采集钻孔岩心间隙水，分析其有色溶解有机物的紫外可见吸收光谱和三维荧光光谱。分析结果表明，溶解有机碳与a（320）均呈现出第二次海侵后变化大、浓度高的特征，陆相间隙水溶解有机物组成和性质差别大于海相间隙水。经平行因子分析法鉴别和OpenFlour匹配的5种荧光组分中，除底层外，类腐殖质组分贡献为总荧光强度的77%。荧光指数和自生源指数表明岩心间隙水有色溶解有机物由微生物再生产活动贡献为主，埋藏越久，微生物贡献越为显著，陆相层和海相层没有明显差别。主成分分析结果表明，不同沉积阶段溶解有机物组成存在一定差别，但随着沉积过程的发生，间隙水溶解有机物组成和性质逐渐趋同。长时间尺度下腐殖质高度成熟。

关键词: 莱州湾南岸, 陆海交互地层, 间隙水, 有色溶解有机物

High sequestration efficiency and strong sequestration potential of land-sea interaction regions are important nature-based long-term solutions to climate change and the achievement of “carbon peak” and “carbon neutrality”. To reveal the sources and forms of Dissolved Organic Matter (DOM) in the land-sea interaction stratigraphy along the south coast of Laizhou Bay and enrich the understanding of carbon sources and sinks in the land-sea interaction region, interstitial water from a drill core was collected from November to December 2021 and analyzed for ultraviolet (UV-) visible absorption spectra and three-dimensional fluorescence spectral signatures of Chromophoric Dissolved Organic Matter (CDOM). The analyses showed that dissolved organic carbon and a(320) were both characterized by large and high concentrations after the second transgression. The differences in the DOM composition and properties of terrestrial-phase interstitial water were greater than those of marine-phase interstitial water. Excluding the bottom stratum, of the five fluorescence components identified by parallel factor analysis and matched using OpenFlour, humus-like components contributed 77% of the total fluorescence intensity. The fluorescence and biogenic indices showed that the core interstitial water chromophoric dissolved organic matter was dominated by the contribution of microbial reproduction activities; the longer the burial was, the more significant the microbial contribution, and there was no significant difference between the terrestrial and marine phases. The results of principal component analysis show that the compositions exhibit several differences in different sedimentary stages, but the composition and properties of the interstitial water DOM gradually converge as the sedimentary process occurs. Humus matures over long timescales.

Key words: South coast of Laizhou Bay, Land-sea interaction stratigraphy, Interstitial water, Chromophoric dissolved organic matter

中图分类号: 

图1 莱州湾YK21钻孔位置及地层柱状简图
红色五角星为本文中的钻孔，红色空心圆为参考钻孔；地层柱的颜色代表各分层岩心沉积物的颜色；M和T分别表示海相层和陆相层，序号表示由浅到深的层序
Fig. 1 Location of drilling core YK21 and stratigraphic column sketch map in Laizhou Bay
Red pentagram and red hollow circles represent the sampling drilling cores of this study and reference studies， separately； The colors of the stratigraphic column represent the colors of the stratified core sediments； M and T denote marine and terrestrial strata， respectively， and the number denotes the sequence of strata from shallow to deep
表1 有色溶解有机物（ CDOM）荧光光谱参数定义及指示意义
Table 1 Definition and indicative significance of Chromophoric Dissolved Organic Matter （ CDOM） fluorescence spectrum parameters
光谱参数 参数定义 参数指征和意义 参考文献
荧光指数（FI） 激发波长370 nm，发射波长在470 nm和520 nm荧光强度比值 FI>1.9以微生物源为主；FI<1.4以陆源输入为主 ［ 52 ］
自生源指数（BIX） 激发波长310 nm，发射波长380 nm和430 nm荧光强度比值 0.6<BIX<0.7自生源组分较少；0.7<BIX<0.8中等程度新近自生源特征；0.8<BIX<1.0较强自生源特征；BIX>1.0以生物和细菌活动或降解为主 ［ 53 - 54 ］
腐殖化指数（HIX） 激发波长254 nm，发射波长在435~480 nm和300~345 nm范围内积分的比值 HIX<4腐殖化程度较弱 ［ 54 - 55 ］
图2 莱州湾YK21钻孔岩心间隙水主要理化参数的垂直变化
（a）pH；（b）盐度；（c）磷酸盐；（d）亚硝酸盐；（e）硝酸盐；（f）氨氮；地层柱的颜色代表各分层岩心沉积物的颜色；M和T分别表示海相层和陆相层，序号表示由浅到深的层序
Fig. 2 Vertical variations of physicochemical parameters in the interstitial water of drilling core YK21 in Laizhou Bay
（a） pH； （b） Salinity； （c） PO 4 3 - -P； （d） NO 2 - -N； （e） NO 3 - -N； （f） NH 4 + -N； The colors of the stratigraphic column represent the colors of the stratified core sediments； M and T denote marine and terrestrial strata， respectively， and the number denotes the sequence of strata from shallow to deep
图3 莱州湾YK21钻孔岩心间隙水溶解有机碳（DOC）、有色溶解有机物（CDOM）丰度和光谱斜率垂直分布
（a）溶解有机碳（DOC）；（b）吸光系数；（c）光谱斜率；地层柱的颜色代表各分层岩心沉积物的颜色；M和T分别表示海相层和陆相层，序号表示由浅到深的层序
Fig. 3 Vertical distributions of Dissolved Organic Carbon （DOC）， Chromophoric Dissolved Organic Matter （CDOM） abundance and spectrum slope in the interstitial water of drilling core YK21 in Laizhou Bay
（a） DOC； （b） a（320）； （c） S 275~295； The colors of the stratigraphic column represent the colors of the stratified core sediments； M and T denote marine and terrestrial strata， respectively， and the number denotes the sequence of strata from shallow to deep
表2 莱州湾 YK21钻孔岩心间隙水荧光组分的类型与来源
Table 2 Types and sources of fluorescence components in the interstitial water of drilling core YK21 in Laizhou Bay
组分 Ex或Em/nm 组分类型 来源 参考文献 对比Openflour数据库
C1 262（350）/430 UVA类腐殖质；UVC类腐殖质 陆源 ［ 59 ］ 12
C2 242（312）/390 UVA类腐殖质 海源；浮游植物降解 ［ 60 ］ 42
C3 242（274）（388）/470 UVA类腐殖质；UVA类腐殖质；UVC类腐殖质 陆源 ［ 59 ］ 27
C4 240（294）/340 类蛋白质：类色氨酸 陆源；微生物过程产生；内源产生 ［ 61 - 62 ］ 24
C5 270/365 类蛋白质 未确定 ［ 63 ］ 4
图4 莱州湾YK21钻孔岩心间隙水有色溶解有机物（CDOM）总荧光强度和荧光组分百分比垂直分布
（a）总荧光强度（Fn）；（b）荧光百分比；地层柱的颜色代表各分层岩心沉积物的颜色；M和T分别表示海相层和陆相层，序号表示由浅到深的层序
Fig. 4 Vertical distributions of total fluorescence intensity and percentage composition of Chromophoric Dissolved Organic Matter （CDOM） in the interstitial water of drilling core YK21 in Laizhou Bay
（a） Total Fluorescence Insensity （Fn）； （b） Percentage of fluorescence； The colors of the stratigraphic column represent the colors of the stratified core sediments； M and T denote marine and terrestrial strata， respectively， and the number denotes the sequence of strata from shallow to deep
图5 莱州湾YK21钻孔岩心间隙水有色溶解有机物（CDOM）丰度和各荧光组分及其与主要理化参数相关分析
HL和PL分别表示类腐殖质和类蛋白；Fn：总荧光强度；FI：荧光指数；BIX：自生源指数；HIX：腐殖化指数；DOC：溶解有机碳；DIN：溶解无机氮
Fig. 5 Correlation analyses of Chromophoric Dissolved Organic Matter （CDOM） abundance， each fluorescence component and major physicochemical parameters in the interstitial water of drill core YK21 in Laizhou Bay
HL and PL represent humus-like and protein-like， respectively； Fn： Total Fluorescence Insensity； FI： Fluorescence Index； BIX：Biological Index； HIX： Humification Index； DOC： Dissolved Organic Carbon； DIN： Dissolved Inorganic Nitrogen
图6 莱州湾YK21钻孔岩心间隙水有色溶解有机物（CDOM）荧光指数、自生源指数和腐殖化指数的垂直分布
（a）荧光指数（FI）；（b）自生源指数（BIX）；（c）腐殖化指数（HIX）；地层柱的颜色代表各分层岩心沉积物的颜色；M和T分别表示海相层和陆相层，序号表示由浅到深的层序
Fig. 6 Vertical distributions of fluorescence index， biology index and humification index of Chromophoric Dissolved Organic Matter （CDOM） in interstitial water of drilling core YK21 in Laizhou Bay
（a） Fluorescence Index （FI）， （b） Biological Index （BIX）； （c） Humification Index （HIX）；The colors of the stratigraphic column represent the colors of the stratified core sediments； M and T denote marine and terrestrial strata， respectively， and the number denotes the sequence of strata from shallow to deep
图7 莱州湾YK21钻孔岩心间隙水溶解有机碳（DOC）和有色溶解有机物（CDOM）及其相关参数主成分分析
FI：荧光指数；BIX：自生源指数；HIX：腐殖化指数
Fig. 7 Principal component analysis of Dissolved Organic Carbon （DOC）， Chromophoric Dissolved Organic Matter （CDOM） and related parameters in the interstitial water of drilling core YK21 in Laizhou Bay
FI： Fluorescence Index； BIX： Biological Index； HIX： Humification Index
图8 莱州湾YK21钻孔岩心间隙水溶解有机物和主要理化参数的统计分析
（a）溶解有机碳（DOC）和吸光系数；（b）荧光强度与溶解有机碳（DOC）；（c）光谱斜率与吸光系数；（d）溶解有机物（DOM）和主要理化参数冗余分析；HL和PL分别表示类腐殖质和类蛋白
Fig. 8 Statistic analyses between dissolved organic matter and primary physicochemical factors in the interstitial water of drilling core YK21 in Laizhou Bay
（a） Dissolved Organic Carbon （DOC） and a（320）； （b） Fluorescence intensity and DOC； （c） S 275~295 and a（320）； （d） Redundancy analysis of Dissolved Organic Matter （DOM） parameters and primary physicochemical factors； HL and PL represent humus-like and protein-like， respectively
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