海洋元素的研究的论文

NG: 海洋元素循环中不可忽视的热液影响

铁和锰是热液系统中最为常见的两种主量元素，不仅可直接影响海洋生物分布，而且二者形成的微颗粒也可影响其他生命元素（如Zn和P）的地球化学循环，因而众多学者一直致力于这两种元素在海洋中的分布形式和质量平衡研究。虽然近半个世纪的研究工作极大提高了对热液中元素循环及其对海洋生物地球化学系统影响的认知，但同时对这些元素也形成了不同且完全对立的学说。在此背景下，美国地调局Amy Gartman 博士和其合作者在Nature Geoscience上撰文，系统回顾和总结前人关于热液柱中元素尤其是Fe和Mn的生物地球化学行为的成果，重新评估了热液柱对海洋元素循环的潜在影响 (Gartman and Findlay, 2020)。

一般来讲，可利用热液中的保守元素来定量估计热液对海洋的元素贡献，同时也可示踪热液柱的活动轨迹。然而，当前研究仅发现氦和镭具良好的示踪作用，而其他一些保守元素如Mg在热液柱中由于海水的添加可能会形成悬浮颗粒 (图1)，从而影响对热液贡献的准确判断。

图1 热液柱特征。在热液柱形成和上升的初期，同位素数据和地质观察显示此时会发生金属硫化物（MS）的快速沉淀，其速度和规模受控于热液金属离子与硫的浓度。热液体系中，Fe相比于Mn更易与硫结合形成硫化物，而那些不与硫结合的金属离子通常或会发生氧化，或与有机质络合。金属硫化物在热液柱上升过程可发生氧化，也可被有机质絮状物吸收。通常，热液柱中发生的氧化作用持续时间较长，即使在热液柱停止上升时，也可在热液喷口附近继续发生。在热液柱扩散到最远端时，热液中所有的还原组分均会被氧化，此时海洋作用会取代热液作用，即热液贡献骤减。MSnano—金属硫化物纳米颗粒；Feox—铁氧化物；Mnox—锰氧化物；Feorg—有机质络合的铁(Gartman and Findlay, 2020)

铁元素虽作为海洋生物必需元素，但在现代海洋中含量较低。热液铁由于在海底热液喷口附近形成硫化物沉淀，或在氧化环境形成氧化物沉淀，因此被认为其对海水铁含量贡献有限，其余来源如河流和冰川才是海水铁的主要来源 (Raiswell and Canfield, 2012)。然而，近些年来发现二价铁离子在热液中可通过与有机质结合或形成二价铁矿物微粒等形式来提高其稳定性，降低其氧化速度，因而可随着热液柱长距离运移，最终影响海洋甚至表层海洋的生物地球化学循环。

与铁相比，锰元素氧化常需自由氧和较高的氧逸度（完全相反的观点——生物厌氧氧化，请参阅Daye et al., 2019），且非生物作用的氧化速率偏低。另外，锰与硫基本不会结合，因而锰元素含量可用来指示热液柱远距离的搬运。然而，近些年来对不同热液柱Mn元素的研究发现，Mn的沉淀速度类似或快于Fe，这可能由于热液柱在形成和迁移过程中广泛的生物地球化学作用所致 ( Dick and Tebo, 2010)，如Mn可在微生物作用下发生快速的氧化沉淀，其沉淀速度在热液柱发育的不同阶段和不同的热液体系中会有所不同。

综上可知，定量估计热液对海洋元素的贡献十分复杂，与热液和元素的地球化学性质以及不同程度的混合和沉淀作用密切相关(图2)。为了准确描述热液的影响，作者建议可采取氧化还原边界，将热液柱划分为还原和氧化两部分，前者含有还原性组分，后者组分发生完全氧化。该种划分可准确诠释热液柱在长距离迁移过程中发生的组分含量变化。值得注意的是，当热液柱运移到远端时，可能已经经历了较大程度的氧化，此时发生的作用主要为物理沉降，虽然沉降速度偏低，但可能对更为广袤的海洋盆地的生物地球化学循环具有重要影响。

图2 不同金属元素的热液输入量和有效热液输入量(Gartman and Findlay, 2020)。热液输入量代表热液喷口中起始的金属量，即金属从地壳进入热液的量；有效热液输入量为最远端热液柱中的金属量。饼状图代表二者的比例，从中可看出铁与锰具有较好的一致性(Elderfield and Schultz, 1996)，而锌却显示出有效热液输入量大于原始输入量的趋势

该项总结性的工作促进了对热液元素在海洋循环的理解，对研究海洋一些关键生命元素（如Cu）的质量平衡 (Little et al., 2017)和地球化学循环具有启示意义。如何寻找和建立有效的地球化学特征指标，示踪海底热液对整个海洋的贡献，仍需更多的研究工作。

【致谢：感谢油气室周锡强副研究员对本文提出的宝贵修改建议。】

参考文献

（撰稿：王长乐/矿产室）

这里的第一个

海洋中有丰富的资源。海洋资源是指赋存于海洋环境中可以被人类利用的物质和能量以及与海洋开发有关的海洋空间。海洋资源按其属性可分为海洋生物资源、海底矿产资源、海水资源、海洋能与海洋空间资源。在当今全球粮食、资源、能源供应紧张与人口迅速增长的矛盾日益突出的情况下，开发海洋资源是历史发展的必然。海洋资源开发利用的行业主要有海洋渔业、海洋交通运输业、海盐及盐化工业、海洋油气业、滨海旅游业、滨海砂矿以及海水直接利用等。海洋的能源资源属于可再生资源。其中以波浪发电和潮汐发电的技术比较成熟，如日本、英国等国已研制成功了波浪发电装置和法国郎斯潮汐电站。关于“海洋油气开发”海底石油开采，可追溯到19世纪末，1896年，美国开始在加利福尼亚的圣巴巴腊海峡钻井；1947年，美国在墨西哥湾钻出第一口商业性油井，这是浅海开发石油的起点。从此，海底采油技术不断发展。1973年，爆发第四次中东战争，阿拉伯石油禁运和不断上涨的油价，使得海底开采石油的利润大大提高。现在，海底油气资源勘探、开发，已成为沿海国家的重要经济活动内容，成为某些国家的经济支柱。据估计，世界海底石油的潜在可采储量约有3000亿吨，基本集中在大陆边缘地区，其中80％-95％分布在离岸200海里范围内，包括大陆架和上部陆坡。大陆架面积约为2750万平方千米，可能蕴藏海底石油总储藏量的55％-70％。

人类从海洋中获得了许多好处，然而，这些好处不是无限的，事实上，在许多情况下它们正处于危急之中。在气候变化中，首当其冲的是沿海社区尤其是那些生活在小岛屿发展中国家的人民。因此，遏止红树林、盐沼和海草等沿海生态系统的衰退，在有助于减轻气候变化的不利影响的同时，也为亿万人民提供了大量的社会和经济利益。由于海洋是我们未来繁荣和可持续发展的基础，我们需要保持海洋的生产力以及一切至关重要的海洋生态系统的功能。海洋和气候变化相互作用最新的科学研究表明，海洋和气候变化之间的关系非常密切。一方面，海洋是全球气候系统中的一个重要环节，它通过与大气的能量物质交换和水循环等作用，吸收大气中大量的二氧化碳，在调节和稳定气候上发挥着决定性作用，被称为地球气候的“调节器”；另一方面，日益严重的气候变化也对海洋产生巨大影响，造成海平面和海水温度上升、海水酸化、珊瑚礁死亡、小岛屿被淹没、海洋和海岸生态系统遭破坏等问题。去年，总部设在英国剑桥的南极研究科学委员会发布的一份名为《南极气候变化与环境》的研究报告称，气候变化可能导致本世纪末海平面上升1．4米，如果按着个幅度来算，马尔代夫等岛国将被完全淹没，而纽约等全球一些沿海大城市将必须耗费巨资修筑防水设施。国家海洋局去年发布的一份中国海洋环境质量状况报告也显示，由于气候变化等原因，中国海岸带及近岸海域生态系统已经出现了不同程度的脆弱区，海岸带高脆弱区和中脆弱区占全国岸线总长度的36．5％。从海洋局发布的2009年中国海洋灾害公报来看，2009年中国沿海海平面处于近30年来的高位，比2008年高出8毫米，中国海平面上升的速度超过了全球平均速度。去年我国累计发生132次风暴潮、海浪和赤潮过程，其中33次造成灾害，各类海洋灾害造成直接经济损失超过100亿元，死亡和失踪人数达到95人。“沿海地区是社会和经济发展最快、最活跃的区域，但同时也是导致海洋环境恶化、生态系统衰退最严重的地区，已影响到人类健康和社会进步。因此，制定综合的政策措施、健全严格的法律法规、开展科学的空间规划、加强合理的环境整治、实施有效的生态修复，对于沿海城市发展至关重要。”过度捕捞对海洋的伤害很大，应停止过度捕捞，大力推广禁渔期的方法。同时，还要尽量减少围填海项目，如果实在有需要，必须经过严格的、科学的论证后，才能实施，将危害尽量减到最低。此外，大气对海洋也是有影响的，应减少化肥用量，尤其是沿海城市。针对沿海城市所面临的挑战，《北京宣言》特别呼吁，沿海城市的管理，需要用长期的眼光来看，确保把科学、社会、政治和经济等各方面因素都纳入进来，这是至关重要的。面对气候变化的风险，沿海地区可以采取风险和脆弱性评估、健全的发展规划、紧急响应计划来减低风险。以下资料，仅供参考：1近岸海域主要生态环境问题陆源性污染压力大，海域污染严重江浙海域接纳了全国近三分之一的入海污染负荷浙江省近岸海域背靠长江三角洲，沿海经济的高速增长和城市化水平的不断提高，使浙江沿海7大城市和浙江北部、上海市排入海洋的工业废水和生活污水日益增多。浙江省7大水系和北侧长江流域所携带的内陆污水源源不断地注入海洋，成为海域环境污染的罪魁祸首，据调查，这些入海河流携带的污染物其负荷占90%以上。有关资料显示，长江中含有大量污染物的河水和上海市的工业、生活污水如果有一半流入浙江海域，加上浙江本身的入海河水和污水，将达到5千亿方，占全国的近1/3，入海的污染负荷也达近1/3，也就是说，浙江海域接纳了全国近三分之一的入海水量和入海污染负荷，而其中85%以上的入海水量和近60%的污染负荷来自长江和上海市。同时，沿海地区农村生活污水、畜禽饲养排泄物、农田化肥农药流失等形成农村面污染源，经小河小溪排入海洋，其污染物质的数量也甚为可观。而日益发展的海水养殖业所产生的残留饵料和排泄物对近岸局部海域，特别是象山港、三门湾、乐清湾这样的半封闭性港湾来说，是非常重要的污染源。海水高度富营养化由陆地排入海洋的污水中富含氮、磷等营养物质，使近岸海域的海水高度富营养化。浙江近岸海域海水中无机氮、活性磷酸盐的含量严重超标，2003年有的水样无机氮超过一类海水水质标准，其中超过四类水质标准，实测最高值超过一类海水标准倍；有的水样活性磷酸盐超过一类海水标准，其中水样超过四类海水标准，实测最高浓度超过一类海水标准倍。浙江北部近岸海域的无机氮和活性磷酸盐含量和超标率明显高于浙江南部。根据1997和1998年国家环保总局组织开展的渤海、黄海、东海和南海近岸海域环境综合调查结果，浙江省近岸海域的无机氮、活性磷酸盐含量水平居全国沿海各省（直辖市、自治区）的前列。据对海水进行富营养化程度评价，2003年浙江近岸海域海水的富营养化指数（E值）为，远大于富营养化标准值（E＝1）。“九五”以来的E值变化见图1，由图可见浙江近岸海域海水的富营养化程度1998年以前逐年上升，1998年后维持在一个较高的水平。需要说明的是，陆源性入海污染物质的数量随入海径流量的大小而有较大变化，干旱年份入海径流量小，污染物入海量相对较少，故而海水中陆源性污染物质含量水平较低。海水存在一定程度的有机污染经济发展和人民生活水平的提高，导致有机污染物的产生数量增加、种类变多，最终归入海洋。浙江近岸海域海水中化学需氧量（有机污染综合指标）的超标率在“九五”期间有所增加，近几年维持在10%左右,2003年超标区域出现在杭州湾、舟山海区和浙南海区。反映有机污染程度的另一个指标是细菌总数（D值），2003年D值平均为2120，属中等污染水平，从“九五”以来的变化趋势来看，海水有机污染的程度在加重。成份复杂的有机物质对海洋生物尤其是幼体所带来的危害是难以估量的，如果一旦生物种群在发育过程中受阻，对整个群落所带来的影响是灾难性的。海水水质不能满足功能需要受无机氮和活性磷酸盐等指标的超标影响，2003年浙江省近岸海域水质超四类海水占，四类海水占，三类海水占，为二类海水。其中杭州湾100%为超四类水质，浙南海区水质相对较好，二类水质占。而近岸海域绝大部分区域是渔业水域，水质要求为一类海水，经水质达标分析，全省2003年仅的近岸海域环境功能区水质达到目标要求。据对“九五”以来浙江近岸海域水质类别构成的变化趋势进行分析（图3），超四类和四类水质所占比例呈现上升趋势，而一类和二类水质所占比例则呈下降趋势，总体上水质状况趋于下降。部分沿岸海域生态环境趋于恶化含有大量有机污染物和病原菌及病毒的污水排放入海，严重地污染了沿岸水域，使局部潮间带生态环境趋于恶化。潮间带系指海水落潮最低点至涨潮最高点之间的区域，陆源的各类入海排污口直接面向潮间带。监测结果显示，浙江北部海域潮间带水质无机氮和活性磷酸盐超标严重，局部区域化学需氧量、石油类、铅、汞等指标超标，水体条件致病菌及粪大肠菌含量较高；表层沉积物主要受到重金属铜、铅、锌等影响，个别区域还受DDT的污染；潮间带生物种类极度贫乏，部分生物体内污染物的残留量较高。总体上，历年来潮间带海水中主要污染指标上升明显，生态环境质量逐年恶化。海域生物多样性降低，生态系统脆弱化海域生物种类越丰富，种类组成越复杂，其多样性就越高，生态系统的稳定性就越好，反之生态系统就越脆弱。监测结果表明，浙江近岸海域海水中异养菌和粪大肠菌数量呈明显的上升趋势，浮游生物及底栖生物的种类数减少。浮游生物种类的优势度和单纯度增加，而丰富度却日益下降；底栖生物种类及群落改变较为明显，主要的经济鱼类及甲壳类种类相当单一，生物量的两极分化现象明显。由此可见，浙江近岸海域的生态环境已相当脆弱。“九五”以来浙江近岸海域生物多样性指数变化情况见图4，可以看出总体上呈下降趋势。造成生物多样性指数降低的原因是多方面的，连续的超强度的海洋捕捞和海底沉积物的污染是底栖生物种类及群落改变的主要原因。同时，进入海洋的有机污染物种类和数量日益增多，造成生物种群在发育过程中受阻，使生态系统趋于脆弱。赤潮灾害严重，威胁加大海水的富营养化为赤潮的发生提供了必要的物质基础条件，一旦其它条件适宜，就有可能引发赤潮。资料表明，浙江海域是我国赤潮发生频率最高的海域，并且从南到北整个海域均有赤潮发生，而舟山海域发生较为集中。2003年在浙江海域发现赤潮46起，累计面积达7000km2。2000年5月发生在浙江中部海域的一次赤潮，总面积近7000平方千米，持续时间长达1个月，是历年来我国发生的面积最大、持续时间最长的一次，属世界罕见，该次赤潮造成的海水养殖直接经济损失近1800万元。从近几年的赤潮发生状况分析，赤潮发生的频率有加快趋势，发生的范围也越来越大，赤潮生物发生的主要种类由原来的硅藻占绝对主导地位逐渐向原生动物及甲藻转变，同时，由于很多甲藻具毒性，对生物资源和渔业生产及人类健康的威胁也在逐步加大。沿海湿地逐年减少，湿地生态系统失去平衡浙江省面积在百公顷以上的近海与沿岸湿地总面积达万hm2，其中海岸湿地占近一半。沿海湿地中的庵东沼泽区湿地、灵昆岛东滩湿地、南麂列岛自然保护区湿地被列入中国重要湿地名录。浙江海岸湿地虽然总体上是淤涨的，但建国后围涂建设发展较快，至1999年底，全省共围涂万hm2，一些现有滩涂已围涂2～3次，而岸滩的自然淤涨速度跟不上围涂建设发展速度，使现有滩涂的地面高程大都较低。围涂可以增加陆地面积，满足经济发展的需要，但围涂速度过快，岸滩的自然淤涨速度跟不上围涂建设发展的速度，势必使得海岸湿地面积特别是滩涂面积连年减少，湿地植被、自然景观遭到破坏，湿地生物失去家园，湿地生态系统失去平衡，同时也造成了可围面积正逐年减少，围垦成本增大。优良的沿海滩涂资源得不到有效的保护，将会彻底改变这些滩涂的自然生态结构，一些在生态学上、遗传基因上及生物进化史上具有重要保护意义的珍贵物种将会消失，自然的沿岸生态景观将会发生很大的变化。油品储运量日增，溢油事故威胁加大社会经济的快速发展，对原油和成品油的需求量日益增大。浙江近岸海域得天独厚的深水良港资源，为油品储运业提供了条件。目前，我省沿海散装油品吞吐量达到8000万吨，全国5个原油战略储备库中我省占2个。主要的油码头和储运基地集中在宁波、舟山港，仅舟山港每年进出港的油船达4000多艘次。油品储运过程中可能造成的溢油事故给海域生态环境带来了严重的威胁。自上世纪90年代以来，我国海上石油泄漏事故呈现不断上升的趋势。1987～2002年，船舶和码头共发生大小溢油事故1984起，共溢油14188吨，其中溢油不足10吨的1918起，溢油量10～50吨的26起，溢油量50吨以上的大事故有40起，其中4起发生在浙江海域。2000年10月，东海平湖天然气海底输油管道在位于我省的岱山登陆点公里处断裂，造成约300立方米（约230吨）的原油泄漏；2002年7月，浙普渔油98号在舟山港沉没，造成200多吨柴油泄漏。这些溢油事故给当地海域生态环境带来了巨大影响。2对策建议随着全球工业化和城市化的推进，优美的生态环境成为人类最为稀缺的资源之一。海洋生态环境的保护工作关系到人类的生存和可持续发展。浙江省近岸海域的生态环境问题涉及到方方面面，科学有效地解决这些问题，同样需要各方长期不懈的共同努力。加强领导，深化管理，全民参与海洋生态环境保护工作是一项跨地区、跨部门、跨行业的复杂而特殊的系统工程，涉及面广，工作任务重，必须加强领导，协调行动。根据《中华人民共和国环境保护法》的有关规定，保护和改善本行政区域近岸海域的生态环境是沿海地方人民政府的一项重要职能。因此，省、市、县三级人民政府必须加强对海洋生态环境保护工作的领导，实行海洋生态环境保护工作行政首长负责制，将其工作任务作为考核内容之一。根据《中华人民共和国海洋环境保护法》和《浙江省海洋环境管理条例》的规定，海洋生态环境保护工作在环保部门的“指导、协调、监督”下，由环保、海洋、海事、渔业和军队等五大部门分工负责。我国的国情决定了多部门管海的必然性，但这种管理体制的弊端是显而易见的，在这样的情况下，作为对环境保护工作实施“统一监督管理”的各级环境保护主管部门，加强对海洋生态环境保护工作的“指导、协调、监督”，将其落到实处，显得尤为重要。环境保护行为涉及每个人，要充分利用各种媒体和组织机构宣传海洋生态环境知识，深入开展海洋环境的国情、国策和省情教育，切实提高社会各界的海洋环境保护意识和法制观念，形成人人参与保护海洋生态环境的良好氛围。加强区域合作，开展流域（尤其是长江流域）综合整治浙江近岸海域的污染物质主要来自陆源径流，尤以长江为甚，上海市的污染物入海也有相当影响。因此要改善近岸海域的生态环境状况，一方面要加强对陆源直排污染源和各类海上污染源的管理；另一方面须开展沿海各大流域，特别是长江的综合治理；同时应联合上海和江苏，共同开展长三角近岸海洋环境保护与生态修复。开展流域的综合整治，要在加大工业污染源治理力度，提高城市生活污水的氮、磷处理程度的同时，加强水土保持工作，控制农村生活污水和畜禽养殖污水的无组织排放，以逐步减轻进入海域的污染负荷。对于长江流域的综合整治，必须由国家牵头，建立切实有效的区域性共同防治污染的合作机制。开展长三角近海环境保护与生态建设一体化管理体系建设，建立国家协调、地方政府组织的长江三角洲近岸海域环境保护与生态建设行动机构，联合协作，统一调控。要建立健全海岸带管理和污染物排放总量控制管理制度；建立区域性海上统一执法机制，逐步完善多职能海上监察执法队伍，实施统一监督与执法；联合建立长三角近岸海域生态环境现场监测网络体系、生态环境遥感动态监测系统和海洋灾害防治预测预报系统。完善投资保障机制，增加海洋生态环境保护投入保护近岸海域生态环境是沿海各级政府的基本职责，各级政府应将开展海洋生态环境保护工作和建设所需资金纳入本级财政预算，并确保投入与增长比例。把海洋生态环境建设重点工程项目优先纳入本地区国民经济与社会发展计划，并通过财政转移支付、扩大开放公共服务领域和延长项目经营期限等政策，采取拍卖、租赁、承包等多种形式，鼓励各类投资主体参与开发治理海岸滩涂、浅海和岛屿。要在提高经济和社会效益的基础上，积极创造条件，实行机制创新，对海洋旅游、码头运输、油气开发等建设工程建立海洋生态环境建设补偿资金制度。启动《浙江省碧海行动计划》，全面开展海域污染控制和生态保护与恢复工作《浙江省碧海行动计划》是一项未来十多年我省海洋生态环境保护工作的综合性分阶段实施计划。该行动计划以恢复、改善近岸海域生态环境和加强污染事故应急防备为立足点，以调整沿海地区的产业结构和生产方式、转变经济增长方式为基本途径，陆海兼顾、河海统筹，以控制入海污染物和海洋环境综合治理与生态修复为重点，遏制海域环境的恶化，促进海域环境质量的改善，增强海洋生态系统服务功能，从而保障浙江省沿海地区社会经济的可持续发展。《浙江省碧海行动计划》结合《浙江生态省建设规划纲要》，确定了2020年前分阶段行动目标，明确了针对我省近岸海域生态环境问题的行动策略，列出了各行动阶段对沿海和流域内各类污染源实行污染物排放总量控制的具体措施任务以及近岸海域生态环境建设的重点项目，提出了各阶段海域重大污染事故应急行动计划。《浙江省碧海行动计划》批准实施后，各涉海部门应按照各自的职责，加强监管，沿海各地人民政府应认真组织落实。进行优势整合，提高近岸海域生态环境监测能力环境监测是是环境管理的技术保障，也是环境管理执法体系的重要组成部分。海洋生态环境监测专业性强，投入要求高，不宜遍地开花建立专业监测站。目前，我省的海洋生态环境监测力量在全国来说是比较强的，舟山海洋生态环境监测站规模较大，技术力量雄厚，是全国近岸海域环境监测的中心。根据浙江近岸海域生态环境特点，以该站为主，辅以其它部门和沿海环境保护部门的监测力量，完全可以实施对全省近岸海域的生态环境监测。因此，应充分利用舟山海洋生态环境监测站这支监测力量，并在现有基础上加大投入，进一步提高其监测能力。同时，还应加强沿海环境保护监测部门的业务指导，使其能承担起本行政区内沿岸海域的环境监测任务。对于赤潮灾害和溢油等海域污损事故的监视监测，应建立全方位、多层次的监视监测网络和预警预报监测体系，提高其准确性和及时性，为决策部门提供科学依据。深入开展海洋生态环境保护基础技术研究海洋生态环境保护工作需要强大的科技支撑，涉及的社会、自然学科门类众多，很多领域在技术上还不成熟，因此必须加强基础技术的研究工作。这些技术包括：海洋生态环境地理信息系统和遥感应用技术；重点海域污染物总量控制技术；近岸海域生态环境质量综合评价技术；典型海域污染防治和海岸带生态修复应用技术；赤潮和海域污损灾害监测预测及防治技术等。同时还应积极探索近岸海域生态环境保护工作的管理机制，研究制订地方性海洋生态环境质量标准。