第一章选题背景
1.1海洋中硅的生物地球化学过程概述
在海洋中溶解态的硅有85%是来源于河流的输入，其余部分分别来源于大气、海底水热烟肉和海底玄武岩的低温风化。在自然水域中，硅一般以溶解态单体正硅酸盐（Si(0H)4)形式存在。海洋中溶解态硅酸盐的平均浓度约为Img Si/dm3,但不同海域其含量变化很大。海洋中硅的循环过程为：在春季，因浮游植物繁殖而被吸收，使海水中的硅被消耗；在夏、秋季，浮游植物生长缓慢时，海水中的硅有一定回升；邻近冬季时，生物死亡，其残体缓慢下沉，随着深层回升压力增加，有利于颗粒硅的再溶解作用，又缓慢释放出部分溶解砝。未溶解的硅下沉到海底，最终大约有3%的生物硅埋藏在海底，经过漫长的地质年代后，可重新通过地质循环进入海洋1995年Tr6gue r等人对全球海洋的硅收支情况作了估算（图1-1) [3],在2006年Samiiento和Gruber在前人计算的基础上再次估算了世界大洋的硅循环（图1-2)。海洋硅循环是以生物硅的生产以及随后的溶出过程为主。根据最新的估算，每年向大洋输入的硅酸盐(溶解态的硅DSi)大约有6.1TmolSi yr"',其中河流输入为5.6TmolSi yr''占输入总量的80%。海洋中生物硅的生产为260 Tmol Si yr"',最终沉积到海底的硅为4.1 Tmol Si yr人海洋中硅的稳态停留时间约为15,000年，根据输入(或输出)通量除以溶解态硅的总量得出。在此时间尺度内，近期人类活动对硅的收支平衡的扰动并未对全球海洋中硅酸的分布产生显著影响。
………
1.2海洋中硅的生物地球化学研究方法概述
随着硅的生物地球化学循环逐渐成为研究的热点，相关研究方法与技术也得到迅速的发展。由于生物硅的生物地球化学研究在碳和硅循环研究中具有很高的重要性，因此能否快速准确地测定不同类型样品中生物硅含量（如水体中颗粒物样品以及沉积物样品等）是深入理解生物硅的含量分布以及生物地球化学过程的必要前提。此外由于硅的同位素能够示踪硅循环的关键过程，因此也被逐步地被研究人员应用。而实验室模拟方法则是辅助理解生物硅溶出动力学过程的重要手段。不断改进已有的硅循环研究方法与技术，可以使我们更为有效地研究控制生物硅在不同环境中的生产、溶解和保存的关键因素，深入探寻生物硅生物地球化学过程的深层次意义和作用。迄今为止，生物挂的测定方法可以为以下几类，（1)基于对生物硅固相结构的分析，如：直接红外光谱法，X射线衍射法，包括对无定形硅的直接衍射测定及高温下将把蛋白石转化为方石英后的X射线衍射测定; (2)硅质微化石计数法通过测定A1或Mg的含量[76]，从总硅含量中扣除矿物质硅酸盐,最终求出生物硅含量的全岩化学分析计算法[77'78];(4)用碳酸韩对生物硅进行高温滴定，通过测定释放出C02的量来计算沉积物中生物硅含量的HTT。由于生物硅来源及含量的不确定性，加上矿物组成的复杂性，以上这些方法在实际应用中都存在较大的局限[8G]。苏联科学家最早（1955年）将化学提取法应用到海洋沉积物和颗粒物。化学提取法因其操作简单易行，被众多海洋科学家广泛应用。该方法的反应机理如下：生物硅的溶出过程需要某种催化剂的存在，在碱液提取法中，0H—通过化学吸收反应，增加了位于表层的Si原子的键合数目，并消弱了下层Si-0键的能量，从而使Si原子以溶解态硅的形式释放到溶液中去，通常Na2C03或者NaOH被用作提供0H—催化剂的碱性试液。对于沉积物中生物硅的测定又以DeMaster在1979和1981年提出的连续提取的方法和Mortlock等于1989年提出的单点测定方法应用广泛[83]。
……….
第二章研究材料与方法
2.1样品米集航次及站位
本文所釆用的数据，来源于中国第18-29次南极科学考察期间获取的资料。十个航次的采样时间见表2.1。图2.1-2.4分别是普里兹湾采样站位图（以29航次为例）、历年来在普里兹湾沉积物采集站位图、沉积物捕获器站位培养实验站位图、沉积物上覆水及间隙水站位图。所有采样作业时间均在南半球的夏季（1-2月），部分航次样品采集时间则在12月以及3月初。全部采样站位集中在68°E-76°E和62°S-69.5°S之间。以27航次站位为例，研究区域站位分别布设在三个区域，67°S以北是大陆坡区和开阔大洋深水区，各断面釆样站位间隔1度。而在67°S以南分别是陆架区和湾内冰架边缘区，采样站位通常较为密集，湾内冰架边缘区则主要是IS断面站位。站位布设实际的实际情况每个航次会有差别，主要视海况，冰清以及考察队总体时间安排等因素决定，总体上讲67°S以南海域站位以及IS断面站位每个航次均有采样，67°S以北站位通常仅做到65°S-64°S,而再以北至62°S的站位仅有个别航次进行了调查（18，21, 26航次)。
………..
2.2现场样品采集与实验室分析方法
在南极考察航渡期间采)4J走航式采样方法，分别采集了溶解氧（DO)、颗粒有机碳(POC)、叶绿素a (Chla)、营养盐、生物碎(BSi)以及浮游植物等样品。在齊里兹湾站K进行断面调汽期间，海水样品使用与Seabird 911 CTD配套的Niskin采水器进行采集，浮游植物样品分别釆用定量采水方法以及垂直拖网方法采集。表层沉积物样品采样无扰动式箱式采样器进行采集，柱状沉积物样品采四管（PVC)无扰动采样器米集，多管米样器管^^宵_径为lOcm，Ix; 60cm,取样在10~30cm范围。柱状采集后，现场分割（10cm内间隔1cm，10cm以下间隔2-3cm)，在低温下高速离心提取间隙水，沉积物样品冷冻保存。间隙水用0.45|^m滤膜过滤，加HgCh岡定，问实验室分析。沉降颗粒物样品由锚定式时间序列沉积物捕获器获得，布放周期一年（M4站位，68。28.63'S，76。34.21'E; III-l 站位 62。28.63'S , 72。58.55'E)，布放水深为 460m,收集到2010年12月-2011年12月期间的沉降颗粒物样品。短期捕获器布放水深480m(Ml站位，68。31.00'S, 75°31.99'E)收集时间为2009年12月-2010年1月期间的沉降颗粒物样品。
………..
第三章研究海域环境背景....... 31
3.1普里兹湾概况...... 31
3.2普里兹湾海水环境特征...... 33
3.3普里兹湾现代沉积环境特征...... 39
第四章普里兹湾上层水体生物硅的生产与输出...... 40
4.1普里兹湾上层水体中生物硅含量的时空变化...... 40
4.2普里兹湾上层水体中生物硅和有机碳的关系...... 50
4.3普里兹湾生物硅的生产与输出......52
4.4 小结...... 59
第五章普里兹湾深层水体中生物硅的垂直输运...... 60
5.1普里兹湾深层水体中的颗粒物组成...... 60
5.1.1沉降颗粒物的类型 ......60
5.1.2沉降颗粒物的元素组成及关系......63
5.2普里兹湾深层水体中生物硅的通量变化...... 64
5.3普里兹湾深层水体中生物硅的保存...... 68
5.4小结......70
第七章普里兹湾沉积物中生物硅的溶解与保存机制
7.1普里兹湾沉积物中生物硅的溶解性质
目前文献报道的生物硅溶解度估算通常以实验室模拟实验数据为基础，或者以沉积物间隙水中溶解砝剖面数据为基础[26]。后者是利用间隙水中溶解硅含量随深度增加达到一个稳定的渐进浓度（Cd)，而显示出沉积物中生物硅的溶出使得间隙水中的溶解硅（DSi)达到饱和。由于大多数情况向Cd值不能代表生物硅的实际溶解度，因此实验室模拟获取生物硅的溶解度逐渐成为主要方式。图7-1为batch实验模拟生物硅溶出过程中，普里兹湾研湾内陆架区（67.5°S)和冰架边缘区（68.9°S)站位表层沉积物培养液中的硅酸盐的变化情况。由图可知在batch实验过程中，培养溶液中硅酸盐含量增加与培养时间呈现明显的对数变化，经过初始阶段的快速上升后，约需100小时生物硅的释放达到平衡，随后溶液中硅酸盐含量变化不大，平衡后陆架区和冰缘区表层沉积物硅酸盐释放浓度平均值分别为1936nmol/dm 1540nmol/dm3。这个平衡浓度可视为实验室条件下（25°C, pH8)研究区域表层沉积物中生物硅的溶解度。图7-2, 3分别是陆架区与冰缘区站位沉积物不同层次生物硅溶出时间序列图，由图可知在实验初期陆架区不同层次沉积物均呈现快速释放硅酸盐的过程，200h以后硅酸盐含量变化不大逐渐趋于稳定，稳定的含量值随层次深度增加略有升高。而在冰缘区站位仅有5cm以内的沉积物在实验初期快速释放硅酸盐，200h以后同样趋于稳定，而在5cm以下的沉积物硅酸盐的释放幅度不大，尤其是15cm以下释放的硅酸盐含量非常低。通常随着生物硅埋葬深度的增加，在压力温度等的作用下生物硅的结构会被改变，从而使得其溶解度和含水率也降低[218]。
………..
结论
本论文以普里兹湾水体以及沉积物中生物硅为重点研究对象，以2002-2013年间获取的中国南极科学考察相关现场数据以及实验模拟数据为基础，系统研究南大洋普里兹湾生物硅循环的关键过程，进而验证并量化生物硅的生产、输出以及再循环效率，探讨普里兹湾生物硅的保存机制。本论文主要研究结论如下：
1.根据不同年份普里兹湾表层水体中PBSi的含量数据显示，PBSi的含量存在一定的年际变化，但是在普里兹湾的分布情况基本相似，均呈现67°S以南湾内含量明显高于67°S以北的湾外海域，与表层水体中Chla的分布基本吻合，在普里兹湾生物因子是PBSi含量分布的主控因子。气候变化会对普里兹湾的海冰变化产生一定的影响，而相应的普里兹湾浮游植物在数量种群结构上也会随海冰变化产生一定的改变，从而对PBSi的含量与分布也产生一定的影响。
2.利用硅酸盐的季节性消耗量计算出普里兹湾上表层水体中硅酸盐的消耗速率，即生物硅的生产速率为14.54 mmol/m2/d。利用Si/C比值以及现场实测初级生产力数据估算出的生物硅生产速率则为20.20mmol/m2/d。结合现场硅稳定同位素培养实验获得的结果表明，在普里兹湾湾内表层水体中生产的生物硅89%由表层输出，而在50in水体向下输送至200m水体中的生物硅为36%,表明生物硅在表层生产后仅有少部分发生溶出，而在随后的向更深层的200m水体输送过程中已经发生了大量的溶出，占表层生产的64%。
…………
参考文献（略）