河口化学

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河口化学过程示意图
河水与海水混合时水体中溶解态化学物质的浓度与盐度的关系

  河口化学汉语拼音:Hekou Huaxue;英语:Estuarine Chemistry),研究各种物质在河口区的河水和海水不断交汇过程中的通量、分布、相互作用、物质变化及其过程的学科。河口是河、海交汇的地带,是典型的地表水从淡水过渡到咸水的过渡性环境,不但物质通量相当大,而且化学变化物理变化相当复杂。各河口的地理条件和水文条件不同,河水和海水交汇的情况也有各种不同的类型,所发生的化学过程也不同。由于化学成分和水化学性质的分布有较大的水平梯度和垂直梯度,化学变化过程大多是有方向性的。因此,海水组分的来源、污染物质入海后的迁移规律、陆地径流提供的营养元素对海洋生物生产力的影响、河口及口外附近的沉积过程等,都是重要的研究课题。

简史

  长期以来,人们对欧洲泰晤士河莱茵河塞文河美洲密西西比河哥伦比亚河圣劳伦斯河等地区的河口化学过程,进行过系统研究。

  中国从20世纪50年代以来,对长江河口、黄河口、九龙江河口、钱塘江河口和珠江河口等的生物地球化学过程,已进行了一系列的调查研究工作。这些研究与化学、生物、地质和水文等学科互相渗透、交叉和促进,70年代发展而形成了河口化学这门新兴学科。

  在国际上,1974年在英国伦敦召开了河口化学学术讨论会,对发展河口化学起了促进作用。1976年首次出版了J.D.伯顿P.S.利斯编写的《河口化学》专著,1980年又出版了E.乌劳松E.卡托编著的《河口化学与生物地球化学》一书。这些著作总结了80年代以前河口化学的研究成果。在中国,80年代以来,结合中国海的海洋环境调查和国际地圈–生物圈计划(IGBP)、全球联合大洋通量研究计划(JGOFS)、海岸带陆海相互作用(LOICZ)、全球海洋生态系动力学研究(GLOBEC)等及其在中国组织的相应研究计划中,针对河口的研究也开展了比较系统和深入的研究,具有代表性的研究有:中–美长江口及东海陆架沉积作用联合研究(1979~1983),中–法黄河口生物地球化学合作计划(1983~1986),中–法长江口生物地球化学研究(1984~1988),中–美黄河口及渤海湾南部沉积动力过程研究(1984~1988),中–法–荷长江口动力沉积与生物地球化学合作计划(1987~1990)。还有珠江口的合作研究计划等,使中国的河口化学研究与国际发展同步。

研究内容

  河口化学研究内容主要包括河口区的物质输入和输出、化学变化和物质在河口区的迁移三种过程。

河口区的物质输入和输出

  就全球而言,中国入海河流占河流水量的5%,但输沙量却占15%~20%。黄河的含沙量居世界河川之首。河流将大量物质输入河口区,包括:河水中溶解物质、悬浮颗粒物质和河床上面的一层泥沙。后者受径流切力的影响而向外海推移,称为推移质。河流带来的大部分物质,在河口经历了各种作用过程之后,被输送到外海,这是海洋中化合物和元素的主要来源之一。根据美国E.D.戈德堡1975年综合的数据估算,从陆地输送到海洋的物质,每年约为250亿吨,其中约有240亿吨(84%)是经河口进入海洋的。就一些重金属进入海洋的通量来看,银、钴、铬等各有90%以上是通过河口进入的,镉、铜、汞各约50%由河口输入;而锌、铅、镍则较多地通过大气输送到海洋。进入海洋的化学物质,绝大部分通过河口,因此研究海洋中各种化学物质的地球化学收支平衡时,不能不掌握全世界各主要河口化学物质通量的资料;但如果只从河流的径流量和河水组成计算各种化学物质的入海通量,而不了解这些化学物质在河口区经历过什么变化,有多少被留在河口区,就无法进行比较准确的计算。除河流输入河口区和从河口区输送到外海两个通量外,河口区还同大洋一样与大气和底部沉积层进行物质交换。尤其是沉积作用因受到河水与海水混合的复杂过程的影响,在河口区还是相当剧烈的。

  从河口入海的物质,不但在海底形成各种自生矿物,如各种海生硅酸盐和洋底锰结核等,而且为近岸生物群落提供营养盐(见海水营养盐)。

化学过程

  由于河水和海水的电解质浓度和pH等环境因素有明显差异,因而在混合过程中便发生了一些化学变化,如胶体的生成和凝聚(又称絮凝)、沉淀的产生、黏土矿物与海水作用形成另一种矿物、吸附或解吸的加强、一些化学平衡的推移等。

  电解质的增加,使离子强度增大,可提高一些难溶盐的溶解度。氢离子浓度和离子强度的改变,变更碳酸盐体系的平衡;使不同形式的重金属离子络合物间的比例发生变化;使多数过渡元素改变其在水体中的价态和存在形式。然而,影响较显著的还是胶体或沉淀的生成,它能交换–吸附多种微量成分而改变它们的分布和迁移的特性。河水与海水混合生成的铁、铝、锰的水合氧化物胶体,能显著地交换–吸附重金属离子和溶解硅酸盐,而被称为海洋重金属元素的“清除剂”。在一般河口,铝、铁、锰、铜、锌、镍、钴等金属的90%~99%是以颗粒态形式从河口输入海洋的。

  河口半咸水带是许多生物繁殖的良好环境,生物吸收或释出化学物质和生物死亡后的降解作用等生物地球化学过程,对河口的化学组成也起着重要的作用。

  在河水和海水混合的水体内的化学组分,可分为保守组分和非保守组分两类。前者在混合过程中没有溶出或转移,后者则因化学变化或因生物的吸收而发生溶出或转移。因此,它们的浓度(C)与盐度(S)的关系不同。

  在河口,特别是在人口比较集中的河口区水体中,有机物的含量远大于外海水中的含量。有机物的存在能影响微量元素在河口的地球化学特性,如有机物中的含氧基团等能与金属离子络合,一些有机物与金属离子又能形成难溶性的有机金属化合物,并能附着在其他悬浮颗粒物上而沉淀到海底(见海洋有机化学)。

河口海区物质迁移

  河口水域中的悬浮物(见海洋悬浮粒子),含量较高,交换–吸附能力又强,对金属元素和有机物的迁移起重要的作用。这些颗粒的沉降、再悬浮、随水体运动、在底床上被推移、解吸、氧化态的改变和在沉积中继续进行的化学转化过程(见成岩作用),都影响河口化学物质的迁移和反应过程。

研究意义

  1.河口是盐度发生急剧变化的水域,也是其他物理、生物、化学和地质特性变更较大的水域。例如物理循环剧烈,受潮汐和径流变化而引起的日、月、年变化,使得悬浮物质的逗留时间因河川而不同;相对于开阔大洋,河口区水的逗留时间很短,通常是几天到几个月,相应的溶解物质周转率也很快。

  2.河口是一个生物地球化学的综合体系,它的生物种群密度和种类十分复杂,而各河川又各不相同。河口地区的年初级生产力可达500~1,000克碳/米2,而陆架区平均值只是它的1/5或更少。

  3.河口区的悬浮物不仅量大,而且组成和来源十分复杂,可以是陆源的或海源的,可以是无机的或有机的,也可以是生物的和非生物的(自生矿物)等。它们对河口区物质的输入和输出、河口区物质的化学变化、交换–吸附和络合作用、河口区物质迁移都起着关键作用。

  4.河口区密集人口,是受人类活动影响大的区域。它的环境污染问题突出,近年来海洋赤潮的发生也与之密切相关。

  总的说来,在河水和海水交汇的河口区,是一重要的液–液界面,同海–底界面区和海–气界面区一样是海洋界面化学的重要组成部分,存在着比较剧烈而复杂的生物地球化学过程。因此,河口化学过程的研究,是化学海洋学中相当重要的一环。