近岸水體氮儲(chǔ)庫(kù)轉(zhuǎn)換動(dòng)力學(xué)過(guò)程：以五緣灣為例.pdf

1、氮是組成生物體的必要元素之一，也是控制海洋初級(jí)生產(chǎn)力的重要因子。城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速以及人口迅速增長(zhǎng)使得中國(guó)成為活性氮排放量最大的國(guó)家。大量人為產(chǎn)生的活性氮通過(guò)河流或者大氣沉降的方式進(jìn)入近岸海區(qū)，導(dǎo)致氮濃度以及組分發(fā)生顯著變化，影響原有的氮?jiǎng)恿W(xué)過(guò)程，進(jìn)而引發(fā)赤潮、缺氧區(qū)等一系列生態(tài)危機(jī)。這些人為源的無(wú)機(jī)氮(DIN)，如銨氮(NH4+)、亞硝酸鹽(NO2-)、硝酸鹽(NO3-)，以及有機(jī)氮(DON、PON)在光合基礎(chǔ)生產(chǎn)者和微生物作用下快速

2、轉(zhuǎn)換，影響不同形態(tài)氮儲(chǔ)庫(kù)，甚至整個(gè)氮循環(huán)過(guò)程（如浮游植物吸收速率、氨與亞硝酸鹽氧化速率以及浮游植物吸收硝酸鹽釋放亞硝酸鹽）。由于過(guò)程復(fù)雜，幾乎無(wú)法同時(shí)測(cè)定各個(gè)過(guò)程的轉(zhuǎn)化速率。到目前為止，對(duì)這些過(guò)程的變化及機(jī)制的認(rèn)知極度缺乏，限制了我們對(duì)于人為活動(dòng)干擾近岸氮儲(chǔ)庫(kù)評(píng)估工作的開(kāi)展。
　　本研究應(yīng)用不同的15N同位素示蹤劑（15NH4+、15NO2-和15NO3-）添加，模擬原位環(huán)境條件進(jìn)行培養(yǎng)，高頻度的采集培養(yǎng)樣品（3小時(shí)），建立各個(gè)氮

3、儲(chǔ)庫(kù)濃度以及其同位素的逐時(shí)變化曲線。在質(zhì)量守恒（濃度以及15N同位素）的前提下，運(yùn)用矩陣的數(shù)學(xué)方法，演算出各個(gè)儲(chǔ)庫(kù)相互之間的轉(zhuǎn)換速率。并應(yīng)用STELLA軟件建立模型，交差驗(yàn)證矩陣法所得到的結(jié)果。本研究首次將矩陣法與同位素示蹤結(jié)合，同時(shí)計(jì)算出8種氮過(guò)程速率，深化了我們對(duì)近岸氮轉(zhuǎn)換動(dòng)力學(xué)的認(rèn)識(shí)。
　　2014冬季，采集五緣灣不同深度水體（2％和80％表層光強(qiáng)）模擬原位環(huán)境進(jìn)行培養(yǎng)，我們發(fā)現(xiàn):
　　(1)在濃度與同位素質(zhì)量守恒條件

4、下，結(jié)合矩陣計(jì)算得到銨吸收速率，氨化速率，亞硝酸鹽吸收速率，氨氧化速率，硝酸鹽吸收速率，亞硝酸鹽氧化速率，浮游植物吸收硝酸鹽釋放亞硝酸鹽速率以及DON釋放速率。
　　(2)浮游植物吸收以NH4+（0.47-1.15μmolL-1 h-1）為主，5-6倍大于NO3-(0.09-0.18μmol L-1 h-1)吸收，沒(méi)有發(fā)生100％的銨抑制作用。相較于銨氮與硝酸鹽的吸收，亞硝酸鹽（2*10-5-2*10-3μmol L-1 h-1）

5、吸收速率相對(duì)于前兩者低了3個(gè)量級(jí)。比較浮游植物對(duì)于不同形態(tài)氮的親和性指數(shù)(RPI)發(fā)現(xiàn)，浮游植物對(duì) NH4+有較強(qiáng)的喜好，RPI大于1(1.8-4.0)，對(duì)NO3-處于排斥性接受，RPI小于1(0.2-0.42);排斥NO2，RPI遠(yuǎn)小于1(0.0004-0.035)，可能與其毒性有關(guān)。
　　(3)80％與2％表層光強(qiáng)(sPAR)對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在兩種光強(qiáng)下條件，銨吸收速率都具有晝夜變化的節(jié)律，而硝吸收沒(méi)有。這與傳統(tǒng)認(rèn)知的硝吸收

6、主要受光控制不一致，可能與培養(yǎng)進(jìn)行期間的高濃度銨抑制硝吸收的節(jié)律有關(guān)。但是在2％表層光強(qiáng)下的銨以及硝吸收速率都只有80％表層光強(qiáng)的一半，說(shuō)明光能量的確影響銨氮、硝酸鹽吸收。
　　(4)浮游植物所吸收的總無(wú)機(jī)氮（銨鹽、亞硝酸鹽、硝酸鹽）中約有0.2％-30％通過(guò)氨化又轉(zhuǎn)化為NH4+，該過(guò)程速率也呈現(xiàn)出顯著的晝夜變化，白天比晚上高1-2個(gè)數(shù)量級(jí);另外幾乎等量的份額通過(guò)DON的形式向外釋放（11％-34％），白天略高于晚上。由于氨化速率

7、與DON的釋放速率有晝夜的節(jié)律，是否為藻類的主動(dòng)代謝或是由動(dòng)物的攝食引起，需進(jìn)一步研究。
　　(5)一般認(rèn)為銨氮濃度高的近岸水體，硝化作用的耗氧過(guò)程會(huì)導(dǎo)致缺氧，然而本研究發(fā)現(xiàn)NH4+氧化速率比NH4+吸收過(guò)程小3個(gè)數(shù)量級(jí)左右，且不論在高光強(qiáng)還是低光強(qiáng)條件下，水體NH4+的消耗主要路徑是浮游植物的吸收。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不支持硝化作用是導(dǎo)致近岸水體缺氧的說(shuō)法。氨氧化過(guò)程雖然相對(duì)較小，但是仍然可以看到明顯光抑制現(xiàn)象，表現(xiàn)為白天（0-0.0

8、005μmol L-1 h-1）小于晚上(0.0008-0.001μmol L-1 h-1)，并且表層水受制程度大于底層水。
　　(6)NO2-是環(huán)境中最不穩(wěn)定的氮組分，但是本研究卻發(fā)現(xiàn)其儲(chǔ)庫(kù)沒(méi)有顯著變化，與其相關(guān)的源匯過(guò)程（源:銨氧化與亞硝釋放，匯:浮游植物亞硝吸收以及亞硝氧化）速率都比較低。但是，各個(gè)過(guò)程都有顯著的晝夜變化規(guī)律，如亞硝釋放受到光刺激而氨氧化過(guò)程受到光抑制。
　　(7)近岸水體終究要擴(kuò)散到外海，在擴(kuò)散混合的

9、過(guò)程當(dāng)中，各個(gè)儲(chǔ)庫(kù)的停留時(shí)間將決定外海氮物種的組成結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響微生物的群落。80％sPAR和2％sPAR所對(duì)應(yīng)的水樣，NH4+的停留時(shí)間分別是1.6d和1.9d，NO3-停留時(shí)間是7.2和13.4d，而NO2-的停留時(shí)間極長(zhǎng)（濃度基本不變）。近岸的各種氮儲(chǔ)庫(kù)在等比例稀釋情況下進(jìn)入海洋中過(guò)程中，NH4+很快就被耗盡，進(jìn)入海洋的主要是NO3-和NO2-。這與近岸觀測(cè)到的低濃度亞硝酸鹽的事實(shí)不符。我們猜測(cè)在流體擴(kuò)散稀釋過(guò)程當(dāng)中，各類營(yíng)養(yǎng)鹽被