近岸水體氮儲庫轉(zhuǎn)換動力學過程：以五緣灣為例.pdf

1、氮是組成生物體的必要元素之一，也是控制海洋初級生產(chǎn)力的重要因子。城鎮(zhèn)化進程的加速以及人口迅速增長使得中國成為活性氮排放量最大的國家。大量人為產(chǎn)生的活性氮通過河流或者大氣沉降的方式進入近岸海區(qū)，導致氮濃度以及組分發(fā)生顯著變化，影響原有的氮動力學過程，進而引發(fā)赤潮、缺氧區(qū)等一系列生態(tài)危機。這些人為源的無機氮(DIN)，如銨氮(NH4+)、亞硝酸鹽(NO2-)、硝酸鹽(NO3-)，以及有機氮(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)氮儲庫，甚至整個氮循環(huán)過程（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）。由于過程復雜，幾乎無法同時測定各個過程的轉(zhuǎn)化速率。到目前為止，對這些過程的變化及機制的認知極度缺乏，限制了我們對于人為活動干擾近岸氮儲庫評估工作的開展。
　　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)境條件進行培養(yǎng)，高頻度的采集培養(yǎng)樣品（3小時），建立各個氮

3、儲庫濃度以及其同位素的逐時變化曲線。在質(zhì)量守恒（濃度以及15N同位素）的前提下，運用矩陣的數(shù)學方法，演算出各個儲庫相互之間的轉(zhuǎn)換速率。并應(yīng)用STELLA軟件建立模型，交差驗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，同時計算出8種氮過程速率，深化了我們對近岸氮轉(zhuǎn)換動力學的認識。
　　2014冬季，采集五緣灣不同深度水體（2％和80％表層光強）模擬原位環(huán)境進行培養(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、吸收速率相對于前兩者低了3個量級。比較浮游植物對于不同形態(tài)氮的親和性指數(shù)(RPI)發(fā)現(xiàn)，浮游植物對 NH4+有較強的喜好，RPI大于1(1.8-4.0)，對NO3-處于排斥性接受，RPI小于1(0.2-0.42);排斥NO2，RPI遠小于1(0.0004-0.035)，可能與其毒性有關(guān)。
　　(3)80％與2％表層光強(sPAR)對照實驗結(jié)果表明，在兩種光強下條件，銨吸收速率都具有晝夜變化的節(jié)律，而硝吸收沒有。這與傳統(tǒng)認知的硝吸收

6、主要受光控制不一致，可能與培養(yǎng)進行期間的高濃度銨抑制硝吸收的節(jié)律有關(guān)。但是在2％表層光強下的銨以及硝吸收速率都只有80％表層光強的一半，說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機氮（銨鹽、亞硝酸鹽、硝酸鹽）中約有0.2％-30％通過氨化又轉(zhuǎn)化為NH4+，該過程速率也呈現(xiàn)出顯著的晝夜變化，白天比晚上高1-2個數(shù)量級;另外幾乎等量的份額通過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，是否為藻類的主動代謝或是由動物的攝食引起，需進一步研究。
　　(5)一般認為銨氮濃度高的近岸水體，硝化作用的耗氧過程會導致缺氧，然而本研究發(fā)現(xiàn)NH4+氧化速率比NH4+吸收過程小3個數(shù)量級左右，且不論在高光強還是低光強條件下，水體NH4+的消耗主要路徑是浮游植物的吸收。我們的實驗結(jié)果不支持硝化作用是導致近岸水體缺氧的說法。氨氧化過程雖然相對較小，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)其儲庫沒有顯著變化，與其相關(guān)的源匯過程（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，各個過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程受到光抑制。
　　(7)近岸水體終究要擴散到外海，在擴散混合的

9、過程當中，各個儲庫的停留時間將決定外海氮物種的組成結(jié)構(gòu)，進而影響微生物的群落。80％sPAR和2％sPAR所對應(yīng)的水樣，NH4+的停留時間分別是1.6d和1.9d，NO3-停留時間是7.2和13.4d，而NO2-的停留時間極長（濃度基本不變）。近岸的各種氮儲庫在等比例稀釋情況下進入海洋中過程中，NH4+很快就被耗盡，進入海洋的主要是NO3-和NO2-。這與近岸觀測到的低濃度亞硝酸鹽的事實不符。我們猜測在流體擴散稀釋過程當中，各類營養(yǎng)鹽被