于海燕,俞志明,宋秀賢,劉麗麗,曹西華,袁涌銓
(1.中國科學(xué)院海洋研究所海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266071;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100039)
長江口海域懸浮顆粒有機(jī)物的穩(wěn)定氮同位素季節(jié)分布與關(guān)鍵生物地球化學(xué)過程
于海燕1,2,俞志明1*,宋秀賢1,劉麗麗1,2,曹西華1,袁涌銓1
(1.中國科學(xué)院海洋研究所海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266071;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100039)
對2010年2、5、8、11月份長江口海域水體中的懸浮顆粒物進(jìn)行穩(wěn)定氮同位素分析。根據(jù)不同季節(jié)、不同區(qū)域內(nèi)懸浮顆粒有機(jī)物的穩(wěn)定氮同位素組成(δ15Np)值的變化研究水體中氮的遷移、轉(zhuǎn)化等生物地球化學(xué)過程,揭示其環(huán)境行為,從而對該海域的氮循環(huán)機(jī)制進(jìn)行探索。研究發(fā)現(xiàn):長江口海域懸浮顆粒物的穩(wěn)定氮同位素組成具有較寬的分布范圍,δ15Np值分布范圍為-1.1‰~8.6‰,具有明顯的時空分布特點(diǎn),反映了不同程度的陸源輸入和氮的生物地球化學(xué)過程的影響。其中,2月份生物反應(yīng)較弱,δ15Np分布體現(xiàn)了陸源和海源的混合特征;5月和11月份上層水體δ15Np隨葉綠素a升高而降低,指示了生物的同化吸收作用;8月和11月δ15Np和總?cè)芙鉄o機(jī)氮呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系,說明該海域發(fā)生了氮的礦化再生。
氮穩(wěn)定同位素;同化;礦化;硝化
20世紀(jì)60年代以來,氮穩(wěn)定同位素技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于海洋學(xué)的研究[1];在海洋氮循環(huán)和海洋生物地球化學(xué)研究中,氮同位素有著不可替代的獨(dú)特作用。懸浮顆粒有機(jī)物中穩(wěn)定氮同位素組成的變化可以示蹤氮的來源[2],判斷氮的生物地球化學(xué)過程[3—5]。因此,利用懸浮顆粒有機(jī)物的δ15Np方法來研究海水體系中氮的遷移、轉(zhuǎn)化等環(huán)境生物地球化學(xué)過程,揭示其環(huán)境行為,具有重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)意義。
長江口的泥沙主要來自上游,多年平均輸沙量為3.95億t,年最大輸沙量達(dá)6.78億t[6]。長江輸送的顆粒物質(zhì)入海后,發(fā)生一系列遷移、轉(zhuǎn)化,對氮的生物地球化學(xué)循環(huán)和河口生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響。因此,研究長江口海域懸浮顆粒有機(jī)氮的來源、分布及其影響過程十分重要。近年來,關(guān)于長江和長江口地區(qū)顆粒有機(jī)物氮的來源、分布、δ15Np的分布特征及其對物源和沉積動力過程的指示等方面的研究較多[5,7—11],但對長江口不同區(qū)域懸浮顆粒有機(jī)氮的生物地球化學(xué)過程的綜合分析較少[12—13],且多集中在對長江口表層海域進(jìn)行研究,并未對深層海域發(fā)生的氮的生物地球化學(xué)過程進(jìn)行探討。長江口水文條件復(fù)雜,不同的區(qū)域水體中顆粒有機(jī)物的組成、影響條件等差異較大;通過比較分析懸浮顆粒物δ15Np在不同區(qū)域的分布及其變化特點(diǎn),我們可以在一定程度上獲得較詳細(xì)的氮的來源和生物地球化學(xué)過程信息。
因此,本研究在2010年2、5、8、11月份對長江口海域進(jìn)行了4個航次的調(diào)查,分析不同區(qū)域內(nèi)懸浮顆粒物δ15Np的時空分布,研究影響其δ15Np變化的主要生物地球化學(xué)特征,從而對該海域的氮循環(huán)機(jī)制進(jìn)行初步探索。
2.1 采樣站位
本研究的調(diào)查海域共設(shè)13個站位(如圖1所示)。標(biāo)記9、10、11、12、13、14的斷面為斷面A,21、22、23、24、25、26、27的斷面為斷面B。21號站靠近口門,且鹽度通常小于1,故21號站用于代表口門內(nèi)站位;9、10、22、23號站用于代表最大渾濁帶;11、12、13、14、24、25、26、27站代表外海區(qū)。
圖1 長江口海域調(diào)查站位
2.2 樣品采集
分別于2010年的2、5、8、11月,開展共4個航次的調(diào)查。在斷面A、斷面B各站位分別取表層、5 m、10 m、20 m、30 m、底層的樣品。調(diào)查內(nèi)容包括溫度(T)、鹽度(S)、溶解氧(DO)、硝酸鹽(NO-3)、銨鹽(NH+4)、亞硝酸鹽(NO-2)、葉綠素a(Chl a)、懸浮顆粒態(tài)穩(wěn)定氮同位素組成(δ15Np)。營養(yǎng)鹽水樣用經(jīng)450℃高溫灼燒過的GF/F濾膜過濾各站位海水,濾液裝入100 m L聚乙烯瓶,加氯仿固定后冷凍保存。葉綠素a樣品是將水樣經(jīng)450℃高溫灼燒過的GF/F濾膜過濾,然后將濾膜置于冰箱中冷凍保存。δ15Np樣品用450℃預(yù)處理過的GF/F濾膜過濾水樣,然后將該濾膜在-20℃冷凍保存。
2.3 樣品測定
硝酸鹽、銨鹽、亞硝酸鹽濃度采用SKALAR SAN++SYSTEM營養(yǎng)鹽流動分析儀測定,檢測限為0.14μmol/L。溶解氧采用碘量滴定法現(xiàn)場測定,檢測精度為7×10-5mg/L。葉綠素a的測定是將濾膜用丙酮萃取后,采用分光光度法測量[14],檢測限為0.01 mg/m3。
δ15Np的測定方法:將濾膜在60℃下恒溫烘干36 h,冷卻至室溫后取足量的懸浮顆粒物用錫箔包裹,然后通過自動進(jìn)樣盤送入元素分析儀-同位素質(zhì)譜儀聯(lián)機(jī)(flash EA1112+Finnigan MAT.Con HoⅢ)進(jìn)行測量。δ15N測量誤差為±0.2‰。
3.1 長江口海域δ15Np的時空分布特征
2010年長江口海域4個季度的δ15Np垂直分布范圍為-1.1‰~8.6‰,總體平均值為4.6‰。由表1可以看出,該結(jié)果與2005年和2006年長江口的調(diào)查結(jié)果相似,在文獻(xiàn)報(bào)道值范圍之內(nèi),與國外其他一些河口的δ15Np分布水平較一致。
表1 長江口海域與其他水域水體中懸浮顆粒物的δ15Np值比較
長江口海域懸浮顆粒物的氮穩(wěn)定同位素值在不同季節(jié)、不同區(qū)域、不同深度呈現(xiàn)不同的分布特點(diǎn),如圖2,圖3,圖4和表2所示。
2月份,水體中懸浮顆粒物δ15Np分布在3.1‰~8.6‰之間,平均為5.2‰(見表1)。δ15Np空間分布規(guī)律明顯,隨深度增加而增加。δ15Np高值主要分布在底層水域;低值主要分布在表層水域,分別在斷面A的口門附近和斷面B的外海區(qū)表層(圖2)。從離散程度來看,2月份δ15Np的離散度最低(圖3,圖4,表2);從整體分布水平來看,2月份的δ15Np分布范圍與8月份類似,比5月份和11月份要高。
圖2 2010年長江口海域不同季節(jié)水體中懸浮顆粒物δ15Np的空間分布(‰)特征
圖3 2010年長江口水體懸浮顆粒物δ15Np的季節(jié)變化
圖4 2010年各季節(jié)長江口水域表層(白色)和底層(灰色)懸浮顆粒物δ15Np的分布
表2 2010年長江口各區(qū)域水體中懸浮顆粒物的δ15N平均值(‰)及標(biāo)準(zhǔn)偏差(括號內(nèi)為標(biāo)準(zhǔn)偏差)
5月份,水體中懸浮顆粒物δ15Np分布在-0.1‰~7.1‰之間,平均為4.5‰(見表1)。斷面A的δ15Np空間分布呈現(xiàn)沿口門向外先升高后降低的趨勢,而斷面B的δ15Np空間分布呈現(xiàn)沿口門向外先降低后升高的趨勢(圖2)。較低的δ15Np值分布在靠近渾濁帶的外海區(qū)。從離散程度來看,5月份δ15Np的離散度較高(圖3),表層離散度明顯高于底層離散度(圖4),外海區(qū)離散程度高于渾濁帶(表2);從整體分布水平來看,5月份的δ15Np分布范圍較廣,比2月份和8月份要低,比11月份要高(圖3)。
8月份,水體中懸浮顆粒物δ15Np分布在1.5‰~8.6‰之間,平均為5.4‰(見表1)。斷面A的δ15Np低值區(qū)分布在外海的上層水域,而近岸水域和外海底部水體都是δ15Np高值區(qū)。斷面B的δ15Np值整體分布要高于斷面A,表層和底層水體均未出現(xiàn)δ15Np低值區(qū)(圖2)。從離散程度來看,8月份δ15Np的離散度較低(圖3),表層離散度明顯高于底層離散度(圖4);從整體分布水平來看,8月份的δ15Np分布范圍較廣,與2月份類似,比5月份和11月份要高(圖3)。
11月份,水體中懸浮顆粒物δ15Np分布在-1.1‰~5.8‰之間,平均為3.3‰(見表1)。δ15Np的空間分布規(guī)律呈現(xiàn)出自近岸到外海,自底層到表層降低的趨勢(見圖2)。較低的δ15Np值分布在遠(yuǎn)離渾濁帶的外海區(qū)。從離散程度來看,11月份δ15Np的離散度較高(見圖3,圖4),外海區(qū)的離散程度高于渾濁帶(見表2);從整體分布水平來看,11月份的δ15Np值最低,分布范圍較廣(見圖3)。
3.2 長江口海域的氮的來源和循環(huán)過程
3.2.1 氮的來源
不同來源的氮δ15Np本底值范圍不同,相關(guān)研究表明,大氣沉降中的氮和農(nóng)業(yè)化肥中氮的δ15Np值較低(分別為-12‰~5‰、-3‰~3‰)[18-19],而工業(yè)以及生活污水中的氮的δ15Np值較高(5‰~9‰)[20-21]。從表1中可以看出,不同季節(jié)長江口海域水體中δ15Np相對其他海域均較低,說明長江口海域氮的主要來源是農(nóng)業(yè)化肥和大氣沉降氮,而工業(yè)與生活污水輸入氮相對較低。這一推論與沈志良等[22]對長江及長江口河水和雨水分析后得出的長江流域氮主要來源于化肥和大氣沉降的結(jié)論一致。也與宋飛等[12]通過對長江口海域表層海水的δ15Np特征進(jìn)行分析后得到的結(jié)論一致。
δ15Np值是不同氮來源及其發(fā)生的氮分餾作用的綜合反映[23-24]。2月份,河口區(qū)生物作用較弱,懸浮顆粒物的組成主要來自陸源和海源,其穩(wěn)定氮同位素值在一定意義上可以反映不同的物源信息。陸源有機(jī)質(zhì)的δ15Np分布多在2.7‰附近[25-26],而海源有機(jī)質(zhì)的δ15Np較高,平均值約為6.5‰[27]。如圖5所示,2月份長江口海域水體中δ15Np與鹽度具有良好的線性關(guān)系(R=0.419 7,p<0.01)。δ15Np從河口到外海逐漸增加,體現(xiàn)了不同物源貢獻(xiàn)程度的差異。從河口到外海,懸浮顆粒物中陸源有機(jī)質(zhì)的影響減小,而海源的影響增大。
圖5 2010年2月長江口水體懸浮顆粒物的δ15Np隨鹽度變化趨勢
3.2.2 同化吸收
5月和11月長江口表層懸浮顆粒物的δ15Np隨Chl a升高而降低(圖6),呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。這支持春季和秋季長江口水域表層主要發(fā)生了生物的同化吸收作用。因?yàn)橥者^程中,生物優(yōu)先利用較輕的14N營養(yǎng)鹽,使得δ15Np降低[28]。從圖2可看出,5月和11月δ15Np低值分布區(qū)不同,5月15Np低值分布在靠近渾濁帶的外海區(qū),而11月15Np低值分布在遠(yuǎn)離渾濁帶的外海區(qū)。造成這種現(xiàn)象的原因可能與鹽度有關(guān)。劉秀娟等[13,29]通過對長江口表層懸浮顆粒物δ15Np特征及硝酸鹽δ15N特征進(jìn)行研究,也發(fā)現(xiàn)了5月和11月長江口表層發(fā)生了生物的同化吸收作用。
圖6 2010年5月和11月長江口上層(0~5 m)懸浮顆粒物的δ15Np隨Chl a變化趨勢
3.2.3 礦化再生和硝化作用
長江口海域各季節(jié)底部水體的δ15Np均較上層水體的δ15Np高(見圖2)。造成這種現(xiàn)象的原因,一是因?yàn)楸韺铀w發(fā)生了生物的同化吸收作用;二是因?yàn)榈撞克w發(fā)生了氮的礦化再生過程。表層和底部水體不同的氮生物地球化學(xué)過程,主要是由于表層和深層海水中光照、溫度及DO等水文條件的不同造成的。氮的礦化再生是將顆粒有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為溶解有機(jī)氮,最終轉(zhuǎn)化為銨鹽釋放到水體中。在此過程中,由于14N優(yōu)先被轉(zhuǎn)化,因此剩余的顆粒物δ15Np會升高。已有研究發(fā)現(xiàn)長江口海域硝化作用的存在[30—31]。硝化作用將銨鹽轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽進(jìn)而轉(zhuǎn)化為硝酸鹽[32]。因此,在研究氮的再生時,需考慮總?cè)芙鉄o機(jī)氮與顆粒有機(jī)氮的關(guān)系。長江口海域8月和11月δ15Np和總?cè)芙鉄o機(jī)氮呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系(圖7),說明該海域發(fā)生了氮的礦化再生。
圖7 2010年8月和11月長江口水體懸浮顆粒物的δ15Np隨DIN變化趨勢
長江口海域懸浮顆粒物的穩(wěn)定氮同位素組成具有較寬的數(shù)值范圍,δ15Np值分布范圍為-1.1‰~8.6‰,與國外其他一些河口的δ15Np分布水平較一致。該區(qū)域δ15NpX值具有明顯的時空分布特點(diǎn),其變化趨勢與陸源輸入和水體中存在的氮的生物地球化學(xué)過程有關(guān)。
其中,2月份生物反應(yīng)較弱,δ15Np分布體現(xiàn)了陸源和海源的混合特征;5月和11月份表層水體δ15Np隨葉綠素a升高而降低,指示了生物的同化吸收作用;8月和11月δ15Np和總?cè)芙鉄o機(jī)氮呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系,說明該海域發(fā)生了氮的礦化再生。
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Seasonal distribution of the isotopic composition of suspended particulate nitrogen in the Changjiang River estuary and its biogeochemistry implications
Yu Haiyan1,2,Yu Zhiming1,Song Xiuxian1,Liu Lili1,2,Cao Xihua1,Yuan Yongquan1
(1.Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences,Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266071,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China)
The isotopic composition of suspended particulate matters(δ15Np)in surface water was studied duringFebruary,May,August and November of 2010 in the Changjiang River estuary.Based on the variations ofδ15Np in different seasons and regions,the biogeochemical processing of nitrogen transformation was studied and its environmental implications were also revealed.The results showed thatδ15Np of SPM was in a wide range of-1.1‰—8.6‰,varying with seasons and geographic regions,which reflected influences of riverineinput and biogeochemical processes.In February,the variation ofδ15Np reflected the mixing between riverine and marine nitrogen;in May and November,δ15Np decreased with increased Chl a in the surface waters,which indicated assimilation;in August and November,significant positive relationships were found betweenδ15Np and DIN,which indicated remineralizaion and nitrification.
nitrogen isotope;assimilation;mineralization;nitrification
P736.4+4
A
0253-4193(2014)02-0016-07
2012-12-16;
2013-03-12。
國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41276116);國家基金委創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41121064);國家基礎(chǔ)研究規(guī)劃973項(xiàng)目(2010CB428706)。
于海燕(1985—),女,山東省濰坊市人,從事長江口海域氮循環(huán)研究工作。E-mail:yuhyyuhy@163.com
*通信作者:俞志明,男,研究員,博士生導(dǎo)師。E-mail:zyu@qdio.ac.cn
于海燕,俞志明,宋秀賢,等.長江口海域懸浮顆粒有機(jī)物的穩(wěn)定氮同位素季節(jié)分布與關(guān)鍵生物地球化學(xué)過程[J].海洋學(xué)報(bào),2014,36(2):16—22,
10.3969/j.issn.0253-4193.2014.02.002
Yu Haiyan,Yu Zhiming,Song Xiuxian,et al.Seasonal distribution of the isotopic composition of suspended particulate nitrogen in the Changjiang River estuary and its biogeochemistry implications[J].Acta Oceanologica Sinica(in Chinese),2014,36(2):16—22,doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2014.02.002