湖泊氮的生物地球化學(xué)過程及其氮同位素技術(shù)的應(yīng)用

梁越+劉小真+賴勁虎

摘要:營(yíng)養(yǎng)元素(C?N?P等)在自然界的循環(huán)是基本的物質(zhì)循環(huán),營(yíng)養(yǎng)元素在湖泊系統(tǒng)中的輸入?遷移?轉(zhuǎn)化?輸出的生物地球化學(xué)過程是復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程,穩(wěn)定同位素必然會(huì)對(duì)這一動(dòng)態(tài)過程產(chǎn)生響應(yīng)?闡述了氮元素在湖泊中的生物地球化學(xué)行為及其影響因素,并從柱狀沉積物δ13C?δ15N的變化?水質(zhì)污染與有機(jī)質(zhì)遷移釋放?沉積物—水營(yíng)養(yǎng)元素交換過程?湖泊氮的同位素特征及其影響因素等方面概括了氮同位素技術(shù)在湖泊研究中的應(yīng)用?

關(guān)鍵詞:氮;生物地球化學(xué);影響因素;同位素分餾;應(yīng)用;湖泊

中圖分類號(hào):P593;X143文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0439-8114(2014)10-2238-06

Nitrogen Biogeochemical Process of Lake and Its Application of

Nitrogen Isotope Techniques

LIANG Yue,LIU Xiao-zhen,LAI Jin-hu

(Key Laboratory of Poyang Lake Environmental and Resource Utilization,Ministry of Education,Nanchang University,Nanchang 330047,China)

Abstract: The cycle of nutrient elements(C,N,P,etc.) in the nature is basic cycle of material. The biogeochemical process of nutrient elements including input,migration,conversion and output in lake system is a complex dynamic process. The stable isotope is bound to respond to the dynamic process. Nitrogen biogeochemical behaviors in the lake and factors influencing behaviors are reviewed in the paper. The application of nitrogen isotope techniques in studying nitrogen biogeochemical process of lake including δ13C and δ15N changes of the columnar sediment,water pollution and organic matter migration/remobilised,nutrients exchange process in the sediment and water interface,lakes nitrogen isotope characteristics and factors influencing nitrogen isotope technique are summarized.

Key words: nitrogen; biogeochemistry; influencing factors; isotope fractionation;application;lake

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41263002);江西省教育廳資助項(xiàng)目(CJJ13074)

生物地球化學(xué)循環(huán)是指生物參與下物質(zhì)在自然環(huán)境中的傳輸和轉(zhuǎn)化過程?營(yíng)養(yǎng)元素(C?N?P等)在自然界的循環(huán)是基本的物質(zhì)循環(huán),由于人類活動(dòng)的干預(yù),破壞了這些元素的正常循環(huán),從而面臨系列環(huán)境問題,如湖泊富營(yíng)養(yǎng)化?酸雨?溫室效應(yīng)等[1]?不同環(huán)境中物質(zhì)的生物地球化學(xué)循環(huán)以及控制循環(huán)的生物地球化學(xué)過程有差異,如大氣環(huán)境?水環(huán)境?土壤環(huán)境中氮的循環(huán)過程存在區(qū)別,研究環(huán)境變化中物質(zhì)的生物地球化學(xué)過程,可以揭示環(huán)境變化的內(nèi)在因素?湖泊是水文系統(tǒng)中最重要的淡水資源之一,營(yíng)養(yǎng)元素在湖泊系統(tǒng)多界面的生物地球化學(xué)循環(huán)是湖泊水環(huán)境變化的原動(dòng)力,從流域到水體,從水體到水生生物?沉積物,再?gòu)某练e物返回水體?大氣,營(yíng)養(yǎng)元素的生物地球化學(xué)行為會(huì)對(duì)湖泊系統(tǒng)環(huán)境變化產(chǎn)生響應(yīng)?

營(yíng)養(yǎng)元素在湖泊系統(tǒng)中的輸入?遷移?轉(zhuǎn)化?輸出的生物地球化學(xué)過程是復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程?湖泊氮的遷移轉(zhuǎn)換機(jī)制主要與有機(jī)質(zhì)含量?O2含量?酸度?氧化還原電位?溫度?微生物和底棲生物擾動(dòng)等因素有關(guān)[2,3]?氮同位素特征是各個(gè)過程的綜合反應(yīng),體現(xiàn)出物源信息和生物地球化學(xué)過程的綜合[4,5]?基于氮元素闡述其在湖泊中的生物地球化學(xué)行為及其影響因素;并從不同氮源在湖泊中表現(xiàn)出來的同位素特征及其影響因素等方面來概括氮同位素技術(shù)在湖泊研究中的應(yīng)用?

1湖泊氮的生物地球化學(xué)過程

水環(huán)境中的生物地球化學(xué)過程包括氧化還原?溶解和沉淀?吸附和解吸?遷移和轉(zhuǎn)化?擴(kuò)散和埋藏?細(xì)菌生化反應(yīng)及生物擾動(dòng)等作用?以生物過程?化學(xué)過程和物理過程為主線開展湖泊氮的研究,主要涉及湖泊水體理化性質(zhì)?沉積物以及生物新陳代謝所進(jìn)行的氮物質(zhì)交換和轉(zhuǎn)化過程(圖1)?

1.1氮存在的形態(tài)與形式

氮在自然界中以多種形態(tài)存在,并在生物的參與下從大氣N2到無機(jī)氮,從無機(jī)氮到有機(jī)氮,不同價(jià)態(tài)無機(jī)氮之間;有機(jī)氮之間,再到大氣N2?各形態(tài)氮處于不斷的循環(huán)轉(zhuǎn)化之中,如此構(gòu)成氮素的生物地球化學(xué)循環(huán)?湖泊生態(tài)系統(tǒng)中氮的主要存在形式有:溶解無機(jī)氮(NO3-?NO2-?NH4+?NH3)?溶解有機(jī)氮(氨基酸?蛋白質(zhì)?尿素?腐殖質(zhì))?顆粒有機(jī)氮(動(dòng)植物碎屑?吸附在礦物上的氨氮)等?

1.2湖泊氮的生物地球化學(xué)過程

氮在湖泊生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)是個(gè)復(fù)雜的生物地球化學(xué)過程,包括氮的輸入(生物固氮?大氣干濕沉降?人為輸入?地表徑流等),氮在生態(tài)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化[主要包括有機(jī)質(zhì)的礦化(氨化)分解?NH4+-有機(jī)氮的同化作用?NH4+-NO3-的硝化作用以及氮素在食物鏈中的轉(zhuǎn)化等],氮的輸出(主要是氨揮發(fā)?反硝化作用NO3--N2O-N2的揮發(fā)?徑流輸出?侵蝕和植物收獲等)?這3個(gè)過程有機(jī)地結(jié)合在一起交叉進(jìn)行,存在著復(fù)雜的耦合關(guān)系[6]?大氣?地表水的銨鹽和硝酸鹽等各種無機(jī)氮和部分溶解有機(jī)氮等氮素能被湖泊中的生物同化吸收;無機(jī)氮能夠在不同的含氧層中進(jìn)行硝化作用?反硝化作用;有機(jī)氮或礦化降解的NH4+可以通過擴(kuò)散和沉降過程進(jìn)入沉積物,形成湖泊內(nèi)源氮;沉積物中有機(jī)氮部分被重新礦化為NH4+,另一部分成為有機(jī)氮匯?總之,同化吸收?有機(jī)質(zhì)氨化(礦化)?硝化?反硝化作用是氮在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中重要的生物地球化學(xué)過程?

1.3湖泊氮循環(huán)的影響因素

水體的溫度(T)?pH?溶解氧(DO)?水位及氮濃度等水環(huán)境物理化學(xué)性質(zhì)的變化都會(huì)影響湖泊氮素循環(huán)?水溫(T)是湖泊對(duì)外界自然氣候如太陽輻射強(qiáng)度的綜合熱效應(yīng),水中溶解性氣體?pH?溶質(zhì)?水生生物和微生物活動(dòng)等都受T變化的影響?湖泊中pH主要受湖水中溶解的CO2含量及溫度的影響,水環(huán)境中元素的溶解沉淀?吸附解吸?遷移轉(zhuǎn)化都受到pH的控制或影響?

湖泊中DO的含量決定了水體中氧化還原電位等物理化學(xué)條件,極大地影響著水體營(yíng)養(yǎng)鹽的溶解?沉淀過程?溶解在水中的分子態(tài)氧與水體溫度?氣壓?污染物濃度?水生動(dòng)植物活動(dòng)等因素有關(guān)?水生植物的光合作用是增氧過程,而細(xì)菌分解有機(jī)質(zhì)的呼吸作用是耗氧過程,結(jié)果造成水體中的溶解氧含量季節(jié)性變化(甚至在水體表層也會(huì)有缺氧環(huán)境,如富營(yíng)養(yǎng)化湖泊),這既包含了水體中氧氣的溶解性質(zhì),也包含了水生生物生命活動(dòng)的影響?氮的硝化作用需要在含氧豐富的環(huán)境中發(fā)生,生成的硝酸根中3個(gè)氧有2個(gè)來自水,一個(gè)來自O(shè)2,NH4+中的氫與氧生成水?氮的反硝化作用需在厭氧?有氧交替的環(huán)境下發(fā)生,反硝化細(xì)菌利用NO-3中的氧進(jìn)行呼吸,使硝酸鹽還原,但反硝化細(xì)菌菌體內(nèi)的某些酶系統(tǒng)組分,只有在有氧條件下才能夠合成[7]?

水位作為重要的湖泊水文因子,對(duì)湖泊水動(dòng)力過程?化學(xué)過程和生態(tài)過程具有重要的影響[8]?水位變化影響水體透明度?有機(jī)質(zhì)懸浮與沉降?水體溶解氧含量?營(yíng)養(yǎng)鹽的化學(xué)過程,尤其對(duì)淺水湖泊的影響更為明顯,低水位時(shí)由于風(fēng)浪等作用,沉積物有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生再懸浮現(xiàn)象,從而改變湖泊水體和沉積物的物理化學(xué)性質(zhì)?

硝化反應(yīng)通常發(fā)生在含氧豐富的環(huán)境中,DO應(yīng)在0.5 mg/L以上,適宜溫度為30 ℃,15 ℃以下時(shí),硝化反應(yīng)速度下降,5 ℃時(shí)完全停止,硝化細(xì)菌對(duì)pH的變化十分敏感,其適宜的pH為8.0~8.4,不能在酸性條件下生長(zhǎng)?反硝化反應(yīng)應(yīng)在溶解氧0.5 mg/L以下厭氧?好氧交替的條件下進(jìn)行,最適宜的pH是6.5~7.5,最適宜的溫度是 34~37 ℃,否則反硝化速率將大為降低[9],反硝化細(xì)菌的反硝化作用還受制于營(yíng)養(yǎng)物和電子供體的條件,其中異養(yǎng)型細(xì)菌從有機(jī)質(zhì)中獲得能量和碳源[10],自養(yǎng)型微生物利用無機(jī)化合物提供能量和電子供體,如鐵細(xì)菌能在有機(jī)碳缺乏的環(huán)境里還原硝酸鹽[11]?

2氮同位素技術(shù)在湖泊研究中的應(yīng)用

氮穩(wěn)定同位素技術(shù)利用不同來源氮和生物地球化學(xué)過程中不同的同位素分餾特征可以示蹤含氮物質(zhì)的來源?污染途徑?遷移轉(zhuǎn)化方式等,氮穩(wěn)定同位素(δ15N)技術(shù)在湖泊研究中得到廣泛的應(yīng)用?

2.1柱狀沉積物δ13C?δ15N可反映湖泊環(huán)境變化

柱狀沉積物δ13C?δ15N的變化趨勢(shì)在時(shí)間尺度上分布有一定的規(guī)律性,吳敬祿等[12]分析了太湖不同湖區(qū)沉積物中有機(jī)質(zhì)δ13C?δ15N的變化特征,8~10cm為各湖區(qū)沉積物有機(jī)質(zhì)δ13C?δ15N較明顯的轉(zhuǎn)換時(shí)段?沉積物TP?TN含量及其孔隙水TP?TN 濃度?沉積物顆粒大小及容重等指標(biāo)也有較一致的變化,從而反映湖泊環(huán)境的變化?

湖泊碳氮同位素組成是復(fù)雜的,來源于水生?陸生有機(jī)質(zhì),從無機(jī)碳氮轉(zhuǎn)化成有機(jī)碳氮經(jīng)歷了復(fù)雜的生物地球化學(xué)過程,期間都會(huì)發(fā)生同位素分餾[13,14],Olsen等[14,15]應(yīng)用δ13C?δ15N和C/N,結(jié)合XRF(X射線熒光光譜儀)測(cè)定元素(Ti?Ca? Si?Fe?Mn)豐度,探討丹麥Kalaallit Nunaat島西南的兩個(gè)淡水湖泊的古環(huán)境變化,從沉積物Fe?Mn等元素含量變化來分析氧化還原條件,進(jìn)而分析有機(jī)質(zhì)所發(fā)生的地球化學(xué)反應(yīng),得出δ13C?δ15N組成的內(nèi)在因素,再現(xiàn)湖泊的古環(huán)境?古氣候?

在利用沉積物氮同位素重建湖泊古生產(chǎn)力時(shí),應(yīng)充分考慮外源有機(jī)物輸入和反硝化作用?結(jié)合沉積物氫指數(shù)?有機(jī)碳同位素組成?有機(jī)碳堆積的時(shí)間模式及C∶N比值,可以揭示湖泊外源有機(jī)物輸入歷史和指示古氣候變化[16-18]?系統(tǒng)地將湖泊沉積有機(jī)物碳和氮同位素比值,同位素組成變化與碳?磷?色素(葉綠素?類胡蘿卜素?葉黃素)含量變化[19]和孢粉分析有機(jī)地結(jié)合起來,利用各自的優(yōu)點(diǎn),認(rèn)識(shí)湖泊演變過程中古生產(chǎn)力的變化過程,并能簡(jiǎn)要探討湖泊營(yíng)養(yǎng)狀況(富營(yíng)養(yǎng)化)的演變歷史以及古生產(chǎn)力與古氣候的關(guān)系,評(píng)估湖泊古生產(chǎn)力變化可能對(duì)湖泊營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)和生物地球化學(xué)循環(huán)帶來的影響?

2.2水質(zhì)污染與有機(jī)質(zhì)遷移釋放研究

有機(jī)質(zhì)是湖泊重要的組成成分,主要由腐殖質(zhì)?類脂化合物?糖類化合物等各類復(fù)雜的有機(jī)化合物或生化物質(zhì)組成?有機(jī)質(zhì)的形成與降解是C?N?P的氧化-還原過程,也是有機(jī)質(zhì)在水體和沉積物中的遷移轉(zhuǎn)化過程,沉積物中超過80%的氮磷都是以有機(jī)態(tài)的形式存在,因此有機(jī)質(zhì)的降解過程不僅決定了沉積物中有機(jī)碳的保存?含量?剖面分布,同時(shí)也控制著沉積物中營(yíng)養(yǎng)元素(N?P)的重新礦化?界面營(yíng)養(yǎng)元素的交換通量等?

懸浮顆粒有機(jī)質(zhì)是水環(huán)境中的重要組成部分,有多種來源,外源主要有陸地有機(jī)物質(zhì),內(nèi)源有機(jī)質(zhì)包括:浮游生物?大型水生植物?底棲藻類和細(xì)菌? 因?yàn)椴煌竟?jié)不同區(qū)域T?pH?DO?水體δ15N值?NH4+和NO3-濃度存在差異,微生物作用對(duì)這些條件敏感,所以懸浮顆粒物氮同位素值具有不同的時(shí)空分布特征,能夠指示不同氮源?反映有機(jī)質(zhì)氮的降解遷移釋放等生物地球化學(xué)過程[20,21]?

湖泊富營(yíng)養(yǎng)化是由于水體中存在的大量氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)超出了湖泊自身的承載能力而形成的湖泊環(huán)境問題?中國(guó)科學(xué)家對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)的富營(yíng)養(yǎng)化湖泊太湖?巢湖等進(jìn)行了卓有成效的研究,如秦伯強(qiáng)等[22,23]對(duì)太湖水動(dòng)力及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)?沉積物及其內(nèi)源污染問題和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能及藍(lán)藻水華等方面進(jìn)行了研究?林琳等[24]以太湖為研究對(duì)象,通過不同湖區(qū)水體?水生生物以及梅梁灣鉆孔沉積物碳氮同位素和相關(guān)指標(biāo)的分析,恢復(fù)了湖泊富營(yíng)養(yǎng)化演化過程?

2.3沉積物-水營(yíng)養(yǎng)元素交換過程

沉積物-水界面是水體在物理?化學(xué)和生物特征等方面差異性最顯著,是水體-沉積物之間物質(zhì)輸送和交換的重要場(chǎng)所?上覆水體營(yíng)養(yǎng)鹽由于濃度梯度或顆粒有機(jī)物吸附進(jìn)入沉積物中,沉積物中孔隙水中營(yíng)養(yǎng)鹽也會(huì)由于濃度梯度或沉積物懸浮作用進(jìn)入上覆水體?

表層沉積物是水體-沉積物物質(zhì)交換的重要場(chǎng)所,是微生物活動(dòng)最活躍的區(qū)域,也是生物地球化學(xué)活動(dòng)最活躍最激烈的地方,因?yàn)樗畡?dòng)力作用?氧化還原電位?生物作用?化學(xué)作用一般都發(fā)生在沉積物表層(0~5 cm)[23]?沉積物柱總氮剖面分布的“突然性”變化主要發(fā)生在沉積物幾厘米的表層[25];表層沉積物有機(jī)質(zhì)碳氮穩(wěn)定同位素(δ13C?δ15N)直接體現(xiàn)了湖泊水環(huán)境的變化,對(duì)其變化的指示更有效[12]?

沉積物中的大量溶解性物質(zhì)主要是以孔隙水為介質(zhì)通過沉積物-水界面向上覆水體擴(kuò)散遷移,從而影響上覆水體,同時(shí)上覆水體通過生物同化?物理沉降和擴(kuò)散等過程參與界面作用,與自沉積物下層遷移上來的物質(zhì)一起為沉積物-水界面的物質(zhì)循環(huán)提供必要物質(zhì)基礎(chǔ)[26]?通過沉積物孔隙水的化學(xué)組成可以初步了解水體-沉積物界面物質(zhì)的循環(huán)過程,從而把握沉積物源/匯效應(yīng)的變換,以致可能對(duì)上覆水體和整個(gè)湖泊生態(tài)系統(tǒng)帶來環(huán)境效應(yīng)?

2.4生物群落食物來源?營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的確定

不同來源食物具有特定穩(wěn)定碳氮同位素值,所以穩(wěn)定碳氮同位素可用于食物來源?食物的貢獻(xiàn)比例?營(yíng)養(yǎng)級(jí)的確定?食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建及水生生物的洄游及遷移路線等[27-29]?

每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)碳氮同位素值變化范圍分別為0‰~1‰和3‰~5‰,故碳同位素常用來指示食物來源,氮同位素常用來指示食物鏈營(yíng)養(yǎng)級(jí),結(jié)合碳氮同位素值也用來判別食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和水生生物的洄游和遷移路線[30]?也有研究認(rèn)為每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)碳氮同位素變化范圍0‰~1‰和3‰~5‰太寬,生物個(gè)體內(nèi)部不同組織之間?生物群落和復(fù)雜的棲息環(huán)境時(shí)空變化都會(huì)有不同碳氮同位素值,所以用碳氮同位素界定營(yíng)養(yǎng)級(jí)等需要有固定的生物群落?食物鏈以及明確的個(gè)體組織的同位素值變化[31]?

2.5湖泊沉積物反硝化作用的研究

反硝化作用是氮循環(huán)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),將硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為大氣氮?dú)?維持著生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的穩(wěn)定?在湖泊沉積物中,由于上層水體以及地下水等不同氮同位素組成氮源的輸入以及硝化作用的氮同位素分餾,單純的氮同位素技術(shù)不能較好地進(jìn)行沉積物反硝化作用的研究?但是將氮同位素結(jié)合氧同位素進(jìn)行沉積物硝化?反硝化作用的研究可以取得較好的效果[32,33],這是因?yàn)樵诜聪趸饔玫拿撗踹^程中,其殘余NO3-的氧同位素組成按照嚴(yán)格的2∶1反硝化作用比率進(jìn)行富集?將湖泊沉積物中NH4+?NO3-?有機(jī)氮的氮同位素比值,NO3-的氧同位素比值,以及孔隙水和其他不同時(shí)期水源水的氫?氧同位素比值有機(jī)地結(jié)合起來,可以認(rèn)識(shí)湖泊沉積物中反硝化作用的生物地球化學(xué)機(jī)理,并能大致圈定硝化-反硝化界面和判定反硝化作用發(fā)生的大致時(shí)間?

2.6氮同位素的其他應(yīng)用

氮同位素與其他同位素聯(lián)合研究用途更廣泛,例如碳氮同位素示蹤物質(zhì)的來源及演化,氮氧雙同位素確定水體硝酸鹽的來源更精確[34],陰陽離子是水體特征元素,利用陰陽離子濃度和氮同位素聯(lián)合,也可鑒別水體氮來源?

在湖泊生物地球化學(xué)循環(huán)研究中,營(yíng)養(yǎng)元素C?N?S?P等并不是孤立地進(jìn)行環(huán)境化學(xué)過程,而是相互聯(lián)系?相互制約的耦合過程,如湖泊富營(yíng)養(yǎng)化過程中不僅氮磷循環(huán)耦合,而且還受碳化合物的影響抑制水華繁殖,改變氮循環(huán)途徑?湖泊沉積物有機(jī)質(zhì)降解可使碳酸鹽孔隙水化學(xué)組成明顯變化?

3湖泊氮的同位素特征及其影響因素

3.1湖泊氮的同位素特征

不同來源的氮或不同形態(tài)的氮具有相異的氮同位素組成?湖泊氮源有:大氣干濕沉降?生物固氮?地下水?農(nóng)業(yè)施肥等面源;地表徑流?工業(yè)廢水?生活污水等點(diǎn)源?

1)大氣干濕氮沉降?大氣干濕沉降中δ15N范圍較大,雨水氮δ15N為-30‰~+2‰,雨水NH4+的δ15N為-30‰~0‰,雨水NO3-的δ15N為-10‰~+2‰?這是因?yàn)榇髿獾獊碓磸?fù)雜,土壤和動(dòng)物排泄物中的氨揮發(fā),土壤和地表水環(huán)境里發(fā)生的硝化和反硝化過程,雷電轉(zhuǎn)化,化石燃料的燃燒等都會(huì)影響大氣氮同位素的組成?

2)生物固氮?湖泊中固氮作用是以藻類為主將分子氮還原為氨,其δ15N與大氣N2的δ15N相當(dāng)?

3)農(nóng)業(yè)肥料?農(nóng)業(yè)肥料包括無機(jī)肥料和有機(jī)肥料,無機(jī)肥料是合成化肥,δ15N為-6‰~+6‰?有機(jī)肥料來源多樣,如植物堆肥?人畜糞肥等,δ15N在+2‰~+30‰之間變化,其中人畜糞肥δ15N為+8‰~+20‰?

4)工業(yè)和生活污水?這些污水中通常有較高的氮同位素組成,主要原因是14N 氨的揮發(fā),15N留在未揮發(fā)的氨中,δ15N為+4‰~+19‰?

5)土壤有機(jī)氮?土壤環(huán)境也是個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng),土壤中的有機(jī)氮來自植物殘?bào)w或農(nóng)業(yè)肥料或地表地下水污染等,在微生物的作用下經(jīng)過礦化或硝化反硝化等生物地球化學(xué)過程,δ15N為+2‰~+8‰?

3.2湖泊氮的同位素影響因素

穩(wěn)定同位素分餾是同一元素的不同同位素之間由于質(zhì)量上的差異,理化性質(zhì)和生物?物理及化學(xué)反應(yīng)過程中表現(xiàn)有所不同,從而反應(yīng)物和生成物在同位素組成上存在差異?

生物地球化學(xué)過程中氮同位素存在不同的分餾作用?生物固氮(N2-NH3)?有機(jī)氮礦化(Organic N-NH4)中同位素分餾效應(yīng)小[35-37],而吸收同化?硝化和反硝化過程中氮同位素分餾較大,吸收同化氮同位素分餾在-27‰~0‰,硝化作用(NH4-NO2-NO3)同位素分餾在-29‰~-12‰[38],反硝化作用(NO3-N2O-N2)硝酸鹽的氮分餾系數(shù)在-40‰~-5‰[39]?

湖泊氮的同化吸收優(yōu)先吸收輕元素使得有機(jī)物同位素值低,而水中的無機(jī)氮富集重元素同位素值高;硝化作用氨優(yōu)先轉(zhuǎn)化輕元素也使水中殘留的氨富集重同位素,反硝化作用硝酸根輕元素優(yōu)先反應(yīng),剩下的水中硝酸根富集重同位素[40]?在氮限制湖泊,所有的無機(jī)氮全部吸收同化為有機(jī)質(zhì),那么有機(jī)氮和無機(jī)氮同位素值相同[41,42]?

水環(huán)境中氮的同位素特征體現(xiàn)的是物源信息和生物地球化學(xué)過程的綜合反應(yīng)?例如湖泊沉積物是湖泊重要的物質(zhì)歸宿,進(jìn)入湖水中的氮素等營(yíng)養(yǎng)物,在一定條件下,由于吸附?沉降及水生動(dòng)植物的排泄?死亡等作用,累積在湖泊底部而進(jìn)入湖泊沉積物中?當(dāng)水環(huán)境理化性質(zhì)改變時(shí),一部分營(yíng)養(yǎng)物又可能通過解吸?溶出分解等過程從沉積物中釋放出來,對(duì)上覆水體的生源要素具有重要的“源/匯”效應(yīng),對(duì)水體的理化特征有較大的影響[43,44],其中所發(fā)生的生物地球化學(xué)過程對(duì)整個(gè)湖泊系統(tǒng)物質(zhì)的生物地球化學(xué)循環(huán)都起著重要的影響作用?所以,水體δ15N的變化趨勢(shì)盡管與陸源輸入和浮游植物的組成和生長(zhǎng)狀況有關(guān),還與沉積物內(nèi)源效應(yīng)有關(guān)[45,46]?

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(責(zé)任編輯潘峰)

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(責(zé)任編輯潘峰)