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《中国科学院研究生院(海洋研究所)》 2003年
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黄海沉积物中氮的粒度结构及在生物地球化学循环中的作用 

吕晓霞  
【摘要】:本文首次对黄海不同粒度沉积物中氮的形态特征及其在生物地球化学循环中的作 用进行了研究,主要探讨了黄海沉积物中氮的粒度结构、不同粒度沉积物中不同形态的 氮形成与释放的驱动机制、沉积物中有机氮的早期成岩作用、不同形态氮的潜在生态学 功能以及对氮循环的贡献,得到了一系列新的认识和观点,在黄海沉积物中氮的海洋生 物地球化学循环研究上取得了一些突破: 1. 首次获得了黄海不同形态氮的粒度结构。不同形态的氮在黄海不同粒度沉积物中有 着不同的分布趋势。在南黄海表层沉积物中,不同形态氮在不同粒度沉积物(由粗到细) 中的含量比值分别为:1:1.76:2.52(IEF-N),1:1.35:1.93(WAEF-N),1:1.42: 2.19(SAEF-N),1:4.42:9.23(SOEF-N),1:2.40:3.44(TN);北黄海沉积物中不 同形态氮在中、细粒度沉积物中的比值分别为:1:1.28(IEF-N),1:1.60(WAEF-N), 1:3.99(SAEF-N),1:1.38(SOEF-N),1:1.28(TN)。在黄海沉积物中,不同形态 氮在细粒度沉积物中的含量最高,在粗粒度沉积物中的含量最低(除了有生物碎屑以 外),即细粒度沉积物对不同形态氮的吸附和承载作用较强,从而赋存了更多的氮。在 南黄海表层沉积物中,随粒度的由粗到细,无机态氮的含量逐渐降低(40%20%14 %),而有机态氮的含量逐渐升高(60%80%86%)。 2. 揭示了黄海沉积物中不同形态氮的地球化学特征。在南黄海不同粒度的沉积物中, SOEF-N 是可转化态氮的绝对优势形态,在总氮的含量中最高,IEF-N 次之,为可转化 无机氮的优势形态,SAEF-N 再次之,WAEF-N 最低。在自然粒度沉积物中,可转化态 氮占总氮量的 25.33-59.87%,平均占总氮量的 38.57%;在可转化态氮中,不同形态氮 按 10%(IEF-N)、3%(WAEF-N)、6%(SAEF-N)以及 81%(SOEF-N)的比例分配。 在北黄海沉积物中,SOEF-N 依然是可转化态氮的绝对优势形态,平均占总氮量的 16.85 %,但与南黄海不同,SAEF-N 是自然粒度与细粒度沉积物中可转化无机氮的绝对优势 形态,在自然粒度沉积物中平均占可转化无机氮的 63.61%,IEF-N 的含量低于 SAEF-N 而高于 WAEF-N 的含量,WAEF-N 依然是含量最低的形态。进一步说明了南、北黄海 沉积物中不同形态氮的形成对不同环境因素的不同响应。 3. 研究揭示了控制黄海沉积物中有机氮的早期成岩作用的某些关键过程。北黄海沉积 物中有机质的早期成岩作用通常在上层沉积物中发生,且沉积物的粒度越粗,沉积物中 有机质的矿化作用越快,不同粒度沉积物中有机氮的分解速率常数分别为:42.28×10-3 (粗粒度)、20.48×10-3(中粒度)和 5.37×10-3(细粒度),即粗粒度沉积物中有机质 的分解速率常数比细粒度沉积物中的高一个数量级,是中粒度沉积物中的 2 倍,这也是 黄海粗粒度沉积物中不同形态氮的含量较低的重要原因。 4. 初步阐明了黄海沉积物中的氮在生物地球化学循环中的作用和潜在的生态学功能。 I WP=5 摘 要 南黄海不同粒度不同形态氮的形成与释放受不同因素的影响,其中,上覆水体中 DO 的 含量是最直接的影响因子,另外,温度、盐度、pH 值、以及上覆水体中 NH4 和 NO3 + - 的含量都对沉积物中不同形态氮的形成与释放有一定的影响。南黄海不同的海洋生物对 不同粒度沉积物中的不同形态氮有不同的响应,一般情况下,细粒度沉积物中可转化各 形态氮与浮游植物、底栖生物有较密切的关系,而中、粗粒度沉积物中的可转化态氮主 要与浮游动物有关。在不同粒度表层沉积物中的四种可转化态氮中,SOEF-N和SAEF-N 能显著地促进浮游植物的生长繁殖,提高海域的生产力,但整体上来说,氮无论以什么 形态存在,只有转化为 NH4-N 和 NO3-N 后,其潜在的生态学功能才能得以体现。黄海 沉积物中氮的埋葬效率在不同的海区呈现出不同的趋势,在南黄海海域,沉积物粒度越 粗的海区,氮的埋葬效率越高,最高可达 30.21%,而在沉积物粒度较细的海域,氮的 埋葬效率较低,仅为 16.52%,即南黄海表层沉积物中约有 70%以上的氮最终都能释放 而参与循环;而北黄海沉积物中氮的埋葬效率却呈现出不同的趋势,其无机氮的埋葬效 率较低,而总氮和有机氮的埋葬效率则很高,即各站位沉积物中的绝大部分无机氮(85 %以上的 IEF-N、95%的 WAEF-N 和 77%以上的 SAEF-N)可释放进入水体参与再循环, 而最多只有 56.62%的 SOEF-N 和 24.01%的 TN 能被释放进入再循环。在释放的氮都能 参与循环的情况下,南黄海表层沉积物每年可释放 19.54×109molN 参与海洋生产,占 本海区海洋新生产力所需的氮 6.54%,而北黄海沉积物每年则可释放 65.31×107molN 进入水体参与再循环,可达到此海区海洋新生产力所需的氮 12.03%,即不同海域沉积 物中所释放的氮对该海域海洋新生产力具有一定的补充和调控作用,在氮的生物地球化 学循环中具有重要地位。
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