海洋营养元素学习教案.pptx
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1、会计学1海洋海洋(hiyng)营养元素营养元素第一页,共109页。微量/痕量营养盐:Fe、Mn、Co、Zn、Se等主要营养盐:N、P、Si;海洋(hiyng)初级生产过程和食物链的基础营养盐的构成(guchng)第1页/共108页第二页,共109页。二、营养盐循环(xnhun)含量与分布不均含量与分布不均匀,存在明显的匀,存在明显的季节与区域季节与区域(qy)变化变化第2页/共108页第三页,共109页。一、海洋(hiyng)氮循环在气候变化中的作用第2节 氮的生物(shngw)地球化学循环生物体重要生物体重要(zhngyo)组成元素组成元素第3页/共108页第四页,共109页。地球(dqi)
2、大气的初始氧化 Berman-Frank等,2003,Res.Microbiol第4页/共108页第五页,共109页。冰期间冰期大气(dq)CO2变化变化变化机制?机制?共识:共识:海洋的作用海洋的作用Sigman&Boyle,Nature,2000第5页/共108页第六页,共109页。假说三:海洋反硝化作用机制(Ganeshram等,Nature,1995;Altabet等,Nature,1995;Ganeshram等,Paleoceanogr.,2000)冰期时海洋反硝化作用降低 增加海洋结合态氮储库 激发生物生产力 有机碳输出通量增加 吸收更多大气CO2三个假说(ji shu)假说一:陆
3、架侵蚀机制(McElroy,Nature,1983;Culter等,EPSL,2003)冰期海平面低 陆架区暴露于空气 间冰期累积的有机物风化侵蚀 增加海洋结合态氮储库 促进光合作用 吸收更多大气CO2假说二:海洋固氮作用机制假说二:海洋固氮作用机制(Falkowski,Nature,1997;Broecker and Henderson,Paleooceanogr,1998;Michaels等等,Oceanography,2001;Karl等等,Biogeochemistry,2002)冰期大气冰期大气Fe沉降通量增加沉降通量增加 海洋固氮作用增强海洋固氮作用增强 增加海洋结合态氮增加海洋结
4、合态氮储库储库 激发生物生产力激发生物生产力 有机碳输出通量增加有机碳输出通量增加 吸收更多大气吸收更多大气CO2第6页/共108页第七页,共109页。启示(qsh)l l海洋氮储库变化可能是导致冰期海洋氮储库变化可能是导致冰期间冰期海洋生物生间冰期海洋生物生产力和大气产力和大气CO2变化的原因。变化的原因。l l了解海洋氮循环对于了解海洋氮循环对于(duy)阐释海洋生态系功能和阐释海洋生态系功能和全球气候变化具有重要意义。全球气候变化具有重要意义。l l氮循环一直是海洋科学经久不衰的热点研究领域。氮循环一直是海洋科学经久不衰的热点研究领域。第7页/共108页第八页,共109页。全球(qunq
5、i)海洋氮收支平衡的估算海洋(hiyng)氮循环研究现状对各形态氮含量与对各形态氮含量与分布有一定了解,分布有一定了解,对循环路径有定性对循环路径有定性认识,但有关氮循认识,但有关氮循环关键过程环关键过程(guchng)的速率的速率特征缺乏信息。特征缺乏信息。第8页/共108页第九页,共109页。二、氮的存在(cnzi)形态与储库价态价态分子式分子式名称名称+5NO3-硝酸盐硝酸盐+4NO2二氧化氮二氧化氮+3NO2-亚硝酸盐亚硝酸盐+2NO一氧化氮一氧化氮+1N2O氧化亚氮氧化亚氮0N2氮气氮气-1NH2OH羟胺羟胺-2N2H4肼(联氨)肼(联氨)-3NH3氨气氨气NH4+铵盐铵盐RNH2有
6、机胺有机胺第9页/共108页第十页,共109页。海洋(hiyng)氮储库储库储库氮储量(氮储量(1015 gN)所占份额(所占份额(%)海洋植物海洋植物0.300.001海洋动物海洋动物0.170.0007微生物微生物0.020.00006无生命的溶解有机物无生命的溶解有机物5302.3无生命的颗粒有机物无生命的颗粒有机物3-2400.01-0.1氮气氮气2200095.2氮氧化物氮氧化物0.20.009硝酸盐硝酸盐5702.5亚硝酸盐亚硝酸盐0.50.002铵盐铵盐70.03合计合计100第10页/共108页第十一页,共109页。各种(zhn)形态氮的浓度形态形态开阔大洋开阔大洋表层水表层水
7、开阔大洋开阔大洋深层水深层水沿岸海域海沿岸海域海水水河口水体河口水体 泻湖水体泻湖水体(M)N2800115070011007001100NO3-0.23503003500.12.7NO2-0.10.1020300.020.16NH4+0.5302506000.021.7DON533105150270PON0.4无机磷酸盐。无机磷酸盐。l溶解非活性磷(溶解非活性磷(soluble nonreactive P,SNP):):TDP-SRP。SNP与分析所用氧化与分析所用氧化/水解条件有关水解条件有关(yugun),包括有机磷、焦磷酸盐、无机磷聚合物,包括有机磷、焦磷酸盐、无机磷聚合物,SNPDO
8、P。磷存在形态:测定(cdng)问题第49页/共108页第五十页,共109页。lTDP的测定:高强度紫外光的测定:高强度紫外光/高温湿法氧化高温湿法氧化/二者结合将二者结合将SNP转化为转化为DIP,用磷钼蓝法测量。存在问题:无法定,用磷钼蓝法测量。存在问题:无法定量转化。量转化。l生物可利用磷(生物可利用磷(biologically available P,BAP):包括):包括无机磷酸盐和无机磷酸盐和SNP中部分生物可利用的组分中部分生物可利用的组分(zfn),尚,尚没有常规测量方法。没有常规测量方法。磷存在形态(xngti):测定问题第50页/共108页第五十一页,共109页。三、海洋磷
9、的收支(shu zh)状况第51页/共108页第五十二页,共109页。l天然总磷输入通量:(2.63.3)1011 molP/a;考虑人类活动影响:(7.415.6)1011 molP/a。l所输送总磷主要以颗粒(kl)态存在,大多在近海沉降迁出,进入海洋磷循环的主要是溶解态磷。l工业革命前进入海洋的总溶解态磷通量:(315)1010 molP/a。海洋磷来源:径流(jngli)输入磷输入(shr)海洋的主要路径,河流磷主要来自陆地岩石和土壤的风化。第52页/共108页第五十三页,共109页。l大气沉降大气沉降(chnjing)输入总磷通量:输入总磷通量:4.51010 molP/a,活性无机
10、磷占,活性无机磷占25-30%。l气溶胶磷的溶解度:受来源、颗粒大小、海表面气气溶胶磷的溶解度:受来源、颗粒大小、海表面气象条件、生物学状况等影响。象条件、生物学状况等影响。l大气输入海洋磷循环的通量:大气输入海洋磷循环的通量:11010 molP/a(假(假设气溶胶磷溶解度为设气溶胶磷溶解度为22%)。)。海洋磷来源(liyun):大气沉降第53页/共108页第五十四页,共109页。l火山喷发是区域性的,仅在有限时空尺度上产生影响。火山喷发是区域性的,仅在有限时空尺度上产生影响。l少量研究少量研究(ynji)显示,对于区域海洋,火山活动输入显示,对于区域海洋,火山活动输入的的DIP可能要远高
11、于大气沉降输入的量(可能要远高于大气沉降输入的量(Resing,1997)。)。海洋磷来源:火山(hushn)活动第54页/共108页第五十五页,共109页。l磷从水体迁出的最重要途径:生物磷从水体迁出的最重要途径:生物(shngw)吸收、结吸收、结合进入沉降颗粒有机物、埋藏于沉积物。合进入沉降颗粒有机物、埋藏于沉积物。l磷的埋藏通量:(磷的埋藏通量:(2.83.1)1011 molP/a 埋藏于海埋藏于海底(底(1000 m)的有机碳通量:)的有机碳通量:3.31013 molC/a(Jahnke,1996),结合),结合Redfield比比(P/C=1:106)。海洋(hiyng)磷的迁出
12、:有机质的埋藏第55页/共108页第五十六页,共109页。l磷结合进入磷结合进入CaCO3壳体:壳体:CaCO3-P埋藏通量估计为埋藏通量估计为1.451010 molP/a(Froelich等,等,1982)。但此后通)。但此后通过洁净技术的研究发现,过洁净技术的研究发现,CaCO3结合的结合的P浓度比报道浓度比报道(bodo)值低值低10%以上(以上(Palmer,1985;Sherwood等,等,1993)。)。l通过铁水合氧化物涂敷于贝壳表面,从而吸附到贝壳,通过铁水合氧化物涂敷于贝壳表面,从而吸附到贝壳,由此迁出的磷通量为(由此迁出的磷通量为(4.05.3)1010 molP/a。海
13、洋(hiyng)磷的迁出:黏土、铁水合氧化物的吸附与沉淀第56页/共108页第五十七页,共109页。l一直被视为重要一直被视为重要(zhngyo)迁出途径,但迁出通量难迁出途径,但迁出通量难以确定。以确定。l磷灰石的形成:进入海底的颗粒磷有磷灰石的形成:进入海底的颗粒磷有90%被再矿化并被再矿化并释放至间隙水,随后沉淀形成。估计与微生物活动、释放至间隙水,随后沉淀形成。估计与微生物活动、Eh、pH等有关。等有关。l自生磷矿物的普遍性:以往一直认为自生磷矿物仅在自生磷矿物的普遍性:以往一直认为自生磷矿物仅在特定海域或地质时期形成,如上升流区。但最近在沿特定海域或地质时期形成,如上升流区。但最近在
14、沿岸、非上升流区、开阔大洋均发现自生磷矿物。岸、非上升流区、开阔大洋均发现自生磷矿物。l通量:通量:81010 molP/a(Ruttenberg,1993;Filippelli和和Delaney,1996)。)。海洋(hiyng)磷的迁出:磷灰石的埋藏第57页/共108页第五十八页,共109页。l热液活动可能是海洋磷的净迁出而非净输入源:热液输热液活动可能是海洋磷的净迁出而非净输入源:热液输入的大量入的大量(dling)还原性铁被氧化形成水合氧化物,还原性铁被氧化形成水合氧化物,清除海水中的溶解磷。清除海水中的溶解磷。l迁出通量:迁出通量:0.41010 molP/a(Froelich等,等
15、,1982)。)。海洋(hiyng)磷的迁出:热液作用第58页/共108页第五十九页,共109页。海洋(hiyng)磷的收支状况(1010 molP/a)热液作用:热液作用:0.4-0.65大气输入:大气输入:1河流输入:河流输入:3-15海洋储量 32,000磷灰石:磷灰石:8Fe水合氧化物水合氧化物:1.5-5.3有机质埋藏:有机质埋藏:1.1-4.1第59页/共108页第六十页,共109页。海洋(hiyng)中P的停留时间第60页/共108页第六十一页,共109页。五、海洋(hiyng)中磷的含量与分布活性磷酸盐(活性磷酸盐(SRP):):l全球海洋SRP平均浓度:2.3 Ml表层(bi
16、ocng)SRP随离岸距离增加而降低,最低浓度出现在北太平洋和北大西洋l1000m以深,SRP落于23 M,受热盐环流影响。l沿岸海域有比较明显的季节变化第61页/共108页第六十二页,共109页。三大洋(dyng)SRP的典型垂直分布第62页/共108页第六十三页,共109页。开阔大洋(dyng)上层水体SRP的时间变化北太平洋亚热带海域(hiy)真光层第63页/共108页第六十四页,共109页。北太平洋亚热带海域初级(chj)生产力的时间变化l l增温,水体增温,水体增温,水体增温,水体(shu t)(shu t)层化加强,深层水提供至真光层的营养盐减少层化加强,深层水提供至真光层的营养盐
17、减少层化加强,深层水提供至真光层的营养盐减少层化加强,深层水提供至真光层的营养盐减少l l生物群落结构发生变化,固氮作用加强,初级生产力升高,生物生物群落结构发生变化,固氮作用加强,初级生产力升高,生物生物群落结构发生变化,固氮作用加强,初级生产力升高,生物生物群落结构发生变化,固氮作用加强,初级生产力升高,生物生长的限制性营养盐由氮向磷转化。生长的限制性营养盐由氮向磷转化。生长的限制性营养盐由氮向磷转化。生长的限制性营养盐由氮向磷转化。第64页/共108页第六十五页,共109页。溶解(rngji)非活性磷酸盐(SNP)l表层水SNP:200 nM(北太平洋和北大西洋)1.7 M(Azov s
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