最新5海洋营养元素课件.ppt
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1、一、营养盐的构成海洋植物与动物生长所必需的元素海洋植物与动物生长所必需的元素所有生物所有生物必需元素必需元素部分生物部分生物必需元素必需元素少量生物少量生物必需元素必需元素H、C、N、O、Na、Mg、P、S、Cl、K、Mn、Ca、Fe、Co、Zn、SeSi、V、Co、Mo、I、B、F、Cr、Br、Ru、SnLi、Al、Ni、Sr、Ba启示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间冰期海洋生物生产力和大气生产力和大气CO2变化的原因。变化的原因。l 了解海洋氮循环对于阐释海洋生态系功能和全球气了解海洋氮循环对于阐释海洋生态系功能和全球气候变化具有重要意义。候变化
2、具有重要意义。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。Codispoti et al,1985Gruber and Sarmiento,1997Codispoti et al.,2001Brandes and Devol,2002Gruber,2003TgN/a0100200300400500600sources sinks 1905全球海洋氮收支平衡的估算全球海洋氮收支平衡的估算海洋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的速率环
3、关键过程的速率特征缺乏信息。特征缺乏信息。二、氮的存在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有机胺有机胺海洋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
4、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各种形态氮的浓度形态形态开阔大洋开阔大洋表层水表层水开阔大洋开阔大洋深层水深层水沿岸海域沿岸海域海水海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(so
5、luble 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,包括有水解条件有关,包括有机磷、焦磷酸盐、无机磷聚合物,机磷、焦磷酸盐、无机磷聚合物,SNPDOP。磷存在形态:测定问题测定问题l TDP的测定:的测定:高强度紫外光高强度紫外光/高温湿法氧化高温湿法氧化/二者结二者结合将合将SNP转化为转化为DIP,用磷钼蓝法测量。存在问题:,用磷钼蓝法测量。存在问题:无法定量转化。无法定量转化。l 生物可利用磷生物可利用磷(biologically available P,BAP):包括无机包括无机磷酸盐和磷酸盐和SNP中部分生物可利用的
6、组分,尚没有常中部分生物可利用的组分,尚没有常规测量方法。规测量方法。磷存在形态:测定问题测定问题三、海洋磷的收支状况l 天然总磷输入通量:(天然总磷输入通量:(2.63.3)1011 molP/a;考虑;考虑人类活动影响:(人类活动影响:(7.415.6)1011 molP/a。l 所输送总磷主要以颗粒态存在,大多在近海沉降迁所输送总磷主要以颗粒态存在,大多在近海沉降迁出,进入海洋磷循环的主要是溶解态磷。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:(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:径流输入径流输入磷输入海洋的主
7、要路径,河流磷主要来自陆地岩磷输入海洋的主要路径,河流磷主要来自陆地岩石和土壤的风化。石和土壤的风化。l 大气沉降输入总磷通量:大气沉降输入总磷通量:4.5 1010 molP/a,活性无,活性无机磷占机磷占25-30%。l 气溶胶磷的溶解度:气溶胶磷的溶解度:受来源、颗粒大小、海表面气受来源、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:1 1010 molP/a(假设(假设气溶胶磷溶解度为气溶胶磷溶解度为22%)。)。海洋磷来源:大气沉降大气沉降l 火山喷发是区域性的,仅在有限时空尺度上产生火山喷发是区域性的,
8、仅在有限时空尺度上产生影响。影响。l 少量研究显示,对于区域海洋,火山活动输入的少量研究显示,对于区域海洋,火山活动输入的DIP可能要远高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:火山活动火山活动l 磷从水体迁出的最重要途径:磷从水体迁出的最重要途径:生物吸收、结合进入生物吸收、结合进入沉降颗粒有机物、埋藏于沉积物。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:3.3 1013 molC/a(Jahnke,1996),结合),结
9、合Redfield比(比(P/C=1:106)。海洋磷的迁出:有机质的埋藏有机质的埋藏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1.45 1010 molP/a(Froelich等,等,1982)。但此后通过洁净。但此后通过洁净技术的研究发现,技术的研究发现,CaCO3结合的结合的P浓度比报道值低浓度比报道值低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,通过铁水合氧化物涂敷于贝壳表面,从而吸附到贝从而吸附到贝壳,由此迁出的磷通量为(壳,由此迁出的磷通量为(4.05.3)1010 m
10、olP/a。海洋磷的迁出:黏土、铁水合氧化物的吸附与沉淀黏土、铁水合氧化物的吸附与沉淀l 一直被视为重要迁出途径,但迁出通量难以确定。一直被视为重要迁出途径,但迁出通量难以确定。l 磷灰石的形成:磷灰石的形成:进入海底的颗粒磷有进入海底的颗粒磷有90%被再矿化被再矿化并释放至间隙水,随后沉淀形成。估计与微生物活并释放至间隙水,随后沉淀形成。估计与微生物活动、动、Eh、pH等有关。等有关。l 自生磷矿物的普遍性:自生磷矿物的普遍性:以往一直认为自生磷矿物仅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。但最近在特定海域或地质时期形成,如上升流区。但最近在沿岸、非上升流区、开阔大洋均
11、发现自生磷矿物。在沿岸、非上升流区、开阔大洋均发现自生磷矿物。l 通量:通量:8 1010 molP/a(Ruttenberg,1993;Filippelli和和Delaney,1996)。海洋磷的迁出:磷灰石的埋藏磷灰石的埋藏l 热液活动可能是海洋磷的净迁出而非净输入源:热液活动可能是海洋磷的净迁出而非净输入源:热液输入的大量还原性铁被氧化形成水合氧化物,热液输入的大量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:0.4 1010 molP/a(Froelich等,等,1982)。)。海洋磷的迁出:热液作用热液作用海洋磷的收支状况(1010 m
12、olP/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海洋中P的停留时间五、海洋中磷的含量与分布活性磷酸盐(活性磷酸盐(SRP):):l 全球海洋全球海洋SRP平均浓度:平均浓度:2.3 Ml 表层表层SRP随离岸距离增加而降低,最低浓度出现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在北太平洋和北大西洋l 1000m以深,以深,SRP落于落于23 M,受热盐环流影响。,受热盐环流影响。l 沿岸海域有比较明显的季节变
13、化沿岸海域有比较明显的季节变化三大洋SRP的典型垂直分布开阔大洋上层水体SRP的时间变化北太平洋亚热带海域真光层北太平洋亚热带海域真光层北太平洋亚热带海域初级生产力的时间变化l 增温,水体层化加强,深层水提供至真光层的营养盐减少增温,水体层化加强,深层水提供至真光层的营养盐减少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。生物生长的限制性营养盐由氮向磷转化。溶解非活性磷酸盐(SNP)l 表层水表层水SNP:200 nM(北太平洋和北大西洋)(北太平洋和北大西洋)1.7 M(Azov sea)l 深
14、层水深层水SNP浓度:一般浓度:一般0.3 Ml 沿岸海域表层水沿岸海域表层水SNP浓度一般较高浓度一般较高l 沿岸海域,沿岸海域,SNP可占可占TDP的的0-50%,而在开阔大洋,而在开阔大洋,SNP所占份额可高达所占份额可高达75%,某些海域甚至发现,某些海域甚至发现SNP比比SRP高一个数量级高一个数量级颗粒磷(PP)l 颗粒磷的研究甚至比颗粒磷的研究甚至比SNP更少。更少。l 颗粒磷浓度:颗粒磷浓度:0.3 M。l 沉降颗粒物的沉降颗粒物的C:P比大多为比大多为106-117:1,与新鲜有,与新鲜有机物和机物和Redfield比值接近,说明其中的比值接近,说明其中的P绝大多数绝大多数与
15、海洋有机物相结合。与海洋有机物相结合。l 高颗粒磷经常出现在高生产力的沿岸或上层水体。高颗粒磷经常出现在高生产力的沿岸或上层水体。一、硅循环的重要性l 对浮游生物种类组成对浮游生物种类组成的的影响影响:若若硅酸盐硅酸盐比比现在低现在低100倍,生倍,生产力可能维持同样水平,但产力可能维持同样水平,但很少有硅藻和放射虫,碳输很少有硅藻和放射虫,碳输出也出也会会发生变化。发生变化。第4节 硅的生物地球化学循环l SiO2:石英、玻璃、蛋白石(石英、玻璃、蛋白石(Opal)l 硅酸盐矿物:硅酸盐矿物:长石(长石((Na,K)AlSi3O8、CaAl2Si2O8)、)、黏土矿物(黏土矿物(Al2Si2
16、O5(OH)4)含硅矿物二、海水中硅的存在形态与储库(aq)Si(OH)O2H(s)SiO422-43Si(OH)HSi(OH)O.9%95SiOSi(OH)T24.1%4SiOOSi(OH)T2-325C,0.6 M NaCl溶液:溶液:+2-3424H SiO H +H SiO *-9.471K =10*-12.602K=10pH=8.1:溶解态硅的主要存在形态三、海洋硅循环溶解态硅的收支平衡状况(溶解态硅的收支平衡状况(1014 gSiO2/a)输入输入迁出迁出河流输送溶解态硅河流输送溶解态硅4.3蛋白石的埋藏蛋白石的埋藏10.4海底热液作用海底热液作用0.9河口区的无机吸附河口区的无机
17、吸附0.4沉积物间隙水向上扩散沉积物间隙水向上扩散5.7合计合计10.910.8海洋硅循环路径蛋白石(Opal)的产生l 生物与非生物过程均可通过硅酸盐分子的聚合产生物与非生物过程均可通过硅酸盐分子的聚合产生无定形固体,称为蛋白石(生无定形固体,称为蛋白石(Opal)。)。l 非生物沉淀过程仅在区域海域比较重要,如溶解非生物沉淀过程仅在区域海域比较重要,如溶解态硅酸盐含量很高的沉积物间隙水和河口区。态硅酸盐含量很高的沉积物间隙水和河口区。l 硅也会以结晶的形式如石英存在。硅也会以结晶的形式如石英存在。蛋白石:蛋白石:SiO2xH2O,x=2石英:石英:SiO2l 由隶属浮游植物的由隶属浮游植物
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