Chapter05-1 海洋化学

§ 5-2 氮的生物地球化学循环
三、海洋氮循环路径及其关键过程
海洋生物固氮作用； 通过物理过程由中深层 向上提供的NO3-； 各 种 形 态 氮 （ NO 3 - N , NH 4 + ,小分子有机氮）被
海洋生物的吸收；
通过颗粒物沉降向中深 层输送的PON；
DON垂向或水平输送；
硝化作用； 反硝化作用。
四、海洋氮循环关键过程
1、氮的生物吸收； 2、固氮作用； 3、硝化作用； 4、反硝化作用。
§ 5-2 氮的生物地球化学循环
四、海洋氮循环关键过程 1、氮的生物吸收 在许多开阔大洋海域，生
物初级生产过程往往受氮
的提供量所限制。由于海 洋中的大部分浮游植物无
法直接利用N2 ，它们必须
通过吸收溶解态氮组分 （如NO3-、NO2-、NH4+、
§ 5-2 氮的生物地球化学循环
三、海洋氮循环路径及其关键过程
海洋的氮输入途径主要包括：
（1）火山活动（NH3）； （2）河流； （3）大气； （4）对于表层海水，还有上升流输送。
火山活动和河流向海洋输送各种无机（NO3-、NO2-、NH4+） 和有机形态（DON、PON）的氮，而大气主要提供N2。
§ 5-2 氮的生物地球化学循环
三、海洋氮循环路径及其关键过程
参与氮循环的关键过程：
海洋生物活动是导致海洋中 氮于各种化学形态之间相互 转化的重要影响因素，其中 生物固氮作用、氮的生物吸 收、硝化作用和反硝化作用 是海洋氮循环的关键过程。
海洋生物活动及其导致的氮形态转化
§ 5-2 氮的生物地球化学循环
在真光层内，营养盐经生物光合作用被吸收，成为生物
有机体组成部分。生物体死亡后下沉到真光层以下，有
机体分解、矿化，营养元素最终以无机化学形式返回到
海水中的过程为营养盐再生(=营养盐循环)。
§ 5-1 概述
三 、
营
养
盐
再
生
§ 5-1 概述
四、海洋中营养盐的某些特征
－营养盐是海洋生命活动的基本要素。
§ 5-2 氮的生物地球化学循环
二、氮的存在形态与储库 >NO3-N>DON>NH4-N>NO2-N
§ 5-2 氮的生物地球化学循环
二、氮的存在形态与储库 海洋中各种形态氮的浓度
海洋的不同区域，各种形态氮之间的相对比例是不同的
二、氮的存在形态与储库 海洋的不同区域，各种形态氮之间的分配是不同的
§ 5-2 氮的生物地球化学循环
二、氮的存在形态与储库
开阔大洋深层水，氮主要以NO3- 和NO2-形式存在，其比例 占92%，其余的以溶解有机氮形态存在。 开阔大洋表层水，氮主要存在于DON中（83%），其次是 PON（7%），再下来是NO3- +NO2-（5%）和NH4+（5%）。 沿岸海域和河口区，NO3- +NO2-的比例明显比大洋表层水 来得高，其比例分别为45%和31%；DON所占比例降低至 18%（沿岸海域）和13%（河口区）；NH 4 + 的比例随离岸 距离的减少贡献越大。 沿岸海域与河口区PON所占比例与开阔大洋表层水差别不 大，分别占3%（沿岸海域）和8%（河口区）。
▪形态转化。
▪时间变化（日变化、季节变化等）明显。
▪空间分布差异很大（物理、化学、生物共同影响）
区域性变化、垂直分布
区域变化例：太平洋年平均硝酸盐浓度
(μmoll−1; Conkrightet al., 1998)
海洋中营养盐的垂直分布
P≈ I >A
I > P>A P>I >A
§ 5-2 氮的生物地球化学循环
（Fe、Mn可能除外）。
§ 5-1 概述
二、来源
●陆源物质：岩石风化物质
有机物腐解产物
排入河川中的废弃物
包括大陆径流、大气中的灰尘和极区冰川作用等输 入途径。 ●海洋生物源有机物质分解（营养盐再生） ●火山及热液活动
§ 5-1 概述
三、营养盐再生（Regeneration of nutrients）
浮游植物光合作用中被吸收，与碳、氧等为构成生物体基本元素。
有较为恒定的吸收比（C:N:P:O=106:16:1:－276，原子比）。 在真光层内是生物量或生产力的限制性因素。
－营养盐的含量、分布、变化和循环主要受生物作用控制
海洋中营养盐的某些特征。 为什么说营养盐是海洋生命活动的基本要素？ ▪再生与循环过程。 营养盐循环是如何受生物作用控制的？
海洋化学
Marine Chemistry
印春生
海洋科学学院
chunshengyin@
第五章 主要生涯要素的生物地球化学循环 §5-1 概述 §5-2 氮的生物地球化学循环 §5-3 磷的生物地球化学循环
§5-4 硅的生物地球化学循环
第五章 主要生涯要素的生物地球化学循环
§ 5-2 氮的生物地球化学循环
二、氮的存在形态与储库 氨离子以NH4+和NH3两种形态存在，二者存在如下平衡：
NH 4 NH 3 H
pH=8.1时，95%氨以NH 4 +形态存在，仅5%以NH 3形态存 在。

海洋中有机氮均以-
3价存在，其中最重要的组分是腐殖
质，其次包括氨基酸、核酸、氨基糖、尿素以及它们的聚 合物（如DNA、RNA、甲壳质Chitin）。
§ 5-1 概述
一、生源要素构成
海洋化学中营养盐（Nutrients）一般指磷、氮、硅元素 的盐类。
海洋浮游植物生长所必须的成分，是海洋生产力和食物 链的基础； 在真光层被浮游植物吸收并限制其生长。
浮游植物生长所需的营养成分还包括海水主要成分、
一些微量元素如F e、M n、C u、Z n、C o、M o等和一些 有机化合物如维生素等，但其含量一般不限制生长
二、氮的存在形态与储库
氮以多种价态存在，其生物地球化学行为异常复杂。
§ 5-2 氮的生物地球化学循环
二、氮的存在形态与储库
海水中溶解氮与大气中氮气的分压/浓度相同吗？
溶解于海水中的N
2分子是最重要的氮存在形态，海水中的
溶解N2接近于与大气达到平衡的数值。
少量以溶解态或颗粒态的无机和有机氮存在。 主要无机形态是NO3-（1~500 μM）、NO2-（0.1~50 μM）、 NH4+（1~50 μM），合起来又称溶解无机氮。
CH3COCOOH(丙酮酸) + HOOCCH(NH2)CH2CH2COOH
→CH3CH(NH2)COOH (丙氨酸) + HOOCCO(CH2)2COOH
§ 5-2 氮的生物地球化学循环
四、海洋氮循环关键过程
1、氮的生物吸收
由于亚硝酸盐比硝酸盐处于较低的氧化态，其转化为有机形
式需要耗费较少的能量。与此类似，浮游植物吸收氨盐或尿 素所耗费的能量更少。 如果将混合了溶解态尿素、氨盐、亚硝酸盐和硝酸盐的溶液 来培养浮游植物，浮游植物利用还原态氮的速率最快。
§ 5-2 氮的生物地球化学循环
海洋氮循环在冰期—间冰期大气CO2变化中的作用。
共识： 海洋的作用 Sigman & Boyle, Nature, 2000
三个假说
假说一：陆架侵蚀机制(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冰期光合作用吸收 更多大气CO2 假说二：海洋固氮作用机制（Falkowski, Nature, 1997; Broecker
and Henderson, Paleooceanogr, 1998; Michaels等, Oceanography, 2001； Karl等, Biogeochemistry, 2002）
冰期大气F e沉降通量增加海洋固氮作用增强增加海洋结 合态氮储库激发生物生产力 在 冰 期有机碳输出通量增加 吸收更多大气CO2 假说三：海洋反硝化作用机制（Ganeshram等，Nature, 1995； Altabet等，Nature, 1995；Ganeshram等，Paleoceanogr., 2000）
Ru, Sn. 少量生物必需元素：Li, Al, Ni, Sr, Ba.
§ 5-1 概述
一、生源要素构成
（1）不称为营养盐：CO2、SO42-、HBO3-、Mg2+、Cl-、
K+、Ca2+等（含量高，不会限制生物生长）。 （2）痕量营养盐：如Fe、Mn、Co、Zn、Se等（在海 水中含量很低）。 （3）主要营养盐： N、P、Si，是海洋初级生产过程和 食物链的基础，其在海水中的含量会影响海洋生物生 产力与生态系统结构，反过来，生物活动又对其在海 水中的含量、分布产生明显影响。
2-
N 2 O 2 6H 4e 2 NH 2 OH
2-
NH 2 OH 2H 2e NH 3 H 2 O HOOCCO(CH2)2COOH(α−酮戊二酸)+NH3+2NADPH
→HOOCCH(NH2)CH2CH2COOH (谷氨酸) + 2NADP+ H2O
§ 5-1 概述
一、生源要素构成
二、来源
三、营养盐循环/再生 四、海洋中营养盐的某些特征
§ 5-1 概述
一、生源要素构成
海洋植物与动物生长所必需的元素。
所有生物必需元素：H, C, N, O, Na, Mg, P, S, Cl, K,
Mn, Ca, Fe, Co, Zn, Se.
部分生物必需元素：Si, V, Co, Mo, I, B, F, Cr, Br,
一、海洋氮循环在气候变化中的作用 二、氮的存在形态与储库 三、海洋氮循环路径及其关键过程 四、海洋氮循环关键过程 五、海洋中氮营养盐的分布 六、人类活动对海洋氮循环的影响
§ 5-2 氮的生物地球化学循环
一、海洋氮循环在气候变化中的作用
氮（N）是海洋生物生长的必需营养元素，它是生物体 中蛋白质、核酸、光合色素等有机分子的重要组成元 素。 氮是许多海域初级生产力和碳输出的主要控制因子，因 而与大气C O 2浓度的变化乃至全球气候变化有密切联
为什么说海洋氮循环影响全球气候变化？/海洋氮循环 系。 是如何影响全球气候变化的？
§ 5-2 氮的生物地球化学循环
地球大气的初始氧化与氮循环密切相关。
Archean： 太古代的； Proterozoic： 原生代的； Phanerozoic： 显生宙的。
Nitogenase: 固氮酶； 地球大气的初始氧化过程 cyanobacteria： （Berman-Frank等, 2003, Res. Microbiol） 藻青菌
尿素）来满足其光合作用
需要。
§ 5-2 氮的生物地球化学循环
当海水中的无机氮进入到生物细胞壁后，通过一系列酶的 作用和合成代谢反应，最终被转化为蛋白质。所发生的重 要合成代谢反应如下：
NO 3 2H 2e 硝酸还原酶 NO 2 H 2 O

一般了解。
2NO 2 4H 4e 亚硝酸还原酶 N 2 O 2 2H 2 O
正基于此，氮循环研究一直是海洋科学经久不衰的热点研
究领域。 研究海洋氮地球化学循环的意义。
§ 5-2 氮的生物地球化学循环
目前对海洋中各形态氮的含量与分布有一定了解，对其循 环路径也有定性认识，但有关海洋氮循环关键过程的速率 特征仍缺乏定量信息。
全球海洋氮收支 平衡的估算
§ 5-2 氮的生物地球化学循环
DON>PON> NH4-N>NO3-N> NO2-N
NH4-N>NO3-N> NO2-N>DON> PON
§ 5-2 氮的生物地球化学循环
NO3-N>NH4-N> DON>NO2-N
NO3-N>NH4-N> DON>NO2-N> PON
开阔大洋、沿岸和河口区水体各形态氮的分配情况（Berman and Bronk, 2003）
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
§ 5-2 氮的生物地球化学循环
解析
冰期—间冰期海洋氮储库的变化可能是导致冰期—间冰期 海洋生物生产力和大气CO2浓度发生变化的重要原因。 了解海洋水体氮的生物地球化学循环对于阐释海洋生态系 统的功能和全球气候变化具有重要意义。