第5章 主要生源要素的生物地球化学循环

北太平洋HOTS站总溶解氮（TDN) 与总溶解磷(TDP)的关系
二、磷的存在形态与储库
海水中的总磷（TP）可分为颗粒磷（PP）和
总溶解磷（TDP）（TP=PP+TDP）， 在大 多数开阔海洋环境中，TDP储库一般远远超 过PP储库。 颗粒磷和总溶解磷均包括无机和有机的磷组 分，因此，PP=POP+PIP，TDP= DOP+DIP。
4HNO3 5CH 2O 5CO2 7H 2O 2N2
反硝化作用发生的条件：
（1）亚氧或缺氧； （2）大量的有机物存在。
全球海洋σt=27等密度面溶解氧的空间分布
五、海洋中氮营养盐的分布
1、全球海洋表层水中NO3-的空间分布
全球海洋表层水中NO3-的空间分亚北极大西 洋，表层海水具有高浓度的NO3-，在任何季 节都不会因浮游植物光合作用而呈缺乏状态， 这些海域称为高营养盐低叶绿素海域。
2、全球海洋深层水中NO3-的空间分布
沿热盐
循环路 径，深 层海水 中NO3的含量 逐渐增 加
全球海洋4000m深度NO3-的空间分布特征




开阔大洋表层水，氮主要存 在于DON中（83%），其次 是PON（7%）、NO3- +NO2河口区 （5%）、NH4+（5%）。 开阔大洋深层水，氮主要以 开阔大 洋表层 NO3 +NO2 形式存在，占比 水 92%，其余以DON存在。 沿岸海域和河口区， NO3+NO2-的比例明显比大洋表 近岸海域 层水来得高，分别占比45% 开阔大 和31%；DON占比降低（沿 洋深层 岸海域18%；河口区13%）；水 NH4+的比例随离岸距离的减 少贡献越大。 PON占比在沿岸海域（3%） 与河口区（8%）与开阔大洋 开阔大洋、沿岸和河口区水体各形态 氮的分配情况 表层水差别不大。
第五章 海水中主要生源要素的生 物地球化学循环
第1节 引言
一、营养盐的构成
海洋植物与动物生长所必需的元素
（1）含量高，不会限制生物生长：CO2、SO42-、 HBO3-、Mg2+、Cl-、K+、Ca2+等，不称为营养盐。 （2）在海水中含量很低：如Fe、Mn、Co、Zn、Se 等，称为痕量营养盐。 （3）在海水中的含量会影响海洋生物生产力与生 态系统结构，是海洋初级生产过程和食物链的基础， 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： N、P、Si，称为主要营养盐。
生物学家的观点：氮限制
大量实测数据表明，海水中的NO3-通常比
PO43-稍早耗完，营养盐缺乏的水体通常仍包 含少量残余的PO43-，而NO3-探测不到。生物 学家同时也发现，往贫营养的水体中加入 NO3-可激发浮游植物的生长，但加入PO43-则 不起作用。因此，海洋中氮的循环调控着海 洋的生物生产力。
1. 无机磷
无机磷形态包括正磷酸盐（H2PO4-、HPO42-、
PO43-）、焦磷酸盐（pyrophosphate，P2O74-） 和缩聚的环状（偏磷酸盐，metaphosphate） 和线状（多聚磷酸盐，polyphosphate）聚合 物。
正磷酸盐和焦磷酸盐主要存在于真溶解态和细胞
内物质中，无机聚合物存在于海洋溶解态、胶体 态和颗粒物中。 正磷酸盐可通过标准的磷钼蓝方法定量地测定， 而焦磷酸盐和无机磷聚合物均需要首先将其水解 为活性磷酸盐后才能测定。
ATP
细胞中的磷酸酯
磷是所有生物进行能量传输和生长所必需的
营养盐，但有关磷在全球海洋浮游生物分布 及其生产力中所起的作用了解得并不多。 一个长期争论的问题：氮/磷哪个海洋生物生 产力的主要限制性营养盐？
地球化学家的观点：磷限制
当NO3-相对PO43-稀少的时候，固氮生物可从
大气获取用之不绝的N2，当这些藻类被摄食 或降解时，以NH4+等形式将氮释放到水体中， 从而增加N:P比。但大气并没有磷储库，一旦 水体中的磷被消耗完，则没有可替代的来源。 从这点看，硝酸盐浓度应追随磷酸盐浓度的 变化而变化，海洋中磷的动力学控制着海洋 的生物生产力。
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
溶解于海水中的N2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。
固氮作用在海洋碳、氮循环中的作用
3、硝化作用

硝化作用：在氧化性海水中，氨极易通过海洋细菌 的作用被氧化成NO2-，并进一步被氧化为NO3-，这 一过程称为硝化作用。
硝化作用包括两个环节，首先是氨的氧化，参与生物是
亚硝基单孢菌（Nitrosomonas），具体反应如下：
3 NH O 2 H 2O NO2 2 H 3O 2
全球海洋无机氮（ NO3- ）与无机磷 （PO43- ）的关系（GEOSECS 数据）
短时间尺度上磷的重要性
有关氮是唯一限制性营养 盐的看法存在明显的缺陷， 其中最重要的一点是忽略 了有机营养盐和痕量金属 元素在浮游生物生长中的 潜在作用； 磷可能是目前部分海域浮 游植物生产力的限制性因 子


主要海洋固氮生物：
蓝藻类、异养细菌类和
光合细菌类。
蓝藻类（cyanobacteria）在海洋中分布最广的是
束毛藻属（Trichodesmium spp.），包括铁氏束 毛藻（T. thiebautii）、汉氏束毛藻（T. hildebrandtii）、红海束毛藻（T.erythraeum）等。
3、开阔大洋NO3-的垂直分布特征
①
② ③
④
表层海水NO3-浓度很低 深层海水NO3-浓度较高 NO3-浓度在真光层底至 1000m之间存在明显的浓 度梯度 北太平洋深层海水NO3浓度高于北大西洋深层水。
4、沿岸海域NO3-的季节 变化

沿岸海域无机氮组分存在 季节变化
夏季：由于浮游植物大量
4
其次是亚硝酸盐的氧化，参与生物是硝化细菌
（Nitrobacter），反应如下：
1 NO O 2 NO3 2
2



初始时，PON 降解产生 NH4+，它激发了亚硝基 单孢菌的生长，这些细 菌将NH4+氧化成NO2-。 此导致水体NH4+浓度降 低，而NO2-浓度升高。 高浓度的NO2-激发硝化 细菌的生长，硝化细菌 将NO2-氧化成NO3-。最 终，所有DIN均被转化为 NO3-。 未被降解的残余PON 主 要由较为惰性的组分构 成，它们无法被好氧海 洋细菌降解。
H3PO4的电离平衡
溶解无机磷各种存在形式的份额取决于海水
的pH值和海水的组成。根据解离平衡常数， 可计算各种形态的份额：
氨以NH4+
下平衡：
和NH3两种形态存在，二者存在如
NH3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）。
pH=8.1时，95%的氨以NH4+形态存在，仅5%以
海洋氮储库
海洋中各种形态氮的浓度
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+、 尿素）来满足其光合作用需要。
当海水中的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：
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。 在沿岸海域， 尿素由于有较快的产生速率，生物对 其的吸收也比较重要。
Redfield比值：
Redfield等（1963）发现，颗粒有机物中的
C:N:P比值非常独特地恒定在106:16:1，因此， 他们推测浮游植物生长所需要的这些元素的比值 也是如此。 自此，Redfield比值被广泛用于评估各种海洋环 境的营养盐限制情况。
基于全球海洋溶解
无机营养盐的测量 结果：在短时间尺 度上，氮是开阔大 洋限制浮游植物生 长的最重要营养盐。
但还原酶还原形成H2，还另外需要2个电子：
N2 8e 8H 2NH3 H 2
生物固氮过程需要消耗大量的能量，同时伴
随着放氢反应，ATP为此反应过程提供所需 的能量。生物固氮的总反应式为：
N2 8e nATP 8H 2NH3 4H2 nADP nPi
三、海洋氮循环路径
海洋的氮输入途径主要包括： （1）火山活动（NH3）； （2）河流； （3）大气。

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。
第五章 海水中主要生源 要素的生物地球化学循环 §三、海洋氮循环路径
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（ NO3- 、 NH4+ ）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

2、固氮作用
海洋固氮作用：海洋中的某些原核生物通过
固氮酶的作用将N2转化为N化合物（如NH4+, DON等）的过程。该过程所释放的N化合物 可为浮游植物和其他微生物提供N营养盐。 固氮酶促成生物固氮作用，将N2还原为NH3 是6个电子的转移过程：