第5章-主要生源要素的生物地球化学循环PPT课件

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 加
有机碳输出通量增 吸收更多大气CO2
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启示
• 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。
冰期大气Fe沉降通量增加 用增强
海洋固氮作
增加海洋结合态氮储库 生物生产力
激发
有机碳输出通量增加
吸
收更多大气CO2
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• 假说三：海洋反硝化作用机制（Ganeshram等，
Nature, 1995；Altabet等，Nature, 1995；Ganeshram等， Paleoceanogr., 2000）
地球大气的初始氧化过程
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• 海洋氮循环在冰期—间冰期大气CO2变化中的作用
变化 机制？
共识： 海洋的作用
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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
• 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）。
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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。
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。
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第2节 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CO2浓度的变化乃至全球气候变化
有密切联系。
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• 地球大气的初始氧化与氮循环密切相关
• 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。
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• 氨离子以NH4+ 和NH3两种形态存在，二者存在如 下平衡：
NH4 + ←⎯→NH3 + H+
pH=8.1时，95%的氨以NH4+形态存在， 仅5%以NH3形态存在。
• 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。
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• 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。
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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。
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• 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。
第5章 主要生源要素的生物地 球化学循环
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第1节 引言
• 一、生源要素构成 海洋植物与动物生长所必需的元素
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（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）。
- 氮被海洋生物吸收的示意图25
• 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：
（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。
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•海 洋 中 主 要 营 养 盐 循 环
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• 由于营养盐参与了生物生命活动的整个过程，它 们的存在形态与分布会受到生物活动的制约，同 时受到化学、地质和水文因素的影响，因此，它 们在海洋中的含量与分布并不均匀，也不恒定， 往往存在明显的季节与区域变化。
促进光合作用 大气CO2
吸收更多
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• 假说二：海洋固氮作用机制（Falkowski,
Nature, 1997; Broecker andHenderson, Paleooceanogr, 1998; Michaels等, Oceanography, 2001；Karl等, Biogeochemistry, 2002）
海洋生物活动及其导致的氮形态转化
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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
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• 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+、尿素）来满 足其光合作用需要。
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• 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
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海洋生物活动 是导致海洋中 氮于各种形态 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）。
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海洋氮储库
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海洋中各种形态氮的浓度
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海洋的不同区域，各种形态氮之间的分配是不同的
开阔大洋、 沿岸和河口 区水体各形 态氮的分配 情况
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• 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）； NH4+的比例随离岸距离的减少贡献越大。