南海北部海盆颗粒有机物的稳定氮同位素组成研究

摘要

氮是构成生物体组分(核酸、氨基酸等)的主要元素,是许多生物地球化学循环的重要参与者。
　　 本论文旨在研究南海北部海盆悬浮和沉降颗粒有机物的稳定氮同位素组成及其随时间的变化,以揭示颗粒有机物中氮的来源,评估南海固氮作用对颗粒氮库的贡献,阐述颗粒有机物从生产到埋藏过程中稳定氮同位素组成的调控机制。
　　 悬浮颗粒物样品(上层200 m)采自2004年5月至2007年1月间,采样站位位于南海北部SEATS站(东南亚时间序列站),平均每3～6个月采样一次,覆盖全部四个季节。沉降颗粒物于2001年9月至2002年5月间,在南海北部M1S和M2S站放置沉积物捕获器收集,时间基本覆盖一年。颗粒物样品采用元素分析仪一同位素比值质谱联用系统分析其稳定氮同位素组成(δ15N)。
　　 在硝酸盐跃层以上,浓度加权平均δ15Nsus随时间的变化范围较大,为1.8～5.3‰,表明固氮作用(-2～0‰)和次表层NO3-(4.8～6.2‰)均对上层水体提供氮源。由质量和同位素平衡公式估算可知2005-2006年固氮作用对悬浮颗粒氮库的相对贡献为13～42％,表现为春秋两季高于冬夏;而2004年5-8月固氮作用的相对贡献明显大于其他时间(43～61％)。硝酸盐跃层以下,浓度加权平均δ15Nsus的变化范围与上层基本一致,体现为由固氮作用和浮游植物同化作用产生同位素分馏效应的共同影响。比较南海西部和其他海域时间序列站(BATS和ALOHA)发现,南海北部真光层内δ15Nsus相对较高,推测可能由于南海北部固氮作用相对较弱。在真光层以下(101～200 m),悬浮颗粒物的稳定氮同位素组成逐渐增大(平均为6.1±1.6％0),主要是由于微生物优先矿化较轻的有机物(低δ15N)。利用“瑞利模型”估算其平均同位素分馏效应为2.2‰。在300～500 m间,沉降颗粒物δ15Nsink的变化趋势和范围与表层δ15Nsus基本一致,表明沉降颗粒主要来源于表层水体生产。其通量加权平均δ15Nsink为5.2～5.6‰,略小于次表层δ15NO3-,估算固氮作用贡献小于10％,说明大部分固氮作用信号在300 m以上已经被降解,难以向深层海洋输出。在500 m以下,δ15Nsink随深度的增加而减小,到3000 n时减小为3.2‰,这种趋势在其他海域也广泛存在,暗示沉降颗粒物与悬浮颗粒物的降解机制可能不同。对比之前在南海报道的表层沉积物δ15N发现,颗粒有机物在沉积过程中存在约2‰的富集,说明在沉积物和水界面上δ15N的变化对于调控沉积物稳定氮同位素组成也有重要贡献。然而,由于南海较高的沉降速率使得这一富集效应并没有开阔大洋明显。
　　 通过南海现有稳定氮同位素数据,本论文初步构建了南海北部稳定氮同位素收支模型。真光层内悬浮颗粒物平均δ15N约为4‰。根据质量和同位素平衡公式计算输出真光层的沉降颗粒物δ15sink和在真光层以下降解产生的δ15NO3-分别为3.1～4.1‰和2.7～5.5‰,表明除了固氮作用,真光层以下沉降颗粒物的矿化也会向次表层硝酸盐氮库提供低δ15N。假设沉积过程中的同位素分馏效应与真光层下悬浮颗粒物降解的分馏效应(平均2.2‰)相似,则南海北部埋藏在沉积物的氮通量为0.05 mmol N m-2 d-1,估算沉积物埋藏速率约为16cm ky-1。