贝类生物沉积对近海环境沉积物有机碳贡献的评估方法

摘要

一种贝类生物沉积对近海环境沉积物有机碳贡献的评估方法，首先采用室内模拟实验，收集不同季节典型贝类的排泄物，测定贝类生物沉积物中有机碳、总氮和碳同位素丰度，分析大量数据样本，构建贝类生物沉积物有机碳溯源技术体系；结合近海养殖区沉积物有机碳的埋藏特征，运用碳同位素和碳氮比关系图确定养殖区沉积物有机碳的潜在来源，最后基于多元混合模型估算贝类生物沉积对近海碳循环的贡献。本发明充分考虑到贝类排泄物等不同来源在海洋环境中的迁移转化过程，从而使最终的评估结果更加接近实际，更加合理。

说明书

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，具体涉及一种贝类生物沉积对近海环境沉 积物有机碳贡献的评估方法。

背景技术

海洋系统是全球最大的碳库，海洋中的碳储备量约为3.8×10¹³t，是大气的 50多倍，因此，海洋碳循环是全球碳循环的重要组成部分，在很大程度上决定 了全球气温乃至气候的变化趋势以及海洋生态环境变化的走向。陆架边缘海是 陆地和大洋的连接带，是海洋碳循环异常活跃的区域，受人类生产生活、水产 养殖活动和陆源输入的影响大，因此其生物地球化学循环比较复杂，常被认为 是碳循环中丢失项的可能去处，成为全球研究的焦点。海洋沉积物是全球碳的 重要源和汇，沉积物中的碳占整个地球碳储量的25％，占海洋总碳的91％，如此 巨量的碳在海洋碳循环乃至全球碳循环中都起着至关重要的作用。

我国是世界第一水产养殖大国。2012年全国海水养殖产量为1643.81万t， 其中贝类产量1208.44万t，占我国海水养殖产量的73.51％，所以我国的海水 养殖是一个以贝类养殖为主的水产养殖业。贝类是滤食性生物，通过生物沉积， 促进了碳以有机碳形式向沉积物迁移。而这部分碳除了小部分再悬浮、分解和 被生物利用外，很大部分被埋藏到海底，从而暂时脱离地球化学循环，生物沉 积作用实际上促进生物碳汇的作用。所以大规模的贝类养殖对浅海碳循环产生 了明显的影响。有机碳主要存在于有机质中，所以有机质的溯源研究即能反映 出有机碳的来源，因此，研究贝类生物沉积在近海碳循环中的贡献对于探讨浅 海“遗漏的碳汇”问题具有重要意义。

在近海和河口生态系统中，有关有机质来源的分析方法主要有碳稳定同位 素(δ¹³C)法和C/N法，其中沉积物C/N比值易受到沉积环境中各种因素的影 响，早期成岩过程可以改变C/N比值，导致C/N比值较高，而δ¹³C比较稳定， 不易改变，因此只有将两者有机的结合起来才能更好的表征有机质的来源。近 年来，国内外利用δ¹³C和C/N法判断海洋沉积物有机质来源已开展了一些研究， 主要集中于探讨海源和陆源对沉积物有机质的贡献，但是关于贝类生物沉积对 近海碳循环贡献的研究尚没有报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种贝类生物沉积对近海环境沉积物有机 碳贡献的评估方法。本发明首先采用室内模拟实验，收集不同季节典型贝类的 排泄物，测定贝类生物沉积物中有机碳、总氮和碳同位素丰度，分析大量数据 样本，构建贝类生物沉积物有机碳溯源技术体系；结合近海养殖区沉积物有机 碳的埋藏特征，运用碳同位素和碳氮比关系图确定养殖区沉积物有机碳的潜在 来源，最后基于多元混合模型估算贝类生物沉积对近海碳循环的贡献。

本发明的目的是由如下技术方案实现的：

一种贝类生物沉积对近海环境沉积物有机碳贡献的评估方法，包括如下步 骤：

(1)构建贝类生物沉积物有机碳溯源技术体系：选取近海典型养殖区的代 表性贝类，运用元素分析仪和稳定碳氮同位素分析仪测定不同季节所采集的典 型养殖贝类排泄物中有机碳、总氮和碳稳定同位素丰度，所述碳稳定同位素丰 度用δ¹³C‰表示，然后基于大量样本数据，利用支持向量机算法初步确定有机 碳来源于贝类生物沉积的碳稳定同位素以及碳氮比的范围，构建贝类生物沉积 物有机碳溯源技术体系；

(2)分析近海养殖区沉积物有机碳的埋藏特征：选取近海典型养殖区，根据 不同的养殖特征，在所述近海典型养殖区设置代表性站位，于不同季节采集各 站位表层沉积物样品，运用元素分析仪和碳氮同位素分析仪测定不同站位表层 沉积物中的有机碳、总氮和碳稳定同位素丰度，所述碳稳定同位素丰度用δ 13C‰表示，分析所述近海养殖区沉积物有机碳的埋藏特征；

(3)沉积物中有机碳来源的定量分析首先基于贝类生物沉积物有机碳溯源技 术体系，并分析、查询或检测除贝类生物沉积物外其它来源样本中的有机碳、 总氮含量以及碳稳定同位素丰度，运用C/N值与δ13C‰的关系对养殖区沉积物 有机碳来源进行定性分析，筛选出养殖区沉积物有机碳的主要来源，然后结合 不同季节养殖区沉积物有机碳、总氮及碳稳定同位素的时空分布特征，运用多 元混合模型估算出不同来源对沉积物有机碳的贡献，量化贝类生物沉积物对近 海碳循环的影响。

进一步，所述的典型养殖贝类为栉孔扇贝、菲律宾蛤仔或长牡蛎。

本发明与已有技术相比具有以下优点：

目前利用碳稳定同位素和C/N比值追溯海洋沉积物有机质的来源已有很多报 道，主要是通过海源与陆源的特征值来判断近海沉积物有机碳的主要来源，而 关于养殖贝类对近海碳循环贡献的研究还较少，如张明亮等(2011)主要是通 过计算贝类的生物沉积量来评估贝类养殖对近海碳循环的贡献(张明亮,邹健, 毛玉泽.养殖栉孔扇贝对桑沟湾碳循环的贡献.渔业现代化,2011,38(4): 13-16)，这种方法忽略了贝类的生物沉积物在海洋环境中的生物地球化学过程， 如被降解、被生物利用等因素。本发明首先于不同季节现场实时采集典型贝类 样品，立即测定贝类排泄物有机碳、总氮含量以及碳稳定同位素丰度，基于大 量样本数据运用碳稳定同位素技术首次建立了贝类生物沉积物有机碳来源的溯 源体系，从而保证了数据的代表性和准确性，然后实时监测近海贝类养殖区沉 积物有机碳的含量，充分考虑到贝类排泄物等不同来源在海洋环境中的迁移转 化过程，从而使最终的评估结果更加接近实际，更加合理。

附图说明

图1桑沟湾养殖区采样站位图(2012年11月)。

图2桑沟湾养殖区沉积物的δ¹³C‰和OC/ON关系图：1、海藻，2、贝类生 物沉积物，3、土壤有机质，4、C3植物碎屑，5、C4植物碎屑。

图3不同来源对桑沟湾养殖区沉积物有机碳的贡献。

具体实施方式：

以下仅示例性描述本发明，以明确该发明能够重复实现并可达到突出的实 质性效果，但不构成对本发明的限制。

实施例1

本发明提供一种贝类生物沉积对近海环境沉积物有机碳贡献的评估方法， 包括如下步骤：

(1)构建贝类生物沉积物有机碳溯源技术体系：2012年10月，取桑沟湾 典型养殖贝类栉孔扇贝和长牡蛎各50个带回实验室进行48h排泄物收集实验， 并将排泄物冷冻保存，测定有机碳、总氮和碳稳定同位素丰度，所述碳稳定同 位素丰度用δ¹³C‰表示，碳稳定同位素测定：取0.2g排泄物样品，先用5mL浓 度为1mol/L的盐酸浸泡淋洗24h，除去存在的无机碳，然后用蒸馏水搅拌洗涤， 重复3-4次，充分洗掉过量盐酸，放到烘箱中60℃烘干24h，用研钵进行充分 研磨。最后用美国Thermo公司MAT253型稳定同位素比值质谱仪测定，碳稳定 同位素比值采用国际通用的δ值表示，并以PDB国际标准为参考标准。实验分 析结果的相对误差为±0.3％。有机碳和总氮测定的前处理方法同上。运用德国 VARIO ELCUBE ELEMENTARY测定有机碳和总氮的含量。然后基于大量样本数据， 利用支持向量机算法初步确定有机碳来源于贝类生物沉积的碳同位素以及碳氮 比的范围，构建贝类生物沉积物有机碳溯源技术体系；本实施例测定桑沟湾栉 孔扇贝和长牡蛎排泄物的δ¹³C‰和C/N比值的范围分别是-22.08‰～-21.64‰ 和4.31～7.40(n＝10)。

(2)分析近海养殖区沉积物有机碳的埋藏特征：2012年11月，对桑沟湾 养殖区进行科研调查，根据不同的养殖特征，在桑沟湾养殖区分别布设10个站 位，站位设置如图1所示。用抓斗式采泥器采集表层沉积物样品(0-2cm)，保 存于聚乙烯封口袋中，立即放置于盛有冰块的保温箱中，冷藏带回实验室后立 刻冷冻保存。同时收集桑沟湾主要海藻-海带。运用元素分析仪和碳氮稳定同位 素分析仪测定不同站位表层沉积物和海藻的有机碳、总氮和碳稳定同位素丰 度，测定方法同贝类排泄物中的有机碳、总氮和碳稳定同位素丰度测定方法， 分析桑沟湾养殖区沉积物有机碳的埋藏特征。

(3)沉积物有机碳来源定量分析：根据桑沟湾的养殖特征分析，桑沟湾养 殖区沉积物中有机碳的潜在来源主要有贝类生物沉积、海藻养殖、海洋浮游植 物、陆生高等植物(C3植物3和C4植物4)和土壤有机质3等(图2)。本实施 例对桑沟湾栉孔扇贝和长牡蛎的排泄物δ¹³C‰和C/N进行了测定。已有研究表 明，由于桑沟湾海带生长与浮游植物形成营养盐竞争以及贝类对浮游植物较强 的滤食能力，夏季和秋季桑沟湾浮游植物数量较少，如2006年夏季和秋季桑沟 湾浮游植物细胞密度分别为9.2×10⁴cel ls^/m³和11.7×10⁴cel ls^/m³(李超伦等. 桑沟湾浮游植物种类组成,数量分布及其季节变化。载《渔业科学进展》,2010 年8月，第31卷第4期:1-8)，所以可以忽略海洋浮游植物的贡献。因此，只 讨论剩下五中可能的端元：贝类生物沉积、海藻养殖、C3植物、C4植物和土壤 有机质。C3植物和C4植物的有机碳、总氮和碳同位素丰度的数据已经有文献公 开发表，其中C3植物的δ¹³C‰为-30～-23，C/N值为＞15；其中C4植物的δ13C‰ 为-19～-9，C/N值为＞15(Boutton TW.1991.Stable carbon isotope ratios of nat- ural materials:II.Atmospheric,terrestrial,marine,and freshwater environments. Carbon isotope techniques,173-185.；Tiessen H,Stewart J,Hunt H W.1984. Concepts of soil organic matter transformations in relation to organo-mineral  particle size fractions.Plant and Soil,76(1-3):287-295)。本实施例根据贝类排泄物 2、表层沉积物、海藻1、C3植物和C4植物的有机碳、总氮和碳同位素丰度的 数据作C/N和δ¹³C‰的关系图(图2)，根据图2可以有效的定性判断养殖区沉 积物中有机质的来源)，桑沟湾养殖区沉积物有机质的主要有三种来源：贝类生 物沉积、海藻养殖以及土壤有机质，而C3和C4植物的贡献较小。

为了对桑沟湾养殖区及附近海域沉积物有机质的来源有个量化的认识，本 研究采用三元混合模型来分析不同来源的贡献率。基于图2对沉积物有机质来 源的定性分析，C3和C4植物碎屑对所调查海域沉积物有机质几乎没有贡献，所 以忽略这两个端元。我们选定的三个端元是贝类生物沉积物、海洋藻类和土壤 有机质。模型如下：

δ¹³C_sample＝δ¹³C_B·f_B+δ¹³C_A·f_A+δ¹³C_S·f_S

C/N_sample＝C/N_B·f_B+C/N_A·f_A+C/N_S·f_S

1＝f_B+f_A+f_S

其中δ¹³C表示有机质的碳稳定同位素组成，C/N表示有机质中元素碳氮的 摩尔比，f表示不同来源对总有机质贡献的百分数，下标B表示贝类生物沉积端 元，A表示海洋藻类端元，S表示土壤有机质端元。不同端元值的δ¹³C‰和C/N 确定如下：⑴贝类生物沉积物。目前尚没有关于贝类排泄物碳同位素和碳氮比 测定的报道。本研究测定桑沟湾栉孔扇贝和长牡蛎排泄物的δ¹³C‰和C/N比值 的范围分别是-22.08‰～-21.64‰和4.31～7.40(n＝10)，本实施例取样品的平 均值为特征值(δ¹³C‰＝-22‰；C/N＝5.80)。⑵海洋藻类。桑沟湾海藻养殖种类 以海带为主，测定值为δ¹³C‰＝-18.55‰；C/N＝6.48)。⑶土壤有机质。由于已 有文献报道，本实施例没有测定该流域土壤的δ¹³C‰和C/N比值，根据文献 (Thorp等，Isotopic analys is of three food web theories in constricted  and floodplain regions of a large river.Oecologia,1998:117(4): 551-563)，确定土壤有机质的δ¹³C‰为-24‰，C/N比值为12。根据三元混合模 型计算不同来源的贡献如图3所示，可以计算出桑沟湾贝类生物沉积对近海碳 循环的贡献是43.00％。因此利用本发明可以客观准确的计算出养殖区贝类生物 沉积对近海碳循环的贡献，效果良好。