南海西北部颗粒物碳、氮稳定同位素的研究

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碳是构成生命的基本元素,以不同的形态存在于河口、海洋以及其他水生生物系统中,是生物圈物质与能量循环的主题;氮是海洋生物生产的营养物质基础,它与碳元素同为海洋生态系统中最基本的两大生源要素。颗粒有机物(POM)是碳、氮在海洋水体中存在的主要形式之一,相对于溶解有机物,颗粒物对生物体来说更具生物可利用性,维持着高水平的生物活动能力,对区域和全球的碳、氮循环具有重要的影响。随着同位素手段的出现和应用,稳定碳、氮同位素和C/N被用来追踪河口、近岸和开放大洋的有机物的来源及转化。而陆架边缘海受多种物理过程以及人类活动的影响,使得颗粒物的迁移与转化具有高度时空变异性,这是海洋生物地球化学研究的热点和难点问题之一。因此,开展陆架边缘海颗粒物的迁移与转化过程研究非常必要。南海西北部海域包含着琼东上升流、粤西沿岸流、珠江口冲淡水等多种物理过程,以及众多受人类活动影响的亚热带港口海湾。这些物理过程和人类活动对颗粒物的运移等产生重要的影响。本研究利用稳定同位素具有记录碳源与氮源以及生物地球化学过程信息的优势,通过对海南岛东部上升流区、珠江口及其邻近陆架区(粤西)以及湛江湾进行采样,利用δ13C和δ15N以及C/N来探明不同物理场海区以及受人类活动影响海湾颗粒物的来源及生物地球化学行为,从而揭示上升流、沿岸流和陆架边缘海对颗粒物的来源和迁移转化的影响;加深理解琼东上升流、粤西沿岸流、珠江口冲淡水等多种物理过程以及人类活动如何影响海洋生态系统。主要研究结果如下:(1)通过对海南岛东部上升流区三条断面的研究,发现S1断面近岸表层水的颗粒有机碳(POC)及颗粒氮(PN)浓度较高,以及δ13C和δ15N偏重,表明主要受到了沿岸流和冲淡水等陆源排放的共同影响。S2和S3断面近岸表层水体低温高盐的特征表明存在着上升流,偏重的δ13C和δ15N是受到了上升流的影响。此外,在近岸区域,陆源输入也可能会带来更多的细菌等微生物,生物吸收利用以及微生物降解也会影响颗粒物的碳、氮同位素。在离岸海域,S1和S3断面表层偏轻的δ13C和较高的C/N表明潮汐将近岸的陆源有机物输送到离岸海域,偏轻的δ15N则表明表层水存在较强的固氮作用。中层水与底部水体中较低的C/N表明颗粒物主要来源于海洋有机物的贡献,选择性降解和矿化再生是中层和底层水中颗粒物的主要过程。(2)在珠江口及其西部邻近海域,POC和PN在春季和夏季呈现较为一致的空间分布特征,但δ13C与δ15N具有明显不同的空间分布特征且两者之间不存在相关关系,表明生物过程对碳、氮同位素分馏过程的影响各不相同。δ13C空间分布在春季和夏季表现出较大的差异。春季,粤西海域δ13C值呈现自陆地向海洋方向减少的空间变化,表明近岸海域相对较重的δ13C值可能是受到了富营养化、浮游植物生物量以及微生物降解活动的影响;夏季,珠江口δ13C值呈现向海洋方向增加的空间分布特征,表明海源有机物的贡献逐渐增加。与δ13C相比,δ15N展现出更为复杂的时空分布特征。底部较重的δ15N值可能是受到有机物的降解或颗粒物的矿化作用的影响。珠江口较重的δ15N值则可能是生活和工业所排放的含较重δ15N的污水所导致。颗粒物的δ15N的分布特征表明生物过程对有机物的δ15N具有明显的影响。(3)湛江湾表层沉积物有机质受陆源输入和海洋初级生产的综合影响,海洋有机质的输入比例(平均值:54.9%±15.2%)略高于陆源有机质。与湛江湾中部海域相比,湛江湾支湾和沿岸海域具有较重的δ13C和δ15N值、较高的TOC和TN浓度和较低的TOC/TN比值,说明湛江湾沿岸和支湾具有较高的初级生产力和较高比例的海源有机质。水产养殖、废水输入和清淤对这些现象的产生有重要影响。湛江湾表层沉积物有机质也具有明显的季节变化特征。在湛江湾支湾,夏季陆源有机质的比例比春季升高了10.2%;在湛江湾沿岸海域,夏季陆源有机质的输入比例比春季升高了26.0%。这些现象说明,夏季的强降雨通过增加陆源径流给湛江湾支湾和沿岸海域带来了大量的陆源有机质。本研究结果表明,人类活动和环境变化对湛江湾表层沉积物有机质有显著影响。
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