長江懸浮顆粒物中穩(wěn)定碳、氮同位素的季節(jié)分布

1、第33卷第5期2002年9月海洋與湖沼OCEANOLOGIAETLIMNOLOGIASINICAVol.33,No.5Sep.,2002長江懸浮顆粒物中穩(wěn)定碳、氮同位素的季節(jié)分布3吳瑩張經(jīng)張?jiān)俜?任景玲 曹建平(華東師范大學(xué)河口海岸國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室上海200062)(南通環(huán)境保護(hù)研究所南通226006)(青島海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院青島266003)(江南大學(xué)工業(yè)生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室無錫214151)提要在長江南通市區(qū)段國控?cái)嗝?李港對照斷面)上自19961999年每兩個(gè)月定期采樣,測定懸浮顆粒物的碳、氮同位素及其相關(guān)參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn):穩(wěn)定碳同位素值分布區(qū)域在-23.6-27.1之間;穩(wěn)定氮同位素

2、多分布在1.45.9。兩者的季節(jié)變化趨勢與陸15源輸入和現(xiàn)場浮游植物的組成和生長狀況有關(guān)。N、C/N比值均不能嚴(yán)格體現(xiàn)物源影響,受到水體中有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化和微生物活動的影響而被改造。借助簡單模式,獲得估算的陸源貢獻(xiàn)隨季節(jié)變化的規(guī)律,并證實(shí)在1998年夏長江南通的陸源輸入有明顯的增大,與1998年長江大洪水事件吻合。關(guān)鍵詞碳同位素,氮同位素,懸浮顆粒物,長江中圖分類號P593根據(jù)不同物質(zhì)來源的有機(jī)質(zhì)中穩(wěn)定碳、氮同位素的成分存在的明顯差別,可對有機(jī)質(zhì)的物源進(jìn)行判別(Cifuentesetal,1988;Goeringetal,1990)。雖然穩(wěn)定同位素在物理混合中呈現(xiàn)保守行為,然而其成分仍然不可避免地

3、受到生物地球化學(xué)過程的改造,例如營養(yǎng)鹽的選擇性吸收、硝化和反硝化作用和微生物的代謝等(Montoyaetal,1992;Sachsetal,1999)。因此在使用穩(wěn)定同位素技術(shù)示蹤物源時(shí),必須小心謹(jǐn)慎。長江作為我國第一大河口,其物質(zhì)輸送對東海近岸的生態(tài)系統(tǒng)的影響舉足輕重(沈煥庭等,2000;劉興泉,2001),已有不少的工作利用碳同位素進(jìn)行物源示蹤研究,獲得了一系列的認(rèn)識(施光春,1993;吳瑩等,2000)。然而對有機(jī)質(zhì)在長江的季節(jié)輸送的變化規(guī)律還知之甚少,有必要結(jié)合氮同位素指標(biāo),實(shí)行季節(jié)變化的跟蹤,從而深入細(xì)致地認(rèn)識長江物質(zhì)輸送的變化規(guī)律及其控制因素。1材料與方法自19961999年在長江

4、南通市區(qū)段國控?cái)嗝?李港對照斷面)上每兩個(gè)月定期采樣。3國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目,G1999043705號;國家杰出青年科學(xué)基金,49525609號;國家自然科學(xué)基金,40006008號。吳瑩,女,出生于1971年5月,副教授,E-mail:wuying收稿日期:2001208222,收修改稿日期:2002203205© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.5期吳瑩等:長江懸浮顆粒物中穩(wěn)定碳、氮同位素的季節(jié)分布547三個(gè)采樣點(diǎn)在垂直于江水流向的斷面上,A站位距南岸500m

5、,B站位距南岸1200m,C站位距南岸2000m(圖1)。同時(shí)采集了排污點(diǎn)樣品作為對照。表層水樣采集后立即處理,營養(yǎng)鹽用0.45m醋酸纖維膜過濾,濾液酸化保存;有機(jī)質(zhì)同位素樣品用經(jīng)500預(yù)燃燒mWhatmanGF/F玻璃纖過的0.7維膜過濾,樣品在-20保存。營養(yǎng)鹽分析方法如下:硝酸氮采用鎘2銅柱還原法;氨氮采用次溴酸鈉氧化法,分析偏差均小于10%(國家海洋局,1991)。有機(jī)質(zhì)樣品經(jīng)無機(jī)酸淋洗對無機(jī)碳進(jìn)行清除,然后在Carlo2Erba元素分析儀上測定POC/PN含量;同位素的測定在FinniganMAT公司DELTAplus/XL型穩(wěn)定圖1長江南通市段國控?cái)嗝娌蓸诱疚粓DFig.1Locat

6、ionmapofthestudyareaandsamplingsites同位素比值質(zhì)譜計(jì)上進(jìn)行,碳、氮同位素分別以PDB國際標(biāo)準(zhǔn)和大氣氮為參考標(biāo)準(zhǔn),實(shí)驗(yàn)室的測定精度是±0.2×10-3。2結(jié)果與討論211長江懸浮顆粒物有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定碳同位素分布特征圖2a顯示了長江懸浮顆粒物有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定碳同位素的季節(jié)變化。在多數(shù)時(shí)間序列點(diǎn)上,A、B和C站的穩(wěn)定碳同位素的分布比較接近,不存在明顯的差別。然而冬季樣品(97.1,97.3和98.1)較其他時(shí)間點(diǎn),三站之間有明顯的差值,估計(jì)與冬季長江徑流變小,局部不確定點(diǎn)源影響的結(jié)果。為討論方便,取三站的平均值作以下進(jìn)一步的分析和討論。從該次調(diào)查來看

7、,穩(wěn)定碳同位素值變動幅度不大,其分布區(qū)域在-23.6-27.1,此測定結(jié)果與以往長江口調(diào)查結(jié)果相似(Millimanetal,1984;吳瑩等,2000),體現(xiàn)了在該區(qū)域陸源有機(jī)質(zhì)和水生植物輸入貢獻(xiàn)的混合。有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定碳同位素分布還呈現(xiàn)季節(jié)變化:冬季(以1月的樣本為代表),13C值較負(fù),大約在-25-27,隨著春季(以3月和5月的樣本為例)的到來,13C值開始增大,在整個(gè)夏季(以7月和9月的樣本為代表)直至秋末(以11月的樣本為例),13C值變動不大,在-24-25之間變動。從19971999年的波動來分析,基本符合上述特征。但是1998年5月的碳同位素值較1998年3月和7月的值更輕一些。據(jù)

8、大通站水文觀測資料分析得到:1998年5月的月平均輸沙率較往年同期要高,表明了長江上中游的陸源輸入在1998年5月有明顯增量。13冬季較負(fù)的C值分布主要?dú)w因于陸源輸入的貢獻(xiàn),與之相應(yīng)的C/N比值也多大于© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.548海洋與湖沼33卷圖2長江南通懸浮顆粒物有機(jī)質(zhì)中碳、氮同位素的季節(jié)變化(為A站;為B站;為C站)Fig.2SeasonalvariationsinstablecarbonandnitrogenisotopeofPOMintheChangj

9、iang,Nantong11,與文獻(xiàn)報(bào)告的陸源輸入特征吻合(Checkleyetal,1985)(圖4a)。盡管冬季長江徑流有明顯的降低,但是陸源有機(jī)質(zhì)在懸浮顆粒物中占明顯優(yōu)勢,故顆粒物有機(jī)質(zhì)的碳同位素主13要體現(xiàn)陸源貢獻(xiàn)的特征。隨著水溫的回升,水生生物的生長進(jìn)入旺季,從而使得C值在春季明顯增大,水生生物在利用水中溶解無機(jī)碳進(jìn)行光合作用時(shí)的同位素分餾效應(yīng),使13得水生生物的碳同位素組成會偏重。C值的極大值多分布在夏秋季節(jié),與此階段的高生物量和高生產(chǎn)率有關(guān),此時(shí)水生生物的有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)可能會大于陸源輸入。另外長江水體中浮游生物的組成變化也將一定程度地影響顆粒有機(jī)質(zhì)碳同位素的分布,研究表明在5月水體中

10、以綠藻和硅藻為優(yōu)勢種,而到了7月則主要以硅藻為主,河口區(qū)不同物種的生13產(chǎn)率和生物量已被證實(shí)可影響C值的分布(Cifuentesetal,1988;Lietal,1996)。212長江懸浮顆粒物有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定氮同位素分布特征15正如圖2b所示,N在A、B和C站之間的差別更小,穩(wěn)定氮同位素多分布在© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.5期吳瑩等:長江懸浮顆粒物中穩(wěn)定碳、氮同位素的季節(jié)分布5491.45.9,與其他一些河口的氮同位素接近(表1)。季節(jié)波動的特征是冬季或早春1515存在

11、N的極小值,往往接近于1。有研究表明陸源有機(jī)質(zhì)的N分布多在2.7附近(Petersonetal,1985;Thorntonetal,1994)。隨著生物活動的繁茂,15N的值隨之升高,一般5月份存在極大值,而整個(gè)夏秋期間,15N顯示的是平穩(wěn)分布,幾乎沒有什么波動。15盡管N值可以反映不同物源的貢獻(xiàn),然而無機(jī)氮在吸收固定過程中的分餾會反饋到有機(jī)質(zhì)的同位素組成。有研究顯示:在藻類培養(yǎng)中,加入不同而過量的無機(jī)氮,氮同位素的分餾可達(dá)-16-7(Owens,1985)。因此,利用不同類型的無機(jī)氮,會使得有機(jī)質(zhì)15的N存在明顯差異。然而長江南通站藻類的生長不存在氮限制問題,NO3-含量常年分布在2045m

12、,冬季NH4+的濃度>5m,僅在夏秋季處于低值(圖3)。冬季藻類對NO3-的吸收利用,15使得有機(jī)質(zhì)的N變輕,夏秋季則轉(zhuǎn)向NH4+和NO3-,其中>80%的NH4+來自水體中營養(yǎng)鹽的再生,而這一過程往往帶來富集N的1515NH4+,從而使得有機(jī)質(zhì)15圖3長江南通水體中溶解態(tài)硝酸鹽和氨鹽的季節(jié)變化Fig.3SeasonalvariationsnitrateandammoniaintheChangjiang,Nantong的N增大。因此N體現(xiàn)的是物源信息和生物地球化學(xué)過程的綜合。表1世界若干河口區(qū)氮同位素的分布Tab.1Thedistributionofnitrogenisotopes

13、intheworldwideestuaries河流Delaware河口(美國)Tay河口(蘇格蘭)Forth河口(蘇格蘭)Guayas河口(南美)Amazon(南美)樣品類型懸浮顆粒物懸浮顆粒物沉積物懸浮顆粒物懸浮顆粒物)氮同位素(2.37.50.24.05.06.25.03.26.1參考文獻(xiàn)Cifuentesetal,1988Thorntonetal,1994Grahametal,2001Cifuentesetal,1996Mayeretal,1998213長江懸浮顆粒物有機(jī)質(zhì)的物源分析為了進(jìn)一步剖析長江懸浮顆粒物有機(jī)質(zhì)的物源分布,在圖4中顯示了碳、氮同位素和C/N比值及顆粒氮含量的關(guān)系。C

14、/N比值多被用來指示有機(jī)質(zhì)的潛在物源分布,例如浮游植物的C/N比值是7.710.1,細(xì)菌等物質(zhì)C/N比值分布在2.64.3,高等植物一般擁有很高的C/N比值,可高達(dá)50以上,因此通常陸源和海源有機(jī)質(zhì)的C/N比值分別是>12和69(Cifuentesetal,1996)。假如C/N比值能嚴(yán)格體現(xiàn)物源影響,那么碳同位素應(yīng)與© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.550海洋與湖沼33卷C/N比值有比較理想的正相關(guān)關(guān)系。然而實(shí)際結(jié)果并非如此(圖4a)。其可能的原因就是水體中有機(jī)質(zhì)的

15、轉(zhuǎn)化和微生物活動,使得C/N比值也在此過程中得到改造(升高或降低)(Owens,1985)。這個(gè)趨勢在氮同位素和C/N比值的圖4b中也得到了證實(shí),較高的C/N比值對應(yīng)著較高的氮同位素。在氮同位素和顆粒氮含量的關(guān)系中(圖4c),由于微生物活動,使得顆粒氮含量降低,而氮同位素值卻是增加的(Thorntonetal,1994)。由于采樣點(diǎn)靠近城市,生活污水13的影響是存在的,從獲得結(jié)果(C:15-26.7,N:2.3,C/N比值:12.6)來看,其分布與常規(guī)監(jiān)測點(diǎn)有著相近的閾值,很難作為明顯的一物源端元來從模式中計(jì)算其貢獻(xiàn)。考慮到相對長江大流量和高懸沙,生物降解和再生過程劇烈,因此在物源示蹤中,可將

16、生活污水排放的影響忽略不計(jì)。而從上述分析中也可得出,碳同位素較氮同位素和C/N比值更不易受生物活動的影響,因此利用碳同位素分布來估算不同物源的貢獻(xiàn)。假設(shè)長江有機(jī)質(zhì)的輸入貢獻(xiàn)僅為陸源和水生生物的影響,那么顆粒有機(jī)質(zhì)中來自陸源的成分的計(jì)算表達(dá)是可以寫成:X=FtXt+FmXm。其中X、Xt、Xm分別代表樣品、陸源端點(diǎn)(-27.1)和水生生物端點(diǎn)(-23.6),Ft和Fm代表的是陸源貢獻(xiàn)和水生生物貢獻(xiàn),計(jì)算結(jié)果見圖5。從圖5分析冬季陸源輸入(Ft約為50%)較夏秋季(Ft約為20%)要高,再次證明該區(qū)域顆粒有機(jī)質(zhì)為陸圖4長江南通顆粒有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定同位素與C/N、顆粒氮(%)之間的相關(guān)性Fig.4Com

17、positionalfieldsofparticulateorganicmatterbasedonbivari2ateplotsofisotopicandelementaldata.(a)C/Nvscarbonisotope;(b)源有機(jī)質(zhì)和水生植物輸入貢獻(xiàn)的混C/Nvsnitrogenisotope;and(c)nitrogenisotopevsPN%合,并且冬季以陸源輸入為主。盡管從碳、氮同位素分布中很難判別1998年夏季的長江洪水事件,然而從Ft的變動則清晰指明了在1998年夏長江南通的陸源輸入有明顯的增大(Ft約為40%),與長江洪水事件吻合。3結(jié)論311長江南通A、B和C站的碳、氮同

18、位素的季節(jié)變化的規(guī)律相近,其分布范圍是:穩(wěn)定碳同位素值變動幅度不大,其分布區(qū)域在-23.6-27.1;穩(wěn)定氮同位素多分布在1.45.9。兩者的季節(jié)變化趨勢與陸源輸入和現(xiàn)場浮游植物的組成和生長狀況有關(guān)。© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.5期吳瑩等:長江懸浮顆粒物中穩(wěn)定碳、氮同位素的季節(jié)分布551圖5長江南通懸浮顆粒有機(jī)質(zhì)中陸源貢獻(xiàn)估算值的季節(jié)變化Fig.5Seasonalvariationsofestimatedofterrestrialinputs(Ft)ofPOMinth

19、eChangjiang,Nantong15312研究發(fā)現(xiàn)N、C/N比值均不能嚴(yán)格體現(xiàn)物源影響,受到水體中有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化和微生物活動的影響而被改造,體現(xiàn)的是物源信息和生物地球化學(xué)過程的綜合。313借助簡單模式,利用碳同位素分布來估算不同物源的貢獻(xiàn)。獲得估算的陸源貢獻(xiàn)隨季節(jié)變化的規(guī)律,并證實(shí)在1998年夏長江南通的陸源輸入有明顯的增大,與1998年長江大洪水事件吻合。參考文獻(xiàn)劉興泉,2001.東海PN斷面夏季溫鹽及化學(xué)要素的分布特征.海洋與湖沼,32(2):204212沈煥庭,張超,茅志昌,2000.長江入河口區(qū)水沙通量變化規(guī)律.海洋與湖沼,31(3):288294吳瑩,張經(jīng),曹建平等,2000.長

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