長江口海域懸浮顆粒有機物的穩定氮同位素季節分布與關鍵生物地球化學過程

于海燕，俞志明，宋秀賢，劉麗麗，曹西華，袁涌銓

（1.中國科學院海洋研究所海洋生態與環境科學重點實驗室，山東青島 266071；2.中國科學院大學，北京 100039）

長江口海域懸浮顆粒有機物的穩定氮同位素季節分布與關鍵生物地球化學過程

于海燕1，2，俞志明1*，宋秀賢1，劉麗麗1，2，曹西華1，袁涌銓1

（1.中國科學院海洋研究所海洋生態與環境科學重點實驗室，山東青島 266071；2.中國科學院大學，北京 100039）

對2010年2、5、8、11月份長江口海域水體中的懸浮顆粒物進行穩定氮同位素分析。根據不同季節、不同區域內懸浮顆粒有機物的穩定氮同位素組成（δ15Np）值的變化研究水體中氮的遷移、轉化等生物地球化學過程，揭示其環境行為，從而對該海域的氮循環機制進行探索。研究發現：長江口海域懸浮顆粒物的穩定氮同位素組成具有較寬的分布范圍，δ15Np值分布范圍為－1.1‰～8.6‰，具有明顯的時空分布特點，反映了不同程度的陸源輸入和氮的生物地球化學過程的影響。其中，2月份生物反應較弱，δ15Np分布體現了陸源和海源的混合特征；5月和11月份上層水體δ15Np隨葉綠素a升高而降低，指示了生物的同化吸收作用；8月和11月δ15Np和總溶解無機氮呈現極顯著正相關關系，說明該海域發生了氮的礦化再生。

氮穩定同位素；同化；礦化；硝化

1 引言

20世紀60年代以來，氮穩定同位素技術已被廣泛應用于海洋學的研究［1］；在海洋氮循環和海洋生物地球化學研究中，氮同位素有著不可替代的獨特作用。懸浮顆粒有機物中穩定氮同位素組成的變化可以示蹤氮的來源［2］，判斷氮的生物地球化學過程［3—5］。因此，利用懸浮顆粒有機物的δ15Np方法來研究海水體系中氮的遷移、轉化等環境生物地球化學過程，揭示其環境行為，具有重要的科學意義和現實意義。

長江口的泥沙主要來自上游，多年平均輸沙量為3.95億t，年最大輸沙量達6.78億t［6］。長江輸送的顆粒物質入海后，發生一系列遷移、轉化，對氮的生物地球化學循環和河口生態環境產生重要影響。因此，研究長江口海域懸浮顆粒有機氮的來源、分布及其影響過程十分重要。近年來，關于長江和長江口地區顆粒有機物氮的來源、分布、δ15Np的分布特征及其對物源和沉積動力過程的指示等方面的研究較多［5，7—11］，但對長江口不同區域懸浮顆粒有機氮的生物地球化學過程的綜合分析較少［12—13］，且多集中在對長江口表層海域進行研究，并未對深層海域發生的氮的生物地球化學過程進行探討。長江口水文條件復雜，不同的區域水體中顆粒有機物的組成、影響條件等差異較大；通過比較分析懸浮顆粒物δ15Np在不同區域的分布及其變化特點，我們可以在一定程度上獲得較詳細的氮的來源和生物地球化學過程信息。

因此，本研究在2010年2、5、8、11月份對長江口海域進行了4個航次的調查，分析不同區域內懸浮顆粒物δ15Np的時空分布，研究影響其δ15Np變化的主要生物地球化學特征，從而對該海域的氮循環機制進行初步探索。

2 方法

2.1 采樣站位

本研究的調查海域共設13個站位（如圖1所示）。標記9、10、11、12、13、14的斷面為斷面A，21、22、23、24、25、26、27的斷面為斷面B。21號站靠近口門，且鹽度通常小于1，故21號站用于代表口門內站位；9、10、22、23號站用于代表最大渾濁帶；11、12、13、14、24、25、26、27站代表外海區。

圖1 長江口海域調查站位

2.2 樣品采集

分別于2010年的2、5、8、11月，開展共4個航次的調查。在斷面A、斷面B各站位分別取表層、5 m、10 m、20 m、30 m、底層的樣品。調查內容包括溫度（T）、鹽度（S）、溶解氧（DO）、硝酸鹽（NO－3）、銨鹽（NH＋4）、亞硝酸鹽（NO－2）、葉綠素a（Chl a）、懸浮顆粒態穩定氮同位素組成（δ15Np）。營養鹽水樣用經450℃高溫灼燒過的GF／F濾膜過濾各站位海水，濾液裝入100 m L聚乙烯瓶，加氯仿固定后冷凍保存。葉綠素a樣品是將水樣經450℃高溫灼燒過的GF／F濾膜過濾，然后將濾膜置于冰箱中冷凍保存。δ15Np樣品用450℃預處理過的GF／F濾膜過濾水樣，然后將該濾膜在－20℃冷凍保存。

2.3 樣品測定

硝酸鹽、銨鹽、亞硝酸鹽濃度采用SKALAR SAN＋＋SYSTEM營養鹽流動分析儀測定，檢測限為0.14μmol／L。溶解氧采用碘量滴定法現場測定，檢測精度為7×10－5mg／L。葉綠素a的測定是將濾膜用丙酮萃取后，采用分光光度法測量［14］，檢測限為0.01 mg／m3。

δ15Np的測定方法：將濾膜在60℃下恒溫烘干36 h，冷卻至室溫后取足量的懸浮顆粒物用錫箔包裹，然后通過自動進樣盤送入元素分析儀－同位素質譜儀聯機（flash EA1112＋Finnigan MAT.Con HoⅢ）進行測量。δ15N測量誤差為±0.2‰。

3 結果和討論

3.1 長江口海域δ15Np的時空分布特征

2010年長江口海域4個季度的δ15Np垂直分布范圍為－1.1‰～8.6‰，總體平均值為4.6‰。由表1可以看出，該結果與2005年和2006年長江口的調查結果相似，在文獻報道值范圍之內，與國外其他一些河口的δ15Np分布水平較一致。

表1 長江口海域與其他水域水體中懸浮顆粒物的δ15Np值比較

長江口海域懸浮顆粒物的氮穩定同位素值在不同季節、不同區域、不同深度呈現不同的分布特點，如圖2，圖3，圖4和表2所示。

2月份，水體中懸浮顆粒物δ15Np分布在3.1‰～8.6‰之間，平均為5.2‰（見表1）。δ15Np空間分布規律明顯，隨深度增加而增加。δ15Np高值主要分布在底層水域；低值主要分布在表層水域，分別在斷面A的口門附近和斷面B的外海區表層（圖2）。從離散程度來看，2月份δ15Np的離散度最低（圖3，圖4，表2）；從整體分布水平來看，2月份的δ15Np分布范圍與8月份類似，比5月份和11月份要高。

圖2 2010年長江口海域不同季節水體中懸浮顆粒物δ15Np的空間分布（‰）特征

圖3 2010年長江口水體懸浮顆粒物δ15Np的季節變化

圖4 2010年各季節長江口水域表層（白色）和底層（灰色）懸浮顆粒物δ15Np的分布

表2 2010年長江口各區域水體中懸浮顆粒物的δ15N平均值（‰）及標準偏差（括號內為標準偏差）

5月份，水體中懸浮顆粒物δ15Np分布在－0.1‰～7.1‰之間，平均為4.5‰（見表1）。斷面A的δ15Np空間分布呈現沿口門向外先升高后降低的趨勢，而斷面B的δ15Np空間分布呈現沿口門向外先降低后升高的趨勢（圖2）。較低的δ15Np值分布在靠近渾濁帶的外海區。從離散程度來看，5月份δ15Np的離散度較高（圖3），表層離散度明顯高于底層離散度（圖4），外海區離散程度高于渾濁帶（表2）；從整體分布水平來看，5月份的δ15Np分布范圍較廣，比2月份和8月份要低，比11月份要高（圖3）。

8月份，水體中懸浮顆粒物δ15Np分布在1.5‰～8.6‰之間，平均為5.4‰（見表1）。斷面A的δ15Np低值區分布在外海的上層水域，而近岸水域和外海底部水體都是δ15Np高值區。斷面B的δ15Np值整體分布要高于斷面A，表層和底層水體均未出現δ15Np低值區（圖2）。從離散程度來看，8月份δ15Np的離散度較低（圖3），表層離散度明顯高于底層離散度（圖4）；從整體分布水平來看，8月份的δ15Np分布范圍較廣，與2月份類似，比5月份和11月份要高（圖3）。

11月份，水體中懸浮顆粒物δ15Np分布在－1.1‰～5.8‰之間，平均為3.3‰（見表1）。δ15Np的空間分布規律呈現出自近岸到外海，自底層到表層降低的趨勢（見圖2）。較低的δ15Np值分布在遠離渾濁帶的外海區。從離散程度來看，11月份δ15Np的離散度較高（見圖3，圖4），外海區的離散程度高于渾濁帶（見表2）；從整體分布水平來看，11月份的δ15Np值最低，分布范圍較廣（見圖3）。

3.2 長江口海域的氮的來源和循環過程

3.2.1 氮的來源

不同來源的氮δ15Np本底值范圍不同，相關研究表明，大氣沉降中的氮和農業化肥中氮的δ15Np值較低（分別為－12‰～5‰、－3‰～3‰）［18－19］，而工業以及生活污水中的氮的δ15Np值較高（5‰～9‰）［20－21］。從表1中可以看出，不同季節長江口海域水體中δ15Np相對其他海域均較低，說明長江口海域氮的主要來源是農業化肥和大氣沉降氮，而工業與生活污水輸入氮相對較低。這一推論與沈志良等［22］對長江及長江口河水和雨水分析后得出的長江流域氮主要來源于化肥和大氣沉降的結論一致。也與宋飛等［12］通過對長江口海域表層海水的δ15Np特征進行分析后得到的結論一致。

δ15Np值是不同氮來源及其發生的氮分餾作用的綜合反映［23－24］。2月份，河口區生物作用較弱，懸浮顆粒物的組成主要來自陸源和海源，其穩定氮同位素值在一定意義上可以反映不同的物源信息。陸源有機質的δ15Np分布多在2.7‰附近［25－26］，而海源有機質的δ15Np較高，平均值約為6.5‰［27］。如圖5所示，2月份長江口海域水體中δ15Np與鹽度具有良好的線性關系（R=0.419 7，p＜0.01）。δ15Np從河口到外海逐漸增加，體現了不同物源貢獻程度的差異。從河口到外海，懸浮顆粒物中陸源有機質的影響減小，而海源的影響增大。

圖5 2010年2月長江口水體懸浮顆粒物的δ15Np隨鹽度變化趨勢

3.2.2 同化吸收

5月和11月長江口表層懸浮顆粒物的δ15Np隨Chl a升高而降低（圖6），呈現極顯著負相關關系。這支持春季和秋季長江口水域表層主要發生了生物的同化吸收作用。因為同化吸收過程中，生物優先利用較輕的14N營養鹽，使得δ15Np降低［28］。從圖2可看出，5月和11月δ15Np低值分布區不同，5月15Np低值分布在靠近渾濁帶的外海區，而11月15Np低值分布在遠離渾濁帶的外海區。造成這種現象的原因可能與鹽度有關。劉秀娟等［13，29］通過對長江口表層懸浮顆粒物δ15Np特征及硝酸鹽δ15N特征進行研究，也發現了5月和11月長江口表層發生了生物的同化吸收作用。

圖6 2010年5月和11月長江口上層（0～5 m）懸浮顆粒物的δ15Np隨Chl a變化趨勢

3.2.3 礦化再生和硝化作用

長江口海域各季節底部水體的δ15Np均較上層水體的δ15Np高（見圖2）。造成這種現象的原因，一是因為表層水體發生了生物的同化吸收作用；二是因為底部水體發生了氮的礦化再生過程。表層和底部水體不同的氮生物地球化學過程，主要是由于表層和深層海水中光照、溫度及DO等水文條件的不同造成的。氮的礦化再生是將顆粒有機氮轉化為溶解有機氮，最終轉化為銨鹽釋放到水體中。在此過程中，由于14N優先被轉化，因此剩余的顆粒物δ15Np會升高。已有研究發現長江口海域硝化作用的存在［30—31］。硝化作用將銨鹽轉化為亞硝酸鹽進而轉化為硝酸鹽［32］。因此，在研究氮的再生時，需考慮總溶解無機氮與顆粒有機氮的關系。長江口海域8月和11月δ15Np和總溶解無機氮呈現極顯著正相關關系（圖7），說明該海域發生了氮的礦化再生。

圖7 2010年8月和11月長江口水體懸浮顆粒物的δ15Np隨DIN變化趨勢

4 結論

長江口海域懸浮顆粒物的穩定氮同位素組成具有較寬的數值范圍，δ15Np值分布范圍為－1.1‰～8.6‰，與國外其他一些河口的δ15Np分布水平較一致。該區域δ15NpX值具有明顯的時空分布特點，其變化趨勢與陸源輸入和水體中存在的氮的生物地球化學過程有關。

其中，2月份生物反應較弱，δ15Np分布體現了陸源和海源的混合特征；5月和11月份表層水體δ15Np隨葉綠素a升高而降低，指示了生物的同化吸收作用；8月和11月δ15Np和總溶解無機氮呈現極顯著正相關關系，說明該海域發生了氮的礦化再生。

［1］Altabet M.Isotopic tracers of the marine nitrogen cycle：Present and past［J］.Marine organic matter：biomarkers，isotopes and DNA，2006：251—293.

［2］Mariotti A，Lancelot C，Billen G.Natural isotopic composition of nitrogen as a tracer of origin for suspended organic-matter in the scheldt estuary［J］.Geochimica Et Cosmochimica Acta，1984，48（3）：549—555.

［3］Ostrom E，Macko S，Deibei D，et al.Seasonal variation in the stable carbon and nitrogen isotope biogeochemistry of a coastal cold ocean environment［J］.Geochimica Et Cosmochimica Acta，1997，61（14）：2929—2942.

［4］Voss M，Nausch G，Montoya JP.Nitrogen stable isotope dynamicsin the central Baltic Sea：influenceof deep-water renewal on the N-cycle changes［J］.Marine Ecology-Progress Series，1997，158：11—21.

［5］Zhou J，Wu Y，Zhang J，et al.Carbon and nitrogen composition and stable isotope as potential indicators of source and fate of organic matter in the salt marsh of the Changjiang Estuary，China［J］.Chemosphere，2006，65（2）：310—317.

［6］俞志明，沈志良.長江口水域富營養化［M］.北京：北京科學出版社，2011：549.

［7］吳瑩，張再峰.長江懸浮顆粒物中穩定碳，氮同位素的季節分布［J］.海洋與湖沼，2002，33（5）：546—552.

［8］劉敏，侯立軍，許世遠，等.長江口潮灘有機質來源的C，N穩定同位素示蹤［J］.地理學報，2005，59（6）：918—926.

［9］周俊麗.長江口濕地生態系統中有機質的生物地球化學過程研究［D］.上海：華東師范大學，2005.

［10］Wu Y，Dittmar T，Ludwichowski K，et al.Tracing suspended organic nitrogen from the Yangtze River catchment into the East China Sea［J］.Marine Chemistry，2007，107（3）：367—377.

［11］余婕，劉敏，許世遠，等.長江口潮灘有機質穩定碳同位素時空分布與來源分析［J］.地理研究，2008，27（4）：847—854.

［12］宋飛，宋秀賢，俞志明.長江口海域表層水體顆粒有機物δ15N的分布特征［J］.海洋與湖沼，2007（06）：521—528.

［13］劉秀娟，俞志明，宋秀賢，等.長江口海域懸浮顆粒有機物的穩定氮同位素分布及其生物地球化學意義［J］.海洋科學，2010（01）：11—17.

［14］Parsons R，Maita Y，Lalli M.Manual of chemical and biological methods for seawater analysis［M］.Pergamon，1984.

［15］Cole L，Valiela I，Kroeger K，et al.Assessment of a delta N-15 isotopic method to indicate anthropogenic eutrophication in aquatic ecosystems［J］.Journal of Environmental Quality，2004，33（1）：124—132.

［16］Mc Kinney R A，Nelson W G，Charpentier M A，et al.Ribbed mussel nitrogen isotope signatures reflect nitrogen sources in coastal salt marshes［J］.Ecological Applications，2001，11（1）：203—214.

［17］Kwak T，Zedler J.Food web analysis of southern California coastal wetlands using multiple stable isotopes［J］.Oecologia，1997，110（2）：262—277.

［18］Russell K，Galloway J，Macko S，et al.Sources of nitrogen in wet deposition to the Chesapeake Bay region［J］.Atmospheric Environment，1998，32（14）：2453—2465.

［19］Kreitler C，Browning L.Nitrogen-isotope analysis of groundwater nitrate in carbonate aquifers：natural sources versus human pollution［J］.Journal of Hydrology，1983，61（1）：285—301.

［20］Waldron S，Tatner P，Jack I，et al.The impact of sewage discharge in a marine embayment：a stable isotope reconnaissance［J］.Estuarine，Coastal and Shelf Science，2001，52（1）：111—115.

［21］Aravena R，Evans M，Cherry J.Stable isotopes of oxygen and nitrogen in source identification of nitrate from septic systems［J］.Ground water，2005，31（2）：180—186.

［22］沈志良，劉群.長江和長江口高含量無機氮的主要控制因素［J］.海洋與湖沼，2001，32（5）：465—473.

［23］McClelland J，Valiela I，Michener R.Nitrogen-stable isotope signatures in estuarine food webs：A record of increasing urbanization in coastal watersheds［J］.Limnology and Oceanography，1997：930—937.

［24］Robinson D.δ15N as an integrator of the nitrogen cycle［J］.Trends in Ecology＆Evolution，2001，16（3）：153—162.

［25］Thornton S，Mc Manus J.Application of organic carbon and nitrogen stable isotope and C／N ratios as source indicators of organic matter provenance in estuarine systems：evidence from the Tay Estuary，Scotland［J］.Estuarine，Coastal and Shelf Science，1994，38（3）：219—233.

［26］Peterson B，Howarth R，Garritt R.Multiple stable isotopes used to trace the flow of organic matter in estuarine food webs［J］.Science（New York，NY），1985，227（4692）：1361—1363.

［27］Wu Y，Zhang J，Li D J，et al.Isotope variability of particulate organic matter at the PN section in the East China Sea［J］.Biogeochemistry，2003，65（1）：31—49.

［28］Needoba J，Sigman D，Harrison P.The mechanism of isotope fractionation during algal nitrate assimilation as illuminated by the15N／14N of intracellular nitrate［J］.Journal of Phycology，2004，40（3）：517—522.

［29］Liu X，Yu Z，Song X，et al.The nitrogen isotopic composition of dissolved nitrate in the Yangtze River（Changjiang）estuary，China［J］.Estuarine，Coastal and Shelf Science，2009，85（4）：641—650.

［30］Tian R，Hu F，Saliot A.Biogeochemical processes controlling nutrients at the turbidity maximum and the plume water fronts in the Changjiang Estuary［J］.Biogeochemistry，1992，19（2）：83—102.

［31］李佳霖，白潔，高會旺，等.長江口鄰近海域夏季沉積物硝化細菌與硝化作用［J］.環境科學，2009（11）：3203—3208.

［32］Mariotti A，Germon J C，Hubert P，et al.Experimental determination of nitrogen kinetic isotope fractionation：some principles；illustration for the denitrification and nitrification processes［J］.Plant and Soil，1981，62（3）：413—430.

Seasonal distribution of the isotopic composition of suspended particulate nitrogen in the Changjiang River estuary and its biogeochemistry implications

Yu Haiyan1，2，Yu Zhiming1，Song Xiuxian1，Liu Lili1，2，Cao Xihua1，Yuan Yongquan1

（1.Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences，Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Qingdao 266071，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China）

The isotopic composition of suspended particulate matters（δ15Np）in surface water was studied duringFebruary，May，August and November of 2010 in the Changjiang River estuary.Based on the variations ofδ15Np in different seasons and regions，the biogeochemical processing of nitrogen transformation was studied and its environmental implications were also revealed.The results showed thatδ15Np of SPM was in a wide range of－1.1‰—8.6‰，varying with seasons and geographic regions，which reflected influences of riverineinput and biogeochemical processes.In February，the variation ofδ15Np reflected the mixing between riverine and marine nitrogen；in May and November，δ15Np decreased with increased Chl a in the surface waters，which indicated assimilation；in August and November，significant positive relationships were found betweenδ15Np and DIN，which indicated remineralizaion and nitrification.

nitrogen isotope；assimilation；mineralization；nitrification

P736.4＋4

A

0253-4193（2014）02-0016-07

2012-12-16；

2013-03-12。

國家自然科學基金項目（41276116）；國家基金委創新研究群體科學基金資助項目（41121064）；國家基礎研究規劃973項目（2010CB428706）。

于海燕（1985—），女，山東省濰坊市人，從事長江口海域氮循環研究工作。E-mail：yuhyyuhy＠163.com

*通信作者：俞志明，男，研究員，博士生導師。E-mail：zyu＠qdio.ac.cn

于海燕，俞志明，宋秀賢，等.長江口海域懸浮顆粒有機物的穩定氮同位素季節分布與關鍵生物地球化學過程［J］.海洋學報，2014，36（2）：16—22，

10.3969／j.issn.0253-4193.2014.02.002

Yu Haiyan，Yu Zhiming，Song Xiuxian，et al.Seasonal distribution of the isotopic composition of suspended particulate nitrogen in the Changjiang River estuary and its biogeochemistry implications［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（2）：16—22，doi：10.3969／j.issn.0253-4193.2014.02.002