7-8-海洋中的营养盐

1第六章海洋中的营养盐•§6-1营养元素与营养盐•§6-2海洋中的磷•§6-3海洋中的氮•§6-4海洋中的硅•§6-5富营养化与赤潮2§6-1营养元素与营养盐一、营养元素•营养元素是与生物过程密切相关的一类元素。(1)海洋中许多元素是生物生长所必需的，如H、O、C、N、P、Si、Mg、Cl、K、S、Ca、Fe、Co、Cu、Zn、Mo、Mn、B、Ba、Se等。(2)有些元素含量很高，生物活动对其影响相对较小，通常不将它们称为营养元素。如：H、O、C、S、B、Mg、Cl、K、Ca等；(3)有些元素对海洋植物的生长起着促进作用，但在海水中的含量很低，被称为痕量营养元素，如Fe、Mn、Cu、Zn、Mo、Co、Ba、Se等；3§6-1营养元素与营养盐一、营养元素(4)与主要成分比较，海水中N、P、Si的浓度很低，而且受生物影响最大，被称为主要营养元素(或生源要素)。N、P、Si是海洋生物生长所必需的最重要元素，也是海洋初级生产过程和食物链的基础，在海水中它们含量的高低会影响海洋生物生产力与生态系统结构；生物活动也会对N、P、Si在海水中的含量、分布产生明显的影响。(5)生物制约元素：由于各类营养元素在海水中含量很低，在海洋表层常常被海洋浮游植物大量消耗，甚至成为海洋初级生产力的限制因素，所以，又称它们为“生物制约元素”。4§6-1营养元素与营养盐一、营养元素海洋中营养元素的来源：主要为大陆径流带来的岩石风化产物、有机物腐解的产物及人类活动排入的废弃物。此外海底火山及海底热水活动、海底冷泉、海底岩石海解、极地冰川融化，甚至来自大气的输送的固体微粒或气溶胶、降水、海洋对气体的直接吸收，雨水的加入等。海洋中营养元素的迁出：形成固体物质和沉降作用，如形成自生矿物、被悬浮物质吸附、进入生物组织或通过海气界面向大气输送。5§6-1营养元素与营养盐二、营养盐•营养盐是指海水中营养元素N、P、Si的各种无机盐类，因为它们在海水中主要以酸根形式存在，并与各种金属元素结合而生成盐。•营养盐的存在形式：NO3-、NO2-、NH4+、PO43-、HPO42-、H2PO4-、Si(OH)4。•营养盐再生：在海洋真光层内，营养盐经生物光合作用被吸收，成为生物有机体的组成部分，从而导致海洋表层营养盐的贫化；生物体在代谢过程中的排泄物和生物残骸下沉到真光层以下，有机体分解、矿化，营养元素最终以无机化学形式返回到海水中的过程。•氮和磷的再生：沉降到深层水中的生物颗粒，由于自溶作用和细菌作用，使细胞中的N、P再回到海水中的现象，其结果使底层水中N、P浓度增加。6§6-1营养元素与营养盐二、营养盐•从真光层沉降的颗粒组分，在中、深层水体中将被分解，造成中、深层水体中无机营养盐含量的增高；•通过垂直对流、扩散作用，使深部水体中的营养盐重新回到真光层，而横向平流运动把累积的营养盐分散开，如此不断循环。•营养盐参与生物生命活动的整个过程，它们的存在形态与分布受到生物活动的制约，同时也受到化学、地质和水文因素的影响，它们在海洋中的含量与分布并不均匀，也不恒定，往往存在明显的季节与区域变化。7§6-1营养元素与营养盐二、营养盐海洋中营养盐的某些特征—营养盐是海洋生命活动的基本要素。•浮游植物光合作用中被吸收，与碳、氧等为构成生物体基本组成。•有较为恒定的吸收比。•在真光层内是生物量或生产力的限制性因素。—营养盐的含量、分布、变化和循环主要受生物作用控制。•形态转化•再生与循环过程•时间变化(日变化、季节变化等)明显•空间分布差异很大(物理、化学、生物共同影响)8§6-1营养元素与营养盐二、营养盐•营养元素和氧的吸收与再生的化学计算•哈维(1926)：NO3--N和磷酸盐因浮游植物的生长彼此以恒定比例自海水中移出。•雷德菲尔德(1934)指出不同位置和深度的海水也以近似恒定的比例含有这两种成分。•Riley(1965)等：在沿岸水体中，通常N:P比值在5:1和8:1之间。凯彻姆等指出浮游动物的N:P比值比浮游植物的要高。•不能预测硅与其他营养元素和氧消耗之间能表现出一种密切的化学计算关系，因为浮游植物产量中硅藻的比例及其硅化作用的程度有很大的变化。9§6-1营养元素与营养盐二、营养盐营养盐垂直分布规律对于大洋水来说，营养盐的分布可分成四层：①表层，营养盐含量低，分布比较均匀：②次层，营养盐含量随深度的增加而迅速增加；③500～1500m次深层，营养盐含量出现最大值；④深层，厚度虽大，但磷酸盐和硝酸盐的含量变化很小，硅酸盐含量随深度的增加而略为增加。10海洋中营养盐的垂直分布11海洋中营养盐循环示意图12§6-2海洋中的磷•一、磷在生物体中的作用•二、磷在海水中的存在形态•三、磷在海水中相互转化和循环•四、磷在海洋中的含量分布与变化13§6-2海洋中的磷一、磷在生物体中的作用•磷—哲人石—点石成金—冷光—“鬼火”•磷是所有生物进行能量传输和生长所必需的营养盐；•磷是DNA、RNA、ATP、ADP、磷酸脂的必需组分；•对于脊椎动物，磷(磷酸钙)是构成其牙和骨骼的主要成分；•海水中磷酸盐是海洋动植物生产量的控制因素之一，与海洋生物的生命活动紧密相联系。14§6-2海洋中的磷二、磷在海水中的存在形态1.海水中磷的形态划分•自然界的无机磷4种价态：PH3、P4、H3PO3、H3PO4•磷以不同的形态存在于海洋水体、海洋生物体、海洋沉积物和海洋悬浮物中。•海水中磷的化合物有多种形式，如溶解态无机磷酸盐、溶解态有机磷化合物、颗粒态有机磷物质和吸附在悬浮物上的磷化合物。•通常以溶解的无机磷酸盐为主要形态，用PO43--P表示。15§6-2海洋中的磷二、磷在海水中的存在形态•表层海水中的溶解和颗粒有机磷来自于生物分解与排泄产物，有：磷酸糖类、磷脂、磷核苷酸及其水解产物，以及磷酸酯、更稳定的氨基磷酸。•溶解无机磷(DIP)：H3PO4、H2PO4-、HPO42-、PO43-1.海水中磷的形态划分16§6-2海洋中的磷二、磷在海水中的存在形态1.海水中磷的形态划分17§6-2海洋中的磷二、磷在海水中的存在形态2.海水中无机磷酸盐的存在形式•海水中无机磷酸盐存在以下的平衡：H3PO4H++H2PO4-2H++HPO42-3H++PO43-•不同pH值时，3种磷酸盐阴离子H2PO4-、HPO42-和PO43-所占总磷量的百分比不同；•相同pH下、溶液不同，磷酸盐阴离子含量不同。---常量阳离子Ca、Mg等的影响182.海水中无机磷酸盐的存在形式19§6-2海洋中的磷三、磷在海水中相互转化和循环磷的循环(张正斌等，1999)20§6-2海洋中的磷三、磷在海水中相互转化和循环•海洋磷的来源：•(1)陆地径流输入：磷进入海洋主要通过河流输入，陆地岩石、土壤风化的产物是河流磷的主要来源。•(2)大气沉降•(3)火山活动21§6-2海洋中的磷三、磷在海水中相互转化和循环•海洋磷的迁出：•(1)有机质的埋藏：磷从上层水体输送进入沉积物的最重要途径是通过生物吸收，结合进入到沉降颗粒有机物中，最终埋藏于沉积物。•(2)磷在黏土、铁锰氧化物上的吸附与沉淀；磷结合进入CaCO3壳体迁出海洋；•(3)磷灰石的埋藏被认为磷从海洋迁出的重要途径之一；•(4)热水活动。22全球磷循环23§6-2海洋中的磷四、磷在海洋中的分布与变化近岸海水中磷的形态与分布24§6-2海洋中的磷四、磷在海洋中的分布与变化•总的规律：•一般在河口沿岸水体、封闭海区和上升流区的磷酸盐含量较高，而在开阔的大洋表层含量较低。•近海水域磷酸盐含量一般冬季较高，夏季较低。•在河口及沿岸浅海区磷酸盐的垂直方向上分布比较均匀，而在深海和大洋中，则有明显分层。25§6-2海洋中的磷四、磷在海洋中的分布与变化1.水平分布•大洋海水中无机磷酸盐的浓度一般不超过0.5-1.0mol/dm3；•在热带海洋表层水中，生物生产力大，磷的浓度较低，通常在0.1-0.2mol/dm3；•在太平洋、大西洋和印度洋的南部，磷酸盐的分布及含量大致相同；•大西洋北部磷含量较低，太平洋北部磷含量几乎是南部海区的两倍。•磷分布与溶解氧分布呈互补，一般规律是磷含量高，氧含量低。26§6-2海洋中的磷四、磷在海洋中的分布与变化2.垂直分布大体反映出三大洋水中磷酸盐含量分布变化的一般规律。27§6-2海洋中的磷四、磷在海洋中的分布与变化2.垂直分布•三大洋水中磷酸盐含量分布变化的一般规律：•表层较低：由于生物活动吸收磷酸盐，使磷的含量很低，甚至降到零值。•在500-800m深水层内，随深度的增加而迅速增加：含磷颗粒在重力的作用下下沉或被动物一直带到深海，由于细菌的分解氧化，不断地把磷酸盐释放回海水，从而使磷的含量随深度的增加而迅速增加，一直达到最大值(1000m左右)。•1000m以下的深层水，随深度的增加变化很小：在1000m以下的深层水中，磷几乎都以溶解的磷酸盐的形式存在。由于垂直涡动扩散，使来源于不同水层的磷酸盐浓度趋于均等。28§6-2海洋中的磷四、磷在海洋中的分布与变化3.季节变化英吉利海峡海水磷酸盐季节变化29§6-2海洋中的磷四、磷在海洋中的分布与变化3.季节变化•海水中磷的含量还由于受生物活动规律及其他因素的影响而存在季节变化。尤其是在温带(中纬度)海区的表层水和近岸浅海中，磷酸盐的含量分布具有规律性的季节变化。•夏季：表层海水由于光合作用强烈，生物活动旺盛，摄取磷的量多，而从深层水来的磷补给不足，会使表层水磷的含量降低，以致减为零值。•冬季：由于生物死亡，尸骸和排泄物腐解，磷重新释放返回海水中，同时由于冬季海水对流混合剧烈，使底部的磷酸盐补充到表层，使其含量达全年最高值。30§6-2海洋中的磷四、磷在海洋中的分布与变化胶州湾某站海水磷酸盐季节变化3.季节变化31§6-3海洋中的氮•一、氮在生物体中的作用•二、氮在海水中的存在形态•三、氮在海水中相互转化和循环•四、氮在海洋中的分布与变化•五、海洋中氮磷的化学计量关系32§6-3海洋中的氮一、氮在生物体中的作用•氮(N)是海洋生物生长的必需营养元素，它是生物体中蛋白质、核酸、光合色素等有机分子的重要组成元素。•研究表明，氮是许多海域初级生产力和碳输出的主要控制因子，因而与大气CO2浓度的变化乃至全球气候变化有密切联系。33§6-3海洋中的氮二、氮在海水中的存在形态•Spencer(1975)在ChemicalOceanography(Vol.2)中介绍的海水中氮的6种形态：元素-氮(N2)、硝酸-氮(NO3-)、亚硝酸-氮(NO2-)、铵-氮(NH4+)、溶解有机氮(DON)和颗粒氮(PN)。34§6-3海洋中的氮二、氮在海水中的存在形态海洋中氮的存在形式及其储量(单位1012g)35§6-3海洋中的氮二、氮在海水中的存在形态价态分子式名称+5NO3-硝酸盐+4NO2二氧化氮+3NO2-亚硝酸盐+2NO一氧化氮+1N2O氧化亚氮0N2氮气-1NH2OH羟胺-2N2H4肼（联氨）-3NH3氨气NH4+氨盐RNH2有机胺36§6-3海洋中的氮三、氮在海水中相互转化和循环37§6-3海洋中的氮三、氮在海水中相互转化和循环•海洋生物活动是导致海洋中氮于各种形态之间相互转化的重要影响因素，其中生物固氮作用(①)、氮的同化作用(②)、硝化作用(③)和反硝化作用(⑥)是海洋氮循环的关键过程。硝酸盐的还原作用氨化作用38§6-3海洋中的氮三、氮在海水中相互转化和循环•颗粒氮转化为溶解无机氮的模拟实验VonBrandandRakestraw(1930)inHarvey(1957)39§6-3海洋中的氮三、氮在海水中相互转化和循环•海洋浮游植物对氮的吸收•NO3-、NO2-、NH4+，分子量不大的DON(如尿素、氨基酸等)。•生物吸收转化而成的有机氮经排泄或生物体死亡后，被微生物生化分解转变为无机氮，构成氮的循环。40§6-3海洋中的氮三、氮在海水中相互转化和循环•硝化作用(nitrification)•通常将有机氮→NH4+→NO2-→NO3-的过程称作“硝化作用”。铵的氧化：NH4+被氧化为NO2-的反应有3种：•光化学氧化：在UV