海洋顆粒有機物碳、氮穩(wěn)定同位素分析方法研究概況

刁明亞 江婷婷

（1.中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島 266100；2.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100）

1 穩(wěn)定同位素分析法

隨著原子核中子和質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)，同位素研究工作逐步建立與發(fā)展起來。同位素是指質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的原子，根據(jù)其穩(wěn)定性，可分為穩(wěn)定同位素和放射性同位素兩類。穩(wěn)定同位素分析是基于消費者與其食物之間穩(wěn)定同位素組成相近的原理來確定消費者的食物來源以及食物組成的方法。通過穩(wěn)定同位素在生物體內(nèi)的變化來反映物理、化學(xué)及生物作用對生物體產(chǎn)生影響的過程，能夠促進人們對生物圈的認識和理解。同位素分餾是同位素比值不同的兩種物質(zhì)或同一物質(zhì)兩個相態(tài)間發(fā)生的同位素分配，是穩(wěn)定同位素豐度變化的機制。生物體新陳代謝過程中，較重的穩(wěn)定同位素更易在分餾過程中富集在生物體內(nèi)，反映出大時間尺度上生物攝取的食物經(jīng)新陳代謝作用后的結(jié)果[1]。這種分析方法隨Nier型質(zhì)譜儀產(chǎn)生及其改進而逐步發(fā)展完善，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。當(dāng)今的海洋生態(tài)系統(tǒng)的研究中，碳、氮穩(wěn)定同位素分析方法是最常用的方法之一。

2 碳、氮穩(wěn)定同位素

碳是構(gòu)成有機生命體的基礎(chǔ)，存在于多數(shù)分子和所有生命中，在陸地和水生生物的生物地球化學(xué)循環(huán)以及生態(tài)系統(tǒng)力能過程中扮演著重要角色。碳有多種同位素，其中12C、13C為穩(wěn)定同位素；氮是大氣圈和生物圈的重要組成元素，是控制海洋生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、物種組成以及生物多樣性的關(guān)鍵元素之一，其中14N、15N為穩(wěn)定同位素。有機物生物地球化學(xué)過程中，不同生物間13C/12C和15N/14N發(fā)生的分餾作用不同，可用于判斷有機物來源，追蹤其在食物網(wǎng)中的傳遞，建立連續(xù)的營養(yǎng)級譜[2]。沿食物鏈傳遞方向δ15N富集3‰～5‰，δ13C的同位素分餾系數(shù)小于1‰，但不同碳源δ13C有較大差別。碳、氮穩(wěn)定同位素組成（δ13C和δ15N）有重要的科學(xué)內(nèi)涵，在全球生物地球化學(xué)研究中得到廣泛的應(yīng)用，為海洋生態(tài)系統(tǒng)的研究提供十分有價值的信息。

3 海洋顆粒有機物

海洋中，多數(shù)有機碳以小分子形式存在，只有一小部分是活體有機碳。顆粒有機碳含量僅占總碳的10%左右，但是與生物的生命過程、初級生產(chǎn)力密切相關(guān)，是水體中碳固定和遷出的主要形式，在海洋和全球碳循環(huán)中占有重要地位。氮是海洋生產(chǎn)力的主要限制營養(yǎng)鹽，主要以有機氮形式從陸地向海洋運輸。顆粒氮由顆粒有機氮和顆粒無機氮組成。其中，顆粒有機氮與水體中顆粒有機物的來源一致，而顆粒無機氮則是由一些含氮的化合物（含氮的無機肥料）及細顆粒物質(zhì)吸附水體中NH4+組成。顆粒有機物δ13C和δ15N能夠指示有機物的來源、遷移及轉(zhuǎn)化等生物地球化學(xué)過程，為碳、氮的環(huán)境行為的研究提供重要的信息。

4 河口區(qū)域顆粒有機物碳、氮穩(wěn)定同位素分析的應(yīng)用

河口區(qū)域是連接河流和海洋的過度帶，受海洋、河流以及人類活動的影響極大，水文條件和生態(tài)環(huán)境復(fù)雜多變，導(dǎo)致顆粒有機物在河口及其相鄰陸架海上的生物地球化學(xué)行為也是非常復(fù)雜的。海洋顆粒有機物的來源主要包括陸源和海源。河流輸入、浮游植物光合作用、有機物的分解礦化和沉積物的再懸浮是其主要來源。了解顆粒有機物在河口及其相鄰陸架海中的行為及組成變化是在全球尺度上描述碳循環(huán)模式的基礎(chǔ)。

碳、氮穩(wěn)定同位素分析方法在近幾年國內(nèi)外河口區(qū)域顆粒有機物的研究中得到廣泛地應(yīng)用。Barth[3]通過分析圣勞倫斯河近岸海域生態(tài)系統(tǒng)不同季節(jié)水體中顆粒有機物碳穩(wěn)定同位素組成，發(fā)現(xiàn)在冷季和風(fēng)暴潮時期，碎屑是顆粒有機物的主要來源，而浮游植物則是暖季顆粒有機物的主要成分。Middelburg[4]在德國斯海爾德河河口觀測了水體顆粒有機物的 δ13C、δ15N和碳氮比 （C/N）， 并同幾種來源物質(zhì)的 δ13C、δ15N、C/N典型值進行對比，從而判斷出水體與沉積物中顆粒有機物的來源，沉積物中的有機碳主要由陸源貢獻，而懸浮顆粒物中有機碳主要來自于海水和河流輸入。Liu[5]通過碳、氮穩(wěn)定同位素分析方法，對臺灣淡水河河口區(qū)域海水中顆粒有機物的來源進行了分析，結(jié)果表明該處水體中顆粒有機物的主要來源包括廢水、土壤和基巖衍生沉積物，且這三種來源對顆粒有機物的貢獻率分別為83%、12%、5%。Yu[6]基于水體中的顆粒有機物δ13CPOC分析了珠江三角洲海域顆粒有機碳的來源，通過對比海水δ13CPOC、淡水δ13CPOC以及C3植物和C4植物體內(nèi)的δ13C，證明了陸源有機物輸入以及河流輸入是珠江三角洲海域海水有機顆粒氮的主要來源。利用碳、氮穩(wěn)定同位素組成分析水體中顆粒有機物來源的研究在牙買加金斯頓港[7]、日本東京[8]、葡萄牙里斯本[9]等地區(qū)同樣得到了成功的應(yīng)用。

對于長江河口水體中顆粒有機物碳、氮穩(wěn)定同位素組成也進行了許多研究。蔡德陵[10]通過對比長江河口及鄰近的東海海域洪水期表層水體與表層沉積物中顆粒有機物的δ13CPOC，發(fā)現(xiàn)隨著長江沖淡水的擴展，顆粒有機物δ13CPOC逐漸增大，且變化范圍較大，反映出陸源與海源有機碳在河口區(qū)的顯著的混合作用。Zhang[11]通過分析夏季長江河口區(qū)表層水體和沉積物中顆粒有機物δ13C和δ15N，也得到了相同的結(jié)論。Tan[12]在1980年測量了長江河口區(qū)表層水體中顆粒有機物δ13CPOC，發(fā)現(xiàn)夏季顆粒有機物δ13CPOC的變化范圍介于-25.4‰～-19.7‰之間，而冬季顆粒有機物δ13CPOC則介于-26.6‰～-23.7‰之間；施光春[13]在1986年再次分析了相同區(qū)域冬、夏兩季表層水體中顆粒有機物δ13CPOC，冬季 δ13CPOC介于-25.64‰至-22.64‰之間，δ13CPOC主要來自于陸源；夏季，當(dāng)海水鹽度低于25，δ13CPOC在-26.39‰～-22.03‰范圍內(nèi)，POC的來源為陸源物質(zhì)輸入；而鹽度高于25的區(qū)域，δ13CPOC變化范圍為-21.79‰～-18.64‰，海洋浮游生物為顆粒有機碳的主要來源；Gao[14]調(diào)查了長江河口區(qū)到東海西部區(qū)域冬、夏季懸浮顆粒物δ13C與δ15N的變化情況，結(jié)果表明顆粒有機物δ13C與δ15N存在明顯的季節(jié)性差異，且夏季較冬季有極大的升高；宋飛[15]分析了長江口海域不同季節(jié)表層水體中懸浮顆粒物δ15N的變化情況，表明水體中δ15N的空間分布有顯著的季節(jié)性差異，懸浮顆粒物主要受其來源和氮的分餾影響；于海燕[16]則進一步分析了該區(qū)域不同季節(jié)影響懸浮顆粒物δ15N的因素，并發(fā)現(xiàn)在春季與秋季，由于生物的同化吸收作用使δ15N值增高，夏季氮的礦化再生是主要影響因素，而冬季陸源物質(zhì)與海源物質(zhì)的共同作用使δ15N值低。

5 展望

碳、氮穩(wěn)定同位素方法能夠追蹤生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)和能量傳輸途徑，在定量解析海水顆粒有機物來源上有巨大的潛力。河口區(qū)域復(fù)雜的水文環(huán)境，使水體中顆粒有機物碳、氮穩(wěn)定同位素的組成有顯著的年份和季節(jié)性差異，從而影響海洋物質(zhì)循環(huán)和能量流動。了解顆粒有機物碳、氮穩(wěn)定同位素在河口區(qū)域的組成和變化情況，能極大的加深對河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的了解及對碳、氮生物地球化學(xué)過程認識。

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