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化学海洋 主要生源要素的生物地球化学循环_图文

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化学 海洋 主要 生源 要素 生物 地球化学 循环 图文
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二 营养盐循环™目前对海洋中各形态氮的含量与分布有一定了解,对其循环路径也有定性认识,但有关海洋氮循环关键过程的速率特征仍缺乏定量信息。™ 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、氮的生物吸收、硝化作用 和 反硝化作用 是海洋氮循环的关键过程四、海洋氮循环关键过程1、氮的生物吸收2、固氮作用;3、硝化作用;4、反硝化作用1、氮的生物吸收™在许多开阔大洋海域,生物初级生产过程往往受氮的提供量所限制。由于海洋中的大部分浮游植物无法直接利用们必须通过吸收溶解态氮组分(如尿素)来满足其光合作用需要。当海水中的氮进入到生物细胞壁后,通过一系列酶的作用和合成代谢反应,最终被转化为蛋白质。所发生的重要合成代谢反应如下:™ 由于亚硝酸盐比硝酸盐处于较低的氧化态,其转化为有机形式需要耗费较少的能量。与此类似,浮游植物吸收氨盐或尿素所耗费的能量更少。™ 如果将混合了溶解态尿素、氨盐、亚硝酸盐和硝酸盐的溶液来培养浮游植物, 浮游植物利用还原态氮的速率最快。™ 在沿岸海域, 尿素由于有较快的产生速率,生物对其的吸收也比较重要。2、固氮作用固氮作用在海洋碳、氮循环中的作用3、硝化作用™ 初始时,解产生它激发了亚硝基单孢菌的生长,这些细菌将化成 导致水体 度降低,而 ™ 高浓度的化细菌将 终,所有被转化为™ 未被降解的残余 要由较为惰性的组分构成,它们无法被好氧海洋细菌降解。黑暗条件下固定体积海水中氧降解所产生的氮化合物4、反硝化作用反硝化作用特点:五、海洋中氮营养盐的分布1、全球海洋表层水中 类活动对海洋氮循环的影响全球海洋无机氮( 与无机磷(的关系(据)短时间尺度上磷的重要性™ 有关氮是唯一限制性营养盐的看法存在明显的缺陷,其中最重要的一点是忽略了有机营养盐和痕量金属元素在浮游生物生长中的潜在作用;™ 磷可能是目前部分海域浮游植物生产力的限制性因子二、磷的存在形态与储库1、磷的存在形态Z 海水中的总磷( 分为颗粒磷( 总溶解磷( P+ 在大多数开阔海洋环境中, Z 颗粒磷和总溶解磷均包括无机和有机的磷组分,因此, 水中(S=35 )溶解无机磷各种存在形式随的变化情况T=25° C、 =35时海水中各种形态溶解无机磷所占的份额压力变化对溶解无机磷存在形态会产生影响各种形态溶解无机磷所占份额 (%)压力( 105500× 1051000× 105 0 5° C 、 S= 35时压力对各种形态溶解无机磷所占份额的影响三、海洋磷的收支状况5海洋磷的收支状况 (1010 )2,000013>828洋中™基于输入、迁出速率进行计算——单箱模型停留时间 = 储量/ 输入速率 量 /迁出速率 32,0000 × 1010 11 1010 × 1010 ,300 - 29,100 20,00000 —海洋 P 的收支 : 稳态?河流输入 净蒸发上层海洋深层海洋下降水 上升水沉降颗粒埋藏降解0(世界主要大洋断面分布太平洋断面分布开阔大洋上层水体时间变化北太平洋亚热带海域真光层中 在全球变暖的背景下,亚热带北太平洋水体层化作用加强,由此导致由深层水提供至真光层的主要营养盐减少 ; ™ 与此同时,生物群落结构发生变化,毛虫等真核生物的优势地位,从而导致海洋固氮作用的增强,初级生产力升高, 并逐渐使该海域生物生长的限制性营养盐由氮向磷转化。2、溶解非活性磷酸盐(™ 表层水中 M;™ 沉降颗粒物中的 C:061,与新鲜有机物和 值接近, 说明沉降颗粒物中的 ™高颗粒磷经常出现在高生产力的沿岸或上层水体。第4 节硅的生物地球化学循环一、硅循环的重要性™硅是整个地球天然丰度排第3的元素,也是地壳中丰度第2的元素,占地壳物质的28%。海水中H)4 是溶解态硅的主要存在形态溶解态硅存在形态随 洋硅循环™ 海洋中的生源硅(生物硅)由隶属浮游植物的硅藻和硅质鞭毛虫,以及隶属原生动物的放射虫产生。另外,一些海绵动物也会形成硅质骨针,但仅对海洋生源硅有很小的贡献。™ 埋藏于沉积物的硅质外壳其形状可多种多样,但一般直径均小于 100 μm ,其中许多是由现在已经灭绝的生物所形成的。深海沉积物中的生源硅( a)硅藻;( b)放射虫™海洋中的硅藻种类超过10000种,硅藻中的无机组分中超过60%为™有关硅藻如何吸收研究显示,蛋白质参与了细胞原生质膜对™硅藻干重中的50%以上为比例与硅藻种类有关。™如果硅藻生长在硅酸盐缺乏的介质中,硅藻细胞将缺乏硅,这些细胞仍然可以活几个星期,它们即使在黑暗中也会吸收加入的果将硅缺乏细胞光照,光合作用一段很短的时间后它们将很快死亡。™硅藻中的硅在他们活着的时候是不溶的,但当他们死亡后将很快溶解。(2)硅酸盐的生物吸收™硅藻的生产力受溶解态硅酸盐的影响,在溶解态硅酸盐含量高的海域,硅藻通常是优势种,因为它们比其他种类的远洋浮游藻类吸收营养盐的速率更快。™溶解态硅酸盐含量在风生上升流区比较高,主要位于赤道、亚极地海域与东边界海域海洋风生上升流所在区域硅藻吸收上层水体的硅酸盐非常有效 :™ 在 40°~50 °S 的海域,硝酸盐浓度较高,但硅酸盐浓度接近于 0,说明这些海域硅酸盐浓度限制着浮游植物的生长 ;™ 在 55°S 以南,硝酸盐浓度和硅酸盐浓度均比较高,这是因为存在亚极地上升流和生物吸收速率低共同形成的,这些海域浮游植物的生长被认为受光、低温度及痕量营养盐如半球表层水( a)溶解硅酸盐(b )硝酸盐随纬度变化(3)蛋白石的沉降迁出™ 生物死亡后,硅质外壳与其它生源颗粒一起向下沉降,其中绝大多数在深海中被再矿化。™ 与碳酸钙不同,所有的海水对于蛋白石来说都是不饱和的,因此,所有的硅质外壳在沉降至海底期间都倾向于溶解。但是,最终仍有一部分被埋藏于沉积物中。四、海洋中活性硅酸盐的分布( 1)海洋中活性硅酸盐的浓度变化很大,从大西洋热带海域表层水的 <1 μ 210 μ 受河流、海底沉积物等影响明显的近岸海域,海水中的活性硅酸盐浓度比较高。(2 )表层水中活性硅酸盐在极地与亚极地海域具有较高浓度全球海洋表层水活性硅酸盐的分布(5)在深层海洋,沿着全球热盐环流路径,深海水活性硅酸盐浓度逐渐增加,说明在深海水运移过程中,不断积累由蛋白石溶解和由海底沉积物向上扩散提供的硅酸盐。(6)活性硅酸盐和活性磷酸盐、硝酸盐等类似,其含量与分布也具有显著季节变化。对于温带海洋,Z 春季时,因浮游植物,尤其是硅藻的大量繁殖,海水中活性硅酸盐含量明显降低,但一般情况下不会象硝酸盐和活性磷酸盐那样,被消耗至浓度检测不出的情况。Z 到夏季时,由于表层水温度升高,硅藻的生长受到抑制,海水中活性硅酸盐浓度又有一定程度提高。Z 冬季时,生物死亡后所产生的颗粒物下沉,其中的蛋白石溶解于海水中,使活性硅酸盐含量显著提高。五、沉积物中生源硅的分布™沉积物生源硅的高浓度出现在赤道与亚极地上升流海域。控制此分布的因素包括:Z (1)水柱中生源硅的沉降通量;Z (2)沉积物生源硅的保存程度;Z (3)其它颗粒物的相对累积速率。沉积物生源硅含量( %)的空间变化蛋白石和其他海洋矿物一样,通常被所吸附的有机物所覆盖,这有助于壳体与海水的分离,降低壳体的溶解速率。当金属离子存在的时候,蛋白石的溶解速率同样被降低,因为它们降低了硅的溶解度。金属可被生物吸收结合进入到硅质外壳中,也可以通过吸附结合到壳体表面(因为硅在氧化性海水与水团中蛋白石的不饱和程度越高,溶解速率越快。™沉积物中蛋白石的保存与溶解速率、沉积速率有关。Z 溶解速率低利于蛋白石的保存;Z 沉积速率越快,蛋白石与海水的接触越快地被分离,有利于蛋白石的保存。™其它颗粒物的相对累积速率低,生源硅浓度高。Z 如果蛋白石是与其他颗粒一同被埋藏的话,沉积物中蛋白石的相对含量将被稀释,这也就是为什么高、沉积物中生源硅的保存方程一方程二方程三联立上述方程可得:对于富含蛋白石的沉积物:对于低蛋白石含量的沉积物:本章小结™影响主要营养盐分布的两个过程:Z 生物过程、物理过程™生源要素的不同形态及其所参与的生物地球化学循环不同:形态、含量、分布、主要循环路径™生源要素的收支平衡状况与停留时间™颗粒沉降与埋藏过程中的主要再矿化作用及其影响因素作业题™ 某组分 0%被结合进入颗粒物并沉降进入深海,而通过颗粒沉降进入深海的 20%被保存在沉积物中,假设该组分完全由河流输送进入海洋。且其在河水中的平均浓度为 10μ g/L,试计算它在上层水和深海水中的平均浓度,它在海洋中的平均停留时间为多少?™ 假设海洋中的所有生物突然消失,请分析在约 1000年尺度上开阔大洋表层水中的主要营养盐将发生什么变化? 100000年尺度上又发生什么变化?
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