长江口富营养化水域氮循环关键过程中氮稳定同位素特征研究

Coastal eutrophication is a major environmental problem for countries close to the sea. The most important characteristic of eutrophication is asignificant increase in nitrogen. Studies on the processes and characteristics of N cycle in eutrophic waters are important and necessary to reveal eutrophication formation and ecosystem change. Stable isotope of N-15 in natural abundance is an effective way to study N cycle processes. To counter the situation of more and more serious eutrophication in Chinese coastal waters, this project will take Changjiang river estuary as target waters by means of stable isotope of N-15 in natural abundance to study δ15N distribution and characteristic of different forms of nitrogen, effects of nitrification/denitrification and key biological processes on δ15N, aggregative effect model of δ15N in the key processes of N biogeochemistry. Characteristic changes of N stable isotope in the key processes of N cycle will be studied to reveal the relationship between the change characteristic of N stable isotope and the key processes of N cycle. The key processes and characteristics of N cycle in coastal eutrophic waters will be analyzed and discussed. The results will provide scientific basis for studies on coastal eutrophication, ecosystem change etc.

近海富营养化是目前全球邻海国家所面临的主要生态环境问题，其最大特点是氮营养盐显著增加。研究富营养化海域中氮的循环过程和特点，是揭示近海富营养化形成、生态系统演变必不可少的重要内容。其中，天然丰度氮稳定同位素N-15技术是一种研究氮循环过程有效的手段。为此，本项目针对我国近海富营养化不断加重的态势，以长江口为目标水域，应用天然丰度氮稳定同位素15N的分析方法和技术，通过该水域长江口水域不同形态氮的δ15N时空分布与特征、硝化与反硝化过程对长江口水域氮稳定同位素分布与特征的影响、关键生物过程对长江口水域氮稳定同位素分布与特征的影响、长江口水域氮生物地球化学关键过程δ15N综合效应模型等研究，分析长江口水域氮循环关键过程中的氮稳定同位素变化特征，揭示两者之间的内在关系，更深入地分析和阐释富营养化水域氮循环关键过程与特点，为近海富营养化、生态系统演变等相关研究，提供科学依据。

长江口及其邻近水域是我国近海富营养化最为严重的区域，本项目以该区域为研究对象，基于化学和生物分析方法，开展了长江口水域不同形态氮的δ15N特征调查研究；分析关键生物地球化学过程及同位素分馏效应与上述δ15N特征的关系；建立含有δ15N参数的长江口邻近水域氮的生物地球化学模型，定量模拟了氮循环关键过程及通量。主要成果包括：.（1）建立了δ15N的分析方法，满足铵盐和低浓度硝酸盐样品δ15N值的测定需求。蒸馏-沸石吸收法在为2-10μmol/L的氮浓度范围内回收率达95%-100%，分馏效应小于0.8‰；PreCon-IRMS联机测定氮氧稳定同位素反硝化细菌法的标准曲线R2大于0.999。.（2）研究了该海域氮稳定同位素分布特征、同位素分馏效应等，进一步揭释了氮的生物地球化学过程，发现各种氮循环关键过程导致长江口不同形态氮稳定同位素具有明显的时空分布特征。浮游植物同化吸收过程引起4.4‰~4.6‰的分馏效应，使得表层水体硝酸盐δ15N较底层较高，且从春季到秋季先上升后下降。底层的矿化作用和硝化作用（分馏系数在24‰~25‰之间）导致了较低的硝酸盐δ15N。硝化速率、同化吸收速率、矿化速率现场实测也验证了同化吸收、矿化和硝化过程为长江口发生的主要氮生物地球化学过程。.（3）建立了含有δ15N参数的氮生物地球化学循环模型，其模拟结果与现场观测一致。结果表明：总体上长江口及其邻近水域是硝酸盐和铵盐的汇，内部循环通量与外源输入相比偏大。浮游植物同化吸收和矿化作用的强度在各个氮循环过程中最高，且呈现出夏季最强、冬季最弱的变化特点。同化吸收的氮通量是径流输入的2.5倍；矿化过程提供的再生氮是浮游植物的重要氮源，可提供近65.6%浮游植物同化吸收所需的氮通量。. 本项目进一步阐明了长江口及其邻近水域氮的生物地球化学关键过程，定量研究了该海域各个过程的氮收支和通量，揭示了该海域氮的不同来源、富营养化的形成机制等，具有重要的科学意义。