珠江口与南海北部海盆硝化、反硝化作用的过程机理之比较研究

海洋碳氮循环同为海洋生物地球化学循环的两条基本线索，但我们对海洋氮循环的认知依然较为初步。硝化和反硝化作用是海洋氮循环关键过程，硝化作用调控不同形态氮的分布，反硝化作用则是海洋氮去除的主要途径。本项目基于申请人及其团队过去十多年来在珠江口和南海北部海域开展的海洋生物地球化学研究，拟以稳定氮同位素为主要手段，揭示河口和边缘海不同环境中硝化与反硝化作用的反应强度及其关键影响因素，探讨硝化与反硝化作用对温室气体N2O的贡献，评估其潜在的气候效应；项目选择受人类活动干扰较大的珠江口上游缺氧河口环境和受人类活动干扰相对较小的南海北部海盆开展硝化与反硝化机理的比较研究, 可望从过程机理上增强对海洋氮循环的认识。结合申请人在该区域的海洋碳循环研究，本项目还有望探讨碳、氮等生源要素的生物地球化学耦合作用过程，进而有助于在系统水平上认知海洋生物地球化学与海洋生态系统、地球气候系统的相互作用关系。

本项目选择受人为活动干扰较大的珠江口区域和受人类活动干扰相对较小的南海北部海盆区进行比较研究，以稳定氮同位素为主要手段，系统研究了珠江口和南海北部氧化亚氮（N2O）、溶解无机氮和稳定氮同位素组成的分布特征，硝化、反硝化和厌氧氨氧化作用的强度和反应机制，以及硝化与反硝化作用对N2O产量的相对贡献。对珠江口上游全水柱常年缺氧和下游底层水体季节性缺氧现象及形成机制进行了深入研究。.结果表明，珠江口区域是大气N2O重要的排放源，其浓度范围在6.0-329 nmol L-1，饱和度在101%-3800%，N2O与水-气N2O通量同时呈现出较大的时空差异。珠江口上游水体N2O主要由硝化作用产生，而下游N2O及其水-气通量主要由外海水的混合过程控制。珠江口水体整体硝化速率（668-19513 nmol N L-1 d-1）较高，反硝化与厌氧氨氧化速率却很低。反硝化作用主要发生在沉积物中，主要以硝化-反硝化耦合的方式进行，约占65-97%，下游沉积物反硝化作用对水体N2O也有重要贡献。沉积物中的厌氧氨氧速率很低，对氮移除贡献并不显著。在珠江口上游，硝化作用耗氧量与水柱中有机物耗氧量级相当，分别占水柱总耗氧的41%和59%，是引起该区域常年缺氧的重要机制。 .南海北部海盆区水柱的N2O浓度范围在6-26 nmol L-1，处于过饱和状态，季节变化不显著。硝化作用或其它生物过程是海-气N2O释放的主要来源，占90%以上。南海北部水柱硝化速率较低，为0-22 nmol N L-1 d-1，因水柱中较高的溶解氧含量，反硝化作用速率可忽略不计。硝酸盐、颗粒物以及浮游动物的稳定同位素组成（15N）系统地揭示次表层水体中的硝酸盐是支持南海输出生产力的主要新生氮源。南海上层150 m不同氮组分的15N非常接近，表明南海真光层内部新生氮和再循环氮具有相似的15N，氮元素在南海上层水体生态系统中具有较快的运转效率。.珠江口比南海北部的氧化亚氮浓度、硝化速率、氨氮浓度高几个数量级，硝化菌群落结构存在明显的差异，硝化作用是引起珠江口上游缺氧的重要机制，人为活动的影响是导致珠江口缺氧区和南海海盆区硝化与反硝化作用差异的重要因素。