大洋浮游植物生长过程中的营养盐限制作用及碳循环研究

论文摘要

浮游植物生长是影响表层海水中营养物质浓度和碳循环的关键因素。一方面，不同海区浮游植物生长的限制营养盐有所不同，这会造成海水中营养物质浓度的变化特征也存在差异，长期以来，营养盐限制作用一直是海洋生态学研究的重要领域。另一方面，浮游植物生长过程会引起元素碳在海水、颗粒物等不同载体间发生迁移，在溶解无机碳（DIC）、溶解有机碳（DOC）和颗粒有机碳（POC）等不同形态间发生转变。因此，了解浮游植物生长过程中不同载体不同形态碳元素浓度及其同位素特征，对于了解表层海水乃至全球碳循环有着非常重要的意义。本文通过在太平洋、大西洋、印度洋以及南海开展营养盐富集实验，对实验过程中水体营养盐浓度和叶绿素a浓度对比分析，了解了不同海区的营养盐限制特征。在太平洋实验海区，N是最重要的限制营养盐，P的作用次之，Si的影响最不明显。大西洋培养海区，N、P、Si对浮游植物生长的限制作用与太平洋实验区类似。在印度洋实验区，N对浮游植物生长的促进作用明显大于P，而且N、P共同作用对于浮游植物生长的影响明显大于单独的N限制作用。在南海培养海区表现出明显的N、P联合限制作用。另外，通过对培养实验过程中水体温度和叶绿素a浓度以及浮游植物生长速率R值的变化特征分析可知，水体温度变化对浮游植物生长总量及其生长速度的影响较小。不同海区浮游植物生长的营养盐限制特征与水体中的N／P比值的关系以及浮游植物爆发期水体N／P比值的特征都表明，水体中N／P比值不能决定浮游植物生长的营养盐限制特征。针对印度洋第二次营养盐富集实验，分析了水体溶解无机碳（DIC）浓度、溶解有机碳（DOC）浓度、颗粒有机碳（POC）浓度、颗粒物生物化学组成以及稳定碳同位素等参数，对浮游植物爆发及其后的碳循环进行了探讨。水体中DIC浓度变化特征与叶绿素a浓度及温度的变化并没有良好的对应关系，因此，光合作用和温度变化并不是控制水体DIC浓度变化最主要的因素。综合分析实验过程中水体DOC浓度、POC浓度、叶绿素a浓度、浮游植物生长速率R值等参数可知，浮游植物爆发会利用水体中的无机碳，将其转变为有机碳，造成POC浓度增大。同时会分泌和排泄大量DOC到水体中。爆发期后，死亡的浮游植物会在细菌作用下发生降解，使水体中的DIC以及DOC浓度增大。另外，无论是浮游植物自身分泌还是被降解产生的DOC都可被细菌利用，造成POC浓度增大。颗粒物生化组分浓度和总颗粒有机碳浓度对比结果表明，浮游生物控制着颗粒物的组成。脂质是组成颗粒有机碳最重要的生物化学组分，氨基酸和糖类所占比例较小。通过对比实验过程中培养水体δ13CDIC值、δ13CDOC值和叶绿素a浓度以及R值可知，浮游植物爆发本身对水体DIC和POC的稳定碳同位素分馏作用都不明显。但在浮游植物爆发期后，颗粒的再矿化会造成水体中δ13CDIC值明显变小。而δ13CPOC的变化特征则主要受细菌生长过程的影响。颗粒物中生化组分稳定碳同位素值表现出δ13C脂质＜δ13C氨基酸≈δ13C糖类的特征，而且δ13C脂质值波动最小。综合分析各培养桶内颗粒有机碳及其生化组成的稳定碳同位素以及颗粒物中生化组分的浓度可知，浮游植物生长过程中δ13CPOC值的变化特征与颗粒物中不同生化组分的浓度及其δ13C值变化密切相关。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1.前言
• 1.1 营养盐限制作用研究进展
• 1.2 有关表层海水碳循环研究简介
• 2.材料和方法
• 2.1 营养盐富集实验位置及环境背景介绍
• 2.2 营养盐富集实验装置和条件
• 2.3 样品采集和保存方法
• 2.4 测试手段和分析方法
• 2.4.1 营养盐、叶绿素a浓度测定
• 13C_POC)分析'>2.4.2 颗粒有机碳（POC）浓度及其稳定碳同位素(δ¹³C_POC)分析
• 13C_DIC)'>2.4.3 水体溶解无机碳（DIC）浓度及其稳定同位素(δ¹³C_DIC)
• 2.4.4 水体溶解有机碳（DOC）浓度测定
• 2.4.5 颗粒物有机化合物组成及其稳定同位素分析
• 3.浮游植物生长过程的营养盐限制作用探讨
• 3.1 实验结果
• 3.1.1 营养盐富集实验过程中的温度变化
• 3.1.2 浮游植物生长过程中叶绿素a浓度变化
• 3.1.3 浮游植物生长过程中营养盐浓度变化
• 3.1.4 营养盐富集实验过程中浮游植物生长速率（R）变化
• 3.1.5 营养盐富集实验过程中水体中N/P比值变化
• 3.2 讨论
• 3.2.1 温度变化对浮游植物生长的影响
• 3.2.2 不同海区浮游植物生长对添加不同营养盐的响应
• 3.2.3 不同海区浮游植物生长速度与营养盐浓度之间的关系
• 3.2.4 水体N/P比值对浮游植物生长的影响
• 3.3 小结
• 4.浮游植物生长过程中的碳循环研究
• 4.1 实验结果
• 4.1.1 水体中溶解无机碳（DIC）浓度及其稳定碳同位素变化特征
• 4.1.2 水体有机碳（DOC）浓度变化特征
• 4.1.3 悬浮颗粒物有机碳（POC）浓度及其稳定碳同位素变化特征
• 4.1.4 悬浮颗粒物有机组成及其稳定碳同位素变化特征
• 4.2 讨论
• 4.2.1 水体DIC浓度变化对碳循环的指示意义
• 4.2.2 水体DOC浓度变化对碳循环的指示意义
• 4.2.3 水体POC浓度及其生化组成的变化对碳循环的指示意义
• 13C_DIC值、δ¹³C_POC值以及不同生化组分稳定碳同位素变化特征对碳循环的指示意义'>4.2.4 水体中δ¹³C_DIC值、δ¹³C_POC值以及不同生化组分稳定碳同位素变化特征对碳循环的指示意义
• 5.主要结论
• 参考文献
• 致谢