chapter05-2 海洋化学.ppt

印春生;第五章 主要生涯要素的生物地球化学循环;一、海洋磷循环研究的重要性 二、磷的存在形态与储库 三、海洋磷的收支状况 四、海洋磷循环 五、海洋中磷的含量与分布;一、海洋磷循环研究的重要性 磷是地壳中丰度排在第11位的元素; 1669年首先由德国炼金术士Henning Brand所发现; 1800s，人类开发出通过磷灰石与硫酸反应合成磷化肥的技术; “挑战者”号航行全球期间（1873-1876），在海底首次发现磷灰石的存在，此后在世界许多海域海底中均发现磷灰石;;一、海洋磷循环研究的重要性 1900s早期，有关磷在能量输送中所起的作用才有所认识; 1930s发现了三磷酸腺苷（ATP）; 1940s基本确立了磷酸酯是细胞中关键组分; 1953年，Watson和Crick首先鉴定出DNA的分子结构，确立了磷对所有生物生长和演化所起的作用; 过去几十年的大量研究证明， 磷在一系列代谢过程中起着 重要作用。;一、海洋磷循环研究的重要性 磷是所有生物进行能量传输和生长所必需的营养盐，但是，有关磷在全球海洋浮游生物分布及其生产力中所起的作用了解得并不多。 一个长期争论的问题： 海洋生物生产力的主要限制性营养盐？;一、海洋磷循环研究的重要性 地球化学家的观点：磷限制 当NO3-相对PO43-稀少的时候，固氮生物可从大气获取用之不绝的N2，当这些藻类被摄食或降解时，以NH4+等形式将氮释放到水体中，从而增加N:P比。但大气并没有磷储库，也就是说，一旦水体中的磷被消耗完，则没有可替代的来源。从这点看，硝酸盐浓度应追随磷酸盐浓度的变化而变化，海洋中磷的动力学控制着海洋的生物生产力。;一、海洋磷循环研究的重要性 生物学家的观点：氮限制 大量实测数据表明，海水中的NO3-通常比PO43-稍早耗完，营养盐缺乏的水体通常仍包含少量残余的PO43-，而NO3-探测不到。生物学家同时也发现，往贫营养的水体中加入NO3-可激发浮游植物的生长，但加入PO43-则不起作用。因此，海洋中氮的循环调控着海洋的生物生产力。 海水中的氮磷比是多少？;一、海洋磷循环研究的重要性 Tyrrell (1999) 利用地球化学与生物学模型进行研究，指出，海洋中的NO3-是潜在的限制性营养盐(Proximate limiting nutrient)，而PO43-是最终的限制性营养盐(Ultimate limiting nutrient)。 潜在的限制性营养盐：指依据Liebig法则（生长速率仅由最有限介质的可利用性决定）得到的区域性限制性营养盐。往水体中加入PLN可在几小时到几天的尺度上加强生物生产力。;一、海洋磷循环研究的重要性 Tyrrell (1999) 利用地球化学与生物学模型进行研究，指出，海洋中的NO3-是潜在的限制性营养盐(Proximate limiting nutrient)，而PO43-是最终的限制性营养盐(Ultimate limiting nutrient)。 最终的限制性营养盐：指该营养盐的提供速率在较长的时间尺度上驱动着整个生态系统的生产力。如果ULN的输入发生变化的话，则整个系统的生物生产力也将发生变化，其时间尺度为成百上千年。;一、海洋磷循环研究的重要性 根据上述结果： （1）河流输送NO3-的增加对于生物生产力并没有长期的效应： 河流输送NO3-的增加?生产力的短期增加?抑制固氮生物的生长?降低“新”氮的输入?重新达到平衡 长期的净效果：总的NO3-输入与生产力没有变化 （2） PO43-输入的增加会加剧水体中NO3-的缺乏，促使更多固氮生物的生长，增加“新”氮的输入，增加生产力。 对沿岸海域富营养化的治理有重要的启示。;一、海洋磷循环研究的重要性 上述理解导致有关磷的研究主要集中在确定海洋中磷来源与迁出的收支平衡上，对于磷在海洋各种转换过程的研究相对比较匮乏。 有关磷在短时间尺度上对于限制浮游植物生长并不重要的说法源自Redfield等（1963）的工作，他们发现，颗粒有机物中的C:N:P比非常独特地恒定在106:16:1，因此，他们推测浮游植物生长所需要的这些元素的比值也是如此。自此，Redfield比值被广泛用于评估各种海洋环境的营养盐限制情况。;一、海洋磷循环研究的重要性 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 海水中的总磷（TP）可分为颗粒磷（PP）和总溶解磷（TDP）（TP=PP+TDP），在大多数开阔海洋环境中，TDP储库一般远远超过PP储库。 颗粒磷和总溶解磷均包括无机和有机的磷组分，因此，PP=POP+PIP，TDP=D