稳定同位素方法在海洋N2O研究中应用展望

张介霞，詹力扬，陈立奇，张远辉

（国家海洋局大气化学与全球变化重点实验室、国家海洋局第三海洋研究所，福建 厦门361005）

稳定同位素方法在海洋N2O研究中应用展望

张介霞，詹力扬，陈立奇，张远辉

（国家海洋局大气化学与全球变化重点实验室、国家海洋局第三海洋研究所，福建 厦门361005）

氧化亚氮（N2O）是大气中重要和微量的温室气体，且在平流层N2O形成NO自由基与O3发生反应破坏臭氧层。海洋是大气中N2O净源，但由于海洋中生物化学过程的复杂性，有关N2O形成机制至今是人们研究的重点和难点。应用稳定同位素分馏原理对海洋中N2O形成机制的研究，区分海洋中通过硝化和反硝化过程不同途径产生的N2O过程，为深入研究海洋中N2O循环、估算将来大气中N2O浓度变化提供有用工具。

氧化亚氮；稳定同位素；硝化过程；反硝化过程

利用稳定同位素方法对海洋N2O研究，主要根据N，O同位素在硝化和反硝化过程中不同的分馏机制。硝化过程是NH4+向NO3-的转化，N2O是该过程的中间产物，由于生物倾向于优先利用较轻的稳定同位素，因此，由硝化过程产生的N2O的15N/14N，18O/16O稳定同位素比值相对较低；于此相类似，在反硝化过程较强的水体中，N2O会被反硝化过程所消耗，因而未被利用的N2O具有相对较高的15N/14N比值。因此利用N2O中15N/14N，18O/16O比值对研究海洋N2O源汇特征以及区分其形成机制提供有用的工具[1]。较早期的工作中，研究者利用稳定同位素比值质谱仪分析了15N/14N，18O/16O比值并结合上述原理探讨了海洋中N2O的可能形成机制，取得大量的研究成果；随着稳定同位素质谱仪分析方法的完善，15N原子在N2O位置的分布进行探讨，提出稳定同位素异构体研究在N2O形成机制中的运用，更加深入的探讨了N2O的形成机制，据此，本文对调查大量的研究结果，对稳定同位素质谱仪在海洋N2O形成机制研究的运用，发展方面进行总结和展望。

1 海洋N2O研究意义

近年来，全球气温和海平面不断上升，气候系统变暖明显，大气中温室气体浓度的改变对气候系统辐射强迫起着主导作用。氧化亚氮（N2O）是大气中除CO2，CH4之外的第三重要温室气体，虽然大气中N2O浓度为ppb数量级，但其温室效应是同等浓度下CO2的300倍左右[2]，在平流层形成N2O可形成NO自由基与O3发生化学反应破坏臭氧层[3]。自工业革命以来，大气中 N2O浓度已从（287±1）nL/L[4]增加到 320 nL/L[2]，并以每年 0.25%～0.3%速率稳定上升[5,6]，随着 N2O浓度的增加，其所引起的环境效应越来越受到人们关注，国际间逐渐将其列入气候变化重点研究对象。

大气中N2O源分为自然源和人为源，其中人为源是引起大气中N2O额外增加的主要原因，主要包括尼龙生产、氮肥使用、矿物燃烧、人畜废物处理、垃圾焚烧等[7]。海洋是大气中重要源，每年向大气释放 3.8（1.8～5.8）TgN（1TgN=1012gN），约占总自然源的1/4～1/3左右[8-10]，但由于研究海域水文特征的复杂性、观察数据以及模型在海洋中N2O运用的有限性，使海洋每年向大气释放N2O的估算存在很大不确定性。硝化和反硝化是影响海洋N2O循环的主要过程，深入研究海洋中N2O循环机制成为减少并控制海洋中N2O排放从而缓减全球气候变暖的必须。近40多年来，已有大量研究者对不同海域开展相关工作并取得显著成果。早期研究者根据海洋中N2O的饱和度现象以及开阔大洋中AOU与△N2O，NO3-之间正相关关系提出硝化过程是海洋中N2O主要形成机制[10-16]，但是AOU-N2O之间的比值并不是稳定不变的[12]，在低溶解氧水体中，硝化和反硝化过程产生N2O的速率增加，当溶解氧浓度降低到一定程度时，反硝化过程则消耗N2O产生N2，因此很难运用AOU-N2O之间相关性来说明海洋N2O循环机制[17-18]。上世纪80年代后期，随着分析技术的不断成熟，稳定同位素方法开始运用于海洋N2O研究。该方法运用N，O稳定同位素有效地示综海洋中N2O循环机制，为清晰区分在不同海洋环境中N2O产生途径以及评估全球气候变化提供重要工具。近年来我国也有少数研究者逐步对国内外部分海域开展N2O研究[19-21]，但到目前为止，国内尚未发现稳定同位素方法在海洋学上的运用，运用稳定同位素方法为今后我们开展相关工作提供有力帮助。

2 稳定同位素方法在海洋中N2O研究现状

2.115N，18O同位素比值在海洋N2O研究中的运用

Yoshida等人[22]对东热带北太平洋（ETNP）中溶解N2O研究时首次引进氮同位素方法对15N/14N比值进行测定，结果显示次表层海水是N2O源，缺氧水体是N2O汇。在溶解氧最小值（OMZ）上边界层观察到N2O最大值，同时观察到N2O中15N/14N比值（－66‰）明显低于NH4+中的15N/14N比值，而在氧最小值（OMZ）水体中N2O则富集15N，根据同位素分馏原理，他们推断次表层硝化过程是N2O主要形成机制，而在OMZ层反硝化过程是N2O主要形成机制。在硝化过程中N2O可通过NH2OH或NO2-产生[23]，而观察到的15N亏损现象是通过NH4+直接产生还是由中间产物NO2-产生一直没被解决。Yoshida等人 （1988年）通过培养实验证明N2O主要通过NO2-产生而不是NH4+，同时通过测得的N2O中δ15N值认为之前高估了海洋中硝化过程的重要性[24]。利用对西北太平洋研究[25]时测得的硝化速率、N2O和NO3-中的N同位素数据发现，硝化过程中产生的N2O量低于之前根据N2O与NO3-相关性预期形成的N2O量，对比N2O和NO3-产生速率垂直分布情况发现硝化过程产生的N2O仅占N2O产生量的1/10～1/5左右，因此不能根据△N2O与AOU之间的正相关关系来说明N2O仅由硝化过程产生，海洋中N2O形成机制以及硝化过程的重要性受到质疑。同时Yoshida[25]根据N2O和NO3-中δ15N之间的相关性（见图1）说明N2O的产生与NO3-的还原有关，反硝化菌还原NO3-在厌氧条件下进行，而在一些沉降颗粒有机物的微厌氧环境中具备这种条件将其还原为N2O，反硝化过程既有N2O产生也有N2O消耗，被认为是N2O主要形成机制。

图1 西北太平洋中测得的N2O和NO3-中δ15N与O2之间关系图（圆圈和正方形分别代表某两个站位中N2O和NO3-中δ15N，虚线代表与大气平衡的溶解N2O中的δ15N值）[25]

随后15N/14N，18O/16O同位素比值方法逐渐运用到海洋中N2O研究[23,26]。大量研究者[22,24-25]运用稳定同位素方法发现，测得的N2O中δ15N值高于所期望的通过硝化过程所产生的N2O中的δ15N值，认为海洋中N2O的形成机制并不受硝化过程的主控。Dore等人 （1998年）[27]在亚热带北太平洋100～300 m左右测得15N/14N，18O/16O比值最小值，800 m左右最大值，他们根据该水层中N2O垂直分布及同位素分布情况（见图2），认为在100～300 m左右硝化过程是N2O主要形成机制。硝化菌在硝化反应产生N2O过程中其δ15N相对于初始反应物NH4+是亏损的，Popp等人在亚热带北太平样观察到同样现象，但同时观察到较低的SP（site preference，可译为位置优势）值，说明在该水层中的N2O部分产生于硝化过程[28]与之前研究结果相一致。

大量研究结果显示，海洋中N2O的垂直分布情况与水体中溶解氧的分布大致呈镜像关系，但在全球大洋的几个强源区（西北印度洋、热带东北太平洋、热带东南太平洋）由于受上升流等物理因素的影响，使水体中存在较强的溶解氧浓度梯度和复杂的生物化学特征，N2O在该水体中的循环过程变得更加复杂。Yoshinari等人[1]利用该同位素方法对东热带北太平洋和阿拉伯海进行测定发现，亚氧水体中（suboxic waters）溶解N2O的15N/14N，18O/16O值随着N2O浓度的降低而增加，认为N2O产生主要与反硝化过程有关。而Naqvi等人[29]根据测得的数据认为硝化和反硝化的耦合过程是N2O的主要形成机制。一些研究者结合15N218O，H218O，18O2进行测定，通过对15N和18O的丰度对N2O来源进行分析，认为次表层水体中N2O主要来源于硝化菌反硝化过程[28,30]。水体中反硝化过程主要在低氧或缺氧环境中进行，Hirota等人[31]对白令海和楚科奇海进行N2O研究时结合N2O与N﹡（N﹡＝[NO3-]+[NO2-]+[NH4+]-16×[PO43-]+2.9）之间的负相关关系和测得的海水中N2O的δ18O和δ15N值推断在有氧的该陆架海域水体中N2O主要通过反硝化过程产生。存在这种差异的原因主要是在该陆架海水柱中，溶解氧浓度（200 μmol/kg）太高，不可能通过硝化过程产生N2O，但在沉积物弱氧层则能进行反硝化反应产生N2O，并扩散的上覆水体中。测定稳定同位素丰度（15N，18O），可更好示综海洋中N2O生物化学循环。

综上所述，根据不同海域如亚热带太平洋、热带太平洋以及阿拉伯海等N2O的15N，18O研究结果显示，近表层海水中同位素比值较低，而在溶解氧浓度较低的深层水体中同位素比值较高[1,27,29,32]。然而由于缺乏足够的分析工具，对于水体中过饱和N2O来源仍难以区分。

2.2 N2O同位素异构体中15N的位置分布在海洋学上的运用

大量研究结果显示海洋中N2O主要通过硝化和反硝化过程产生，但对于这两个过程在不同水体中产生N2O的贡献和重要性仍难以区分。根据同位素分馏原理认为，硝化过程产生的N2O具有较低的δ15N-N2O值，而反硝化过程δ15N-N2O值较高，问题在于与N2O同位素组成有关的NO3-和NH4+等基底物质受环境的改变而改变。

随着质谱分析方法的进一步完善，新同位素分析方法[33]开始对N2O同位素异构体中15N的位置（isotopomers）进行分析，即分析15N在N2O分子中处于α位或β位（构型Nβ-Nα-O），并根据同位素异构体15N-SP（Site Perference）(SP=δ15Nαδ15Nβ)来反应N2O的形成机制。该分析方法的本质是通过分析由电子碰撞N2O产生的碎片离子（NO+，N2O+）来测得N2O中15N的位置分布。由于NO+中含有一个分布在中间位置的N原子 （α），这就可以将碎片离子比值转化为14N15NO，15N14NO的同位素比值从而得到N2O分子中心位置N同位素比 值 ， 其 中15Rα=[14N15N16O]/[14N14N16O],15Rβ=[15N14N16O]/[14N14N16O],δ15Nα={[15Rα]/15Rα(std)-1}×1000),δ15Nβ={[15Rβ]/15Rβ(std)-1}×1000)[33]。该分析方法与15N，18O稳定同位素方法相比，其优点：（1）避免在N2O转化过程中的污染和再次反应问题[33]；（2）由于产生 N2O（NH2OH，NO，NO2-）的前体只含有一个N原子，因此新同位素比值（isotopomers）主要由生物化学反应过程（断裂N-O）决定从而区别于δ15N-N2O值[28]。利用新稳定同位素可潜在区分海洋中通过硝化和反硝化不同途径产生的N2O中15N的分布情况,为深入研究海洋中N2O循环及其源汇提供新工具。

图2 四次航次ALOHA站测得同位素数据分布情况（其中N2O垂直分布（左），δ15N-N2O分布（中），δ18O-N2O分布（右）[27]）

研究发现15N易富集在N-N-O的中间位置（或α位）[34]。Toyoda等人[28]运用该方法对西北太平洋中溶解N2O的同位素比值进行分析发现，δ15Nbulk在整个水柱中变化较稳定，而15N-SP变化较大，海洋中上下水层之间的混合以及水体中N2O的形成可能导致这一结果。之前Dore等人[27]根据在次表层测得的δ15N和δ18O推断通过硝化过程产生的N2O有大于40%释放到大气中，而运用新同位素方法[28]发现该水层中N2O主要通过硝化菌反硝化过程产生（nitrifier-denitrification），其向大气释放量占总的40%～75%，新同位素方法是解决海洋中N2O循环的重要工具。利用该分析方法，Sutka等人[35]通过培养实验发现硝化过程中NH2OH和NO2-产生的N2O中的15N-SP值和δ18O-N2O之间存在很大差异，说明硝化菌在产生N2O的过程中不同物质其分馏因子不一样。Sutka等（2006）[35]通过培养实验得到硝化菌和反硝化菌的硝化、反硝化及硝化菌反硝化过程所产生N2O中同位素异构体的SP(site preference)值，其 SP值分别为 32.5±0.6‰以上，0.1±1.7‰和-0.5±1.9‰左右。通过测得的SP值能有效反应微生物产生N2O的源，是估算N2O释放量的有力参数。Charpentier等人[16]运用同样的方法对亚热带南太平洋不同营养盐区域研究时根据AOU/N2O，NO3-的相关性同样支持之前的结论，即硝化过程是N2O主要形成机制，但从15N在分子结构中的位置分布情况来看，SP值较低（10‰～12‰），这说明即使在相对稳定的贫营养盐水体中硝化菌反硝化过程可能对N2O产生一定贡献，而在富营养盐的上升流水体中，观察到同位素比值分布较复杂，说明在低溶解氧水体中，N2O产生同时受硝化和反硝化过程的影响。Yamagishi等人[36]对东热带太平洋（ETNP）和加利福利亚暖流（GOC）海域进行研究，他们将水体中溶解N2O的同位素异构体（isotopomer）中15N比值与同位素分馏效应相对比发现，在缺氧水体（OMZ）上边界层硝化细菌对N2O产生贡献大于反硝化细菌。相反，在缺氧性水体（OMZ）（O2＜1 μmol/kg）中，N2O 的产生和消耗机制主要通过反硝菌控制。

以上大量研究显示，随着分析方法的不断完善和提高，稳定同位素分析方法已经成为一个研究海洋N2O生物地球化学循环过程的有力工具。通过测定稳定同位素（isotopmers）有助于解决水团间N同位素含量，以及在不同环境下N2O是否存在特殊的N2O形成机制，为将来研究工作提供有力工具。

3 稳定同位素在海洋N2O研究应用展望

区别硝化过程和反硝化过程对N2O产生的重要性一直是科学家们研究的重点和难点，而根据AOU与△N2O，NO3-之间的相关性推断形成机制逐渐受到质疑。随着质谱分析方法的不断完善，稳定同位素分析方法运用到海洋N2O研究中，该方法为我们研究海洋N2O提供大量直接性信息，这些信息可以帮助我们更清晰地了解N2O产生和消耗机制，测得的N2O中的15N-SP值为解决海洋中N2O循环提供有力工具。目前全球气候环境问题越来越受到人们关注，但由于海洋环境的复杂性对海洋源的估算仍存在很大的不确定性，这就迫切需要我们将新方法运用于海洋N2O研究，从而有效评估N2O温室气体对全球气候系统的增温效应，其中尤其重要的是：

（1）运用新稳定同位素方法加大对N2O强源区的研究。全球大洋有3个N2O强源区，分别为西北印度洋、东热带北太平洋、热带东南太平洋，运用新稳定同位素方法重点研究这些强源区域一方面可缩小海-气通量估算的不确定性；另一方面在这些区域的复杂水环境中，由于稳定同位素分馏机制的不同，可以有效洞察N2O在海洋中的生物地球化学循环过程。

（2）利用新稳定同位素方法对大气中N2O的同位素比值（isotopmer）进行分析，从而根据同位素质量守恒原理来衡量海洋N2O源。

（3）结合稳定同位素方法测得的 δ15Nbulk，δ18O以及 SPN2O值对全球海气通量进行估算，从而缩小全球海洋源不确定性。

（4）由于全球大洋受时空因素影响较大，应加大连续观测和全球海洋循环模型在海洋N2O研究中的运用。

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Abstract：Nitrous oxide(N2O)is an important and trace greenhouse gas in the atmosphere.N2O would form NO free radicals in the stratosphere to destruct the ozone layer in reaction with O3ion.Although the ocean is a net source for atmospheric N2O,it is necessary to understand the mechanism of N2O formation due to marine biological chemical process complexity.A stable isotope fractionation principle would be applied to distinguish N2O formation mechanism in oceans between nitrification and denitrification processes,which would provide a new method for calculating the N2O concentration change.

Key words：nitrous oxide;stable isotopes;nitrification;denitrification

Prospects of Stable Isotopes Application in Studying Marine N2O

ZHANG Jie-xia,ZHAN Li-yang,CHEN Li-qi,ZHANG Yuan-Hui
（Key Laboratory of Global Change and Marine-Atmospheric Chemistry,Third Institute of Oceanography,SOA,Xiamen Fujian 361005,China）

P734

A

1003-2029（2011）01-0027-05

2010-08-28

福建省自然科学青年基金项目（2007F3056）

张介霞（1986－），女，四川乐山人，硕士研究生。

詹力扬