海洋颗粒有机物碳、氮稳定同位素分析方法研究概况

刁明亚 江婷婷

（1.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100；2.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100）

1 稳定同位素分析法

随着原子核中子和质子的发现，同位素研究工作逐步建立与发展起来。同位素是指质子数相同而中子数不同的原子，根据其稳定性，可分为稳定同位素和放射性同位素两类。稳定同位素分析是基于消费者与其食物之间稳定同位素组成相近的原理来确定消费者的食物来源以及食物组成的方法。通过稳定同位素在生物体内的变化来反映物理、化学及生物作用对生物体产生影响的过程，能够促进人们对生物圈的认识和理解。同位素分馏是同位素比值不同的两种物质或同一物质两个相态间发生的同位素分配，是稳定同位素丰度变化的机制。生物体新陈代谢过程中，较重的稳定同位素更易在分馏过程中富集在生物体内，反映出大时间尺度上生物摄取的食物经新陈代谢作用后的结果[1]。这种分析方法随Nier型质谱仪产生及其改进而逐步发展完善，其应用领域不断拓展。当今的海洋生态系统的研究中，碳、氮稳定同位素分析方法是最常用的方法之一。

2 碳、氮稳定同位素

碳是构成有机生命体的基础，存在于多数分子和所有生命中，在陆地和水生生物的生物地球化学循环以及生态系统力能过程中扮演着重要角色。碳有多种同位素，其中12C、13C为稳定同位素；氮是大气圈和生物圈的重要组成元素，是控制海洋生态系统结构、功能、物种组成以及生物多样性的关键元素之一，其中14N、15N为稳定同位素。有机物生物地球化学过程中，不同生物间13C/12C和15N/14N发生的分馏作用不同，可用于判断有机物来源，追踪其在食物网中的传递，建立连续的营养级谱[2]。沿食物链传递方向δ15N富集3‰～5‰，δ13C的同位素分馏系数小于1‰，但不同碳源δ13C有较大差别。碳、氮稳定同位素组成（δ13C和δ15N）有重要的科学内涵，在全球生物地球化学研究中得到广泛的应用，为海洋生态系统的研究提供十分有价值的信息。

3 海洋颗粒有机物

海洋中，多数有机碳以小分子形式存在，只有一小部分是活体有机碳。颗粒有机碳含量仅占总碳的10%左右，但是与生物的生命过程、初级生产力密切相关，是水体中碳固定和迁出的主要形式，在海洋和全球碳循环中占有重要地位。氮是海洋生产力的主要限制营养盐，主要以有机氮形式从陆地向海洋运输。颗粒氮由颗粒有机氮和颗粒无机氮组成。其中，颗粒有机氮与水体中颗粒有机物的来源一致，而颗粒无机氮则是由一些含氮的化合物（含氮的无机肥料）及细颗粒物质吸附水体中NH4+组成。颗粒有机物δ13C和δ15N能够指示有机物的来源、迁移及转化等生物地球化学过程，为碳、氮的环境行为的研究提供重要的信息。

4 河口区域颗粒有机物碳、氮稳定同位素分析的应用

河口区域是连接河流和海洋的过度带，受海洋、河流以及人类活动的影响极大，水文条件和生态环境复杂多变，导致颗粒有机物在河口及其相邻陆架海上的生物地球化学行为也是非常复杂的。海洋颗粒有机物的来源主要包括陆源和海源。河流输入、浮游植物光合作用、有机物的分解矿化和沉积物的再悬浮是其主要来源。了解颗粒有机物在河口及其相邻陆架海中的行为及组成变化是在全球尺度上描述碳循环模式的基础。

碳、氮稳定同位素分析方法在近几年国内外河口区域颗粒有机物的研究中得到广泛地应用。Barth[3]通过分析圣劳伦斯河近岸海域生态系统不同季节水体中颗粒有机物碳稳定同位素组成，发现在冷季和风暴潮时期，碎屑是颗粒有机物的主要来源，而浮游植物则是暖季颗粒有机物的主要成分。Middelburg[4]在德国斯海尔德河河口观测了水体颗粒有机物的 δ13C、δ15N和碳氮比 （C/N）， 并同几种来源物质的 δ13C、δ15N、C/N典型值进行对比，从而判断出水体与沉积物中颗粒有机物的来源，沉积物中的有机碳主要由陆源贡献，而悬浮颗粒物中有机碳主要来自于海水和河流输入。Liu[5]通过碳、氮稳定同位素分析方法，对台湾淡水河河口区域海水中颗粒有机物的来源进行了分析，结果表明该处水体中颗粒有机物的主要来源包括废水、土壤和基岩衍生沉积物，且这三种来源对颗粒有机物的贡献率分别为83%、12%、5%。Yu[6]基于水体中的颗粒有机物δ13CPOC分析了珠江三角洲海域颗粒有机碳的来源，通过对比海水δ13CPOC、淡水δ13CPOC以及C3植物和C4植物体内的δ13C，证明了陆源有机物输入以及河流输入是珠江三角洲海域海水有机颗粒氮的主要来源。利用碳、氮稳定同位素组成分析水体中颗粒有机物来源的研究在牙买加金斯顿港[7]、日本东京[8]、葡萄牙里斯本[9]等地区同样得到了成功的应用。

对于长江河口水体中颗粒有机物碳、氮稳定同位素组成也进行了许多研究。蔡德陵[10]通过对比长江河口及邻近的东海海域洪水期表层水体与表层沉积物中颗粒有机物的δ13CPOC，发现随着长江冲淡水的扩展，颗粒有机物δ13CPOC逐渐增大，且变化范围较大，反映出陆源与海源有机碳在河口区的显著的混合作用。Zhang[11]通过分析夏季长江河口区表层水体和沉积物中颗粒有机物δ13C和δ15N，也得到了相同的结论。Tan[12]在1980年测量了长江河口区表层水体中颗粒有机物δ13CPOC，发现夏季颗粒有机物δ13CPOC的变化范围介于-25.4‰～-19.7‰之间，而冬季颗粒有机物δ13CPOC则介于-26.6‰～-23.7‰之间；施光春[13]在1986年再次分析了相同区域冬、夏两季表层水体中颗粒有机物δ13CPOC，冬季 δ13CPOC介于-25.64‰至-22.64‰之间，δ13CPOC主要来自于陆源；夏季，当海水盐度低于25，δ13CPOC在-26.39‰～-22.03‰范围内，POC的来源为陆源物质输入；而盐度高于25的区域，δ13CPOC变化范围为-21.79‰～-18.64‰，海洋浮游生物为颗粒有机碳的主要来源；Gao[14]调查了长江河口区到东海西部区域冬、夏季悬浮颗粒物δ13C与δ15N的变化情况，结果表明颗粒有机物δ13C与δ15N存在明显的季节性差异，且夏季较冬季有极大的升高；宋飞[15]分析了长江口海域不同季节表层水体中悬浮颗粒物δ15N的变化情况，表明水体中δ15N的空间分布有显著的季节性差异，悬浮颗粒物主要受其来源和氮的分馏影响；于海燕[16]则进一步分析了该区域不同季节影响悬浮颗粒物δ15N的因素，并发现在春季与秋季，由于生物的同化吸收作用使δ15N值增高，夏季氮的矿化再生是主要影响因素，而冬季陆源物质与海源物质的共同作用使δ15N值低。

5 展望

碳、氮稳定同位素方法能够追踪生态系统中的物质和能量传输途径，在定量解析海水颗粒有机物来源上有巨大的潜力。河口区域复杂的水文环境，使水体中颗粒有机物碳、氮稳定同位素的组成有显著的年份和季节性差异，从而影响海洋物质循环和能量流动。了解颗粒有机物碳、氮稳定同位素在河口区域的组成和变化情况，能极大的加深对河口区生态系统的了解及对碳、氮生物地球化学过程认识。

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