以不同形态氮的稳定同位素特征解析富营养化河口水体氮动力学过程—以九龙江口为例

Increasingly anthropogenic nitrogen inputs have led to a host of environmental problems, such as eutrophication, harmful algal blooms and seasonal hypoxia in estuaries and adjacent coastal areas. Nitrogen supply is often assumed to limit marine primary production. However, information regarding nitrogen cycling in the estuaries are limited up to date, especially from isotope perspective. In this proposal, the Jiulong River estuary will be selected as study area. (1) Comprehensive analysis of the isotopic composition of nitrogen speciation, to understand their spatial and temporal distributions. (2) Coupled with incubation experiment, to evaluate the preference of nitrogen speciation by phytoplankton and their roles in nitrogen cycling, and to estimate the isotopic effects during phytoplankton assimilation. (3) By adding nitrogen tracer, including 15NH4+, 15NNO2, 15NNO3, to measure the rates of nitrogen key processes, and to unveil the dynamic changes of nitrogen pool during its transformation. This study will allow us to better understand the mechanism of eutrophication and seasonal hypoxia in the estuaries and adjacent coastal areas, and to quantitatively evaluate the anthropogenic influence on the marine nitrogen cycle.

受人类活动的影响，大量陆源氮汇入河口和近岸，导致富营养化、有害藻华和季节性缺氧等环境问题。氮是海洋初级生产力的限制因子，但是，从氮同位素角度研究河口氮循环的研究非常有限。本研究以九龙江口为例，(1)、全面分析水体中不同形态氮的天然稳定同位素组成的时空分布格局；(2)、搭配因子操控培养实验，评估浮游植物对不同氮源的偏好性及其在氮循环中扮演的角色，估算浮游植物吸收氮产生的分馏系数；(3)、应用同位素加标，测定关键氮过程速率，解析氮储库迁移转化的动态变化。本研究结果有助于深入认识河口和近岸系统发生富营养化和季节性缺氧的机制，定量评估人类活动对海洋氮循环的影响。

氮是海洋初级生产力的限制因子。受人类活动的影响，大量陆源氮汇入河口及其近岸系统，从而引发水体富营养化、有害藻华和季节性缺氧等环境问题。然而，从氮同位素角度研究河口氮循环的研究仍非常有限。本项目以九龙江口为研究区域，测定不同季节水体样品中不同形态氮浓度及其同位素，揭示了它们的空间分布格局和季节变化；并结合培养实验，获取了关键氮过程（吸收、氧化和氮移除）的速率，评估它们在氮循环中所扮演的角色，进而全面解析并厘清九龙江口水体的氮动力学过程。结果表明，九龙江口水体中不同形态氮浓度和同位素均具有明显的空间分布特征和季节变化。在空间上，随盐度的增大，δ15NNO3和δ18ONO3不断升高，δ15NNO2则呈现N-型或V-型分布趋势，δ15NPN的分布特征与δ15NNO2相似；在季节上，δ15NNO3是春季>冬季>夏季>秋季，δ18ONO3则表现为秋季>春季>夏季>冬季，δ15NNO2和δ15NPN是夏季>冬季>春季。虽然浮游植物吸收硝酸盐的速率大于氨氮大于亚硝酸盐，但浮游植物更偏好吸收氨氮，因为仅当水体中氨氮浓度低于一定阈值时才开始吸收硝酸盐和亚硝酸盐。与硝酸盐(8.4-9.6‰)相比，亚硝酸盐吸收分馏系数变化较大(1.9-5.0‰)、对水文环境条件变化更为敏感。氨氧化和亚硝氧化速率均随盐度增大而减小，这是由于氨氧化细菌和亚硝氧化细菌对盐度较为敏感，高盐度会降低它们的生物活性。沉积物反硝化和厌氧氨氧化作用对温度的响应不同，升高会促进反硝化但削弱厌氧氨氧化，导致更多的氮以N2O形式排放，进而加剧全球变暖。综上，九龙江口水体的氮动力学过程较为复杂，从河口上游到中下游，存在不同氮循环过程的转化。在河口上游以氨氧化作用为主，河口中下游则以浮游植物吸收氨氮为主。本研究结果对于预测未来全球变化背景下亚热带河口氮循环过程的响应提供了详实的数据基础和理论科学依据。