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厦门大学张润副教授团队:从同位素视角探究南海溶解有机氮循环

同位素 氮循环
发布:2020-12-07 14:52:05     来源:张润 天然有机质研究情报

近日,厦门大学海洋与地球学院张润副教授与国内外合作者在Global Biogeochemical Cycles期刊发表题为“Dissolved organic nitrogen cycling in the South China Sea from an isotopic perspective”(从同位素视角探究南海溶解有机氮循环)的研究论文。溶解有机氮(DON)是低纬度寡营养盐海区上层水体结合态氮的绝对优势储库,其浓度往往比溶解无机氮、悬浮颗粒氮高出2-3个数量级。但是,由于传统观点等因素制约,迄今对海洋DON循环的理解仍十分薄弱。氮稳定同位素是研究上层海洋DON循环的理想示踪剂,在揭示DON循环的路径和动力学特征上具有独特的优势。鉴于DON的稳定同位素组成(δ15N)分析具有较大的挑战性,全球范围内至今有关海洋δ15NDON的高质量数据仍相当匮乏。

针对从同位素视角切入上层海洋DON循环这一科学目标,研究人员选取南海海盆区为采样区域,基于过硫酸盐氧化-反硝化细菌还原法联用,通过测定上层水体总态(bulk)DON浓度及同位素组成(δ15NDON),深入挖掘DON与硝酸盐、悬浮颗粒氮等关键结合氮储库的同位素联结,整合全球海洋重点时间序列站(SEATS、BATS、HOT)及热带南太平洋东部(ETSP)数据,旨在揭示上层海洋DON循环关键路径及其特点。主要获得以下科学认识:

(1)研究发现,南海表层水体DON浓度与叶绿素浓度存在良好的正相关关系,初级生产是DON的主要来源。

(2)揭示在DON消耗过程中存在不可忽视的同位素分馏效应,应用瑞利分馏模型,定量DON矿化过程的同位素分馏因子ε ~ 4.9±0.4‰(图1)。

▲图1 南海上层水体δ15NDON与DON浓度的关系 (Rayleigh分馏模型)(来源:AGU/Wiley)

(3)探讨了次表层硝酸盐同位素(δ15N)极小值层的贡献机制假说,揭示真光层平均δ15NDON与次表层δ15NNO3存在高度趋同性。鉴于该δ15NNO3极小值特征在热带、亚热带海区兼具普遍性和特殊性的空间变化,推测DON矿化及伴随的同位素分馏可能是塑造此同位素分布格局的重要原因(图2)。

▲图2 南海海盆区上层水体氮收支及同位素特征示意图(来源:AGU/Wiley)

(4)定义了一个定性评价海区DON净生产/净消耗的新指标Δδ15N(DON-NO3)并将其应用于全球海区(南海、BATS、HOT、ETSP)比较分析,证实Δδ15N(DON-NO3)可作为DON源汇格局的良好指示,为海洋DON循环未来研究提供有力新工具。

张润副教授为论文的第一兼通讯作者,合作研究单位包括波士顿学院、台湾大学、清华大学及普林斯顿大学。该工作受国家自然科学基金、科技部专项、大洋协会项目等资助。

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