海洋生物地化循環(huán)課件

1、海洋生物地化循環(huán)第七章第七章 海洋生物地化循環(huán)海洋生物地化循環(huán)海洋生物地化循環(huán)第七章第七章 海洋生物地化循環(huán)海洋生物地化循環(huán)n第一節(jié)第一節(jié) 海洋生態(tài)系統(tǒng)的分解作用海洋生態(tài)系統(tǒng)的分解作用 P.274n第二節(jié)第二節(jié) 海洋水層有機(jī)顆粒物的沉降與分解海洋水層有機(jī)顆粒物的沉降與分解 P279n第三節(jié)第三節(jié) 沉積環(huán)境中有機(jī)物質(zhì)的分解和營養(yǎng)鹽再沉積環(huán)境中有機(jī)物質(zhì)的分解和營養(yǎng)鹽再生生 P283n第四節(jié)第四節(jié) 碳循環(huán)和海洋生物泵碳循環(huán)和海洋生物泵 P287n第五節(jié)第五節(jié) 營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán) P292海洋生物地化循環(huán)海洋分解作用海洋分解作用生物有機(jī)體所產(chǎn)生的死的有機(jī)物質(zhì)包括排生物有機(jī)體所產(chǎn)生的死的有機(jī)物質(zhì)包

2、括排泄物以及尸體通過分解者生物的作用，逐泄物以及尸體通過分解者生物的作用，逐漸降解成無機(jī)物，同時能量逐漸散失的過漸降解成無機(jī)物，同時能量逐漸散失的過程。程。海洋生物地化循環(huán)有機(jī)物質(zhì)分解的過程有機(jī)物質(zhì)分解的過程 1）瀝濾階段（）瀝濾階段（Leaching phase）2）分解階段（）分解階段（decomposition phase）3）耐蝕階段（）耐蝕階段（refractory phase）海洋生物地化循環(huán)海洋分解者類型n細(xì)菌細(xì)菌n微型食植者微型食植者n有機(jī)凝聚體有機(jī)凝聚體n后生動物后生動物海洋生物地化循環(huán)海洋微型生物食物環(huán)（海洋微型生物食物環(huán)（microbial food loop）：）： 海

3、洋中溶解的有機(jī)物被異養(yǎng)型細(xì)菌攝取，海洋中溶解的有機(jī)物被異養(yǎng)型細(xì)菌攝取，形成異養(yǎng)細(xì)菌形成異養(yǎng)細(xì)菌原生動物橈足類的攝食原生動物橈足類的攝食關(guān)系。關(guān)系。P264 原生動物在微型食物環(huán)中的作用。原生動物在微型食物環(huán)中的作用。海洋生物地化循環(huán)n底棲水層系統(tǒng)耦合底棲水層系統(tǒng)耦合（benthic-pelagic coupling）：）：n海洋生態(tài)系統(tǒng)通過能流和物流的傳遞而將海洋生態(tài)系統(tǒng)通過能流和物流的傳遞而將水層系統(tǒng)和底層系統(tǒng)融合為一體的各種相水層系統(tǒng)和底層系統(tǒng)融合為一體的各種相互作用的過程?；プ饔玫倪^程。海洋生物地化循環(huán)思考題（預(yù)習(xí)）思考題（預(yù)習(xí)）n營養(yǎng)物質(zhì)海洋地球化學(xué)循環(huán)的作用？營養(yǎng)物質(zhì)海洋地球化學(xué)循環(huán)

4、的作用？n海洋生物泵與溫室效應(yīng)的關(guān)系。海洋生物泵與溫室效應(yīng)的關(guān)系。n查閱查閱John Martins iron hypothesis n海洋海洋S循環(huán)與全球氣候的關(guān)系。循環(huán)與全球氣候的關(guān)系。海洋生物地化循環(huán)第七章第七章 海洋生物地化循環(huán)海洋生物地化循環(huán)n第一節(jié)第一節(jié) 海洋生態(tài)系統(tǒng)的分解作用海洋生態(tài)系統(tǒng)的分解作用 P.274n第二節(jié)第二節(jié) 海洋水層有機(jī)顆粒物的沉降與分解海洋水層有機(jī)顆粒物的沉降與分解 P279n第三節(jié)第三節(jié) 沉積環(huán)境中有機(jī)物質(zhì)的分解和營養(yǎng)鹽再沉積環(huán)境中有機(jī)物質(zhì)的分解和營養(yǎng)鹽再生生 P283n第四節(jié)第四節(jié) 碳循環(huán)和海洋生物泵碳循環(huán)和海洋生物泵 P287n第五節(jié)第五節(jié) 營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)營

5、養(yǎng)物質(zhì)循環(huán) P292海洋生物地化循環(huán)4.1 碳的生物地球化學(xué)循環(huán)碳的生物地球化學(xué)循環(huán)海洋生物地化循環(huán) 光合作用光合作用CO2 植物有機(jī)物植物有機(jī)物 消費(fèi)者消費(fèi)者 食物鏈傳遞食物鏈傳遞 分解者分解分解者分解 CO2和和CH4呼吸作用呼吸作用呼吸作用呼吸作用1）C循環(huán)途徑循環(huán)途徑第一途徑第一途徑第二途徑第二途徑海洋生物地化循環(huán)2）海洋生物泵（）海洋生物泵（biological pump）n海洋生物泵：海洋生物泵：由有機(jī)物生產(chǎn)、消費(fèi)、傳遞、由有機(jī)物生產(chǎn)、消費(fèi)、傳遞、沉降和分解等一系列生物過程構(gòu)成的碳從沉降和分解等一系列生物過程構(gòu)成的碳從表層向深層的轉(zhuǎn)移表層向深層的轉(zhuǎn)移，稱為海洋生物泵。，稱為海洋生物

6、泵。海洋生物地化循環(huán)海洋生物泵海洋生物泵CO2轉(zhuǎn)化為有生命的轉(zhuǎn)化為有生命的POC，然后再轉(zhuǎn)移到大型動物。，然后再轉(zhuǎn)移到大型動物。各級動物產(chǎn)生的糞團(tuán)等非生命各級動物產(chǎn)生的糞團(tuán)等非生命POC向下沉降。向下沉降。浮游動物的垂直洄游。浮游動物的垂直洄游。溶解有機(jī)物一部分無機(jī)化進(jìn)入再循環(huán)，其余被異養(yǎng)溶解有機(jī)物一部分無機(jī)化進(jìn)入再循環(huán)，其余被異養(yǎng)微生物利用后通過微型食物網(wǎng)進(jìn)入主食物網(wǎng)，并可微生物利用后通過微型食物網(wǎng)進(jìn)入主食物網(wǎng)，并可能成為較大的沉降顆粒。能成為較大的沉降顆粒。向深層的轉(zhuǎn)移向深層的轉(zhuǎn)移海洋生物地化循環(huán)海洋生物固海洋生物固定的定的C海洋生物地化循環(huán)海洋生物地化循環(huán)生物泵的作用如果沒有生物泵的作用

7、，大氣和海洋表層的如果沒有生物泵的作用，大氣和海洋表層的CO2分壓將很快達(dá)到平衡。海洋生物泵可以使表層分壓將很快達(dá)到平衡。海洋生物泵可以使表層CO2分壓低于大氣分壓低于大氣CO2分壓，從而使大氣分壓，從而使大氣CO2得得以進(jìn)入海洋。以進(jìn)入海洋。人類活動釋放到大氣中的碳：人類活動釋放到大氣中的碳：(5060)108 tC/a全球海洋初級生產(chǎn)力的固碳能力：全球海洋初級生產(chǎn)力的固碳能力：300 108 tC/a全球海洋凈吸收全球海洋凈吸收CO2約為：約為：30 108 tC/a由于人為原因釋放到大氣的由于人為原因釋放到大氣的CO2約有一半被海洋吸收。約有一半被海洋吸收。海洋生物地化循環(huán)4.2 海洋生

8、物泵對大氣海洋生物泵對大氣CO2吸收作用吸收作用1）海洋初級生產(chǎn)者的固）海洋初級生產(chǎn)者的固C作用作用n海洋是地球上最大的碳庫，海水中的碳是海洋是地球上最大的碳庫，海水中的碳是大氣中的大氣中的50倍。倍。n但是浮游植物固定的但是浮游植物固定的C大部分在真光層被大部分在真光層被循環(huán)利用了，只有一小部分通過生物泵的循環(huán)利用了，只有一小部分通過生物泵的下沉而由大氣補(bǔ)充。下沉而由大氣補(bǔ)充。海洋生物地化循環(huán)單位為單位為Gt1Gt109t海洋生物地化循環(huán)p 碳酸鹽泵：生物死亡后，含碳酸鈣成分的外殼或骨骼就碳酸鹽泵：生物死亡后，含碳酸鈣成分的外殼或骨骼就沉降到海底，造礁珊瑚也構(gòu)成大量的碳酸鈣沉積，這些沉降到海

9、底，造礁珊瑚也構(gòu)成大量的碳酸鈣沉積，這些過程都實(shí)現(xiàn)碳的向下轉(zhuǎn)移，并使碳離開生態(tài)系統(tǒng)的再循過程都實(shí)現(xiàn)碳的向下轉(zhuǎn)移，并使碳離開生態(tài)系統(tǒng)的再循環(huán)。環(huán)。p 經(jīng)過長期積累，已有經(jīng)過長期積累，已有5 510101616 t t的的COCO2 2以石灰石的形式存在以石灰石的形式存在于海洋中。于海洋中。鈣板金藻類鈣板金藻類 （Coccolithophorids）海洋生物地化循環(huán)nCoccolithophores are small marine phytoplankton which form very thin external calcium carbonate scales, called coccol

10、iths. Coccoliths form multiple layers around each phytoplankton and eventually detach from it. Although each individual coccolithophore is microscopic in size, coccolithophores are the largest source of calcium carbonate (CaCO3) on Earth. nThe most abundant of the coccolithophore species can often b

11、e found from tropical to sub-Arctic regions, and further north into regions with water temperatures less than 0 degrees Centigrade. 海洋生物地化循環(huán)Coccolithophorid blooms海洋生物地化循環(huán)2）可燃冰）可燃冰n可燃冰：可燃冰：沉積在海底的沉積在海底的CO2被還原細(xì)菌分被還原細(xì)菌分解，產(chǎn)生的解，產(chǎn)生的CH4在海底低溫高壓情況下，形在海底低溫高壓情況下，形成白色固體狀天然水化物，稱為成白色固體狀天然水化物，稱為“可燃可燃冰冰”。P288n約由約由1

12、.21016t的的C以有機(jī)沉積物的形式存以有機(jī)沉積物的形式存在，其中大部分以可燃冰的形式存在。在，其中大部分以可燃冰的形式存在。4.2 海洋生物泵對大氣海洋生物泵對大氣CO2吸收作用吸收作用海洋生物地化循環(huán)n可燃冰是在水分子中鎖定了一個甲烷分子，可燃冰是在水分子中鎖定了一個甲烷分子，是一種天然氣水合物，是一種天然氣水合物，80%99.9%為甲烷，為甲烷，呈冰的狀態(tài)；呈冰的狀態(tài)；n可燃冰只在溫度低于可燃冰只在溫度低于7、壓力高于、壓力高于50個大個大氣壓下方穩(wěn)定，因此主要在上陸坡下埋深氣壓下方穩(wěn)定，因此主要在上陸坡下埋深數(shù)百米處蘊(yùn)藏。一旦溫度、壓力變化，天數(shù)百米處蘊(yùn)藏。一旦溫度、壓力變化，天然氣

13、水合物會立刻分解，變成水和甲烷；然氣水合物會立刻分解，變成水和甲烷；n1立方米可燃冰可轉(zhuǎn)化為立方米可燃冰可轉(zhuǎn)化為164立方米的天然立方米的天然氣和氣和0.8立方米的水立方米的水 ，因此可燃冰是甲烷的，因此可燃冰是甲烷的天然儲庫；天然儲庫；n全球的可燃冰儲量可供人類使用全球的可燃冰儲量可供人類使用1000年。年。 海洋生物地化循環(huán)海底可燃冰海底可燃冰可燃冰燃燒可燃冰燃燒海洋生物地化循環(huán)n1960年，前蘇聯(lián)在年，前蘇聯(lián)在西伯利亞西伯利亞發(fā)現(xiàn)了第一個可燃冰發(fā)現(xiàn)了第一個可燃冰氣藏，并于氣藏，并于1969年投入開發(fā)，采氣年投入開發(fā)，采氣14年，總采氣年，總采氣50.17億立方米。億立方米。 n美國于美國

14、于1969年開始實(shí)施可燃冰調(diào)查。年開始實(shí)施可燃冰調(diào)查。1998年，把年，把可燃冰作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略能源列入國家級長遠(yuǎn)可燃冰作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略能源列入國家級長遠(yuǎn)計劃，計劃到計劃，計劃到2015年進(jìn)行商業(yè)性試開采。年進(jìn)行商業(yè)性試開采。n日本關(guān)注可燃冰是在日本關(guān)注可燃冰是在1992年。目前，已基本完成年。目前，已基本完成周邊海域的可燃冰調(diào)查與評價，鉆探了周邊海域的可燃冰調(diào)查與評價，鉆探了7口探井，口探井，圈定了圈定了12塊礦集區(qū)，并成功取得可燃冰樣本。它塊礦集區(qū)，并成功取得可燃冰樣本。它的目標(biāo)是在的目標(biāo)是在2010年進(jìn)行商業(yè)性試開采。年進(jìn)行商業(yè)性試開采。 海洋生物地化循環(huán)n國際大洋鉆探計劃先后兩次鉆

15、探了深海海底國際大洋鉆探計劃先后兩次鉆探了深海海底的天然氣水合物，一次是的天然氣水合物，一次是1992年在加拿大年在加拿大西岸外，一次是西岸外，一次是1995年在美國東岸外。年在美國東岸外。n美國岸外布萊克海臺的鉆探結(jié)果可燃冰含量美國岸外布萊克海臺的鉆探結(jié)果可燃冰含量占沉積層孔隙的占沉積層孔隙的2-7%。n據(jù)估算，美國東南大陸邊緣約據(jù)估算，美國東南大陸邊緣約10萬平方公萬平方公里的海底可以儲有里的海底可以儲有四百億噸甲烷四百億噸甲烷。n全球可望有全球可望有十萬億噸十萬億噸的碳呈這種形式儲藏，的碳呈這種形式儲藏，相當(dāng)于全部其他礦物燃料含碳量的相當(dāng)于全部其他礦物燃料含碳量的兩倍兩倍。海洋生物地化循

16、環(huán)n把人類已經(jīng)用把人類已經(jīng)用掉的和還沒有掉的和還沒有用開發(fā)的石油、用開發(fā)的石油、煤、天然氣加煤、天然氣加在一起，還趕在一起，還趕不上可燃冰有不上可燃冰有機(jī)碳總含量的機(jī)碳總含量的一半一半。單位：單位：Gt109t海洋生物地化循環(huán)世界可燃冰資源分布世界可燃冰資源分布海洋生物地化循環(huán)n日中德專家日中德專家26人于人于2004年年6月月 6月月 2日至日至 7月月 13，乘坐，乘坐 “太陽號太陽號”科學(xué)考察船，聯(lián)合科學(xué)考察船，聯(lián)合在我國南海北部陸坡執(zhí)行南中國海天然氣在我國南海北部陸坡執(zhí)行南中國海天然氣水合物調(diào)查。得出：水合物調(diào)查。得出： n世界上規(guī)模最大的世界上規(guī)模最大的“可燃冰可燃冰” 分布區(qū)在南分

17、布區(qū)在南海北部陸坡東沙群島以東海域，其面積約海北部陸坡東沙群島以東海域，其面積約為為430平方公里。平方公里。n分布區(qū)域水深范圍分別為分布區(qū)域水深范圍分別為550-650米和米和750-800米，命名為米，命名為“九龍甲烷礁九龍甲烷礁” 。海洋生物地化循環(huán)n可燃冰項目歷時可燃冰項目歷時9年，累計投入年，累計投入5億元。億元。n2007年年3月月30日，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局日，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局“海洋四號海洋四號”科學(xué)考察船赴我國南海北部海域進(jìn)行可燃冰考察?？茖W(xué)考察船赴我國南海北部海域進(jìn)行可燃冰考察。 海洋生物地化循環(huán)n2007年年5月月1日凌晨在南海北部的首次采樣成功，日凌晨在南海北部的首次采樣

18、成功，證實(shí)了南海北部蘊(yùn)藏有豐富的天然氣水合物資源。證實(shí)了南海北部蘊(yùn)藏有豐富的天然氣水合物資源。n成為繼美國、日本、印度之后第四個通過國家級成為繼美國、日本、印度之后第四個通過國家級研發(fā)計劃采到水合物實(shí)物樣品的國家。氣體中甲研發(fā)計劃采到水合物實(shí)物樣品的國家。氣體中甲烷含量烷含量99.8，南海北部陸坡天然氣水合物遠(yuǎn)景，南海北部陸坡天然氣水合物遠(yuǎn)景資源量可達(dá)資源量可達(dá)上百億噸上百億噸油當(dāng)量。油當(dāng)量。n在未來十年，我國將投入在未來十年，我國將投入8.18.1億元對這項新能源的億元對這項新能源的資源量進(jìn)行勘測，有望到資源量進(jìn)行勘測，有望到20082008年前后摸清可燃冰年前后摸清可燃冰家底，家底，201

19、52015年進(jìn)行可燃冰試開采。年進(jìn)行可燃冰試開采。海洋生物地化循環(huán)可燃冰的開采是一柄可燃冰的開采是一柄“雙刃劍雙刃劍”！ n甲烷與甲烷與CO2一樣，也是一種溫室氣體，但是甲烷一樣，也是一種溫室氣體，但是甲烷的溫室效應(yīng)幾乎是的溫室效應(yīng)幾乎是CO2的的10倍。倍。n如果埋藏在海底下面的天然氣水合物突然釋放出如果埋藏在海底下面的天然氣水合物突然釋放出來，就可以在短時期大幅度改變大氣中的溫室氣來，就可以在短時期大幅度改變大氣中的溫室氣體含量，引起氣候突然變化；體含量，引起氣候突然變化；n平時海底少量放出的甲烷氣也可以在海水層中形平時海底少量放出的甲烷氣也可以在海水層中形成甲烷成甲烷“柱柱”，在釋出區(qū)形

20、成，在釋出區(qū)形成特殊的海底生物群。特殊的海底生物群。海洋生物地化循環(huán)3）海洋新生產(chǎn)力）海洋新生產(chǎn)力 P290n新生產(chǎn)力：新生產(chǎn)力：利用真光層以外的利用真光層以外的C作為作為C源的源的那部分海洋初級生產(chǎn)力。包括那部分海洋初級生產(chǎn)力。包括大氣中的大氣中的C和和深海層以及沉積物中的深海層以及沉積物中的C。n以新生產(chǎn)力對總生產(chǎn)力的比例（以新生產(chǎn)力對總生產(chǎn)力的比例（f比）來評比）來評價海洋對陸地價海洋對陸地C的固定作用。的固定作用。nf比為比為0.050.15之間，在貧瘠的海區(qū)可小之間，在貧瘠的海區(qū)可小于于0.05，而在南大洋的水華期間可達(dá)，而在南大洋的水華期間可達(dá)0.8。4.2 海洋生物泵對大氣海洋生

21、物泵對大氣CO2吸收作用吸收作用海洋生物地化循環(huán)海洋生物地化循環(huán)南大洋的南大洋的C沉降沉降主要是磷蝦的糞主要是磷蝦的糞便以及磷蝦蛻皮便以及磷蝦蛻皮所造成的沉降。所造成的沉降。在南大洋水華期在南大洋水華期間，新生產(chǎn)力可間，新生產(chǎn)力可達(dá)達(dá)5080。海洋生物地化循環(huán)4）海洋）海洋C循環(huán)循環(huán)海洋生物地化循環(huán)大氣CO2碳酸氫鹽和碳酸鹽游離溶解CO2游離溶解CO2鈣化作用CaCO3浮游動物和游泳動物細(xì)菌分解深海沉積物浮游植物光合作用溶解和顆粒性碎屑CaCO3骨骼底棲生物呼吸呼吸呼吸溶解碳循環(huán)的基本圖解可燃冰海洋生物地化循環(huán)4.3 提高海洋初級生產(chǎn)力的途徑提高海洋初級生產(chǎn)力的途徑n馬丁理論馬丁理論（the

22、iron hypothesis ） John Martin(1935-1993) “Give me a half tanker of iron, and I will give you an ice age. ”海洋生物地化循環(huán)nThis hypothesis was first proposed by John Martin of the Moss Landing Laboratory in the USA in the late 1980s, after the development of technology which enabled the measurement of CO2 c

23、oncentrations in ancient air trapped in ice cores. nThis allowed scientists to show that CO2 concentrations as low as 200 ppm occurred during the last glacial period. 海洋生物地化循環(huán)nThis should be compared to the interglacial period of 280 ppm CO2 . This represents a change of approximately 170 billion to

24、nes of carbon in the earths atmosphere. nFor a change of this magnitude to occur it was suggested that changes in the CO2 in the ocean must have also occurred as there is approximately 60 times more CO2 in the ocean than in the atmosphere.海洋生物地化循環(huán)Nitrogen (N), phosphorus (P) and Silicon (Si) is a ma

25、jor nutrient requirement for phytoplanktons. 海洋生物地化循環(huán)Why phytoplankton need FenFe is required for efficient photosynthesis, as photosystem II requires 2 atoms of Fe. In low dissolved Fe conditions inactivation of photosystem II can be as high as 50%. nFe is also required by a number of enzymes inclu

26、ding nitrate reductase. nIn cells with an adequate Fe supply the ratio of cell carbon:cell Fe (C:Fe) is approximately 10 000:1, in comparison to a ratio of 100 000:1 when Fe is limiting growth.海洋生物地化循環(huán)Why was the biological pump so active in the last glacial period? nLarge areas of the worlds ocean

27、have high concentrations of major nutrients to support phytoplankton growth, yet phytoplankton biomass is low. nThe Fe hypothesis proposes that the phytoplankton growth and biomass in these areas of the ocean are limited by the concentration of dissolved Fe in the water. 海洋生物地化循環(huán)Why was the biologic

28、al pump so active in the last glacial period? nAnalysis of Fe concentrations in the ice cores showed Fe-rich dust concentrations were 10 to 20 times higher during the last glacial period than now. nThis means the biological pump would have been stronger and this would have resulted in lower CO2 conc

29、entrations in the atmosphere.海洋生物地化循環(huán)The Fe hypothesis suggests that:nthe concentration of dissolved Fe limits phytoplankton growth and biomass in a large proportion of the nutrient-rich regions of the worlds oceans including the Southern Ocean; nan increased Fe concentration in the Southern Ocean i

30、n the last glacial maximum resulted in increased movement of carbon into the deep ocean.海洋生物地化循環(huán)Testing the Fe hypothesis nBottle experiments Initial testing of the hypothesis was conducted in small containers (130 liter) with natural populations of phytoplankton collected from the ocean, and in lab

31、oratory based experiments. 海洋生物地化循環(huán)ResultsnThese experiments showed that phytoplankton growth and biomass could be limited by a lack of dissolved Fe and hence supported the Fe hypothesis. nThese experiments were a first step but more compelling evidence was needed to support the Fe hypothesis. nThe

32、problem with these types of experiments is that they do not reflect response of the whole planktonic community due to the small size of the containers and the experiments only last a few days. 海洋生物地化循環(huán)Iron addition experiments in the Equatorial Pacific Ocean海洋生物地化循環(huán)First experimentnIn October 1993,

33、a group of scientists added Fe to a small patch of ocean 500 km south of the Galapagos Islands(厄瓜多爾加拉帕哥斯群厄瓜多爾加拉帕哥斯群島島). nUnfortunately, four days after the Fe was added to the patch of water the scientists lost the patch. nBefore this happened, measurements in the patch showed phytoplankton biomass

34、doubled, and growth increased four-fold. 海洋生物地化循環(huán)Second experimentnIn May 1995, a second Fe addition experiment was conducted in the Equatorial Pacific. nOver a three week period phytoplankton biomass had increased 85 times and growth 10 times. nThe results of both of these experiments supported the

35、 Fe hypothesis. Would the addition of Fe to waters in the Southern Ocean have the same effect? 海洋生物地化循環(huán) Third experimentnsouth of Tasman (澳澳大利亞塔斯馬大利亞塔斯馬尼亞島尼亞島)n9 Feb 199922 Feb 1999海洋生物地化循環(huán)Addition of FenTo add Fe to the 50km2 patch 24 000 litres of Fe solution containing 3813 kg of FeSO4 was requir

36、ed. nThe key issue in mapping the patch was the measurement of the SF6 concentration.nOver the next 13 days keeping track of where the patch was, and how large it was, was very important and took almost 12 hours each day. nTo maintain the high Fe concentration in the patch 1550 kg of FeSO4 was disso

37、lved and added to the patch on days 4, 6, and 8 of the experiment.海洋生物地化循環(huán)海洋生物地化循環(huán)The decrease of CO2 inside the patch海洋生物地化循環(huán)The types of phytoplankton changed from pico, nanno phytoplankton to larger diatoms during the period of the experiment. The larger heavier diatom cells are more likely to si

38、nk into the deep ocean removing carbon from the surface waters. Fragilariopsis kerguelensis海洋生物地化循環(huán)nThis indicates that the biological pump had been stimulated and the CO2 in the water used in photosynthesis. nOver the period of the experiment the phytoplankton removed approximately 2000 tones of ca

39、rbon from the water inside the patch.海洋生物地化循環(huán)Images in the area that they predicted the patch would have moved to 32 days after they left the patch showed a ring of increased phytoplankton biomass.海洋生物地化循環(huán)Conclusions nThe increased dissolved Fe concentrations in the patch resulted in increased phyto

40、plankton biomass production. nThe increased dissolved Fe concentration resulted in a decrease in the CO2 concentration in the water. nThe length of time the carbon will be removed from the atmosphere remains unknown. nThe increased phytoplankton biomass was still present in the surface waters 32 day

41、s after the initial addition of the Fe. 海洋生物地化循環(huán)Ongoing questionnCould/should Fe additions in the Southern Ocean be used to decrease the concentration of CO2 in the atmosphere to reduce the greenhouse effect? 海洋生物地化循環(huán)A mesoscale iron enrichment in the Western Subarctic Pacific induces a large centri

42、c diaton bloomA Tsuda et al., Science, 2003, 300 :958-961.問題：問題：高高Fe與海洋初級生產(chǎn)力的關(guān)系已經(jīng)引起多方面的注意，缺與海洋初級生產(chǎn)力的關(guān)系已經(jīng)引起多方面的注意，缺Fe是高氮海域葉綠素含量低的主要原因。是高氮海域葉綠素含量低的主要原因。實(shí)驗：實(shí)驗：在北太平洋（北極附近）現(xiàn)場加入在北太平洋（北極附近）現(xiàn)場加入FeSO4，葉綠素含量、，葉綠素含量、微藻比例急劇上升，浮游植物優(yōu)勢種從羽紋硅藻擬菱形藻轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒃灞壤眲∩仙∮沃参飪?yōu)勢種從羽紋硅藻擬菱形藻轉(zhuǎn)變?yōu)槿崛踅敲?，與此同時大量元素和柔弱角毛藻，與此同時大量元素和C含量劇減。含量劇

43、減。結(jié)論結(jié)論：加鐵能使：加鐵能使N含量豐富的海域浮游植物生物量急劇增加，同含量豐富的海域浮游植物生物量急劇增加，同時浮游植物群落結(jié)構(gòu)也發(fā)生改變，從生長速率相對較慢的羽紋硅時浮游植物群落結(jié)構(gòu)也發(fā)生改變，從生長速率相對較慢的羽紋硅藻向速率高的中心硅藻轉(zhuǎn)變。藻向速率高的中心硅藻轉(zhuǎn)變。證實(shí)了證實(shí)了Martin理論的前半部分：理論的前半部分：后冰河期鐵資源的增加緩和了南后冰河期鐵資源的增加緩和了南大洋浮游植物生長的鐵限制，從而增加了大洋浮游植物生長的鐵限制，從而增加了C的支出，這可以解釋的支出，這可以解釋為何那時大氣中為何那時大氣中CO2含量低。含量低。海洋生物地化循環(huán)The decline and f

44、ate of an iron-induced subarctic phytopalnkton bloomP W Boyd et al. Nature. 2004, 549-553問題：問題：Fe刺激浮游植物生長而造成刺激浮游植物生長而造成CO2的流失是解釋大氣的流失是解釋大氣中中CO2含量變化的機(jī)理之一，但目前尚未定量研究富含量變化的機(jī)理之一，但目前尚未定量研究富Fe途途徑下徑下POC的支出。的支出。實(shí)驗：實(shí)驗：在阿拉斯加灣進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，富鐵的水華由于硅在阿拉斯加灣進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，富鐵的水華由于硅酸鹽的缺乏而中止，用沉積物捕捉器研究了水華后酸鹽的缺乏而中止，用沉積物捕捉器研究了水華后DOC的

45、的去向，只有一小部分的去向，只有一小部分的DOC沉降至混合層以下，而大部分沉降至混合層以下，而大部分DOC被細(xì)菌分解或浮游動物取食。被細(xì)菌分解或浮游動物取食。結(jié)論：結(jié)論：使用富使用富Fe方法來減少由于人類活動而造成的大氣中方法來減少由于人類活動而造成的大氣中CO2增加，會由于缺增加，會由于缺Si而效率降低，而且還會受到而效率降低，而且還會受到DOC垂垂直輸送低效率的影響。直輸送低效率的影響。海洋生物地化循環(huán)第五節(jié)第五節(jié) 營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán) 5.1 N循環(huán)循環(huán)n海水中無機(jī)海水中無機(jī)N主要有主要有NH4、NO2 和和NO2 ，其中其中NH4 是生物代謝產(chǎn)物和死亡分解的最終是生物代謝產(chǎn)物和死亡

46、分解的最終產(chǎn)物，產(chǎn)物，NO2 含量較少。含量較少。nN在表層水體含量較低，在混合期或上升流區(qū)在表層水體含量較低，在混合期或上升流區(qū)含量較高。含量較高。n海水中還含有大量的海水中還含有大量的N2，一些固，一些固N(yùn)藍(lán)藻可利用藍(lán)藻可利用N。n海水中的海水中的DON主要是尿素和一些氨基酸。主要是尿素和一些氨基酸。海洋生物地化循環(huán)海洋生物地化循環(huán)海洋植物首先吸收的是氨氮，只有當(dāng)氨氮幾乎耗盡的時候，才海洋植物首先吸收的是氨氮，只有當(dāng)氨氮幾乎耗盡的時候，才會吸收硝酸氮和亞硝酸氮，且氨氮對硝氮的吸收有抑制作用。會吸收硝酸氮和亞硝酸氮，且氨氮對硝氮的吸收有抑制作用。NO3- （海水）NO3-（細(xì)胞內(nèi)）NO2-N

47、H4+氨基酸硝酸還原酶亞硝酸還原酶谷氨酸脫氫酶透性酶5.1.2 浮游植物對浮游植物對N的吸收的吸收海洋生物地化循環(huán)5.1.2 浮游植物對浮游植物對N的吸收的吸收n氮的再生主要以氨氮的形式，主要有以下氮的再生主要以氨氮的形式，主要有以下途徑：途徑：1）浮游動物的排泄，以氨氮形式）浮游動物的排泄，以氨氮形式;2）代謝產(chǎn)生的）代謝產(chǎn)生的DON被降解為氨氮被降解為氨氮;3）浮游動物的排糞以及動植物尸體中的顆粒）浮游動物的排糞以及動植物尸體中的顆粒有機(jī)有機(jī)N在下沉過程中降解礦化。在下沉過程中降解礦化。海洋生物地化循環(huán)5.1.3 海洋生態(tài)系統(tǒng)中海洋生態(tài)系統(tǒng)中N的補(bǔ)充和損失的補(bǔ)充和損失nN的補(bǔ)充的補(bǔ)充1）陸

48、源補(bǔ)充：地表徑流將溶解的無機(jī)、有機(jī)）陸源補(bǔ)充：地表徑流將溶解的無機(jī)、有機(jī)N排入大海；含排入大海；含N污水排放。污水排放。2）大氣補(bǔ)充：大氣的閃電和宇宙射線將氮?dú)猓┐髿庋a(bǔ)充：大氣的閃電和宇宙射線將氮?dú)庾優(yōu)榘保ㄟ^降雨補(bǔ)充至海水中，此外酸雨變?yōu)榘?，通過降雨補(bǔ)充至海水中，此外酸雨引起的引起的HNO3的補(bǔ)充；大氣補(bǔ)充只有在寡營的補(bǔ)充；大氣補(bǔ)充只有在寡營養(yǎng)化的大洋中才有意義。養(yǎng)化的大洋中才有意義。海洋生物地化循環(huán)5.1.3 海洋生態(tài)系統(tǒng)中海洋生態(tài)系統(tǒng)中N的補(bǔ)充和損失的補(bǔ)充和損失nN的補(bǔ)充的補(bǔ)充3）固氮作用：當(dāng)海水與大氣平衡時，氮?dú)庠冢┕痰饔茫寒?dāng)海水與大氣平衡時，氮?dú)庠诤Ｋ泻枯^高，可達(dá)海水中含量較高

49、，可達(dá)500umol/L。固。固N(yùn)細(xì)細(xì)菌和藍(lán)藻可以固定海水中的氮?dú)?，固菌和藍(lán)藻可以固定海水中的氮?dú)?，固N(yùn)是海是海水中水中N的重要來源，特別是在的重要來源，特別是在N缺乏的大洋缺乏的大洋中。在加勒比海，植物生長所需的中。在加勒比海，植物生長所需的N有有20是通過顫藻固定的。是通過顫藻固定的。海洋生物地化循環(huán)n此外固氮藍(lán)藻能固定此外固氮藍(lán)藻能固定N2，如束毛藻，在熱，如束毛藻，在熱帶遠(yuǎn)洋海域能發(fā)生綠帶遠(yuǎn)洋海域能發(fā)生綠潮。潮。束毛藻束毛藻海洋生物地化循環(huán)5.1.3 海洋生態(tài)系統(tǒng)中海洋生態(tài)系統(tǒng)中N的補(bǔ)充和損失的補(bǔ)充和損失nN的損失的損失nN的損失主要途徑是以人類收獲海洋產(chǎn)品的損失主要途徑是以人類收獲海

50、洋產(chǎn)品的形式。以年漁獲量的形式。以年漁獲量100106t、含、含N量量2.5計，海洋中年損失計，海洋中年損失N為為6.8mg/m2。1.另外一個損失是顆粒和碎屑沉降至海底，另外一個損失是顆粒和碎屑沉降至海底，不過這些有機(jī)物質(zhì)還可以通過礦化和再懸不過這些有機(jī)物質(zhì)還可以通過礦化和再懸浮進(jìn)入水體。浮進(jìn)入水體。海洋生物地化循環(huán)全球漁獲全球漁獲量分布量分布海洋生物地化循環(huán)海洋生物地化循環(huán)0500000100000015000002000000250000030000003500000TianjinHebeiLiaoningShanghaiJiangsuZhejiangFujianShandongGuan

51、gdongGuangxiHainanProduction (t)19992000200020011999 2001年間各沿海省市養(yǎng)殖產(chǎn)量年間各沿海省市養(yǎng)殖產(chǎn)量海洋生物地化循環(huán)5.1.4 海洋生態(tài)海洋生態(tài)系統(tǒng)中系統(tǒng)中N循環(huán)循環(huán)Food海洋生物地化循環(huán)海洋生物地化循環(huán)5.2 P循環(huán)循環(huán)5.2.1 海水中海水中P的化學(xué)特征的化學(xué)特征1）P的存在形式的存在形式n磷的形式主要有顆粒性磷的形式主要有顆粒性P（particle organic phosphorus, POP）、溶解性有）、溶解性有機(jī)機(jī)P（dissolved organic phosphorus, DOP）和溶解性無機(jī)）和溶解性無機(jī)P（dis

52、solved inorganic phosphorus, DIP）。）。n由于浮游植物對由于浮游植物對DIP吸收迅速，海水中顆粒吸收迅速，海水中顆粒磷含量最高。磷含量最高。海洋生物地化循環(huán)5.2.1 海水中海水中P的化學(xué)特征的化學(xué)特征nDIP中大部分以中大部分以HPO42存在（存在（87），其），其次是次是PO43；DOP中大部分為中大部分為ATP等可水解等可水解的有機(jī)的有機(jī)P。2）P的損失的損失n磷酸鹽可以與海水中的顆粒物質(zhì)以及金屬離磷酸鹽可以與海水中的顆粒物質(zhì)以及金屬離子結(jié)合成不溶性化合物，從而導(dǎo)致子結(jié)合成不溶性化合物，從而導(dǎo)致DIP的損的損失。失。海洋生物地化循環(huán)5.2.1 海水中海水中

53、P的化學(xué)特征的化學(xué)特征P的再生的再生n在缺氧的沉積物中，硫化細(xì)菌在在缺氧的沉積物中，硫化細(xì)菌在H2S的存在的存在下，能將下，能將Fe3 +還原成還原成Fe2 + ，而磷酸鐵的溶，而磷酸鐵的溶解性低于磷酸亞鐵，從而使解性低于磷酸亞鐵，從而使P從沉積物中釋從沉積物中釋放出來，雖然再向上層水體運(yùn)輸過程中，放出來，雖然再向上層水體運(yùn)輸過程中，會有一部分磷酸亞鐵再沉淀，但這是海洋會有一部分磷酸亞鐵再沉淀，但這是海洋沉積物中沉積物中P再生的重要途徑再生的重要途徑。海洋生物地化循環(huán)5.2.2 浮游生物與浮游生物與P循環(huán)循環(huán)1） 浮游植物對浮游植物對P的吸收的吸收n浮游植物對浮游植物對DIP的吸收很快，當(dāng)水體

54、中缺乏的吸收很快，當(dāng)水體中缺乏無機(jī)無機(jī)P時，浮游植物在磷酸酯酶的作用下可時，浮游植物在磷酸酯酶的作用下可以利用低分子的有機(jī)以利用低分子的有機(jī)P。n磷酸酯酶的活性受到磷酸根的抑制。磷酸酯酶的活性受到磷酸根的抑制。n許多鞭毛藻類都具有磷酸酯酶，能利用水許多鞭毛藻類都具有磷酸酯酶，能利用水體中的體中的有機(jī)有機(jī)P。n有的浮游植物有的浮游植物如甲藻能夠在如甲藻能夠在P充足充足的情況下，的情況下，將吸收的將吸收的P以多聚以多聚P的形式儲存。的形式儲存。海洋生物地化循環(huán)5.2.2 浮游生物與浮游生物與P循環(huán)循環(huán)2）浮游生物與）浮游生物與P的再生的再生n生物體中的有機(jī)生物體中的有機(jī)P有兩種類型，一類較易降有兩

55、種類型，一類較易降解，如解，如ATP和多聚和多聚P；n另一類則較難降解，如另一類則較難降解，如DNA，占細(xì)胞總，占細(xì)胞總P量量25左右。左右。海洋生物地化循環(huán)5.2.2 浮游生物與浮游生物與P循環(huán)循環(huán)n原生動物：原生動物每天更新的原生動物：原生動物每天更新的P量比自身量比自身含含P量多幾十倍，而單位生物量原生動物排量多幾十倍，而單位生物量原生動物排泄的無機(jī)泄的無機(jī)P比甲殼類浮游動物多比甲殼類浮游動物多10100倍。倍。n原生動物在磷的礦化再生過程中作用重大！原生動物在磷的礦化再生過程中作用重大！海洋生物地化循環(huán)5.2.2 浮游生物與浮游生物與P循環(huán)循環(huán)n甲殼類浮游動物：哲水蚤吸收的甲殼類浮游動

56、物：哲水蚤吸收的P只有只有17用于生長，用于生長，23以排糞排放，以排糞排放，60以以DIP排出體外。排出體外。n在大陸架海域，中型浮游動物排出的在大陸架海域，中型浮游動物排出的P為浮為浮游植物需要量的游植物需要量的15，而北太平洋可達(dá)，而北太平洋可達(dá)55183。n細(xì)菌：主要是難降解的有機(jī)細(xì)菌：主要是難降解的有機(jī)P的礦化的礦化 海洋生物地化循環(huán)5.2.3 海洋生態(tài)系統(tǒng)的海洋生態(tài)系統(tǒng)的P循環(huán)循環(huán)n磷的再生主要是在真光層完成，磷的再生主要是在真光層完成，87的有的有機(jī)機(jī)P是在是在75m以內(nèi)水深中進(jìn)行，以內(nèi)水深中進(jìn)行，磷酸鹽的濃磷酸鹽的濃度高峰通常與氧氣的最低值以及二氧化碳度高峰通常與氧氣的最低值以

57、及二氧化碳的最高值水層一致。的最高值水層一致。海洋生物地化循環(huán)5.2.3 海洋生態(tài)系統(tǒng)的海洋生態(tài)系統(tǒng)的P循環(huán)循環(huán)n磷酸鹽在缺氧的沉積物中，磷酸鹽在缺氧的沉積物中，在表層下方出在表層下方出現(xiàn)高峰值現(xiàn)高峰值，因為還原環(huán)境使磷酸鹽溶解。，因為還原環(huán)境使磷酸鹽溶解。n上表層沉積物中磷酸鹽含量顯著降低，表上表層沉積物中磷酸鹽含量顯著降低，表明明磷酸鹽由沉積物向上覆水?dāng)U散磷酸鹽由沉積物向上覆水?dāng)U散。n研究結(jié)果顯示：研究結(jié)果顯示：廣東大亞灣海域沉積物是廣東大亞灣海域沉積物是水體中水體中P來源的重要途徑。來源的重要途徑。海洋生物地化循環(huán)海洋生物地化循環(huán)海洋生物地化循環(huán)5.3 硫循環(huán)硫循環(huán)5.3.1 硫循環(huán)的基

58、本過程硫循環(huán)的基本過程n硫循環(huán)既屬沉積型又屬氣體型。硫循環(huán)既屬沉積型又屬氣體型。n硫儲存庫：巖石圈以及沉積物中。硫儲存庫：巖石圈以及沉積物中。n釋放方式：自然侵蝕、風(fēng)化，生物降解，燃釋放方式：自然侵蝕、風(fēng)化，生物降解，燃燒、火山暴發(fā)等。燒、火山暴發(fā)等。n海水中的海水中的S主要以硫酸根的形式被植物吸收，主要以硫酸根的形式被植物吸收，蛋白質(zhì)經(jīng)過分解成硫酸根或由細(xì)菌還原成蛋白質(zhì)經(jīng)過分解成硫酸根或由細(xì)菌還原成H2S。海洋生物地化循環(huán)火山暴發(fā)放出火山暴發(fā)放出含量物質(zhì)含量物質(zhì)海洋生物地化循環(huán)5.3.2 海洋二甲基硫的產(chǎn)生及其與氣海洋二甲基硫的產(chǎn)生及其與氣候的關(guān)系候的關(guān)系1）海水中二甲基硫（）海水中二甲基硫（DMS，CH3SCH3 ）的）的產(chǎn)生過程及其分布產(chǎn)生過程及其分布n海藻攝取環(huán)境中的海藻攝取環(huán)境中的S合成半胱氨酸、胱氨酸、合成半胱氨酸、胱氨酸、高半胱氨酸和蛋氨酸，蛋氨酸經(jīng)脫氨和甲基高半胱氨酸和蛋氨酸，蛋氨酸經(jīng)脫氨和甲基化形成化形成二甲基巰基丙酸內(nèi)鹽二甲基巰基丙酸內(nèi)鹽(CH3) 2S+ CH2CH2COO - ，DMS