不同营养盐水体甲烷产生机制与潜力对比.pdf
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1、第 卷 第 期应 用 海 洋 学 学 报,年 月 ,不同营养盐水体甲烷产生机制与潜力对比温健文,刘 建,张介霞,李玉红,陈维聪,詹力扬,吴 曼,叶旺旺 收稿日期:资助项目:国家自然科学基金();自然资源部第三海洋研究所基本科研业务费(海三科,海三科);福建省自然科学基金()作者简介:温健文(),男,硕士研究生;:通讯作者:叶旺旺(),男,博士,助理研究员;:(自然资源部第三海洋研究所、海洋大气化学与全球变化重点实验室,福建 厦门)摘要:甲烷是重要的温室气体,近海河口海域是甲烷产生和释放的活跃区域。于 年对富营养化的九龙江河口(月)和贫营养化的陆丰近海(月)表层水进行了受控培养实验。结果显示,在
2、添加碳氮以及甲基膦酸的陆丰近海海水样品中,观测到甲烷浓度增加了两个数量级,说明陆丰近海可能存在依赖甲基膦酸路径的甲烷生产。九龙江河口水体也存在基于甲基膦酸、二甲基巯基丙酸内盐和三甲胺路径生产甲烷的过程,其中以甲基膦酸路径产生的甲烷最多(增长率)。对比同样条件下的甲基膦酸甲烷产生实验,陆丰近海水体产生的甲烷约是九龙江河口的 倍,表明贫营养化水体更加有利于基于甲基膦酸路径的甲烷产生。关键词:海洋化学;甲烷;培养实验;中国近海;九龙江河口:中图分类号:文献标识码:文章编号:()甲烷()在百年尺度的温室潜力上是二氧化碳的 倍,贡献了 的温室效应。自工业革命以来,它们在大气中的浓度迅速增加:截止 年,大
3、气中甲烷浓度为 。甲烷通过参与对流层臭氧和羟基的光化学调节以及平流层水分子的形成,积极参与大气化学循环进而间接影响全球气候。海洋被认为是大气中甲烷的净来源,尽管仅占全球甲烷排放的,但是受陆源输入、水深较浅和上层海水通风等原因的影响,河口近海区域占全球海洋甲烷总排放量的,是甲烷的活跃区域。富含氧气的表层海水理论上不利于甲烷产生,然而世界上大多数海域的表层海水甲烷浓度相对于大气都是过饱和的,这种现象称为海洋甲烷悖论。近年来的研究表明含甲基的有机物是甲烷产生的潜在前体物质。国内已有学者对现有的甲烷悖论产生机理进行了梳理,现场受控培养实验也表明向海水中添加甲基膦酸()、二甲 基 巯 基 丙 酸 内 盐
4、()和 三 甲 胺()等含甲基的物质可以促进甲烷产生。最新的研究表明所有生物体在胞内都可以进行由活性氧驱动的甲烷生成,表明该过程可能是除传统认为的甲烷厌氧产生外存在的另一种甲烷产生途径。陆丰近海和九龙江河口作为亚热带近海的典型水域,受人为影响较大。九龙江是中国东南部一条中等规模的亚热带河流,大部分降雨发生在春夏两季。在过去的 年,受人为干扰的影响(如畜牧业和人为废弃物的排放等),流域水体的营养盐含量较高。另外,九龙江河口上游段的溶解有机碳约为下游段的 倍。目前,已有学者对九龙江河口和珠江口温室气体的分布和通量进行了研究,发现九龙江河口水体是大气甲烷的强源,涡流驱动的珠江口羽流对甲烷分布有重要的
5、影响。然而,目前这两个水域溶存甲烷的产生和消耗过程及其主要影响因子还不清晰。本研究拟在前人研究基础上,对九龙江河口和陆丰近海水体进行受控培养实验并分析温室气体产生速率,以更好地了解甲烷在不同营养盐环境下的产生潜力。材料与方法 样品采集于 年在九龙江河口(月)和陆丰近海(期温健文,等:不同营养盐水体甲烷产生机制与潜力对比 月)进行了现场采样和培养实验,其他室内培养实验在航次结束后的 个月内完成。九龙江河口的样品采集于潮汐作用较强的中游流域(玉枕洲南侧水道,)。由于高低潮之间表层海水的盐度变化较大(),且已有研究表明该区域温室气体浓度变化与盐度变化呈负相关,因此该站位是研究河口温室气体受潮汐影响变
6、化的典型区域。陆丰近海的采样站位位于陆丰市甲子港的南侧(,),是珠江口羽流中心。两个采样站位之间相距 ,采样时使用有机玻璃采水器,通过绳吊的方法采集表层海水(水面以下)。在每次实验之前,将海水转移到预先酸洗的聚碳酸酯容器()中,然后使用蠕动泵定量往 无菌气袋(采样袋,大连德霖气体包装有限公司)中注入 海水。随后在各个袋中添加相应的试剂(表):葡萄糖(碳源,)、亚硝酸盐(氮源,)、。实验分 个实验组进行,其中实验 和实验 的对照()组不做任何处理;实验 的过滤()样品()组和()组依次使用 和 的一次性针头滤器配套蠕动泵进行抽滤(流速控制在 ),以尽量降低过滤对溶解气体的影响。气袋需要把空气排尽
7、,并在实验室外露天放置培养,实现昼夜更替的效果,尽量模拟原位条件。表 九龙江河口和陆丰近海培养实验的试剂添加情况 编号海域组名底物浓度()实验 陆丰近海无添加 实验 陆丰近海 实验 九龙江河口无添加 对于上述的样品,在实验开始、实验正好满、时的固定时间节点上分别进行采样。采集海水样品时首先采集溶解氧样品,然后采集甲烷分析样品,转移气袋样品到瓶口涂有油脂的 顶空玻璃瓶中,并加入饱和氯化汞溶液 以抑制微生物活动,使用丁基橡胶隔膜和铝盖密封。每个采样时间点均采集双样进行分析,采样结束后将样品置于避光环境下保存。样品分析方法本研究按照静态顶空分析方法对水体样品中的甲烷进行分析,该方法的准确度和精密度均
8、在以内。用浓度为 甲烷的标准气体(中国计量科学院国家标准物质研究中心,成分为氮气为底气的甲烷标气)进行顶空处理。顶空置换出 海水样品,经 恒温振荡后,抽取 顶空气进入气相色谱仪(日本岛津,型号:)分析。实验采用测定标准水样的方法来绘制标准曲线。标准水样是预先添加氯化汞并在 的恒温水浴槽中鼓气与空气达到平衡时(大于)的超纯水。随后,分别使用高 纯 氮 气(精 度 在 以 上)、的甲烷标准气体进行顶空。标准水样的顶空体积、顶空气的测定方法与测定样品时一致。在样品分析过程中,通过每隔 重复测定同一标准气体顶空(甲烷)的标准水样浓度来校正气相色谱的基线漂移。温度和盐度使用便携电导率仪(德国,型号:)测
9、定。溶解氧浓度使用溶氧探头(赛默飞,型号:)测定。营养盐使用 型流动注射分析仪(德国,型号:)进行分 应 用 海 洋 学 学 报 卷析,其测定方法分别为:亚硝酸盐浓度采用萘乙二胺分光光度法测定,磷酸盐浓度采用磷钼蓝分光光度法测定,硝酸盐浓度采用铜镉柱还原法测定,铵盐浓度采用靛酚蓝分光光度法测定,检出限分别为、。本研究对于不同组别的温室气体浓度和环境参数(温度、盐度、溶解氧和营养盐)的对比分析主要采用比较平均值标准偏差的方法。结果与分析 陆丰近海和九龙江河口的水体性质表 中发现两个采样区域的温度和溶解氧浓度相似:由于纬度差异较小,因此温度相似;溶解氧浓度基本都处于与大气平衡的状态。不同的是,两个
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