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海水营养盐

作者:汇感百科  阅读:次  类别:中国百科

    海水中一些含量较微的磷酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、铵盐和硅酸盐。严格地说,海水中许多主要成分和微量金属也是营养成分,但传统上在化学海洋学中只指氮、磷、硅元素的这些盐类为海水营养盐。因为它们是海洋浮游植物生长繁殖所必需的成分,也是海洋初级生产力和食物链的基础。反过来说,营养盐在海水中的含量分布,明显地受海洋生物活动的影响,而且这种分布,通常和海水的盐度关系不大。

    20世纪初期,德国人布兰特发现海洋中磷和氮的循环和营养盐的季节变化,都与细菌和浮游植物的活动有关。1923年,英国人H.W.哈维和W.R.G.阿特金斯,系统地研究了英吉利海峡的营养盐在海水中的分布和季节变化与水文状况的关系,并研究了它的存在对海水肥度的影响。德国的“流星”号和英国的“发现”号考察船,在20年代也分别测定了南大西洋和南大洋的一些海域中某些营养盐的含量。中国学者如伍献文和唐世凤等,曾于30年代对海水营养盐的含量进行过观测,后来朱树屏长期研究了海水中营养盐与海洋生物生产力的关系。从20世纪初以来,海水营养盐一直是化学海洋学的一项重要的研究内容。

    海水营养盐的来源,主要为大陆径流带来的岩石风化物质、有机物腐解的产物及排入河川中的废弃物。此外,海洋生物的腐解、海中风化、极区冰川作用、火山及海底热泉,甚至于大气中的灰尘,也都为海水提供营养元素。

    大洋之中,海水营养盐的含量分布,包括垂直分布和区域分布两方面。在海洋的真光层内,有浮游植物生长和繁殖,它们不断吸收营养盐;另外,它们在代谢过程中的排泄物和生物残骸,经过细菌的分解,又把一些营养盐再生而溶入海水中;那些沉降到真光层之下的尸体和排泄物,在中层或深层水中被分解后再生的营养盐,也可被上升流或对流带回到真光层之中,如此循环不已。总的说来,依营养盐的垂直分布特点,可把大洋水体分成 4层:①表层,营养盐含量低,分布比较均匀;②次层,营养盐含量随深度而迅速增加;③次深层,深 500~1500米,营养盐含量出现最大值;④深层,厚度虽然很大,但是磷酸盐和硝酸盐的含量变化很小,硅酸盐含量随深度而略为增加(图1)。就区域分布而言,由于海流的搬运和生物的活动,加上各海域的特点,海水营养盐在不同海域中有不同的分布。例如,在大西洋和太平洋间的深水环流,使营养盐由大西洋深处向太平洋深处富集;南极海域的浮游植物在生长繁殖过程中,大量消耗营养盐,但因来源充足,海水中仍然有相当丰富的营养盐。近海区由于夏季时浮游植物的繁殖和生长旺盛,使表层水中的营养盐消耗殆尽;冬季浮游植物生长繁殖衰退,而且海水的垂直混合加剧,使沉积于海底的有机物分解而生成的营养盐得以随上升流向表层补充,使表层的营养盐含量增高。

    

    近岸的浅海和河口区与大洋不同,海水营养盐的含量分布,不但受浮游植物的生长消亡和季节变化的影响,而且和大陆径流的变化、温度跃层的消长等水文状况,有很大的关系。

    海水营养盐含量的分布和变化,除有以上一般性规律之外,还因营养盐的种类不同而异。下面分别叙述海水中硅、磷和氮的存在形态、再生、循环及分布变化的特点。

    硅  海水中的硅以悬浮颗粒态和溶解态存在。前者包括硅藻等壳体碎屑和含硅矿物颗粒,后者主要以单体硅酸Si(OH)7的形式存在,故可以SiO2表示海水中硅酸盐的含量。硅的再生过程与磷和氮不同,它不依赖于细菌的分解作用,但若这些碎屑经过海洋生物摄取后消化而排泄出来,溶解速度会较快。在大洋的表层水中,因有硅藻等生长繁殖,使硅的含量大为降低,以SiO2计,有时可低于0.02微摩/升;南极和印度洋深层水中SiO2的含量都约为4.3微摩/升;西北太平洋深层水中SiO2的含量则高达6.1微摩/升。总的说来,硅酸盐的含量随深度而增大,无明显的最大值。但在深海盆地和海沟水域中,硅酸盐的含量的垂直分布往往出现最大值,此最大值可能处于颗粒硅被溶解的主要水层之中。

    磷  海水中的磷以颗粒态和溶解态存在。前者主要为含有机磷和无机磷的生物体碎屑,及某些磷酸盐矿物颗粒;后者包括有机磷和无机磷两种溶解态,溶解态的无机磷是正磷酸盐,主要以 HPO-和PO-的离子形式存在。在磷的再生和循环过程中,生物体碎屑和排泄物中的无机磷,经过化学分解和水的溶解,生成的磷酸盐能够迅速返回上部水层,但一般的有机磷必须经过细菌的分解和氧化作用,才能变成无机磷而进入循环。细菌的活动,对沉积物中难溶的磷酸盐的再生,也起着很重要的作用(图2)。

    

    大西洋中磷酸盐含量由南向北递减。南极海域的磷酸盐含量,约为北大西洋的两倍;太平洋中磷酸盐含量高于大西洋;印度洋的含量则介于太平洋和大西洋之间。在垂直分布方面有一个特点:在大西洋磷酸盐含量达最大值的水层之下,尚有一含量达最小值的水层。

    氮  海洋中生物碎屑和排泄物的含氮物质中,有些成分经过溶解和细菌的硝化作用,逐步产生可溶的有机氮、铵盐、亚硝酸盐和硝酸盐等。同时,硝酸盐可被细菌作用而还原为亚硝酸盐,它可进一步转化成铵盐,也可由脱氮作用被还原成N2O或N2。在氮的循环中,生物过程起主导作用。此外,光化学作用能使一些硝酸盐还原或使铵盐氧化。溶解在海水中的无机氮,除N2外,主要以NH、NO和NO等离子形式存在(图2)。

    铵盐在真光层中为植物所利用,但在深层中则受细菌作用,硝化而生成亚硝酸盐以至硝酸盐。因此,在大洋的真光层以下的海水中,铵盐和亚硝酸盐的含量通常甚微,而且后者的含量低于前者,它们的最大值常出现在温度跃层内或其上方水层之中。硝酸盐含量一般高于其他无机氮,它在上层水中的含量比深层水中低。在温带浅海水域中,铵盐的含量在冬末很低;春季逐渐增加,有时成为海水中无机氮的主要形式;入秋之后,含量降低。故在秋冬两季,硝酸盐成为温带浅海中无机氮的主要溶存形式。此外,在还原性的条件下,铵盐常为无机氮在海水中的主要溶存形式。

    在营养盐的再生和循环过程中,常伴随着氧的消耗和产生的过程。研究海水中溶解氧和营养盐的含量及其分布变化的关系,可估算上层水域的初级生产力或阐明深水层水团混合运动的状况(见海水溶解氧)。

    参考书目 H.W.Harvey, The Chemistry andFertility of Seawater,Cambridge Univ.Press,London,1957. J.R.Riley,G.Skirrow,ed.,ChemicalOceanography,2nd ed.,Vol.2,Academic Press,London,1975.