8.3 海洋生態系統中的磷循環海洋生態學

同學們好,我們繼續對海洋生態系統中元素的生物地球化學循環進行講述 今天講磷元素 海洋中的磷主要來源有 陸地的風化氫石通過河流流入的 陸地風化的磷通過河流輸入是海洋最主要的磷來源 顆粒態磷包括磷灰石和其他礦石中的磷 以及吸附在鐵、蒙、氧化物和氫氧化物表面的磷 河流顆粒磷的輸入量雖然很大 但其中大部分為非活性磷 很快在河口區或大陸架區沉降下來 並不直接被磷缺乏的海洋生物趨勢所利用 不過表面含鐵和鋁氫氧化物的黏土 具有很強的從河水中吸附磷酸鹽的能力 當這些吸附在黏土上的磷酸鹽進入河口後 可隨著鹽度的升高而釋出溶解磷酸鹽 其數量比河口直接輸入的磷酸鹽還多 河流中的溶解態磷包括溶解態有機磷和溶解態無機磷 溶解態有機磷可通過蓄磷作用被截留在河口或金光水解 在河口區循環再生 河流輸入海洋的溶解磷總量比顆粒磷的輸入量少得多 河口中的磷僅約10%到30%可被生物所利用 其中的四分之一的活性磷可能被截留在河口而不進入開闊大洋 人為的磷來源 海洋中的磷的另一輸入途徑是開採磷礦用於產生磷肥 以及排污、土地侵蝕、畜牧飼養、造紙廠等產生的磷 一部分也可通過河流和地下水進入海洋 目前尚不清楚這部分磷中有多少比例是具有生物活性 可被生物利用的部分 在大氣懸浮物中也包含上述人類活動有關的含磷灰塵 如來自開墾土地的侵蝕 也可通過大氣懸浮物沉降而進入海洋 據估計,人類活動通過河流和大氣灰塵 輸入海洋的磷約為河流輸入海洋磷總量的一半左右 應當指出,人為輸入的磷對河口和近岸將帶來一系列的生態問題 包括次地藻類的過度繁殖形成有毒藻華、缺氧、毒害魚類等各種海洋生物 以及導致海洋生物多樣性等問題 大氣沉降 大氣懸浮顆粒中的磷同時以有機和無機化合物的形式存在 其中礦塵無機磷主要與氧化鐵結合 或與鈣、鎂和鋁結合,溶解度很低 而有機磷部分的特徵還不清楚 另一部分大氣懸浮物中的磷與上述人為影響有關 這部分顆粒磷可能有更多可溶性組分 通過大氣懸浮物的沉降輸入海洋 對於離岸較遠的海域,特別是磷限制明顯的寡營養海域 這種磷源就顯得尤為重要 此外,火山噴發的火山灰中的磷也可通過大氣沉降進入海洋 火山灰的磷含量可多達1% 比礦塵中的磷含量多10倍 但是海洋中這種磷補充具有局部性和短時間性的特點 不大可能對全球包括海洋的磷循環產生重要影響 海洋中的磷損失主要是以鈣鹽的形式沉積埋葬於海底 另有極少部分被海鳥、鳥糞和人類捕撈水產品中的磷帶離海洋 由於磷從海洋再返回陸地是十分困難的 因此海洋的磷循環是不完全的循環 同時磷循環也沒有像碳、氮、硫等元素等氣態成分參與循環 磷循環的主要儲庫 海洋沉積 埋藏在海洋沉積物中的磷主要有三種類型 與顆粒有機物結合的磷吸附在顆粒物表面或結合到氧化物中的磷 以及自生磷灰石礦物中的磷 以上這些顆粒磷被歸屬於活性磷 主要源自生物有機體或至少在一些階段可能被有機體所吸收 此外還有由河流輸入的非活性磷 這部分顆粒磷基本上沉積在沿岸和大陸架海底而離開海洋磷循環 顆粒有機磷中的磷埋藏組分與海洋生物特別是浮游植物的殘體有關 也與沉積物的氧化還原狀態有關 在氧化性沉積物中有機物的碳磷比值較低 而在還原性沉積物中碳磷比值很高 吸附在顆粒表面的磷 其吸附與解吸附的轉換也與沉積物的氧化還原狀況有關 磷灰石沉積是通過微生物水解作用自發進行的 釋出的可溶性磷酸鹽與鈣離子反應形成不溶性磷酸鈣化合物 某些海洋生態系統是磷限制生態系統 根據Redfield比值 藻類細胞對磷的需求僅是氮的16分之1 在海洋表層磷比氮可更迅速地再循環 一些浮游植物在磷缺乏時可利用環境中的一部分有機磷 因此長期以來人們都認為氮纔是海洋生態系統中的重要限制因子 而對於大部分海域來說 氮確實是初級生產力水平最重要的限制因子 但是隨著海洋調查的深入 人們發現海洋的磷限制可能比以往所瞭解的更為普遍 初級生產過程需要吸收氮、磷等常營養元素和鐵等微量元素 根據最小限制法則 環境中某些營養物質的含量若接近或小於浮游植物需求量的最小值 則其就成為限制因子 如果考慮到海洋的磷補充主要取決於陸地河流和海底地下流的輸入 而無機氮不僅有陸源補充還可通過固氮作用來補充 則很多海域也會出現磷限制的推論就是合理的 眾所周知寡營養水域初級生產力很低的原因是表層營養鹽 包括氮和磷等的供應不足 目前已經發現磷是很多寡營養海域更重要的限制因子 例如東地中海就是公認的磷限制海域 很多太平洋寡營養水域也屬於磷限制 開闊大洋環境中屬磷限制還是氮限制取決於固氮作用與反消化作用之間的平衡 雖然固氮作用是寡營養水域氮循環中重要的新氮源 但是固氮生物利用分子態的氮氣同時也需要吸收磷和較多的鐵 因此旺盛的固氮作用也可能使系統由氮限制轉變為磷限制 磷不僅是很多寡營養大洋區的限制因子 一些近海海域特別是那些有大量氮水或農田用水輸入的河口內灣水域 磷也起限制作用 中國長江口就是一個明顯的磷限制例子 好今天的課程就介紹到這裏請同學們思考一下 在哪些河口海岸地帶會出現磷限制的狀況 為什麼