全 文 ：过量无机氮造成的富营养化对孔石莼存在下海水无机
碳体系的影响
张乃星1 ,宋金明2＊ ,郭明克1 ,曹丛华1 ,任荣珠1 ,吴凤丛1 ,王尽文1
(1.国家海洋局北海预报中心 ,青岛　266033;2.中国科学院海洋研究所 ,青岛　266071)
摘要:通过室内模拟培养 , 研究了孔石莼存在下过量无机氮对水体无机碳体系变化的影响及其机制.结果表明 , 无机氮的添加
均会导致水体 DIC、HCO-3 和p(CO2)的减少 , pH 和CO2-3 的增加.当NO-3-N和NH+4 -N浓度分别低于 71μmol·L-1和 49.7μmol·L-1
时 ,随着营养盐浓度的增加 , 水体无机碳体系各组分的变化幅度增大 , 其中以NO3-3和 NH4-3 组变化最为明显 ,至实验结束 DIC
分别较空白组下降了 151μmol·L-1和 232μmol·L-1;当NO-3-N和NH +4 -N浓度分别高于355μmol·L-1和248.5μmol·L-1时 , 则随着
浓度的增加无机碳各组分的变化幅度减小.对无机碳的减少与孔石莼的生长(Δm)做相关性分析发现 , 二者密切相关(r =
-0.91 , p<0.000 1 , n =11), 当营养盐浓度促进孔石莼的生长时 , 水体 DIC 浓度下降 , 孔石莼干重增加;反之 , 当营养盐过量
时 ,则会对其产生毒性作用 , 抑制其对无机碳的吸收.NH +4-N对海水无机碳体系的影响较NO-3 -N明显.
关键词:模拟实验;过量无机氮;无机碳体系;孔石莼
中图分类号:X55　文献标识码:A　文章编号:0250-3301(2009)07-1906-08
收稿日期:2008-08-14;修订日期:2008-12-30
基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)项目(2007CB407305);
国家海洋局海洋生态环境科学与工程重点实验室开放基
金项目(MESE-2008-07)
作者简介:张乃星(1980～ ),男 , 博士 , 主要研究方向为海洋环境化
学 ,E-mail:zhangnaix@mails.gucas.ac.cn＊通讯联系人 , E-mail:jmsong@ms.qdio.ac.cn
Marine Inorganic Carbon System Responses to Macro-DIN Supply Coupled with
Ulva pertusa in Simulated Experiments
ZHANG Nai-xing1 , SONG Jin-ming2 , GUO Ming-ke1 , CAO Cong-hua1 , REN Rong-zhu1 , WU Feng-cong1 ,
WANG Jin-wen1
(1.Marine Forecast Observatory of North Sea, State Oceanic Administration , Qingdao 266033 , China;2.Institute of Oceanology , Chinese
Academy of Sciences , Qingdao 266071 , China)
Abstract:Effects of macronutrient(NO-3 -N and NH +4-N) on inorganic carbon system of water with Ulva pertusa existed were studied in
laboratory simulation experiments.The results demonstrated that nutrient enrichment induced DIC , HCO-3 and p(CO2)decreased while pH
and CO2-3 increased.The seawater changed from carbon source to carbon sink.During the experiments , the concentration of DIC , HCO-3 and
p(CO2)decreased with increasing concentration of nutrient when the NO-3 -N and NH +4-N were less than critical concentration.The
concentration of DIC changed most at the NO3-3 and NH4-3 groups , which decreased 151 μmol·L-1 and 232 μmol·L-1 compared with the
control groups in the end of experiment.The increased dry weight of Ulva pertusa (Δm)of nutrient addition groups showed a significant
negative correlation with ΔDIC(r=-0.91 , p<0.000 1 , n=11).The main controlling factor to inorganic carbon variation is the adaptation
of Ulva pertusa to different DIN.When the concentration of DIN facilitates the growth of Ulva pertusa , the concentration of DIC decreased and
dry weight of Ulva pertusa increased.NH+4 -N has more influence on inorganic carbon system than NO-3 -N.
Key words:simulated experiments;macro-nitrogen;inorganic carbon system;Ulva pertusa
　　近几十年来 ,随着人类影响活动的加剧 ,大量营
养盐的输入导致一些内湾 、河口区域营养盐浓度及
其比例的变化 ,改变了局部海域氮和磷的分布格局 ,
使得海区水质发生了本质的变化.调查显示 ,长江口
NO
-
3 -N含量最高达 65μmol·L-1 ;胶州湾中东部水域
60 ～ 90 年代 , NO-3 -N和NH+4 -N浓度分别增加了 7.3
和5.1倍 ,TIN占 TN 的比例从 3.7%增加到 6.3%;
渤海湾历年的检测结果表明 ,海水中硝酸盐超过水
质标准的 3.6 ～ 6.6倍;辽东半岛的大连湾无机氮超
标10倍[ 1] .营养盐浓度及其比例的变化 ,明显改变
了水生植物的群落结构 ,如大型藻类的大量繁殖和
浮游微藻的种群衰退等[ 2 , 3] .
大型藻类广泛分布于潮间带及潮下浅水带 ,其
在生长过程中可以吸收氮营养盐同化成自身需要的
营养成分 ,在海洋生态系统氮循环和转化中起着重
要的作用 ,对海洋环境富营养化的调节作用十分明
显 ,被广泛用于近海养殖水体的净化等[ 4 ～ 6] .藻类在
吸收 N 的同时 ,还按m(N)∶m(C)=16∶106的比例
大量吸收水体中的溶解无机碳.由于大型海藻约占
第 30 卷第 7期
2009 年7 月 环　　境　　科　　学ENVIRONMENTAL SCIENCE
Vol.30 , No.7
Jul., 2009
DOI :10.13227/j.hjkx.2009.07.007
海洋初级生产力的 10%左右 ,因此其在 CO2 回收利
用方面潜力巨大 ,对海洋碳循环具有重要作用[ 7, 8] .
孔石莼是海岸带大型优势藻种 ,目前对孔石莼
的研究多集中于在综合养殖系统中的生态作用和对
重金属的吸收 ,以及 CO2 浓度对其生长的影响等方
面[ 9 ～ 11] ,而对耦合了孔石莼存在下过量无机氮对水
体无机碳体系迁移转化的影响研究较少涉及.本实
验以潮间带常见的大型绿藻孔石莼(Ulva pertusa)为
材料 ,通过在水体中添加孔石莼 ,来定量放大在生物
的光合作用下营养盐对水体无机碳体系的影响 ,相
关研究有助于深入了解富营养化对无机碳的生物地
球化学循环的干扰效应.
1　材料与方法
1.1　样品采集与实验设计
在长 、宽 、高为 50 cm×40 cm×30 cm的白色半
透明塑料箱中 ,引入胶州湾天然海水40 L ,海水背景
值见表 1(引入的天然海水经 200 μm筛绢过滤并避
光陈化一周后进入培养水箱 ,经测定水中的叶绿素
a浓度低于检测限 ,因此可忽略单细胞浮游生物对
无机碳的消耗),敞口放置 24 h ,以使箱内海水与大
气充分接触达到平衡 ,然后以透明塑料薄膜覆盖 ,以
排除大气碳酸盐颗粒物沉降 、气流扰动等因素对实
验水体的影响.实验分空白对照组 、加 NaNO3 组(编
号NO3-1 、NO3-2 、NO3-3 、NO3-4 、NO3-5 浓度依次增
加)、加 NH4Cl 组 (编 号 NH4-1 、 NH4-2 、 NH4-3 、
NH4-4 、NH4-5浓度依次增加)3种处理方式 ,浓度分
别为背景值的 2 、 5 、 10 、 50 、 100倍 ,无机氮浓度见
表 2.由于海水是一缓冲体系 ,具有较高的缓冲容
量[ 1] ,对试验所添加的极少量的 NaNO3 和NH4Cl(水
体浓度数量级为μmol·L-1),经SPSS 统计分析 ,对海
水 pH 基本没有影响(p >0.05),所以 ,不影响海水
无机碳体系的测定.在 3 组培养箱中分别加入生长
外观基本一致的孔石莼(14.520 0±0.004 5)g(干重
3.521 3 g),平行双样.将培养箱置于控温实验室内
(25℃±1℃),光照为室内的自然光加日光灯 ,并保
持在约4 500 lx ,光暗比 L∶D=12∶12 , 培养周期为 9
d.以加无机氮为 t =0时刻 ,每天定时取样.
试验所用材料系采自青岛八大关的孔石莼
(Ulva pertusa),材料采回后立即用天然海水洗净 ,在
室温及4 500 lx光照下预培养 3周.
表 1　模拟实验所用海水的背景值
Table 1　Background values of the sampled seawater
参数 温度 ℃ 透明度 m pH 盐度 ‰ NO
-
3 -N
μmol·L-1
NH+4 -N
μmol·L-1
NO-2 -N
μmol·L -1
Chl-a
μg·L-1
背景值 21.2 1.8 8.012 31.14 7.10 4.97 1.17 2.02
表 2　实验选用的无机氮初始浓度 μmol·L -1
Table 2　Initial concent rations of dissolved inorganic nitrogen(DIN)
of the incubation experiments μmol·L-1
项目 1 2 3 4 5
NO-3 -N 14.2 35.5 71 355 710
NH+4 -N 9.94 24.85 49.7 248.5 497
1.2　测定方法与数据处理
Chl-a、NO -3 -N和NH+4 -N的测定参照《海洋监测规
范》采用分光光度法测定 ,盐度采用盐度计测定 , pH
采用 Orion 420A Ross 8102BN 酸度计测定 ,精密度
±0.002(使用NBS标度),总碱度采用电位滴定并用
Gran作图法测定[ 12] ,精度为 1%.
目前 ,对海水无机碳的获取主要有实测方法(主
要是库仑滴定法和红外 CO2 分析法)和通过实际测
定pH和总碱度(TA),通过 CO2 平衡体系计算获得
海水无机碳的间接测定直接计算的方法 ,实测方法
不太适合外海大密度的采样 ,大量的研究表明 ,在实
际的外海特别是表层海水 ,由于海水与大气的充分
接触 ,大气CO2 与水体无机碳基本处于平衡状态 , 2
种方法获得的无机碳浓度没有显著的差异[ 1] ,针对
本试验的室内模拟 ,由于水体与大气不受扰动而处
于平衡状态 ,所以 ,采用了测定 pH和总碱度(TA)来
计算获得海水无机碳浓度的方法[ 13] .
DIC =CA aH+ +K′2 +a
2
H
+ K′1
aH+ +2K′2
p(CO2)=[ CO2(T)] α=CA a
2
H
+
K′1 α(aH+ +2K′2)
CA =[HCO-3 ] +2[CO2-3 ] =TA -cTB K′BaH+ +K′B
[HCO-3 ] =CA aH+
aH+ +2K′2
式中 ,CA为碳酸盐碱度 ,K′1 、K′2 为碳酸的第一 、二
级解离常数 , K′B 为硼酸的解离常数 , α为海水中
CO2 的溶解度系数 , cTB为海水中的总硼酸浓度 ,与
盐度有如下关系 cTB =0.000 427(S 35)mol·L-1[ 14] ,
S 为盐度 , aH+近似为海水中 H+浓度.无机碳体系
19077 期 张乃星等:过量无机氮造成的富营养化对孔石莼存在下海水无机碳体系的影响
各参数的计算结果精度分别为 DIC 、HCO -3 (±4
μmol L),CO2-3 (±2 μmol L)及p(CO2)(±0.4 Pa).实
验测定TA数值如表 3.
所得数据用 SPSS10.0处理;不同处理组间使用
LSD法进行差异显著性分析 ,以 p<0.05作为差异
显著性水平.文中所给结果均为平均数.
表 3　模拟实验过程中 TA的测定结果 μmol·L-1
Table 3　Results of TA in the incubation experiment processes μmol·L-1
编号 1 d 2 d 3 d 4 d 5 d 6 d 7 d 8 d 9 d
NO3-1 2327 2355 2 361 2 356 2375 2 362 2 326 2343 2 333
NO3-2 2327 2371 2 357 2 370 2365 2 377 2 364 2344 2 350
NO3-3 2327 2362 2 362 2 371 2376 2 375 2 358 2368 2 354
NO3-4 2327 2323 2 318 2 328 2341 2 328 2 336 2330 2 330
NO3-5 2327 2358 2 365 2 354 2377 2 371 2 364 2372 2 347
NH4-1 2327 2348 2 378 2 353 2368 2 367 2 357 2356 2 349
NH4-2 2327 2373 2 352 2 356 2364 2 366 2 349 2359 2 352
NH4-3 2327 2349 2 346 2 339 2337 2 318 2 333 2320 2 334
NH4-4 2327 2348 2 336 2 338 2334 2 334 2 334 2320 2 320
NH4-5 2327 2324 2 351 2 320 2341 2 331 2 316 2307 2 287
对照组 2327 2350 2 366 2 358 2373 2 342 2 353 2362 2 362
2　结果与讨论
由于人类生产和生活向海洋排放的 N 、P 等营
养盐大量增加而导致的近海水域富营养化已成为沿
海国家的一个重要的水环境问题.水体的富营养化 ,
必将导致一系列水体生态环境的变化 ,所有这些变
化的发生都离不开碳的参与 ,因此这些过程的发生
也会对碳的生物地球化学循环产生影响.本研究模
拟了在过量 N 及藻类存在下水体中溶解无机碳及
pH的变化过程 ,来了解水体富营养化对海洋无机碳
体系及碳源汇格局的影响.
2.1　水体 pH 的变化
随着培养时间的延长 ,加NO -3 -N组和NH+4 -N组
各培养箱中 pH 值逐渐上升 ,且均明显高于空白组
(p <0.05)(图 1).加NO-3 -N组中 , 以 NO3-3(71
μmol·L-1)的上升幅度最大 ,至实验结束时(t =9
d), pH达到 8.684 ,较初始增加了 0.639个 pH单位 ,
其它浓度组增加范围在 0.371 ～ 0.498 个 pH 单位.
当NO-3 -N浓度低于 71 μmol·L-1时 ,随着NO-3 -N浓度
的增加 , 水体 pH 值的增长速率逐渐增大 , 而当
NO
-
3 -N浓度≥355 μmol·L-1时 ,水体 pH 的增长速率
则明 显 下降.加 NH+4 -N 组 中 , 以 NH4-3(49.7
μmol·L-1)上升最为明显 , 至实验结束 pH 达到
8.832 ,较初始增加0.787个 pH 单位 ,其它各浓度组
则增加了 0.371 ～ 0.591个 pH 单位.对比NO-3 -N组
和NH+4 -N组可以看出 ,实验末期(t =9 d),加NH+4 -N
组中pH 增加幅度均明显高于加NO -3 -N组 ,而空白组
至实验末仅增加了 0.253个 pH单位 ,增幅明显低于
营养盐组(p<0.05).
图 1　不同形态无机氮添加后 pH随时间的变化
Fig.1　Changes of pH-time in different DIN addition groups
1908 环　　境　　科　　学 30 卷
2.2　水体无机碳体系的变化
随着培养时间的延长 ,水体中无机碳体系各组
分均发生不同程度的变化.从图2中可以看出 ,各培
养组中的 HCO -3 均呈下降趋势 ,其中营养盐添加组
的下降趋势均明显高于空白组.在NO-3 -N组中 , 以
NO3-3的下降幅度最大 , 其 HCO-3 从实验初始的
2 035μmol·L-1减少到实验结束的1 444μmol·L-1 ,整
个实验过程中下降了 591μmol·L-1 ,降幅达 29%,其
次为NO3-2和NO3-1组 ,分别下降了 423μmol·L-1和
395 μmol·L-1 ,高浓度的NO3-4 、NO3-5组下降幅度最
小 ,至实验结束分别下降了 301 μmol·L-1和 295
μmol·L-1 .在NH+4 -N组中 ,各浓度组的下降幅度差别
明显 ,其中以 NH4-3下降幅度最大 ,其HCO-3 从实验
初始的 2 035 μmol·L-1 减少至实验结束的1 242
μmol·L-1 ,下降了 793 μmol·L-1 ,降幅达 36%,其次
为 NH4-2 和 NH4-1 组 ,分别下降了 531 μmol·L-1和
520 μmol·L-1 , 高浓度的 NH4-4 下降最小 , 为 302
μmol·L-1 .空白组在实验期间 HCO-3 仅下降了 162
μmol·L-1 ,与其它各组区别明显(p<0.05).
对于 CO2-3 ,在培养期间NO -3 -N 、NH+4 -N及空白组
随培养时间的延长均表现出不断增加的趋势 ,其中营
养盐组的增加幅度明显高于空白组(p<0.05).在
NO
-
3 -N组中 ,以 NO3-3的增加幅度最大 ,明显高于其
它浓度组 ,实验期间其CO2-3 平均值为261μmol·L-1 ,
图 2　不同形态无机氮添加后无机碳体系参数随时间的变化
Fig.2　Components change of inorganic carbon system with time in DIN addition groups
19097 期 张乃星等:过量无机氮造成的富营养化对孔石莼存在下海水无机碳体系的影响
至实验结束 ,其 CO2-3 浓度增加了 252 μmol·L-1 ,较
初始增长了 2 倍 ,其它浓度组则分别增加了 121 ～
180μmol·L-1 .NH+4 -N组中 , NH4-3 增长幅度明显高
于其它各组 ,实验过程中平均值为 302 μmol·L-1 ,至
实验结 束 CO2-3 为 450 μmol·L-1 , 增长 了 327
μmol·L-1 .低浓度的 NH4-1和 NH4-2增长幅度较相
似 ,在 t =9 d 时分别增长了 220 μmol·L-1和 226
μmol·L-1 ;高浓度的 NH4-4和 NH4-5增长趋势与幅
度较相似 ,在 t =9 d 时分别增长了 117 μmol·L-1和
129 μmol·L-1 ,均明显低于低浓度的NH4-1和NH4-2.
空白组 CO2-3 的增长幅度最小 ,实验过程中其平均
值为 167 μmol·L-1 , 至实验结束仅增 长了 78
μmol·L-1 .
对于p(CO2)的变化 ,实验前期其p(CO2)下降速
率较快 ,到后期随着时间的延长其下降速率逐渐变
缓 ,在NH+4 -N组中这种变化最为明显.在NO-3 -N组
中 ,以 NO3-3下降幅度最大 ,至实验结束(t =9 d),
p(CO 2)由实验初始的 60Pa 减少到 10Pa ,较初始降
幅达 83%,其它浓度组下降范围在 64%～ 75%;在
NH
+
4 -N组中 ,以NH4-3组下降最为明显 ,至实验结束
(t =9 d)p(CO2)下降为 6Pa ,下降了 90%,其它浓度
组下降范围在 64%～ 81%.空白组在实验过程中也
一直处于下降趋势 ,但下降幅度明显低于各营养盐
添加组(p<0.05),在整个培养期间中从 60 Pa 下降
到30 Pa ,下降了 50%.
3　无机碳体系的变化分析
海水 pH 是海洋化学研究的重要参数之一 ,其
对海洋中各种元素的存在形态及其反应过程具有直
接影响 ,测定并分析海水 pH 值的变化对研究海水
无机碳的迁移转化以及海水理化性质的影响具有重
要意义[ 15] .海水 pH值受多种因素的控制和影响 ,如
海水的温度 、压力 、盐度以及无机碳平衡体系等[ 16] ,
本实验由于在室内恒温中进行 ,因此 pH 主要与水
体中的无机碳平衡体系 CO2-HCO-3 -CO 2-3 相关 ,而水
体中无机碳平衡体系又与孔石莼的新陈代谢密切相
关.当孔石莼的光合作用强度大于呼吸及溶解有机
质(DOC)氧化分解强度时 ,海水中出现 CO2 的净消
耗 ,则 pH 值上升;反之 ,当光合作用受外界因素影
响而下降或停止时 ,此时呼吸作用和 DOC 降解作用
较强 ,产生的 CO2 逐渐积累 ,则海水 pH 值逐渐下
降[ 15] .此次实验中 ,各实验组的 pH均呈不同程度的
增长且一直保持较高的增长速率 ,而p(CO2)在实验
过程中下降速率则逐渐减缓 ,可见水体 pH 的升高
并不仅仅由游离 CO2 的减少引起.邹定辉等[ 17] 研究
发现 ,大型绿藻在通过胞外碳酸酐酶吸收 HCO-3 的
同时 ,会产生等量的 OH- ,从而保持水体的电荷平
衡 ,结果导致水体 pH 的上升.因此本实验中水体 pH
的上升可能是由 CO2 和 HCO -3 的消耗共同引起的.
水体中 DIC主要以 HCO-3 的形式存在 ,其约占
DIC的 85%以上[ 18] .HCO -3 不仅是水体中 CO2 的储
存库 ,经自发脱水化保证了游离 CO2 源源不断的供
应 ,而且还可以直接作为藻类外源无机碳的吸收形
式.HCO-3 的利用可以为 Rubisco(磷酸核酮糖羧化
酶)维持一个稳定的 CO2 流量环境 ,以维持最大速
率的光合作用[ 19] .Gao 等[ 8] 和Bjǒrk等[ 20]研究认为大
型绿藻具有很强的 HCO-3 利用能力 ,能直接吸收
HCO
-
3 作为外在光合作用的无机碳源.本实验中
HCO
-
3 浓度一直处于明显的下降趋势 , p(CO2)则由
初期的迅速下降转变为后期的缓慢下降(图 2),说
明 CO2 并不是孔石莼光合作用的唯一碳源 ,本实验
中孔石莼的光合作用在吸收 CO2 的同时还吸收
HCO
-
3 .在水体中 ,藻类以优先吸收游离 CO2 为主 ,
由于 CO2 在水体中占溶解无机碳很小的比例(<
1%),且在海水中扩散速度很慢(CO2 在水中的扩散
速度比在空气中要慢 1 万倍),因此海藻极易处于
CO2 太少的环境中 ,这时就可能会发生光抑制 ,甚至
永久性损伤光合器官 , 为了克服这种 CO2 抑制状
态 ,海藻便转而吸收利用海水中的 HCO-3 [ 21, 22] .实验
中各N添加组的p(CO2)在前期浓度迅速下降 ,后期
下降速率逐渐减缓 ,说明在实验初期 ,水体游离 CO2
充足 ,孔石莼光合作用大量吸收 ,到后期 ,由于 CO2
浓度降低 ,接近孔石莼吸收阀值 ,此时孔石莼转而以
吸收HCO-3 为主 ,因此CO2 浓度下降减缓.
对于海水中的 CO2-3 ,一般认为它不能作为水生
藻类光合作用的直接碳源 ,既不抑制 ,也不促进光合
作用[ 23] .在水体中 ,CO2-3 存在以下热力学平衡:
H
++CO2-3 HCO-3
　　因此其浓度的变化与水体 H+及 HCO -3 浓度密
切相关.本实验中 ,CO2-3 一直处于明显的上升趋势 ,
说明以上平衡一直向左移动.这主要是由于实验水
体 pH 一直处于明显的上升趋势 ,OH-浓度上升 ,H+
浓度下降 ,虽然HCO -3 浓度也一直在下降 ,但由于其
在无机碳体系中占主要部分[ 18] (本实验中其占到了
DIC 的90%以上),其下降幅度远低于 H+ ,因此以上
1910 环　　境　　科　　学 30 卷
平衡向左移动 ,CO2-3 浓度增加.可以看出 ,本实验水
体中 HCO -3 的减少分成了两部分 ,一部分作为无机
碳源被孔石莼直接吸收参与了光合作用 ,另一部分
则通过以上平衡转化为 CO2-3 .
4　营养盐 、孔石莼及无机碳之间的耦合关系
Redfield等[ 24] 研究认为在水体中藻类进行光合
作用时以下列方程式吸收水体中的营养盐及无
机碳:
106CO2 +122H2O +16NO-3 +H2PO-4 +3H+
[(CH2O)106(NH3)16H3PO4] organic +138O2
　　通常情况下 ,水生藻类对海水中无机碳 、无机 N
和无机P 的摄取是以恒定比例进行的.彭云辉等[ 25]
对大亚湾海水中营养盐与浮游植物关系的研究表
明 ,营养盐 N 和 P 均与浮游植物中的 Chl-a 增加量
有一定的负相关关系.对本实验中孔石莼干重增加
量(Δm)与溶解无机碳的减少量(ΔDIC)作相关性分
析发现 , 二者也具有很好的线性相关关系(r =
-0.91 , p<0.000 1 , n =11)(图 3),无机碳的减少
最终参与了孔石莼机体的组成.该现象也可从表 4
在实验结束时孔石莼干重均不同程度的有所增长
看出.
图 3　DIC吸收量与孔石莼干重增长量之间的相关性
Fig.3　Correlation between ΔDIC and dry weight(Δm)of Ulva pertusa
此次培养实验所加NO-3 -N和NH+4 -N浓度分别为
背景值的 2 、5 、10 、 50 、 100倍 ,整个培养实验过程
中 ,对于在同一倍数水平上的NO-3 -N和NH+4 -N组 ,
DIC的下降幅度NO-3 -N组均明显低于NH+4 -N组(图
4).在NO-3 -N组中以 NO3-3 下降最为明显 , 为 151
μmol·L-1 ,其余浓度组的下降范围在 74 ～ 124
μmol·L-1 ;在NH+4 -N组中以 NH4-3下降最为明显 ,为
232μmol·L-1 ,其余浓度组的下降范围在 109 ～ 144
　　　　　　表 4　实验结束后孔石莼的生长情况
Table 4　Condition of the growth of Ulva pertusa when
the experiments were over
编号 藻干重 m g 藻干重变化Δ g ±Sd.
对照 3.603 2 0.0819 0.023 4
NO3-1 3.696 5 0.1652 0.016 3
NO3-2 3.719 2 0.1879 0.009 4
NO3-3 3.781 9 0.2506 0.023 0
NO3-4 3.712 5 0.1812 0.006 7
NO3-5 3.737 2 0.2059 0.031 4
NH4-1 3.783 4 0.2521 0.017 3
NH4-2 3.728 1 0.1968 0.047 1
NH4-3 3.891 2 0.3599 0.023 6
NH4-4 3.708 0.1767 0.015 8
NH4-5 3.701 9 0.1706 0.045 5
图 4　实验结束各营养盐添加组相对于空白组 DIC的变化
Fig.4　Final DIC concentrations in the boxes , expressed
as decrease of DIC concentration in the control
μmol·L-1 ,可见NH+4 -N比NO -3 -N更有利于促进孔石
莼对水体中 DIC 的吸收.在水体中 ,藻类对不同形式
的 N都可以利用 ,N 的吸收和代谢与藻类光合作用
是 2个紧密相连的过程 ,同时藻类光合作用也为无
机碳的转运过程提供能量.海藻主要以NH+4 -N和
NO
-
3 -N的形式吸收环境中的 N ,其中NO-3 -N需还原
为NH+4 -N才能为藻体所同化.由于硝态氮同化需要
较高的能量 ,所以在调节细胞无机碳获取上 ,藻类常
常优先吸收氨氮[ 26] .李大鹏等[ 27]对大型藻类龙须菜
的营养动力学研究发现 , 尽管NO-3 -N的浓度是
NH
+
4 -N浓度的 2.8 倍 , 但龙须菜优先选择吸收
NH
+
4 -N ,当环境中NH+4 -N的浓度降低到一定程度时
才吸收NO-3 -N ,这可能与藻类细胞缺少硝酸还原酶
(NR)有关.Dong 等[ 28] 比较了生长在含NH+4 -N培养
液和NO-3 -N培养液中藻细胞对无机碳的亲和力发
现 ,前者是后者的 6倍 ,生长在以NO-3 -N作为 N源的
19117 期 张乃星等:过量无机氮造成的富营养化对孔石莼存在下海水无机碳体系的影响
培养液中 ,细胞需要 6个铁氧蛋白还原亚硝酸盐 ,其
能量消耗比NH+4 -N的同化高 4倍.
本实验中 ,当NO-3 -N和NH+4 -N浓度分别小于 71
μmol·L-1和 49.7 μmol·L-1时 ,水体中 DIC 的浓度随
着介质中N浓度的增加而下降(图 4),这是因为环
境中营养盐浓度的上升使得孔石莼利用营养生长的
一系列生理过程的底物浓度升高了 ,因而在一定的
范围内藻体的光合作用增加 ,促进了对水体无机碳
的吸收.可见 ,适量NO-3 -N和NH+4 -N的添加对孔石莼
的生长有明显的促进作用;当NO -3 -N和NH+4 -N的浓
度继续增加超过某一限度时 ,水体中 DIC 的浓度反
而随之上升 ,此时营养盐对孔石莼的促进效应下降 ,
抑制作用增强.徐永健等[ 29] 通过对不同营养盐条件
下龙须菜生长的变化研究发现 , 当NO -3 -N为 100
μmol·L-1 ,NH+4 -N为 50 μmol·L-1时为龙须菜生长的
饱和浓度 ,低于和高于此浓度时 ,均未达到其最大光
合速率 ,龙须菜的生长受到限制.Turpin等[ 30] 认为 N
限制或过量均将明显导致水生藻类光合速率的下
降 ,降低其对水体 DIC的吸收能力.在NH+4 -N添加组
中 ,DIC随浓度的变化幅度最为明显 ,这是由于在
NH
+
4 -N添加组的水体中 ,存在下列反应:
NH
+
4 NH3 +H+
　　随着NH+4 -N浓度的增加 ,电离出的 NH3 增多 ,
因为非电离的 NH3 不带电荷 ,脂溶性较高 ,容易透
过细胞膜 ,进入细胞内部从而抑制细胞的生长 ,因而
高浓度的铵盐反而能够抑制藻类的生长[ 31] .有报道
表明[ 32 , 33] ,在不同的环境因素 ,如温度 、盐度 、CO2 浓
度 、光照和 pH 下 ,孔石莼光合作用和营养盐吸收差
异较大.研究认为 ,NH+4 -N吸收的最佳温度为 25℃,
吸收速率的光饱和点为5 000 lx ,吸收NH+4 -N的 pH
范围为 8.0 ～ 8.3 ,而孔石莼的适宜生长温度范围为
15 ～ 25℃,盐度范围为 15‰～ 40‰,在高 CO2 浓度
时 ,促进孔石莼对营养盐的吸收.刘长发等[ 34] 研究
发现 ,在低光强下 106 lx ,NH+4 -N超过 70μmol·L-1时
即可抑制孔石莼的光合作用.本实验条件下 , 当
NH
+
4 -N浓度在低于 49.7μmol·L-1时 ,可以明显促进
孔石莼的生长 , 增加其对水体 DIC 的吸收;而当
NH
+
4 -N浓度≥248.5 μmol·L-1时 ,孔石莼的生长受到
限制(表 4),对水体 DIC的吸收下降.
5　结论
(1)富营养化条件下藻类的无机碳利用机制是
影响水体无机碳体系变化的重要因素.当无机氮浓
度促进孔石莼的光合作用时 ,水体DIC浓度下降 ,孔
石莼干重增加.
(2)当无机氮浓度低于转折浓度时 ,随着浓度的
增加水体DIC的减少幅度增加;反之 ,当无机氮浓度
高于转折浓度时 ,则随浓度的增加 DIC 的减少幅度
下降 ,其中 ,NH+4 -N对水体 DIC的影响程度较NO-3 -N
明显.
(3)过量NO-3 -N和NH+4 -N均能在一定程度上促
进水体 DIC 的减少 , pH 的上升 ,其中无机碳参数
HCO
-
3 和p(CO2)均明显下降 ,CO2-3 浓度上升.HCO-3
的减少分为两部分 ,一部分被孔石莼吸收参与了光
合作用 ,一部分转化为 CO2-3 ,导致了 CO2-3 的增加.
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