第13卷第3期极地研究V ol.13,N o.3 2001年9月CHI NESE JOU RN A L O F PO LA R R ESEAR CH September2001
研究论文
夏季南极普里兹湾碳的生物地球
化学循环Ⅱ:POC的分布特征a
扈传昱 张海生 潘建明 陈志强 刘小涯 卢勇
(国家海洋局第二海洋研究所海底科学重点实验室,杭州310012)
提要 在中国第15次南极考察期间对普里兹湾的颗粒有机碳(PO C)进行了研究。结果表明:夏季普里兹湾PO C表层含量在94.20-1124.00L g/L,平均279.11L g/L,PO C含量由湾内向湾外递减。湾内平均含量527.14L g/L,湾外平均含量171.72L g/L,湾内P OC含量远远大于湾外。断面分布表明水体上层P OC含量高于底层含量,在100m附近含量达到最低,且变化显著。P OC 与叶绿素a的高度相关性(r=0.889,n=91)表明普里兹湾P OC主要由P OC B组成即主要来自于浮游植物的贡献。P OC/chl a值为110.33与Ross海相近,但高于太平洋等海域。PO C与DIN、P O43-之间均呈现良好的负相关,相关系数分别为-0.607、-0.486(n=86)。
关键词 PO C 叶绿素a 营养盐 普里兹湾
1 前言
大气中二氧化碳等温室效应气体的增加以及随之产生的气候效应,是当今人类面临的重大全球环境问题,由此引发科学界对全球碳循环研究的重视。海洋中的有机碳是全球最大的碳储库之一,主要包括溶解有机碳(DOC)以及颗粒有机碳(POC)。大气中的CO2溶于水后因各种物理、化学和生物过程相互作用,转化成颗粒物,一般包括海洋中有生命和无生命的悬浮颗粒和沉积物微粒,其中的活物质主要是浮游植物。通常在表层海水中颗粒有机物主要由生物碎屑(死亡生物体)、浮游动植物和鱼类组成。这些颗粒物质一部分会沉积到海底,另一部分则被微生物消耗后重新转化成CO2。虽然颗粒有机碳仅是溶解有机碳的1/8左右,但在全球碳循环中的作用却非常显著(徐立,洪华生,1995;Richard et al., 1992;Gregory et al.,1999;David et al.,1989)。由于南大洋生态系统碳等生源要素在全
a[收稿日期] 2001年4月收到来稿,2001年6月收到修改稿。
[基金项目] 国家重点基金项目(49836010)及九五攻关项目“98-927-02”专题中“95-02-04/06”课题资助。
[作者简介] 扈传昱,女,1973年生。现为国家海洋局第二海洋研究所实习研究员,主要从事海洋化学研究。
球生物地球化学循环中起着举足轻重的作用,因此研究南大洋海域POC 的来源以及迁移转化,对揭示南大洋作为大气CO 2源或汇的作用意义显著。本文结合第15次南大洋科学考察资料,对夏季南极普里兹湾POC 的含量与分布进行初步研究。
2 研究海区和取样站位
研究海区位于普里兹湾及以北邻近海区,于1998年11月-1999年4月中国第15次南极科学考察期间,在普里兹湾Ⅲ、Ⅳ断面采取了POC 的样品,站位图见图1
。
图1 PO C 采样站位图
F ig.1.T he sampling stations.
3 样品处理与分析方法
采集的海水样品经Whatman GF /F 膜(预先500°C 灼烧4h )过滤,在-20°C 下保存回实验室分析。分析前先用浓HCl 熏蒸12h 以除无机碳,60℃干燥2h 后用Carbo -Er ba EA 1110CHN 元素分析仪测定POC 。
海水样品先通过200L m 的网筛,用GF/F 膜在低于0.5个大气压下过滤300-500ml ,用T urner Designs 10-005R 荧光光度计和萃取荧光法测量叶绿素a 。无机营养盐按照《海洋监测规范》(1992)要求进行。
196极地研究 第13卷
4
结果与讨论
图2 Ⅳ断面温度(a )、盐度(b )F ig .2.T he t emper atur e (a )and salinity (b )o f section Ⅳ.
4.1 水文条件
南大洋表层温度的分布状况主要取决于太阳辐射、融冰以及气象、海流的时空变化,下层主要取决于水团配置、海流等因素。图2a 是Ⅳ断面温度图,整体上温度的变化是普里
197第3期 扈传昱等:夏季南极普里兹湾碳的生物地球化学循环Ⅱ:P OC 的分布特征
198极地研究 第13卷
兹湾内温度最高,由湾内向湾口逐渐降低并达到最低,其后由湾口向湾外部的开阔海域逐渐增高,平均为-0.98℃。25m层温度分布与表层相比温度相近略有降低,范围- 1.84-1.84℃,平均-1.21℃。50m层与表层相比则明显降低,50m层温度均在0℃以下,范围-1.88--0.90℃,平均-1.59℃,湾外有一簇由东向北逐渐降低的温度峰,温度值高于湾口,与湾内相近。100m层、200m层与500m层温度与表层相比有明显不同,湾内温度明显低于湾外,湾外部温度达到0℃以上,三层的平均温度分别为- 1.09、-0.98、0.23℃,且湾外部温度随深度增加有上升的趋势。到了1000m层,湾内温度上升到0℃以上,平均0.91℃,总体上仍低于湾外部。Ⅲ断面温度的变化与Ⅳ断面类似。
盐度的变化与温度相比较为简单(图2b),测区大部分站位盐度值在33.00-33.99之间,属于低盐,表明表层海水受海冰融化稀释影响。与表层温度的水平分布类似表层盐度值也是由湾内部向湾口降低,达到最低值后由湾口向湾外部的开阔海域逐渐升高。在25m层盐度明显表层升高,整个海湾盐度值在33.60-34.44之间平均值为34.02,分布趋势由北向南逐渐增加。50m层、100m层、200m层分布与变化趋势类似,总体上讲湾内与湾外盐度值差异已不是非常明显,50m层变化范围在33.93-34.45,平均34.24,100m 层变化范围在34.28-34.57,平均34.41,200m层变化范围34.36-34.66,平均34.49。到了500m与1000m层盐度分布,由湾内向湾外开阔海域逐渐升高。由于深层盐度的平面分布几乎被海流支配,然而深层等深面上各测站盐度变化不大,实际被视为等盐度状态。
4.2 POC含量与分布
图3a是第15航次普里兹湾及其邻近海域表层POC的水平分布图。由图可知,POC 在表层的分布有一个明显的趋势,就是由湾内向湾外逐渐降低。POC最高含量出现在Ⅳ-14站位1124.00L g/L,POC最低含量出现在Ⅲ-9站位62.86L g/L。普里兹湾及其邻近海域表层POC平均含量为279.11L g/L,湾内平均含量527.14L g/L,湾外平均含量171.72 L g/L,湾内POC含量远远大于湾外。总体上讲表层POC含量随纬度的变化与叶绿素a基本一致,Ⅲ、Ⅳ断面表层叶绿素a的水平分布见图3b。从开阔海域到海冰区再到普里兹湾冰穴逐渐增加。为了探讨生物有机碳(POC B)和碎屑有机碳(POC D)对总POC的贡献,对叶绿素a与POC进行线性分析。结果表明,表层POC与叶绿素a有非常好的正相关,相关系数为0.93(n=18),由此可知在表层POC主要来源于浮游植物。在普里兹湾湾外POC含量远远小于湾内,表明湾外浮游植物生产远小于湾内。表层POC的分布与温度亦有一定的相似,表明夏季温度逐渐升高而导致浮游植物的生长旺盛,从而影响POC含量的变化。
普里兹湾及其邻近海域POC在垂直分布上有明显不同,在开阔海区由于混合深度大,POC高浓度可深至100m,在浮冰区大约只在50m,在固定冰处POC高含量只集中在表层几米处。这种垂直分布在几个站的POC垂直分布图(图4)中十分明显。POC含量到一定深度后迅速降低,这是由于发生有机碳大量的溶出或降解而造成的。
图4同时给出了叶绿素a的垂直分布情况,可知在普里兹湾POC的这种垂向分布与叶绿素a的分布基本相同,POC的高值点与低值点与叶绿素a的高值点与低值点基本上相对应,而湾外的开阔海域的Ⅲ-2与Ⅳ-2站POC与叶绿素a的垂向分布略有不同。在湾内叶绿素a的含量明显高于湾外开阔海域,表明湾内光合作用较湾外开阔海域强,由此可
图3 表层P OC(a)、叶绿素a(b)的平面分布图(单位:L g/l)
Fig.3.T he dist ribution of the surface P OC(a)and chl a(b).推断在开阔海域浮游植物对POC的贡献比湾内小。199
第3期 扈传昱等:夏季南极普里兹湾碳的生物地球化学循环Ⅱ:P OC的分布特征
图4 Ⅲ、Ⅳ断面PO C (a )、叶绿素a (b )垂向分布(单位:L g /l )
F ig .4.T he PO C (a )and chl a (b )pro file of sectio n Ⅲand Ⅳ.
4.3 POC 与叶绿素a 以及营养盐的关系
总体上讲普里兹湾POC 与叶绿素a 有较好的相关性,图5是POC 与叶绿素a 的相关关系图,二者的相关方程为POC =117.82chl a +11.651(n =91,r =0.889),POC 与chl a 的斜率为117.33,表明普里兹湾的浮游生物富含碳。POC 主要由活体生物有机碳(POC B )组成,设chl a 为零,由回归方程外推可得无生命的碎屑有机碳(POC D )的含量仅为11.651L g/l 。Redfield et al .(1963)在培养皿中测得浮游植物的POC/chl a 比值为35,
Finenko et al .(1977)在太平洋0°-150°W 发现了较低的浮游植物的POC /chl a 比值25
-36之间(表1),Richard et al .(1992)报道了1988年3月在太平洋0°-150°W 处POC/200极地研究 第13卷
chl a 比值为58,较Finenko et al .(1977)的比值高。而Smith et al .(1996)在Ross 海的POC /chl a 比值为116-150。本文所得普里兹湾及邻近海域POC /chl a 比值与Ross 海相近。就POC 与叶绿素a 的相关性来看,普里兹湾及邻近海域的POC 主要与浮游植物的
生长有关。
图5 P OC 与叶绿素a 关系图
F ig .5.T he r ela tio nship betw een P OC and chl a .
表1 普里兹湾POC ∶chl a (w /w )值与其他海域比较
T able 1.T he value of P OC ∶chl a (w /w )in Pr ydz Bay a nd in ot her ar ea.
海区
POC ∶chl a (w /w )参考文献普里兹湾海区
118本文Ross 海
116-150Smith et al .(1996)太平洋0°-150°W
25-36Finenko e t al .(1974)太平洋0°-150°W
58Rich ard et al .(1988)亚极区50-60Copin-M ontegut(1983)
由图6、7可知POC 与无机营养盐之间有非常好的相反的变化关系,POC 与无机磷酸盐相关系数为-0.486(n =86),POC 与无机氮的相关系数为-0.607(n =86)。Sm ith 等人认为在南北极海区的海冰边缘区,高浮游植物量对应相对低的营养盐含量的现象非常普遍(Sm ith et al .,1985;Nelso n et al .,1986;Nelson et al .,1987),而在普里兹湾POC 与营养盐之间良好的负相关则说明营养盐被消耗使得浮游植物量增高,相应的POC 含量亦增高。
5 结论 在夏季普里兹湾浮游植物大量繁殖,普里兹湾及邻近海域POC 表层含量在94.20-
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图6 PO C 与磷酸盐关系图
F ig.6.T he relatio nship betw een P O C and PO 3-4
.
图7 PO C 与无机氮关系图
F ig.7.T he relatio nship betw een PO C and DIN.
1124.00L g /l ,平均279.11L g /L ,POC 在分布上呈现表层含量湾内大于湾外的趋势,水体POC 含量随深度增加而降低,到100m 附近含量降至最低。夏季普里兹湾POC 含量与叶绿素a 呈现良好的正相关,POC 主要由活体物质组成,无生命的碎屑有机碳含量很低,可忽略不计。
参考文献徐立,洪华生(1995):厦门西港颗粒有机碳的形态分布特征和来源,台湾海峡及邻近海域海洋科学讨论会论文集,296
-300.
202极地研究 第13卷
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THE BIOGEOCH EMISTRY OF CARBON CYCLE
IN SU MMER OF THE PRYDZ BAY ,ANTARCTICA
Ⅱ:CHARACTERISTICS OF POC DISTRIBUTION
Hu Chuanyu ,Zhang Haisheng ,Pan Jianming ,Chen Zhiqiang
Liu Xiaoy a and Lu Yong
(Open Lab of Su bmarine Geoscien ces of SOA,Second Institute of Oceanograph y,SOA,Han gzhou 310012,China)
Abstract
The distribution and content of par ticulate organic car bon (POC)in Pry dz Bay w ere inv estig ated during CHINARE-15.The results sho w ed that the concentration of POC in the surface layer of Pry dz Bay w as 94.20-1124.00L g /l ,aver ag e concentr ation w as 279.11L g /l .The surface POC distribution in sum mer show s that POC is much higher in Pry dz Bay than that out of Pr ydz Bay.Fro m the POC concentrations w ith the depth,we can see that the POC content in upper layer is higher than that in bottom,and in 100m the POC content is the highest .POC content has goo d co rrelation w ith chl a (r =0.889,n =91)sug gests that POC was m ainly from the biolo gical pr oduction in the lo cal w ater 203第3期 扈传昱等:夏季南极普里兹湾碳的生物地球化学循环Ⅱ:P OC 的分布特征
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co lum ns.T he value of POC/chl a in Prydz Bay is higher than that in other areas but sim ilar to the value in Ro ss Sea.Furtherm ore there was negative relationship betw een POC and inorg anic nutrient(DIN、PO3-4),the value o f the“r”is-0.607and-0.486(n =86)respectively.
Key words POC,chl a,nutr ient,Pry dz Bay.
第7章生物地球化学循环第1节土壤的组成 第2节土壤的性质 第3节物质循环与土壤形成 第4节土壤分类与土壤类型 第4节生态系统的组成与结构 第6节生态系统的能量流动 第7节生态系统的物质循环 第8节地球上的生态系统
引子：生物地球化学循环概述 一、何谓生物地球化学循环？ 1.概念：生命有机体及其产物与周围环境之间反复 不断进行的物质和能量的交换过程。 2.过程：物能的吸收-同化-排放-分解-归还-流失 3.性质：非封闭的循环（进入土壤、岩层、海底） 4.主体：生物和土壤 5.循环的介质：水和大气 二、人类对生物地球化学循环的影响 1.大气、水体、土壤的污染 2.污染物质的迁移、转化和集散 3.对人类健康的威胁
第1节土壤的组成 引言：土壤与土壤肥力 1. 土壤：在陆地表层和浅水域底部、由有机和无机物质组成、具有肥力、能生长植物的疏松层。 2.土壤的本质是肥力，指土壤中水、热、气、肥（养分）周期性动态达到稳、匀、足、适地满足植物需求的能力。 3. 土壤是一种类生物体 代谢和调节功能比生物弱（如温度） 不具有生长、发育和繁殖的功能 不具有功能各异的器官
一、土壤的无机组成 1. 原生矿物：在物理风化过程中产生的未改变化学成分和结晶构造的造岩矿物。 土壤中各种化学元素的最初来源； 土壤矿物质的粗质部分； 经化学风化分解后，才能释放并供给植物生长所需养分。 2. 次生矿物：岩石在化学风化过程中新生成的土壤矿物，如粘土矿物。 土壤矿物质中最细小的部分； 具有吸附保存呈离子态养分的能力，使土壤具有一定的保肥性。
二、土壤的有机组成 1.原始组织：包括高等植物未分解的根、茎、叶；动物分解原始植物组织，向土壤提供的排泄物和死亡之后的尸体等。 土壤有机部分的最初来源 2.腐殖质：有机组织经由微生物合成的新化合物，或者由原始植物组织变化而成的、比较稳定的分解产物，呈黑色或棕色，性质上为胶体状（颗粒直径<1μm）。 具有极强的吸持水分和养分离子的能力，少量的腐殖质就能显著提高土壤的生产力。
地球系统的碳循环，是指碳在岩石圈、水圈、气圈和生物圈之间，CaCO3、MgCO3、CO2，、CH4、(CH2O)n(有机碳)等形式相互转换和运移的过程。 碳循环的重要性: 1、植物的光合作用驱动的碳循环不但为人类提供最基本的食物，而且是煤、石油、天然气和森林形成的前提，为人类提供在时空上可以调节的基本能源。 2、受到全球碳循环调节的大气二氧化碳、甲烷等气体，由于可以吸收由地表放射回来的长波辐射，从而使地球表面温度升高，因此，碳循环通过调节大气温室气体浓度而调节地球表面温度，使其适合生命的发展。 碳在圈层间的循环和效应： 1、大气碳库是联系海洋和陆地生态系统的纽带和桥梁，对于大气中的碳来说，岩石圈和人类活动圈是其净源，水圈和生物圈可能是源也可能是汇。 2、海洋具有储存和吸收大气二氧化碳的能力，影响着大气二氧化碳的收支平衡，有可能成为人类活动产生的二氧化碳的最主要的汇。大气二氧化碳不断的与海洋表层进行碳交换，浅层海水吸收二氧化碳并通过生物化学过程向深部转移；海洋是碳酸盐沉积的主要场所，由陆地水文系统输送到海洋的碳酸盐成分，主要在温热带海底沉积；海洋中的浮游生物通过光合作用吸收碳并且向深海和海底沉积物输送。 3、陆地生态系统是一个土壤-植被-大气相互作用的复杂系统，是全球碳循环中受人类影响最大的部分，全球碳循环中最大的不确定性主要是来自陆地生态系统。 4、地球内部的二氧化碳通过地热区、活动断裂带或火山活动不断的释放出来，直接进入大气圈或存储在沉积地层中形成二氧化碳气田；在岩溶作用中，一方面由于碳酸盐的溶解通过水从大气吸收二氧化碳，另一方面由于钙化的沉积则向大气圈释放二氧化碳。 影响碳循环的因素 一、碳循环的载体 1、生物因素 （1）动物因素 动物是排放二氧化碳的主体，当然C是组成一切生命的最基本的元素，所以地球上的碳循环无处不在，动物主要是以消费者的形式出现的，他们不但呼吸排放CO2,而且它先是使碳循环在其机体里合成葡萄糖，然后转化成身体的各个组织或排除体外的排泄物，等到他们死亡，尸体又被其他微生物分解，因此完成了碳循环中的使碳从有机界过渡到无机界（2)植物因素 植物一方面通过呼吸作用排除二氧化碳，一方面通过光合作用吸收二氧化碳，合成含碳有机物，是大自然天然吸收二氧化碳的工具，而且使他转化成生物赖以生存的能源物质 (3)微生物因素 微生物通过分解动植物尸体，把有机碳转化为无机的二氧化碳，排放到大气中 影响碳循环的主要因素包括了生物和非生物，几个方面环环相扣，缺一不可，动物作为消费者是二氧化碳的主要产生者，而植物又是转化二氧化碳的主体，微生物作为分解者去分解动植物的有机体，所以世界上才不会有堆积如山的尸体，使有机碳变成了无机碳，是碳循环过程中又以重要的因素，如果没有生产者，那么地球上的动物和有些微生物赖以生存的氧气会越来越少，二氧化碳越来越多，使全球气候变暖，改变地球环境 2、非生物因素
生物化学BIOCHEMISTRY 绪论Prolegomena What is BIOCHEMISTRY? CHEMISTRY：the branch of science which deals with the identification of the substances of which matter is composed, the investigation of their properties and the ways in which they interact, combine, and change, and the use of these processes to form new substances Biochemistry: the branch of science concerned with the chemical and physic-chemical processes which occur within living organisms Including: The chemistry of the components in living organisms (static biochemistry) The principles for the chemical changes in living organisms (dynamic biochemistry) The chemistry of metabolism and cell functions (functional biochemistry) 生物化学的主要分支： 按化学的研究范畴划分：生物无机化学（bioinorganic chemistry），生物有机化学（bioorganic chemistry），生物物理化学（biophysical chemistry） 按生物学的研究领域划分：动物生物化学（animal biochemistry），植物生物化学（plant biochemistry），微生物生物化学（microbe biochemistry） 按研究对象划分：蛋白质化学（protein chemistry），核酸化学（nucleate chemistry） 按与生产、生活关系划分：生理生化（physiological biochemistry），工业生化（industrial biochemistry），农业生化（agricultural biochemistry），医药生化（medicinal biochemistry） 生物化学的使命：揭示生命现象的本质，促进生命科学发展；改善人类健康水平和生活质量；促进物种的改良和优化；带动工、农业的发展和变革 分子生物学Molecular biology： 什么是分子生物学：在分子水平上研究生物大分子的结构与功能，从而阐明生命现象本质的科学 主要研究领域：蛋白质体系，蛋白质-核酸体系，蛋白质-脂质体系 分子生物学的三个支柱学科：生物化学，遗传学，微生物学 分子生物学的地位：由学科分支成长为主流前沿，殊途同归的集大成者，生物学科走向统一的前驱 古代生物化学（在化学中萌芽）： 19世纪以前：A.L. Lavoisier, “呼吸作用的本质和燃烧是一样的”；C.W. Scheele, 多种生化物质的分离；J.von.Liebig, 新陈代谢（stoff wechsel)；Hoppe Seyler, 1877年，提出“biochemie”近代生物化学（由静态走向动态）： 19世纪中叶——20世纪50年代，相关学科的蓬勃发展：1804，John Dalton 提出原子论；1859，Port Darwin 进化论；1865，Gregor Mendel 遗传定律；1869，D.L.Mendelyeev 元素周期律 生物化学的发展： 1848, Helmhoitz & Bernard，肝脏的生糖功能；1869，J.F. Michel 分离“核素”（核酸）；1897，Bucher ，酵母榨出液可使蔗糖发酵生成乙醇；1902，D.A. Leeven，从核酸中分离胞嘧啶；1904，Knoop ，脂肪酸的 -氧化；1907，E.H. Fischer ，蛋白质的降解与合成；1912，F.G. Hopkins，确立维生素概念，形成剑桥生物化学学派；1921，F.G.班廷和C.H.贝斯特，分离纯胰岛素；1926，J.B. Sumner 分离脲酶，并证明其是蛋白质；1929，Lohmann & Fiske ，ATP的能量功能；1931，Warburg 制得呼吸酶并研究其生物氧化作用；1937，Krebs，三羧
一、土壤碳的稳定机制？如何理解土壤的固碳潜力？ 1.土壤碳的稳定性与植物生长速率及碳氮比关系--在高碳氮比和低养分有利于共生生物生长和土壤固碳 1)化学稳定机制－腐殖质的形成,腐殖质是土壤有机质的主要组分, 约占60％以上， 是最稳定土壤有机质组分和土壤肥力的重要指标。它对土壤肥力的影响主要表现在 两个方面：营养元素的贮存库；改变土壤的物理和化学性状, 增强植物抗逆性。是 土壤碳的最重要的稳定形式之一 2)物理保护机制—土壤结构形成 颗粒有机质 砂粒>50μm 粉砂粒20－50μm 粉粒2－20μm 粗粘粒0.2-2μm 细粘粒<0.2μm 惰性组 2.根据这些你写一下就是固碳潜力吧。 1)全球与生态系统的碳循环 2)农业生态系统的碳素循环。农田生态系统主要是土壤碳库，合适的管理措施,能够 增加农业土壤碳库 3)土壤－植物系统中的碳循环与转化土壤。土壤是陆地生态系统中最重要的碳汇，土 壤是大气-陆地-水生生态系统中的C素循环的重要环节。气候变化、CO2浓度提高、 N沉降、臭氧层变化和土地利用改变对植物初级生产系统、土壤生物活性及其产生 的温室气体反馈作用 4)固碳量与植物生长速率、土壤异养生物种群、土壤矿物组成关系密切。快速生长的 植物碳素周转速率快，但土壤固碳量较少。土壤矿物和蚯蚓的存在有利于土壤固碳 5)碳转化与温室气体的排放 6)腐殖化过程与土壤有机碳库的稳定性 7)微生物代谢物及其活性 二、人类活动对生物地球化学过程的干扰体现在哪些方面？ 1)养分元素矿产的开发与能源利用 2)物质投入―养分、水分、能量 3)对生态系统和生态过程的干扰土地利用变化、污染物排放 4)对物质和能量流动方向的干扰城市化、农牧业的集约化生产、水循环 5)人为干扰下物质在大气圈、水圈、土壤圈和岩石圈生物地球化学循环 人类活动引起的全球气候变化，改变了地球系统过程循环三大基本过程中的两个：水循环与生物地球化学循环 生物地球化学循环(Biogeochemistry Cycles), 从定性和定量两个方面，理解物质在自然和人类环境系统中的循环、迁移和转化规律 生物地球化学是研究影响自然环境(水圈、大气圈、土壤圈、生物圈和岩石圈)中化学组分变化的化学、物理、地质和生物学过程及其相互关系的一个交叉学科，即研究生命活动对化学元素迁移和分布的影响，以及化学元素与生物之间的相互作用。 重点研究碳、氮、硫、磷等生源要素的循环，即由于生命活动引起它们在环境中的迁移、转化、富集、分散，以及由此产生的生态效应。 环境生物地球化学重点研究重金属和有机污染物的生物地球化学循环，以及污染物和碳、氮、
第7章 生物地球化学循环 思考题 1．土壤与岩石和生物有什么不同？ 2．什么是土壤肥力？影响土壤肥力的因素有哪些？ 3．土壤的基本组分有哪些？什么样的组分有利于提高土壤的生产力？ 4．土壤自然剖面包括哪些基本层次？各层有什么特点？ 5．简述土壤质地和土壤结构的差别与联系，以及它们对土壤肥力的影响。 6．说明土壤孔隙度的概念和计算方法，以及它与土壤质地的关系。 7．土壤温度状况受哪些因素影响？它的日变化和季节变化具有什么特点？ 8．什么叫土壤胶体？它如何实现土壤的供肥和保肥功能？ 9．解释土壤阳离子交换量和土壤盐基饱和度的含义。 10．什么叫活性酸度和潜在酸度？试述土壤缓冲作用的原理。 11．试述土壤酸碱度对土壤养分有效性的影响。 12．什么是土壤氧化还原反应？土壤中主要的氧化剂和还原剂有哪些？试述土壤氧化还原状况对土壤其他性质的影响。 13．简述土壤养分系统的基本组分及其对土壤养分状况的影响。 14．试述成土因素学说的主要内容。 15．试述土壤形成的一般过程和主要成土过程。 16．试述世界十大土壤类型（土纲）的主要特征及土地利用方向与问题。 17．什么是生态系统？它的组成成分有哪些？
18．什么是植物群落的季相和演替？演替有哪几种类型？ 19．简述光、温、水对植物生长发育的影响。 20．简述水热条件和海拔高度与植被分布之间关系的一般模式。 21．举例说明生态系统的营养结构、食物链和食物网的构成。 22．解释光合作用和呼吸作用的概念。从热力学角度看，光合作用的生成物对于生态系统有何重要意义？ 23．解释初级生产量、生物量和次级生产量的概念。分析全球各类生态系统的净初级生产量和生物量特征。 24．结合实例说明生态系统能量传递与转化的基本特征，以及“十分之一定律”的含义。 25．什么是生物地球化学循环？简述生物地球化学循环的图解模型。 26．解释储存库、周转率和周转时间的概念。 27．简述氧循环的过程，并说明氧循环与碳循环之间的关系。 28．简述碳循环的主要自然过程和人类活动对碳循环的影响及其控制途径。 29．简述氮循环的主要作用过程，并说明人类活动对氮循环的影响。 30．简述磷循环的过程及其非闭合的性质，并说明人类活动对磷循环的影响。 31．什么叫大地女神假说？它在解释地球表层环境形成与变化方面的主要观点有哪些？ 32．什么叫生物多样性？举例说明生物多样性丧失的主要原因和保护生物多样性的重要意义。 33．简述陆地生态系统主要类型的地理分布和基本特征，以及人类活动对它们的影响。
碳的生物化学地球循环 一、碳元素及其同位素 C12（98.9%）C13（1.1%）C14（1.2*10^-10%） C13 稳定同位素C14放射同位素 二、什么是生物地球化学循环？ 地球系统：大气圈、生物圈、水圈、地圈和人类构成的相互作用的系统。 生物地球化学循环: these cycles of chemical elements through the atmosphere, lithosphere, hydrosphere, and biosphere are called biogeophy chemical cycles Reservoirs: 1.Source-源 2.Sink-汇 3.Flux-通量 4.库 ?地球全层结构和各个圈层的相互影响 →实例：造山运动如青藏高原的隆升导致的物质“源-汇”效应 白垩纪（约1.35亿年到6500万年前） 【长江的浑浊物质中绝大多数来自于金沙江】 →汇：长江入海口 三、碳循环的重要性
1.碳是生物体的中央部分 2.碳循环造就了适宜居住的环境 3.是全球生物地球化学循环的主体线索 4.人类活动改变了原来的碳循环——温室效应 →碳循环的关键反映 1.光合作用（photosynthesis） 2.呼吸作用（respiration）——aerobic decay （呼吸和燃烧）& anaerobic decay （复杂化合物的形成——白垩纪和侏罗纪） 四、碳库和大气中的CO2 最大的碳库是地球表层的沉积物和沉积岩（通常不与大气交换）。 大气中碳的最主要形势是CO2，此外陆地生物存贮的碳量也非常大。 →因此，海洋、陆地和沉积库中碳量的小变化能够引起大气中碳量的大变化。 The dissolved inorganic carbon (DIC) in the ocean is by far the largest, active C pool. 五、carbon cycle flux ?slow flux and quick flux 六、生物泵的概念 在海洋的额垂直方向上，有上而下 1.Solubility pump-大气中CO2溶解到海水表面 2.Physical pump-海水表面物理混合作用使得碳酸氢根向海洋中扩散和传递 3.Biological pump-光合作用与呼吸作用是碳在有机和无机间转换。 七、CO2含量随纬度变化
生物化学计算题： 1、 计算赖氨酸的+-3NH ε 20%被解离时的溶液pH 。 解答： 80% ±Lys 20% -Lys 9.94 1lg 53.10][][lg 3.510][][lg =+=+=+=±-lys lys pKa pH 质子供体质子受体 2、计算谷氨酸的COOH -γ三分之二被解离时的溶液pH 。 解答： ±Glu - Glu 1 2 6.41 2lg 25.4][lg =+=+=±-Glu Glu pKa pH 3、向1 L 1 mol/L 的处于等电点的甘氨酸溶液加入0.3 mol HCl ， 问所得溶液的pH 值是多少？如果加入0.3 mol NaOH 以代替HCl 时，pH 将是多少？ 解答：（1） 1-0.3 0.3 0.3 71.23 .07.0lg 34.2][][lg 1=+=+=+±Gly Gly pKa pH (2)
0.7 ±Gly 0..3 -Gly 4、计算0.25 mol/L 的组氨酸溶液在pH 6.4时各种离子形式的浓度（mol/L ）。 解答： ][][lg 21+++=His His pKa pH 同理得： 4)82.14.6(221080.310][][][][lg 82.14.6?==→+=--++++His His His His 51.210] [][][][lg 00.64.6)0.64.6(==→+=--+±+±His His His His 3)17.94.6(107.110] [][][][lg 17.94.6---±-±-?==→+=His His His His 25.0][][][][2=+++-±++His His His His 设x His =±][解上述方程得： 组氨酸主要以+±His His 和形式存在。 5、分别计算谷氨酸、精氨酸和丙氨酸的等电点。 解答： （1）根据谷氨酸的解离曲线，其pI 应该是它的-α羧基和侧链羧基的pKa 之和的算术平均 值。即：pI=（2.19 + 4.25）/2 =3.22； （2）精氨酸pI 应该是它的-α氨基和侧链胍基的pKa 之和的算术平均值，即 pI=（9.04 + 12.48）/2 =10.76； （3）丙氨酸pI 应该是它的-α氨基和-α羧基pKa 值之和的算术平均值，即 pI=（2.34 + 9.69）/2 =6.02； 6、计算下列肽的等电点。 （1）天冬氨酰甘氨酸 ，—末端10.2=COOHpK ,07.93=-+pK NH 末端53.4=-COOHpK β (2)谷胱甘肽 62 .9,66.8,53.3,12.23=-=-=-=-+SHpK pK NH COOHpK Gly COOHpK Glu 末端末端α（3）丙氨酰丙氨酰赖氨酰丙氨酸 末端—COOH pK=3.58,末端+3NH —pK=8.01,+-3NH εpK=10.58 解答： （1）Asp-Gly 二肽的解离情况如下： 两性离子
《生物化学》复习提纲二 第1章糖类 一、名词解释：糖类；同多糖与杂多糖；不对称碳原子；α-和β-异头物；糖苷与糖苷键； 糖蛋白，糖胺聚糖，蛋白聚糖二、糖的分类 三、单糖的D型和L型是怎样规定的？怎样计算糖类的旋光异构体数目？四、单糖的环状结构（Fischer和Haworth式表示方法）五、单糖的化学性质（重点）六、单糖、寡糖、多糖的还原性 七、二糖（蔗糖、乳糖、麦芽糖、海藻糖）、的单体是什么？单体之间的连键是什么？八、多糖——淀粉、糖原、纤维素，不要求记它们的结构式，记组成成分、连键及性质。九、肽聚糖的基本结构 第2章脂质 一、脂质的分类 二、天然脂肪酸的结构特点，哪些是人和哺乳动物的必需脂肪酸三、三酰甘油的化学性质 四、名词解释：必需脂肪酸；皂化值，碘值，油脂；鞘磷脂；糖脂；脂蛋白 五、甘油磷脂的结构通式及性质，几类磷脂的组成与俗名（如卵磷脂、脑磷脂、心磷脂）六、鞘磷脂的组成成分，鞘氨醇常见的有哪几种，神经酰胺的结构七、脑苷脂与神经节苷脂的概念；中性、酸性、唾液酸鞘糖脂的组成八、脂质的亲水端和疏水端 九、胆固醇的结构，常见的固醇衍生物有哪些十、脂蛋白组成与分类，各种脂蛋白的主要功能第3章氨基酸 一、20种氨基酸的分类，分子结构，三字母符号表示方式二、氨基酸的酸碱化学（等电点计算与甲醛滴定）三、氨基酸的化学反应四、氨基酸的紫外吸收 第4章蛋白质的共价结构 一、单体蛋白质；寡聚蛋白质；蛋白质的一级结构；蛋白质的二级结构；蛋白质的三级结构；蛋白质的四级结构；肽单位与肽平面二、肽的命名三、肽平面的特点 五、肽在不同pH下的所带电荷计算六、蛋白质的一级结构的测定（重点） 第5章蛋白质的三维结构 一、维持蛋白质三维结构的作用力；二级、三级、四级结构的主要力是什么二、蛋白质的α-螺旋及其特点；其他螺旋主要有哪几种三、影响α-螺旋形成的因素四、β-折叠片的概念和种类五、β-转角是怎样形成的 六、α-角蛋白和丝心蛋白（了解） 七、球状蛋白质的三维结构特征（了解） 八、什么是蛋白质的变性和复性？蛋白质变性时发生的主要变化有哪些？ 第6章蛋白质结构与功能的关系 一、CO中毒的机制 二、肌红蛋白的主要功能是什么？ 三、肌红蛋白由几条肽链组成？包括几段α-螺旋？其辅基是什么？铁在血红素中的存在方 式是什么？ 四、血红蛋白的亚基组成
第4卷第1～2期1997年3月 地学前缘(中国地质大学,北京) Earth Science Frontiers(China Univ ersity of Geos ciences,Beij ing) Vo l.4No.1～2 Mar. 1997 全球生物地球化学循环研究的进展 庄亚辉⒇ (中国科学院生态环境研究中心,北京2871信箱,100085) 摘 要 简要介绍了全球元素生物地球化学循环研究的新进展。首先说明几十年来生物地球 化学循环研究重点的转变,其次分析了当前研究的特点,这就是多层次地(时空及生态系统)进 行实验和数学模拟并外推至全球,比经典的循环研究要细致得多。经典研究往往只是将定位点 上的结果简单地外推到区域甚至全球。最后有选择地阐述了生物地球化学循环各领域(源、汇、 转化过程、测量方法、模式等)内的发展趋势与热点,其中主要有农业生态系统含碳、氮痕量气体 的源、遗漏的碳汇、碳、氮、硫、磷间的耦合作用、同位素丰度比及指示物的应用和氧化亚氮和甲 烷释放模式。 关键词 生物地球化学循环 释放源 汇 传输及转化过程 痕量气体测定 过程模拟 CLC P593,Q14,P69 全球生物地球化学循环是研究元素的各种化合物在生物圈、水圈、大气圈、岩石土壤圈各储库之间的迁移和转化。除了各种物理、化学、生物过程与通道的研究外,还包括其源、汇、通量、储库及模式研究〔1〕。在50年代以前,经典的元素循环是以自然界的生物地球化学过程为对象的〔2～3〕,二次世界大战结束后,大量的核试验引起人们对人工核素的全球沉降和迁移过程的关注。60～70年代工农业的发展带来了化肥、农药、洗涤剂和重金属的全球性污染。在国际科联环境科学问题委员会(SCOPE/ICSU)的倡导下,开展了全球碳、氮、硫、磷和重金属的生物地球化学循环的研究〔4～6〕。80年代以来,国际地圈生物圈计划(IGBP)以及其它许多的国际全球科研计划针对人类活动引起的系列全球变化,例如温室效应、臭氧层破坏、海平面升高、森林锐减、土地退化等进行研究。这些问题均与元素循环有关,因此给碳、氮、硫、磷生物地球化学循环的研究带来了新的推动力和新的研究内容,使元素循环研究进入一个新的阶段〔7〕。1987年,美国地球物理学会为此专门出版了Global Biogeochemical Cycles学术刊物,刊登此方面的新成就。 由于篇幅限制,本文只讨论碳、氮、硫、磷四个元素的一些新进展,分别介绍生物释放源、汇、转化传输机理、实验方法及模式的前缘内容、热点与趋势。但这并不意味着其它元素不重要。例如,人们已认识到卤素元素生物地球化学的循环对全球变化的影响,氧循环(也就是水循环)的重要性更是毋庸置疑的。 ⒇ 收稿日期:1996-07-08 修改稿收到日期:1996-11-30 作者简介:庄亚辉,男,1930年生,研究员,环境化学博士生导师,国际科联环境问题委员会中国委员会委员,从事氮、硫氧化物的活化与转化以及碳、氮、硫痕量气体释放源的研究。 本研究受美国国家科学基金会1995～1997年项目、国家自然科学基金委员会化学部课题、国家自然科学基金委员会跨学部项目、中国科学院环境科学委员会及资源环境局重大科技项目基金资助。
＊国家自然科学基金:不同水文地貌条件下湿地土壤铁迁移转化及其环境指征(编号:40501030)和中国科学院湿地生态与环境重点实验室开放基金(编号:WELF -2004-B -006)资助 湿地铁的生物地球化学循环及其环境效应＊ 姜 明 1,2 吕宪国1 杨 青1 佟守正 1 (1中国科学院东北地理与农业生态研究所,长春 130012) (2中国科学院研究生院,北京 100039) 摘 要 湿地位于水陆过渡地带,干湿交替引起的氧化还原变化是湿地中最为典型、普遍的现象。铁作为湿地中的主要氧化还原物质,它的变化对湿地环境具有重要的指示性作用。本文介绍了湿地中铁的时空分布及其转化规律,指出湿地铁循环的影响因素,分析了湿地铁循环在湿地土壤形成、湿地植物的生理生态、湿地的物质循环、环境指示等方面的效应;最后对湿地铁循环研究中的存在问题及发展方向提出几点建议。 关键词 铁;生物地球化学循环;环境效应;湿地中图分类号 S154.2 文献标识码 A 湿地是水体系统和陆地系统之间相互联系、相互作用而变化的活跃地带,干湿交替是发生在湿地中的一种非常典型、普遍的现象。铁是主要的氧化 还原物质[1],铁的变化对湿地中的氧化还原环境具有重要的指示性意义[2,3]。在湿地氧化还原物质研究中,对于氮、碳、硫等元素研究广泛,而铁锰等金属离子研究较少[4～8]。国际地圈生物圈计划(I GBP )、国际全球环境变化人文因素计划(I HDP )和世界气候研究计划(W CRP )三大计划提出了碳“汇”和碳通量的时空分布及碳循环动力学研究的科学需求,铁循环影响了碳的源汇过程[9～11];国际水文计划(I HP )第六阶段计划(2002年至2007年)也明确提出加强河床和湿地的金属监测及研究的任务,其中湿地铁循环对重金属、营养物等具有重要的吸附解吸作用,从而对湿地环境过程产生影响,因而在这些研究计划中应该重视湿地铁的生物地球化学循环及其对碳、氮和营养元素迁移转化的影响研究 [12～14] 。 1 湿地铁生物地球化学循环及其特征 1.1 湿地铁化合物的划分及其循环过程 根据矿物学结合胶体化学观点,湿地铁化合物可以在形态上划分为游离氧化铁、无定形铁。早在1877年,Bemmelen 用矿质酸和碱液溶解土壤中的氧化铁和其他胶体物质,1922年Tamm 建议应用草酸 铵缓冲液来分离无定形铁,1950年Deb 开始应用连二亚硫酸钠为还原剂测定游离铁,在此基础上建立了现在广为采用的连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-重碳 酸钠提取法(DCB 法)[1] 。湿地中的铁化合物还可以按照化学方法分为高价态和低价态,这种价态划分对于湿地研究十分重要。但铁化合物的区分在技术上非常困难,同时在提取过程中防止低价铁的氧化是一个重要的问题。目前更多的采用H 2、N 2以隔绝空气的淋洗法,但由于装置复杂、淋洗速度不快,也有一部分低价铁被氧化,因此低价铁的区分及测定仍需改善。 湿地干湿交替、氧化还原过程的反复进行,引起湿地土壤中氧气含量、有机物质含量以及微生物作用过程发生改变,这些过程引起湿地铁的价态改变,导致了湿地铁的氧化沉积与还原溶解(见图1)。受干湿交替影响,许多湿地植物发展了高孔隙的通气组织[15],因此导致根部氧气得以扩散到土壤溶液中,这个过程加强了湿地中的氧化还原过程,影响了湿地中的铁循环,同时在湿地植物根部形成锈斑,包括芦苇(Phragmites australis )、水稻(Oryza sativa )、互花米草(Spartina alterniflora )等[14,16,17],其中水稻田每年约有500kg hm -2锈斑形成[15]。1.2 湿地铁循环特征 湿地铁循环研究中,人工湿地水稻土方面较早且深入。我国早在20世纪30年代就开始对水稻土 第43卷第3期土 壤 学 报 Vol .43,No .32006年5月 ACT A PED OL O GI CA SI NICA May ,2006
三羧酸循环 一、丙酮酸脱氢酶复合体 （一)反应过程：4步，第一步前半部分不可逆。 1.脱羧，生成羟乙基TPP，由E1（丙酮酸脱氢酶组分）催化。 羟乙基被氧化成乙酰基，转移给硫辛酰胺。由E2（二氢硫辛酰转乙酰基酶）催化。 2.形成乙酰辅酶A。由E2催化。 3.还原型E2被氧化形成氧化型E2，由E3（二氢硫辛酰胺脱氢酶）催化，NAD+为氧化剂。 4.氧化硫辛酸，FAD变成FADH2。氢原子转移给NAD+变成NADH & H+。 丙酮酸脱氢复合体有60条肽链组成，直径30nm，E1和E2各24个，E3有12个。其中硫辛酰胺构成转动长臂，在电荷的推动下携带中间产物移动。 （二）砷化物对硫辛酰胺有毒害作用，与巯基共价结合使E2辅基改变失去催化作用。（三)活性调控： 此反应处于代谢途径的分支点，收到严密调控： 1.产物抑制：乙酰辅酶A抑制E2，NADH抑制E3。可被辅酶A和NAD+逆转。 2.核苷酸反馈调节：E1受GTP抑制，被AMP活化。 3.共价调节：E1上的特殊丝氨酸被磷酸化时无活性，水解后恢复活性。丙酮酸抑制磷酸化作用，钙和胰岛素增加去磷酸化作用，ATP、乙酰辅酶A、NADH增加磷酸化作用。 二、三羧酸循环的途径 8步。曾经怀疑第一个组分是其他三羧酸，故名三羧酸循环。也叫Krebs循环。 由柠檬酸缩合酶催化，高能硫酯键水解推动反应进行。受ATP、NADH、琥珀酰辅酶A和长链脂肪酰辅酶A抑制。ATP可增加对乙酰辅酶A的Km。氟乙酰辅酶A可形成氟柠檬酸，抑制下一步反应的酶，称为致死合成，可用于杀虫剂。 由顺乌头酸酶催化，先脱水，再加水。是含铁的非铁卟啉蛋白。需铁及巯基化合物（谷胱甘肽或Cys等）维持其活性。 第一次氧化，由异柠檬酸脱氢酶催化，生成NADH或NADPH。中间物是草酰琥珀酸。是第二个调节酶，能量高时抑制。生理条件下不可逆，是限速步骤。细胞质中有另一种异柠檬酸脱氢酶，需NADPH，不是别构酶。其反应可逆，与NADPH还原当量有关。