石晓勇，张桂成，梁生康，韩秀荣*（1.中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室，山东青岛 266100；2.中国海洋大学化学化工学院，山东 青岛 266100；3.国家海洋局海洋减灾中心，北京 100194）

长江大通站溶解有机氮生物可利用性潜力及输入通量

石晓勇1，2，3，张桂成1，2，梁生康1，2，韩秀荣1，2*（1.中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室，山东青岛 266100；2.中国海洋大学化学化工学院，山东 青岛 266100；3.国家海洋局海洋减灾中心，北京 100194）

根据2012～2013年度隔月对长江大通站的6次调查，分析了长江水体中溶解态总氮（TDN）的构成，包括溶解无机氮（DIN）及溶解有机氮（DON）中的尿素、自由态氨基酸（DFAA）、结合态氨基酸（DCAA）的构成和丰度，并评价了DON的生物利用性潜力，估算了不同形态氮的输入通量.结果表明，受稀释作用和悬浮颗粒物吸附影响，长江水体中DON浓度呈现出春冬季高、夏秋季低的变化特征，平均浓度为（33.28 ±21.35）μmol/L，占TDN比例平均为20.05%±13.53%；DON中组分尿素、DFAA和DCAA占DON的氮摩尔占比分别为21.94%±19.89%、0.84%±0.52%、3.68%±2.61%.其中，尿素浓度受季节性施肥灌溉影响，与径流量呈现出明显的正相关.总溶解态氨基酸（TDAA）占溶解有机碳（DOC）的碳摩尔分数和氨基酸降解指数均表明长江水体中DON具有较高的生物可利用性，且呈现出春夏季高、秋冬季低的变化趋势.DON的年输入通量为42.04万t，约占TDN年输入通量的17%.其中，具有高生物可利用性的尿素、DFAA、DCAA分别占DON年通量的15.50%、0.64%、2.80%.上述结果表明，长江输入的DON具有相当高的生物可利用性，对长江口及其邻近海域富营养化的贡献不可忽视.

溶解有机氮；生物可利用性；输入通量；长江

近几十年来，随着长江流域人口规模增大和人类生产活动的加剧，通过长江径流输入到东海的营养盐急剧增加［1］，导致长江口及其邻近海域富营养化污染严重［2-3］，并在每年春季发生大规模的赤潮，对近海生态、渔业资源以及人类身体健康造成严重威胁［4］.氮是构成长江口及其邻近海域富营养化的首要因子［1］.水体中总溶解态氮（TDN）有多种赋存形态，且不同形态氮具有不同的生物可利用性和生态效应［5-6］.长江作为我国第一大河和东海最大的陆源物质输入源，近40年来，对其水体中TDN构成和输入通量的研究主要集中于溶解无机氮（DIN）［1，7-11］，而对溶解有机氮（DON）的研究较少［12］，对DON的生物可利用性则尚未展开.实际上，DON作为潜在的营养物质在近海系统发挥着重要的作用，尤其是小分子有机氮尿素、氨基酸已被证明可以被细菌和浮游植物直接吸收利用［13-17］.而且氨基酸是构成有机质中多肽类、蛋白质的主要组成部分，是重要的可利用性组分之一，其构成和丰度可用来指示有机质生物可利用性的潜力［18］.其中以氨基酸构成和丰度评价的指标主要有两个，一个是总溶解态氨基酸（TDAA）占溶解态有机碳（DOC）的碳摩尔分数（TDAA （%DOC））或者是占DON的氮摩尔分数（TDAA （%DON））［19-20］，另一个指标是氨基酸降解指数（DI）［21-22］.两者均可以指示DON的成岩作用，并反映出DON的生物可利用性潜力.

本文通过2012～2013年隔月对长江大通站的现场调查，考察了长江水体中TDN的构成包括DIN、DON及其中具有较高生物可利用性的氨基酸和尿素，分析其季节变化特征，估算了TDN输入通量，并通过TDAA （%DOC）和DI指标评价了不同季节DON的生物可利用性潜力.论文研究结果可对深入探讨长江口及其邻近海域富营养化形成机制提供帮助.

1 调查区域及分析方法

1.1 调查区域和调查方法

调查时间为2012年8月、11月，2013年1月、3月、5月和7月.调查地点位于长江最后一个水文监测站—大通站（120°56′14.5″N， 31°46′15.2″E）.采样站位位于苏通长江公路大桥上游，分别在该断面左、中、右3个站位取样，左、右2个站位设在河道宽度的1/3处，并远离沿岸污染带.表层水样在0～4℃保存，带回实验室用GF/F滤膜过滤后测定各项营养要素浓度.主要包括硝酸盐（NO3-N）、铵盐（NH4-N）、亚硝酸盐（NO2-N）、TDN、DOC、尿素（Urea）、溶解自由态氨基酸（DFAA）、TDAA含量.DIN为NO3-N、NH4-N和NO2-N之和，DON为TDN与DIN的差值，结合态氨基酸（DCAA）为TDAA与DFAA的差值.未鉴定的DON组分（U-DON）为DON与尿素和TDAA的差值.长江大通站径流量数据来源于长江水位管理系统（http://yu-zhu.vicp.net/）.

1.2 样品分析方法

NO3-N、NH4-N及NO2-N分别通过镉铜还原法［23］、次溴酸钠法［23］和重氮-偶氮［24］法测定；DOC、TDN根据高温催化氧化（HTCO）方法［25］进行测定，所用仪器为TOC-VCPH分析仪（Shimadzu Corp.， Tokyo， Japan），以邻苯二甲酸氢钾和硝酸钾分别作为DOC和TDN测定的标准品.每个样品平行测定6次，相对偏差小于0.5%.

尿素采用二乙酰一肟法［26］进行测定.氨基酸通过柱前邻苯二甲醛衍生后高效液相色谱法进行分离测定［27］.所用仪器为e2695型高效液相色谱仪（Waters Alliance，USA）并配置以荧光检测器和Agilent分离柱（ZORBAX Eclipse AAA，4.6×150mm，5μm）.所用标准品为14种氨基酸混标（Fulka，USA），共分离检测14种氨基酸，包括天冬氨酸（Asp）、谷氨酸（Glu）、丝氨酸（Ser）、组氨酸（His）、甘氨酸（Gly）、苏氨酸（Thr）、精氨酸（Arg）、丙氨酸（Ala）、酪氨酸（Tyr）、缬氨酸（Val）、甲硫氨酸（Met）、苯丙氨酸（Phe）、异亮氨酸（Ile）、亮氨酸（Leu），相对标准偏差在3%～5%之间.

1.3 数据处理

1.3.1 样品差异性分析 通过单因素方法分析（one-way ANOVA）或者t-检验分析样品之间是否存在显著性差异，显著性水平为α=0.05或者α=0.01，所用软件为SPSS 16.0（IBM统计数据包）.

1.3.2 氨基酸降解指数 该指数可以综合反映溶解有机质的生物可利用性潜力，基于氨基酸摩尔占比进行主成分分析（PCA）后计算得到［28］.通过公式（1）计算:

式中:DI为氨基酸降解指数；vari是每种氨基酸摩尔占比；AVGvari，和STDvari分别是平均摩尔占比和其标准偏差；fac.coefi是PCA中每种氨基酸第一主成分系数.数据均基于本文氨基酸数据计算而来. 1.3.3 输入通量 采用公式（2）计算不同形态氮月输入通量:

式中:F为溶解氮的某月输入通量，万t/月；C为该月不同形态氮浓度平均值，μmol/L；Q为该断面月径流量平均值，m3/s；f为单位换算系数.需要说明的是，大通站下游长江不仅接纳了太湖、高邮湖等湖泊以及其它河流径流，还接纳了南京、上海等大型城市的排污，导致长江输入的实际通量要大于大通站.为此，本文结合通过修正大通站径流量作为入海口月平均流量，修正因子为1.07［29］，并以调查月份不同形态氮浓度代表相邻2个月份的氮浓度，计算出相邻月份的氮通量.各月份输入通量加和得到年输入通量.

2 结果与讨论

2.1 2012～2013年长江径流量变化特征

[1]周宁等：《基于改进生态足迹模型的重庆市生态承载力研究》，《重庆师范大学学报》（自然科学版）2018年第2期。

图1 2012～2013年长江大通站径流量变化Fig.1 Runoff of the Datong station in the Yangtze River during 2012 to 2013

2012～2013年长江大通站径流量呈现出明显的季节变化特征（图1）.7～8月份径流量较高，1～3月份径流量较低.其中，最高径流量出现在2012年8月，达到了55600m3/s，最低径流量出现在2013年3月份，为16600m3/s（图1）.这与文献数据基本相吻合［30-31］，表明长江径流量与长江流域季节性的降雨有密切相关.

2.2 长江水体不同季节各形态氮的变化特征

2.2.1 溶解态总氮的构成 调查期间长江大通站水体不同月份DIN、DON浓度及其占TDN比例分别如表1和图2a所示.可以看出，DIN是TDN的主要形态，占TDN比例达到63.15%～92.65%；而DON占到TDN比例为7.35%～36.85%.DIN和DON均呈现出明显的季节变化特征.其中，DIN高峰值出现径流量大时，2013年5月和7月其含量分别达到175.57μmol/L和165.20μmol/L；低值出现径流量小时，2013年1月和3月其含量分别仅为92.82μmol/L和104.08μmol/L；而DON呈现出相反的变化趋势，DON最高峰出现径流量较小时的2013年1月和3月，分别为54.15μmol/L和60.46μmol/L，低值则径流量较大时的2012年8月和11月，浓度在10μmol/L左右（表1，图2a）.这与沈志良等［11］根据1997～1998年的调查结果基本一致，这是由于降雨导致的面源流失是控制长江水体DIN含量的重要因素.进一步分析表明，春冬季DON占比要比夏秋季高，这主要是长江水稀释作用和悬浮颗粒物吸附作用导致，由于悬浮颗粒物与径流量呈现出正相关（R2=0.721，P=0.106，n=6），即丰水期水体中悬浮颗粒物质浓度高于枯水期，而悬浮颗粒物对DON的吸收作用要大于DIN［32］.

2.2.2 溶解无机氮的构成 长江水体不同月份DIN构成及其占DIN比例分别如表1和图2b所示.可以看出，NO3-N为DIN的主要形态，平均占DIN的97.56%，其次是NH4-N，平均占比为1.51%，NO2-N占比最低，不足1.00%（图2b）.不同形态DIN均呈现明显的季节变化特征.其中，NO3-N季节变化趋势与DIN类似，即高值出现在径流量较大的5月和7月，低值则出现在径流量较小的1月和3月；NO2-N的高峰值出现在2012年11月，为2.90μmol/L，低值出现在2013年5月，仅为0.11μmol/L；NH4-N的高峰值同样出现在2012年11月，浓度为3.00μmol/L，而低值出现在2012年8月，浓度仅为0.88μmol/L（表1，图2b）.

表1 2012～2013年不同月份长江水体中不同形态氮的浓度（μmol/L）Table 1 Concentrations of different nitrogen forms in the Yangtze River during 2012 to 2013（μmol/L）

图2 2012～2013年长江水体中不同形态氮浓度占比Fig. 2 The concentration percentages of different nitrogen forms in the Yangtze River during 2012 to 2013

2.2.3 溶解有机氮的构成 长江水体不同月份DON构成及其占DON比例分别如表1和图2c所示.可以看出，U-DON在不同季节都占主要部分，平均占比达到73.53%±22.89%；其次为尿素，平均占DON为21.94%±19.89%；而DCAA和DFAA含量较低，平均占DON比例分别为3.68% ±2.61%和0.84%±0.52%（图2c）.尿素浓度基本呈现夏秋季高、春冬季低的变化趋势，最大值出现在2012年8月，浓度达到2.63μmol/L，最小值分别出现在2013年3月，浓度分别为1.61μmol/L.长江水体尿素浓度及其季节变化与Chesapeake湾和York河相近［33-34］，这与流域施肥灌溉季节有关［35］.夏季为长江流域集中施肥灌溉期，约20%～40%的氮包括尿素通过随降雨流失而进入河流中［36］.不同季节DCAA浓度显著高于DFAA，也基本呈现夏秋季高、春冬季低的变化趋势，其浓度最大值出现在2012年8月，达到0.92μmol/L，最小值出现在2012年11月，为0.62μmol/L；而DFAA的最大值出现在2013年3月，达到为0.30μmol/L，最小值出现在2013年5月，仅为0.08μmol/L（表1，图2c）.与其他大河流包括亚马逊河、密西西比河相比，长江水体等水体中DFAA和DCAA与这些河流的平均浓度相近［37］.

2.2.4 不同形态氮浓度与径流量之间的关系长江水体各形态氮浓度与长江径流量关系如图3所示.从图中可以看出，DON与径流量呈明显的负相关（R2=-0.991，P＜0.01，n=5，图3b）.这与长江水稀释作用和DON在长江水体中被颗粒态物质所吸附的行为有关［32］.在丰水期，悬浮颗粒物含量高，且相对于无机氮颗粒物更容易吸收有机氮，导致径流量大时，DON占比往往较小.尿素与径流量呈现显著的相关性（R2=0.927，P＜0.01，n=6，图3d），这是与季节性施肥灌溉有关；春季和夏初是长江流域集中施肥灌溉的季节，尿素是该流域农业生产中施用的主要氮肥，且4～6月为长江流域的梅雨季节，降雨量较大，导致大量尿素流失而进入长江水体.其他形态氮浓度与长江径流量并无显著相关性，这可能是由于长江水体中氮的来源比较复杂，既包括工业排污口和城镇污水处理厂等点源等，也包括大量的农业面源流失.

图3 长江水体中各种形态氮浓度与径流量之间的关系Fig. 3 Correlations between concentrations of different nitrogen forms and runoff in the Yangtze River

2.3 长江水体中氨基酸构成和丰度及对DON生物可利用性潜力的指征

图4 长江水体中氨基酸种类及平均摩尔占比Fig. 4 Composition and average mole percentage of amino acids in the Yangtze River

2.3.1 氨基酸构成 长江大通站水体中14种氨基酸及其摩尔占比如图4所示.DCAA中，Gly占比最高，达到35.38%，然后依次为Glu、Asp、Ala、Ser、Ile，摩尔占比分别在5%～15%之间，而其他氨基酸占比均低于5%；DFAA中，同样Gly占比最高，达24.76%，然后依次为Ile、Thr、Phe、Ser、Ala，摩尔占比分别为13.66%、9.85%、9.81%、9.18%、8.97%，而其他氨基酸占比均低于6%.长江水体中氨基酸种类和构成不仅与美国Mississippi-Atchafalaya河［38］类似，也与近海和湖泊水体包括长江口［39］、胶州湾［40］、太湖［41］、日本Sagami Bay和Ise Bay［21］等类似.尽管不同水体中氨基酸占比有所差异，但Gly为各类水体氨基酸的主要构成组分，这是由于Gly普遍存在于细胞壁成份中，且相对于细胞质中的氨基酸更难降解被生物利用［42-44］.

2.3.3 基于氨基酸降解指数评价DON生物可利用性 DI值也常被用来指示有机质的生物可利用性.DI值一般分布在-1.5～1.5，DI值越大，表明有机越新鲜，生物可利用性越高，反之则生物可利用性越差［20，43］.分析结果表明，长江水体中不同季节DI值的变化与TDAA （%DOC）类似，基本呈现春夏季高、秋冬季低的趋势（图5b）.说明长江水体中春夏季的DON生物可利用性高于秋冬季.实际上，TDAA（%DOC）和DI具有一定的正相关性（R2=0.665，p=0.151，n=6），表明二者在有机质生物可利用性指征方面具有相似作用；而另一方面也与长江有机质的来源复杂、人类活动影响明显有关.

图5 2012～2013年长江水体中TDAA （%DOC）和DI变化Fig. 5 Carbon-normalized of total dissolved amino acids and degradation index in the Yangtze River during 2012 to 2013

2.4 长江大通站不同形态氮的输入通量

2012～2013年各长江大通站不同形态氮的输入通量和比值分别如表2和图6所示.可以看出，TDN通量呈现出丰水期高、枯水期低的季节变化特征.丰水期TDN的月通量约为枯水期的3倍.DIN通量季节变化趋势与TDN类似，且与长江径流量变化趋势基本一致，表明TDN和DIN通量主要受长江径流量控制；DON月通量变化也较大，在0.90～5.06万t/月之间，受浓度和径流量两者共同控制，DON月通量高值出现在2013年3～7月间，大于4万t/月，而低值则出现在2012年11月，仅为0.90万t/月.不同季节TDN通量中DIN占比均最高，达63.15%～92.65%，而DON的占比在7.35%～36.85%之间.其中，枯水期占比较高，平均达到36.80%，而丰水期占比较低，平均占比仅为10.96%（表2，图6a）.尽管TDN输入通量中DIN与DON占比的季节变化和沈志良等［47］于1997～1998年的研究结果基本一致，但TDN及DIN和DON的输入通量明显低于1997～1998年各季节，这可能是由于该年度长江流域8月和10月间大雨，径流量较2012～2013年度高1倍左右的原因.

2012～2013年度长江TDN年输入通量为248.33万t，DON的输入通量42.04万t，占TDN输入通量的16.93%，略低于密西西比河流DON输入通量在TDN中的占比［46］.实际上，不同流域DON通量在TDN中的占比差异较大，如美国东海岸的9条河流DON输入通量占TDN范围在8%～94%之间［48］，这与不同流域降雨、土地利用类型和施肥量等密切相关.依据世界最长的25条河流监测数据，Seitzinger等［49］估算了每年进入海洋系统的总氮（包括TDN和颗粒氮）通量为2381万t/a，其中包括502万t/a的DON通量.据此推算，长江水体中DON对全球DON输入的贡献率为8%左右.

长江水体中尿素、DFAA、DCAA通量均呈现丰水期高、枯水期低的季节变化特征（图6b），年输入通量分别为6.52万t/a、0.27万t/a和1.18万t/a，分别占DON年通量的15.50%、0.64%、2.80%（图6b）.这与瑞典的两条主要河流Lillån和Stridbäcken的研究结果类似，其中尿素和氨基酸通量约占DON通量的5%～18%［45］.尿素和氨基酸作为两类具有高生物可利用性的小分子量DON，不仅可以被细菌所分解利用，而且可以被浮游植物直接吸收利用.已有研究表明，多种近海浮游植物对尿素和DFAA的吸收利用速率与N-N和N-N相当［50-52］.除DIN外，这类具有高生物可利用性的DON，对长江口及其邻近海域富营养化的贡献不容忽视.

表2 2012～2013年不同月份长江水体中不同形态氮的月季通量（万t/月）Table 2 Monthly fluxes of different nitrogen forms in the Yangtze River during 2012 to 2013（万t/月）

图6 2012～2013年长江水体中不同形态氮输入通量占比Fig.6 The flux percentage of different nitrogen forms in the Yangtze River during 2012 to 2013

3 结论

3.1 2012～2013年度长江大通站DON浓度呈现出明显春冬季高、夏秋季低的变化特征.其浓度在10.25～60.46μmol/L之间，占到TDN比例为7.35%～36.85%.其中，尿素、DFAA、DCAA浓度范围分别为1.61～2.63、0.08～0.30和0.62～0.92μmol/L.

3.2 2012～2013年度长江水体中DON具有较高的生物可利用性.TDAA （%DOC）和DI指标均表明长江水体中DON的生物可利用性具有春夏季高、秋冬季低的变化特征.

3.3 2012～2013年度长江大通站DON年输入通量为42.04万t，约占TDN年输入通量的17%.其中，尿素、DFAA、DCAA年输入氮通量分别为6.52、0.27和1.18万t/a，分别占DON年通量的15.50%、0.64%和2.80%.

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Potential bioavailability and flux of dissolved organic nitrogen at the Datong station of the Yangtze River.

SHI Xiao-yong1，2，3， ZHANG Gui-cheng1，2， LIANG Sheng-kang1，2， HAN Xiu-rong1，2*（1.Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology， Ministry of Education， Ocean University of China， Qiangdao 266100， China；2.College of Chemistry and Chemical Engineering， Ocean University of China， Qingdao 266100， China；3.National Marine Hazard Mitigation Service， Beijing 100194， China）. China Environmental Science， 2015，35（12）：3698～3706

Based on the bimonthly investigation at the Datong station in the Yangtze River during 2012 to 2013， the concentrations and compositions of total dissolved nitrogen （TDN） including dissolved inorganic nitrogen （DIN） and dissolved organic nitrogen （DON） and its important compositions urea， dissolved free amino acids （DFAA） and dissolved combined amino acids （DCAA） were analysed. On the other hand， the bioavailability of DON was evaluated and the fluxes of different nitrogen forms were calculated. The concentration of DON in the Yangtze River showed a seasonal variation tendency， which were higher in spring and winter and were lower in summer and autumn， due to the dilution of Yangtze River and the adsorption of suspended particulate matter to DON. The average concentration of DON was（33.28±21.35）μmol/L， accounting for 20.05%±13.53% of TDN； and the concentration of urea， DFAA and DCAA accounted for 21.94%±19.89%、0.84%±0.52% and 3.68%±2.61% of DON， respectively. The concentration of urea presented a positive correlation with the river runoff， which attributed to the seasonal fertilization in the Yangtze River basin. The carbon-normalized of total dissolved amino acids （TDAA （%DOC）） and the degradation index of TDAA both indicated that the DON in the Yangtze River had high bioavailability and presented a seasonal variation， which was higher in spring and summer and was lower in autumn and winter. The flux of DON was 42.04×104t/a， approximately accounted for 17% of TDN. Accordingly， the flux of urea， DFAA and DCAA accounted for 15.50%、0.64% and 2.80% of DON flux，respectively. In conclusion， the DON in the Yangtze River had high bioavailability and constituted the important nutrients for eutrophication in the Yangtze Estuary and its adjacent areas.

dissolved organic nitrogen；bioavailability；flux；Yangtze River

X522

A

1000-6923（2015）12-3698-09

石晓勇（1968-），男，山东济宁人，教授，博士，主要从事近海环境污染和富营养化、有害藻华（赤潮、绿潮等）生消机制、海洋环境和生态灾害（赤潮、绿潮、溢油和危险化学品泄露等）防控减灾策略等研究.发表论文100余篇.

2015-04-20

国家重点基础研究发展计划（2010CB428701）

* 责任作者， 讲师， hanxr@ouc.edu.cn