摘要：綠潮已經(jīng)成為一個(gè)世界性的海洋生態(tài)環(huán)境問題，21世紀(jì)以來，我國黃海海域的滸苔綠潮問題日益嚴(yán)重，滸苔綠潮連續(xù)數(shù)年暴發(fā)，其治理問題亟待解決。目前，氮同位素技術(shù)已經(jīng)比較成熟，可以對(duì)海水中的氮源進(jìn)行示蹤，以此分析不同海域氮素的源和匯。文章綜述了海水中藻類的氮同位素分餾值和氮同位素技術(shù)在滸苔等大型藻類研究中的應(yīng)用，并對(duì)氮同位素技術(shù)在黃海滸苔綠潮未來研究中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：滸苔綠潮；氮同位素；黃海

中圖分類號(hào)：P593" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

繼赤潮之后，綠潮已經(jīng)成為一個(gè)世界性的海洋生態(tài)環(huán)境問題［1］。自2008年青島沿海暴發(fā)了大規(guī)模的滸苔綠潮以來，綠潮災(zāi)害受到國內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注，經(jīng)過研究確認(rèn)，此次綠潮的主要造藻物種為滸苔屬藻類［2］。滸苔綠潮覆蓋范圍廣，嚴(yán)重影響了黃海沿岸省份的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展（見圖1）。

黃海滸苔綠潮暴發(fā)是多種因素綜合作用的結(jié)果，包括自身優(yōu)越的生物學(xué)特征［1］和富營養(yǎng)化的環(huán)境條件。造成滸苔暴發(fā)的營養(yǎng)鹽主要有硝酸鹽和銨鹽，其中氮是主要元素。氮元素是海洋浮游植物的限制性營養(yǎng)元素［3］。同位素技術(shù)根據(jù)應(yīng)用原理可以分為兩種，一種是利用富集同位素標(biāo)記化合物開展研究的示蹤技術(shù)，稱為富集同位素示蹤技術(shù)，一種是穩(wěn)定同位素自然豐度技術(shù)［4］。15N自然豐度技術(shù)法主要利用氮周轉(zhuǎn)過程中的同位素分餾作用。氮同位素示蹤技術(shù)是一種海洋環(huán)境研究的先進(jìn)技術(shù)［5］，其蘊(yùn)含的豐富信息可以用于分析海洋氮的來源及其遷移和轉(zhuǎn)化［6］。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)了氮同位素技術(shù)在黃海滸苔綠潮營養(yǎng)鹽溯源及氮素吸收和同化的偏好和吸收速率等研究中的應(yīng)用，以期為黃海滸苔綠潮的治理提供科學(xué)的依據(jù)。

1 氮同位素分餾及氮同位素技術(shù)的應(yīng)用

1.1 氮同位素分餾及應(yīng)用原理

氮同位素分餾可以分為動(dòng)力學(xué)分餾和平衡分餾兩大類，前者以生物作用為主，包括生物固氮作用、同化作用等，后者以非生物作用為主，包括氨揮發(fā)作用、吸附和解吸反應(yīng)中的同位素交換反應(yīng)［7］。自然界δ15N（δ表示自然豐度）集中在-5.0%～5.0%，水圈中海水的δ15N值0.8%～1.0%，植物中的δ15N值-1.0%～2.2%［8］，其中藻類δ15N最低值只有-0.7%［7］。藻類主要利用水環(huán)境中的NH+4-N，NO3--N、尿素和氨基酸［9］，相對(duì)于δ15N-NH+4研究，δ15N-NO-3氮同位素的研究較多，海洋表層水體δ15N-NO-3值分布為0.1%～1.5%。Xue等［10］總結(jié)了NO3-不同源和匯的δ15N值的方框圖（見圖2）。范麗俊等［11］總結(jié)了不同形態(tài)氮的轉(zhuǎn)換機(jī)制和同位素分餾。

分析生物樣品中的δ15N值是研究N來源的一種有效方法［12］。穩(wěn)定同位素在物理、化學(xué)和生物等過程的參與會(huì)產(chǎn)生分餾，從而改變同位素在物質(zhì)中的組成。此外，不同環(huán)境介質(zhì)中特定的同位素組成往往也具有明顯的差異。植物在對(duì)生源元素進(jìn)行選擇性吸收過程中會(huì)導(dǎo)致氮穩(wěn)定同位素的動(dòng)力學(xué)分餾，人為氮源改變了海洋系統(tǒng)中δ15N值的基線水平［13］。其中，大型海藻作為海洋中的初級(jí)生產(chǎn)者具有重要的研究價(jià)值，會(huì)從海水中吸收不同氮源并聚集在組織中，這一過程受海水氮濃度短期波動(dòng)的影響較小，由于其對(duì)氮同位素吸收沒有分餾作用，因此藻類的δ15N主要由水體中氮源的δ15N決定［14］，所以它可以準(zhǔn)確地反映陸海來源的氮源輸入，特別是在大量氮源存在時(shí)，大型海藻會(huì)迅速增殖。由于不同氮源的同位素特征不同［13］，據(jù)此可識(shí)別環(huán)境中生源要素的主要來源［10］。

1.2 氮同位素技術(shù)在滸苔綠潮研究中的應(yīng)用

王玉玨等［15］對(duì)煙臺(tái)潮間帶的氮營養(yǎng)鹽來源進(jìn)行了判定，發(fā)現(xiàn)綠藻門的孔石莼和腸滸苔對(duì)氮營養(yǎng)鹽有較好的吸收和貯存能力，比較適合于作為氮營養(yǎng)鹽來源的指示藻種。研究表明，綠藻能更真實(shí)反映水體氮營養(yǎng)鹽的δ15N值，進(jìn)一步證明了滸苔屬在高濃度氮營養(yǎng)鹽環(huán)境中基本不存在分餾，更適于指示氮營養(yǎng)鹽來源的觀點(diǎn)［16］。Samanta等［17］在分析濟(jì)州島沿岸的綠潮時(shí)，測定了藻類的δ15N以及組織中的氮和碳，發(fā)現(xiàn)不同地點(diǎn)藻類的δ15N值有顯著差異，表明濟(jì)州島沿岸藻類生長的局部氮源不同，研究結(jié)果可以作為有效的營養(yǎng)鹽管理基線，為治理濟(jì)州島附近的綠潮提供科學(xué)依據(jù)。

穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)在藻類氮素吸收速率研究中是一種被廣泛使用的方法。利用穩(wěn)定氮同位素對(duì)15N進(jìn)行示蹤，測定浮游藻類吸收后顆粒氮中15N的豐度，進(jìn)而計(jì)算氮素吸收速率［18］。Li等［19］使用穩(wěn)定氮同位素法進(jìn)行標(biāo)記，發(fā)現(xiàn)滸苔可以直接吸收不同的氮源，包括無機(jī)氮源和有機(jī)氮源，吸收速率從高到低依次為NO3-＞NH4+＞尿素＞氨基酸，有助于理解支持滸苔生長的關(guān)鍵營養(yǎng)因素。15N同位素示蹤法也可以對(duì)特定的氮源進(jìn)行標(biāo)記以獲得滸苔對(duì)不同氮源的吸收同化偏好［20］。Xiu等［9］利用15N同位素標(biāo)記的溶解氮底物，在青島沿岸海域進(jìn)行野外同步調(diào)查和養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)，確定在滸苔暴發(fā)期間氮的來源以及滸苔對(duì)氮源（NH4-N、NO3-N、尿素和氨基酸）的吸收及利用率，結(jié)果與前面Li等［19］的結(jié)論相似。滸苔能吸收小分子有機(jī)氮（尿素、DFAA）和無機(jī)氮，其中氨在總氮吸收量中的占比最大，其次是尿素、硝酸鹽和DFAA。

1.3 氮同位素技術(shù)在其他藻類中的應(yīng)用

1990年以來，佛羅里達(dá)州東南部的珊瑚礁經(jīng)歷了前所未有的大型海藻Codium isthmocladum等的暴發(fā)和入侵。Lapointe等［21］收集了大型海藻組織，在3個(gè)不同的空間深度，沿著佛羅里達(dá)州的7個(gè)采樣帶分旱季和雨季進(jìn)行采樣，采用穩(wěn)定氮同位素（δ15N）技術(shù)進(jìn)行分析。雖然在不同時(shí)間和地點(diǎn)采樣的氮源不同，但是兩次采樣相同地點(diǎn)的δ15N值并沒有明顯的變化?？臻g上δ15N值分布規(guī)律為：近海淺礁＞深礁＞中礁，證明了有害藻華的氮源中陸源污水氮比上升流貢獻(xiàn)率更高，陸地是氮的富集源。Teichberg等［22］以大型海藻Ulva spp為研究對(duì)象，通過研究大型藻類Ulva spp的天然穩(wěn)定同位素與不同環(huán)境營養(yǎng)供應(yīng)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)貧營養(yǎng)水域大型海藻的δ15N值大大低于富營養(yǎng)水域。

王海霞［23］利用穩(wěn)定同位素技術(shù)對(duì)黑石礁灣排污口附近的浮游植物和海洋生物的δ15N進(jìn)行了初步探討，發(fā)現(xiàn)生物δ15N的值與距離排污口的遠(yuǎn)近有關(guān)系，越靠近排污口值越大，這與人類活動(dòng)中營養(yǎng)物質(zhì)的輸入有關(guān)系，因此可以用δ15N值的變化來監(jiān)測人類活動(dòng)對(duì)海洋生物的影響。Carballeira等［24］選擇了褐藻屬和大型綠藻中的3種大型藻類進(jìn)行研究以確定δ15N值的年內(nèi)變化以及所選大型藻類之間的差異，與自然條件相比，受海洋污水影響地點(diǎn)的δ15N數(shù)值變化更大，可以用來指示陸基海洋魚類養(yǎng)殖場廢物處理造成的有機(jī)污染強(qiáng)度和空間范圍，大型藻類的δ15N值可能是檢測陸基海洋魚類養(yǎng)殖場廢水存在的理想方法。胡思琪［25］選擇黑石礁和小長山島兩個(gè)潮間帶進(jìn)行調(diào)查，對(duì)大型海藻TC、TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)，碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值和δ15N值進(jìn)行分析，篩選出了孔石莼和扇形擬伊藻作為研究區(qū)的指示藻種，根據(jù)藻類在不同季節(jié)的δ15N值不同及其變化范圍判斷研究區(qū)在不同季節(jié)受到不同類型污水的影響。

2 結(jié)語

在用大型海藻的δ15N值指示水體N營養(yǎng)鹽來源時(shí)，指示藻種需滿足兩個(gè)條件：（1）具備對(duì)N營養(yǎng)鹽快速吸收和同化的能力，可以及時(shí)反映環(huán)境水體中N營養(yǎng)鹽的變化；（2）在吸收N營養(yǎng)鹽的過程中基本上不發(fā)生分餾，可如實(shí)反映水體N營養(yǎng)鹽的δ15N值［15-16，25］，而滸苔的氮同位素值可以作為海洋氮污染源有效的指示劑。

本文重點(diǎn)論述了穩(wěn)定氮同位素分餾與應(yīng)用原理和應(yīng)用氮同位素技術(shù)研究海水中的氮循環(huán)機(jī)制，指示人類活動(dòng)造成的富營養(yǎng)化程度以及海洋中氮營養(yǎng)鹽的源和匯。目前研究主要集中在滸苔對(duì)不同形態(tài)的營養(yǎng)鹽吸收轉(zhuǎn)化的順序和吸收速率等方面，應(yīng)用穩(wěn)定氮同位素技術(shù)研究滸苔對(duì)不同營養(yǎng)鹽的吸收偏好和理解不同海域支持滸苔生長的關(guān)鍵營養(yǎng)因素，主要是實(shí)驗(yàn)室或者小范圍內(nèi)的微觀研究，對(duì)整個(gè)黃海海域沒有建立比較完整的營養(yǎng)鹽分布體系以及不同海域之間的對(duì)比研究。氮同位素技術(shù)在滸苔綠潮中的應(yīng)用還比較淺顯，綠潮在漂浮的過程中其他海域?qū)S海滸苔綠潮的貢獻(xiàn)率仍有待研究。如果能利用氮同位素技術(shù)在滸苔漂移過程中進(jìn)行全面調(diào)查，計(jì)算不同海域的漂浮滸苔對(duì)滸苔綠潮的貢獻(xiàn)率，可以為下一步滸苔綠潮的治理提供科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

［1］王宗靈，傅明珠，肖潔，等黃海滸苔綠潮研究進(jìn)展［J］海洋學(xué)報(bào)，2018（2）：1-13

［2］張曉雯，毛玉澤，莊志猛，等黃海綠潮滸苔的形態(tài)學(xué)觀察及分子鑒定［J］中國水產(chǎn)科學(xué)，2008（5）：822-829

［3］王丹，朱祥坤，凌洪飛氮的生物地球化學(xué)循環(huán)及氮同位素指標(biāo)在古海洋環(huán)境研究中的應(yīng)用［J］地質(zhì)學(xué)報(bào)，2015（89）：74-76

［4］王萬潔，侯興旺，劉稷燕，等傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素技術(shù)在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用及研究進(jìn)展［J］環(huán)境化學(xué)，2021（12）：3640-3650

［5］王文濤，俞志明，宋秀賢，等長江口鄰近海域氮同位素的周日變化特征及其對(duì)營養(yǎng)鹽過程的指示［J］海洋與湖沼，2020（4）：909-918

［6］SIGMAN D M， KARSH K L， CASCIOTTI K L Nitrogen isotopes in the ocean［M］//Encyclopedia of Ocean Sciences Amsterdam： Elsevier， 2009： 40-54

［7］謝先軍，甘義群，劉運(yùn)德環(huán)境同位素原理與應(yīng)用［M］北京：科學(xué)出版社，2019

［8］鄭淑慧穩(wěn)定同位素地球化學(xué)分析［M］北京：北京大學(xué)出版社，1986

［9］XIU B， LIANG S K， HE X L， et al Bioavailability of dissolved organic nitrogen and its uptake by Ulva prolifera： implications in the outbreak of a green bloom off the coast of Qingdao， China［J］ Marine Pollution Bulletin， 2019（140）： 563-572

［10］XUE D， BOTTE J， DE BAETS B， et al Present limitations and future prospects of stable isotope methods for nitrate source identification in surface- and groundwater［J］ Water Research， 2009（5）： 1159-1170

［11］范麗俊，趙峰華，程晨水體中氮穩(wěn)定同位素的研究進(jìn)展［J］應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2016（8）：2699-2707

［12］BARR N G， DUDLEY B D， ROGERS K M， et al Broad-scale patterns of tissue-δ15N and tissue-N indices in frondose Ulva spp; developing a national baseline indicator of nitrogen-loading for coastal New Zealand［J］ Marine Pollution Bulletin， 2013（1）： 203-216

［13］HEATON T H E Isotopic studies of nitrogen pollution in the hydrosphere and atmosphere： a review ［J］ Chemical Geology： Isotope Geoscience section， 1986（59）： 87-102

［14］黃國強(qiáng)，劉旭佳，彭銀輝，等廣西北海市南岸灘涂主要大型植物及表層沉積物的穩(wěn)定性碳和氮同位素豐度［J］廣西科學(xué)，2020（5）：570-577

［15］王玉玨，邸寶平，李欣，等潮間帶大型海藻氮穩(wěn)定同位素的環(huán)境指示作用［J］海洋環(huán)境科學(xué)，2016（2）：174-179

［16］DAILER M L， KNOX R S， SMITH J E， et al Using δ15N values in algal tissue to map locations and potential sources of anthropogenic nutrient inputs on the island of Maui， Hawai’i， USA［J］ Marine Pollution Bulletin， 2010（5）： 655-671

［17］SAMANTA P， SHIN S， JANG S， et al Stable carbon and nitrogen isotopic characterization and tracing nutrient sources of Ulva blooms around Jeju coastal areas［J］ Environmental Pollution， 2019（254）： 113033

［18］韓菲爾，趙中華，李大鵬，等利用穩(wěn)定同位素（15N）示蹤技術(shù)研究浮游藻類氮素吸收速率特征［J］海洋與湖沼，2019（4）：811-821

［19］LI H， ZHANG Y， HAN X， et al Growth responses of Ulva prolifera to inorganic and organic nutrients： implications for macroalgal blooms in the southern Yellow Sea， China［J］ Scientific Reports， 2016（6）： 26498

［20］LI H， ZHANG Y， CHEN J， et al Nitrogen uptake and assimilation preferences of the main green tide alga Ulva prolifera in the Yellow Sea， China［J］ Journal of Applied Phycology， 2018（1）： 625-635

［21］LAPOINTE B E， BARILE P J， LITTLER M M， et al Macroalgal blooms on southeast Florida coral reefs： I Nutrient stoichiometry of the invasive green alga Codium isthmocladum in the wider Caribbean indicates nutrient enrichment［J］ Harmful Algae， 2005（6）： 1092-1105

［22］TEICHBERG M， FOX S E， OLSEN Y S， et al Eutrophication and macroalgal blooms in temperate and tropical coastal waters： nutrient enrichment experiments with Ulva spp［J］ Global Change Biology， 2010（9）： 2624-2637

［23］王海霞中國近海赤潮/綠潮多發(fā)海域穩(wěn)定同位素組成分析［D］大連：大連海事大學(xué)，2012

［24］CARBALLEIRA C， VIANA I G， CARBALLEIRA A δ15N values of macroalgae as an indicator of the potential presence of waste disposal from land-based marine fish farms［J］ Journal of Applied Phycology， 2013（1）： 97-107

［25］胡思琪利用潮間帶大型海藻穩(wěn)定同位素進(jìn)行氮源示蹤研究［D］大連：大連海洋大學(xué)，2022

（編輯 李春燕編輯）

Abstract： Green tide has become a worldwide marine ecological and environmental problem Since the 21st century， the problem of Enteromorpha prolifera green tide in the Yellow Sea has become increasingly serious， and its control issues need to be resolved Currently， nitrogen isotope technology is relatively mature and can be used to trace nitrogen sources in seawater to analyze the sources and sinks of nitrogen in different sea areas This article summarizes the nitrogen isotope fractionation values of algae in seawater and the application of nitrogen isotope techniques in the research of large algae such as Enteromorpha prolifera， and prospects the application of nitrogen isotope techniques in the future research of the green tide of Enteromorpha prolifera in the Yellow Sea

Key words： Enteromorpha prolifera green tide; nitrogen isotope; the Yellow Sea