采用实验室培养法，在原位温度和溶氧条件下，研究了夏、冬季胶州湾沉积物-海水界面溶解无机氮(DIN)的迁移特征。结果表明，夏、冬季胶州湾沉积物-海水界面DIN主要以NO3-N和NH4-N的形态进行交换，夏季胶州湾沉积物表现为水体DIN的源，其交换通量为1.64×109mmol/d，可以提供维持初级生产力所需氮的39.3%;而冬季沉积物表现为DIN的汇，其交换通量为–2.12×108mmol/d。利用相关分析和主成分回归分析，研究界面不同形态DIN交换速率和底层环境因子的关系，结果表明，夏季胶州湾沉积物-海水界面DIN的交换主要受沉积物中有机质的矿化、底栖藻类的同化作用和扩散过程共同调控，而冬季则主要受内源有机质的矿化、底栖藻类的同化作用、吸附-解吸和扩散过程共同调控。


氮是浮游植物生长繁殖必需的营养元素，其生物地球化学循环是海洋学研究的重要内容。沉积物是水体溶解无机氮(DIN)的重要来源，在Mobile河口，沉积物释放的DIN可提供维持初级生产力所需氮的36%，王修林等的研究表明，渤海沉积物释放的DIN占浮游植物生长所需的22%，因此，研究沉积物-海水界面无机氮的迁移转化对评价海洋中的氮循环具有重要意义。


自然界中，溶解无机氮以铵态氮(NH4-N)、硝态氮(NO3-N)和亚硝态氮(NO2-N)三种形态存在，不同形态无机氮之间可以相互转化。NH4-N是有机氮矿化的主要产物，其交换速率主要由扩散过程决定。NO3-N和NO2-N的交换主要受硝化-反硝化作用影响，因此硝化细菌和反硝化细菌的丰度以及溶氧含量也是影响界面氮交换的重要环境因子。另外，底层温度、盐度、沉积物特性(平均粒径、孔隙率)、有机质含量、叶绿素a(Chl)、碳氮比(C/N)及底栖生物活动也会影响沉积物-海水界面无机氮的交换。总之，沉积物-海水界面DIN的交换受生物、化学和物理因素共同调控，而简单的相关分析并不能系统阐述环境因子对沉积物-海水界面溶解无机氮迁移转化的影响。


近几十年来由于人类活动，胶州湾水体内的营养盐丰度和结构都发生了较为明显的变化。沈志良的研究表明，从1962年到1998年胶州湾水体中的DIN的浓度增加了3.9倍，导致富营养化的风险增大。目前，针对胶州湾沉积物-海水界面DIN迁移转化的研究较少，而已有的研究并未保证培养条件接近原位条件，其调查结果可能存在一定偏差。另外，前人对其影响因素进行解析时往往忽略了生物因素，并不能系统全面的阐述环境因子对沉积物-海水界面无机氮交换的影响。


本研究在原位温度和溶氧条件下进行室内培养实验，以斜率法获得原位交换速率，同时，测定了表层沉积物中总有机碳(TOC)、Chl、C/N、总氮(TN)、含水率()、黏土含量、中值粒径(50)以及间隙水和底层水体中不同形态DIN的浓度，利用相关分析和主成分回归分析探讨了底层环境因子对沉积物-海水界面间溶解无机氮交换的影响，以期更为系统的探讨影响胶州湾沉积物-海水界面溶解无机氮交换的关键因素，为进一步研究氮的生物地球化学循环提供理论依据。


1、材料与方法


1.1样品采集

在胶州湾预设10个采样站位，分别于2015年7月和2016年1月乘“创新号”调查船，用箱式采样器采集高度为10~15 cm表层未扰动的柱状沉积样和表层沉积物(0~1 cm)，具体站位见图1。夏季采集了全部站位的表层沉积样和湾内8个站位的柱状样，冬季采集了湾内和湾口共9个站位的柱状样和表层沉积物样。将柱状沉积样置于有机玻璃管(内=16 cm)中，4℃避光保存。同时，将表层沉积物分为3份，其中1份–20℃冷冻保存，用于测定Chl、TOC和TN。另外两份避光冷藏保存，带回实验室，1份离心(4 500 r/min，10 min，4℃)后用0.45μm醋酸纤维膜过滤取间隙水，另一份待测含水率、黏土含量和50。取同站位底层海水10 L，4℃避光保存，8 h内带回实验室进行培养实验。


1.2室内培养实验


夏、冬季现场测定的底层水温空间差异均较小(表1)，因此控制培养温度接近底层水体的平均温度，夏季为24.5℃，冬季为5.0℃。培养开始前，将沉积柱与底层海水均置于预先恒温的培养箱中，底层海水温度达到培养温度时，向沉积柱中缓慢加入4 L底层海水，避光培养，另取一有机玻璃管加入等量底层海水作为对照组。向上覆水中通入经预实验确定的一定流量的空气或空气与氮气的混合气，使培养水体的溶解氧浓度接近各站原位溶解氧条件。实验过程中，以24 h为间隔用Thermo Scientific OrionTMVersa StarTMpH/ISE/电导率/溶解氧多参数台式测量仪对上覆水体的盐度、DO和pH进行监测，培养条件如表1所示。电极法条件下测定的DO值经碘量法校正(2=0.99)。


培养稳定6 h后开始采集水样，将第一次采样时刻作为起始点，培养3~4 d，每隔10~24 h取样，每次取样40 mL，用0.45μm醋酸纤维膜过滤后，加氯仿–20℃保存。取完水样后加入原站位采集的等体积底层海水，保证培养过程中上覆水体积不变，依据公式(1)、(2)计算沉积物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交换量和交换速率:




1.3底层参数测定


1.3.1水体参数测定


用CTD现场测定底层水体的温度和盐度，pH由丹麦Unisense公司PH微电极测定，底层水体的DO利用碘量滴定法(GB 12763.4-2007-T)测定。采集的底层水、间隙水和培养水样用0.45μm醋酸纤维膜过滤后用Quaatro39型营养盐流动分析仪测定NO3-N、NO2-N和NH4-N浓度。


1.3.2表层沉积物参数测定


表层沉积物的含水率()用重量法测定，沉积物中的Chl参照Parsons等的方法用N，N-二甲基甲酰胺萃取后用同步荧光法测定，表层沉积物经HCl处理去无机碳(GB 17378.5-2007)后用vario Macro cube型元素分析仪测定TOC含量，表层沉积物的粒径分布用Malvern激光衍射粒度仪分析，沉积物TN用vario Macro cube型元素分析仪测定。

表1实验室培养条件与底层水原位环境条件