2、结果与讨论


2.1胶州湾沉积物-海水界面溶解无机氮的交换速率


NO3-N、NO2-N和NH4-N交换量随培养时间的变化曲线具有相似特征，其典型动力学曲线如图2。由于培养实验开始前，沉积柱与底层海水分开保存，培养条件与实验条件存在一定差异，实验初始阶段曲线可能会出现波动，因此取稳定后的线性部分进行计算。

将NO3-N、NO2-N和NH4-N交换量随时间变化曲线的线性部分斜率代入公式(2)，可以求得各形态溶解无机氮在胶州湾沉积物-海水界面的交换速率。如表2所示，夏季胶州湾沉积物主要表现为NO3-N、NO2-N和NH4-N的源，其交换速率分别为–714~1 560、–41~941和112~26 064μmol/(m2·d)，其中大部分站位NH4-N的交换速率在112~2 118μmol/(m2·d)范围内，与蒋凤华等的结果较为接近。S5站位出现了NO3-N交换速率的最低值和NH4-N交换速率的最高值，这可能是因为S5站位靠近李村河口，沉积物中有机质含量较高(表4)，底层生物活动活跃，耗氧率高，有机质的矿化作用和以NO3-N为底物的反硝化作用较为显著。冬季沉积物基本表现为NO3-N、NO2-N和NH4-N的汇，其交换速率分别为–657~637、–117~–20和–1 334~463μmol/(m2·d)。目前，针对冬季胶州湾沉积物-海水界面营养盐的交换速率还未见报道，本研究为进一步完善胶州湾营养盐的收支模型提供了数据基础。


表3为中国近海不同海域沉积物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交换速率，比较中国近岸海域不同形态溶解无机氮的交换速率，可以发现NO2-N的交换速率均明显低于NO3-N和NH4-N，这与本文的研究结果一致。此外，黄河口湿地沉积物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交换速率明显较高，这可能是因为湿地具有较高的生产力和生物量，从而使界面营养盐的循环更迅速。

表2 NO3-N、NO2-N和NH4-N在胶州湾不同站位沉积物-海水界面间的交换速率(μmol/(m2·d))

表3中国近海不同海域沉积物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交换速率


2.2影响沉积物-海水界面无机氮交换的环境相关因子解析


沉积物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交换主要由微生物的降解作用、硝化-反硝化、吸附-解吸和扩散过程控制，受多种环境因子共同制约。这些环境因子之间相互影响，关系复杂，根据性质的差异可以将其分为以下三类进行讨论:(1)与扩散过程相关的参数:沉积物间隙水中NO3-N、NO2-N和NH4-N的浓度以及底层水体中NO3-N、NO2-N和NH4-N的浓度;(2)与表层生物活动相关的参数:表层沉积物Chl、TOC、TN和C/N;(3)与沉积物本身性质相关的参数:表层沉积物的黏土含量、50和含水率。


表4、表5列出了不同站位的底层环境参数，从表4中可以看出，表层沉积物的Chl为0.05~4.62μg/g，TOC在0.25%~0.95%，TN含量为0.012%~0.085%，C/N为9.50~62.71，黏土含量为7%~30%，50为9~500μm，含水率为20.77%~51.00%，底层海水的NO3-N、NO2-N和NH4-N浓度分别为0.49~41.9μmol/L、0.04~2.40μmol/L和1.04~27.6μmol/L，间隙水中NO3-N、NO2-N和NH4-N的浓度分别为4.66~46.5μmol/L、0.20~2.20μmol/L和26.6~580μmol/L。


2.2.1底层水体和沉积物间隙水中NO3-N、NO2-N和NH4-N浓度及二者间浓度差

夏季胶州湾底层NO3-N的交换速率与间隙水中NO3-N浓度存在较弱正相关关系(表6)，从图3可以看出间隙水中NO3-N浓度越高，沉积物中NO3-N越容易向水体迁移，这符合扩散原理，这表明底层NO3-N交换受扩散过程调控。冬季NO3-N在沉积物-海水界面的交换速率与底层NO3-N浓度、间隙水NO3-N浓度和底层浓度差几乎不存在相关关系，因此扩散过程可能并不是调控冬季胶州湾沉积物-海水界面NO3-N交换的主要过程。

表4不同站位表层泥的环境参数

注:NA表示该站位未测定此参数

表5不同站位底层海水和间隙水中NO3-N、NO2-N和NH4-N的浓度

表6沉积物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交换速率与底层环境参数的相关性分析

注:c.在0.05~0.10之间;底层水体浓度、间隙水中浓度和底层浓度差分别代表各形态氮各自对应交换速率的浓度或浓度差


夏、冬季沉积物-海水界面NO2-N和NH4-N的交换速率与其底层浓度、间隙水浓度及底层浓度差之间均不存在明显相关关系，这说明扩散并不是调控其迁移转化的主要过程，这与石峰针对东海的研究结果一致。


2.2.2表层沉积物的TOC、Chl、TN和C/N


夏季胶州湾表层沉积物中TOC与Chl耦合密切(=0.95，<0.001，=10)，这表明沉积物中有机质含量越高，底栖微藻的丰度越高。针对Mobile海湾的研究表明，营养盐交换速率的最大值一般发生在富含有机质的沉积物中，一般而言，沉积物中有机质矿化能使间隙水中营养盐浓度升高，从而促进沉积物中营养盐向水体释放。然而，有机质丰富的沉积物中，底栖微藻丰度较高，其同化作用会掩盖沉积物中无机氮的释放量，因此在探究夏季胶州湾沉积物-海水界面营养盐的交换时，需要协同考虑有机质的矿化作用和底栖藻类的同化作用。由表6可知，夏、冬季胶州湾沉积物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交换速率与表层沉积物的TOC和Chl均不存在明显的相关关系，这表明底层有机质和藻类丰度对界面无机氮交换的影响较小，这可能是因为有机质的矿化作用和底栖藻类的同化作用相抵，因此与沉积物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N交换的关系并不明确。

从图4可以看出，在冬季，随着表层沉积物中Chl的增多，沉积物-海水界面NO2-N和NH4-N的释放速率基本呈增大趋势。结合相关分析(表5)可知，随着表层沉积物中Chl含量的升高，沉积物中C/N呈降低趋势，这可能是因为沉积物中Chl含量越高，海洋内源有机质含量越高，有机质的活性越强，沉积物中有机氮更容易被矿化生成NH4-N并向上层水体扩散，因此底层NH4-N交换速率呈上升趋势。随着表层沉积物Chl含量的增加，冬季底层NO2-N的交换速率也呈增大的趋势，考虑到NH4-N和NO2-N分别是硝化作用的底物和中间产物，因此冬季NO2-N的交换速率可能主要受硝化作用调控。


一般而言，沉积物中TN含量越高，沉积物中可交换态无机氮的含量越高，因此沉积物中TN含量也是影响底层无机氮交换的重要环境因子。然而，夏、冬季沉积物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交换速率与沉积物中TN均不存在显著相关关系(表6)，这表明表层沉积物中TN可能不是影响胶州湾沉积物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N交换的主要因子。


C/N能表征有机质活性，是影响底层无机氮迁移转化的重要环境因子。Hammond等的研究表明，富氮有机质更容易被微生物降解，因此C/N较低的沉积物中有机氮更容易被转化为无机氮，并进一步向水体释放，Hall等对斯卡格拉克海峡的调查也表明低C/N的沉积物更容易向水体释放NO3-N。本实验中，夏、冬季沉积物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交换速率与表层沉积物的C/N均不存在明显相关关系，然而，比较不同站位沉积物-海水界面NH4-N的交换速率，可以看出夏季NH4-N的最大释放速率发生在S5站位，其沉积物的C/N最低，这证实富氮有机质更易被矿化，与Hammond等的结论一致。而夏季NO3-N和NO2-N的最大吸收速率也发生在C/N最低的沉积物中，这与Hall等的结论相悖，这可能是因为S5站位有机质含量较高，底层生物活动较为活跃，耗氧率高，沉积物处于还原状态，此时以NO3-N作为电子受体的反硝化作用占主导，反硝化作用会将NO3-N转化为N2-N，使间隙水中NO3-N处于较低浓度，从而促进水体中NO3-N向沉积物迁移。冬季NO3-N、NO2-N和NH4-N的交换速率与表层沉积物C/N也不存在明显的相关关系，这表明沉积物的C/N对胶州湾底层无机氮循环影响很小。