2.2.3表层沉积物特性


2.2.3.1含水率

图5表现了夏季胶州湾沉积物-海水界面NO3-N的交换速率与沉积物的含水率的关系，从图中可以看出，沉积物的含水率越大，夏季底层界面NO3-N的交换越迅速，两者存在一定正相关关系(表6)。沉积物与间隙水之间的交换发生在固液界面，因此含水率在一定程度上表征了溶解和扩散过程的难易程度，而随着胶州湾表层沉积物含水率的增加，沉积物-海水界面NO3-N的交换速率呈上升趋势，与沉积物-海水界面营养盐通量主要受含水率(孔隙率)影响的结论一致，表明夏季沉积物-海水界面NO3-N的交换受溶解和扩散过程控制。夏季NO2-N和NH4-N的交换速率与表层沉积物中含水率均不存在明显的相关关系(表6)，这进一步证实夏季胶州湾沉积物-海水界面NO2-N和NH4-N的交换受扩散过程影响较小。由相关分析可知，冬季沉积物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交换速率与含水率均不存在明显相关关系，由此可推知，温度较低时，扩散和溶解等物理过程对冬季胶州湾底层无机氮循环的影响并不显著。


2.2.3.2黏土含量与50


黏土矿物粒径小，比表面积较大，是吸附-解吸和溶解等物理过程发生的重要场所，而50能表征沉积物的平均粒径，因此黏土含量和50是影响吸附-解吸和扩散过程的重要环境因子。由表6可知，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黏土含量和50之间均不存在明显的相关关系，这表明沉积物粒径分布对夏季底层NO3-N、NO2-N和NH4-N交换的影响较小。


2.2.4基于主成分回归分析的影响因素分析


如前所述，沉积物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交换受多种环境因子影响，而这些影响因子之间相互关联，简单的相关性分析和多元线性回归模型将环境因子看作独立变量，并不能科学的量化各个环境因子的影响。在数理统计中，主成分回归分析能对多因素影响下的研究对象进行合理预测和归因，在保留大部分信息的同时，考虑了环境因子之间的相关性，能较为系统的阐述环境因子对沉积物-海水界面无机氮交换的影响。此次研究通过主成分回归分析量化了环境因子对沉积物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N交换速率的影响，以此探究影响胶州湾沉积物-海水界面DIN交换的关键因子。


将所有数据进行Z标准化去量纲，利用SPSS Statistic 19分别对夏季和冬季沉积物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交换速率与相关环境因子进行主成分回归分析，能较为合理的模拟沉积物-海水界面NO3-N和NH4-N的交换，然而并不适用于解释NO2-N交换速率的变化(>0.695)，分析结果如表7所示。依据环境变量在回归模型中的权重(表7)可以看出，Chl、TOC、含水率以及底层NH4-N、NO2-N和NO3-N浓度是影响夏季沉积物-海水界面NO3-N交换的主要正相关因子，由此可推知，沉积物中有机质的矿化作用是影响夏季胶州湾沉积物-海水界面NO3-N交换的重要过程。夏季沉积物表现为NH4-N的源，有机氮的矿化是沉积物中NH4-N的主要来源，然而主成分回归分析的结果表明表层沉积物中TOC是影响界面NH4-N交换的主要负相关因子，考虑到夏季胶州湾沉积物中有机质的含量和底栖藻类丰度相耦合，由此可推知，这可能是因为底栖藻类的同化作用掩盖了由TOC含量变化引起的交换速率波动。综上可知，有机质的矿化和底栖藻类的同化作用是调控夏季胶州湾沉积物-海水界面NH4-N交换的主要过程，而NO2-N交换速率对环境因子的响应与NH4-N比较一致，因此硝化作用可能是调控NO2-N交换的主要过程。

表7环境变量与主成分的关系及各环境变量在回归模型中的权重

注:权重是指某一指标在整体评价中的相对重要程度，无单位


表层沉积物的C/N、Chl以及底层NO2-N和间隙水中NO3-N、NO2-N和NH4-N是影响冬季沉积物-海水界面NO3-N交换的主要环境因子，其中，C/N和间隙水中NO3-N、NO2-N和NH4-N是正相关因子，而Chl和底层NO2-N是负相关因子，由此可推知，底栖藻类的同化作用和扩散可能是影响冬季底层NO3-N交换的主要过程。分析不同环境因子对冬季底层NH4-N交换速率的权重可知，Chl、50、底层NO3-N和底层NO2-N是影响底层NH4-N交换的主要正相关因子，而黏土含量和间隙水中NH4-N是主要负相关因子，因此海洋内源有机质的降解和吸附-解吸作用是调控冬季沉积物-海水界面NH4-N交换的主要过程。另外，分析结果表明间隙水中NH4-N浓度越高，沉积物中NH4-N越不容易向水体迁移，这与扩散原理相悖，具体原因并不明确，有待进一步探索。与夏季相似，冬季胶州湾沉积物-海水界面NO2-N交换速率对环境因子的响应与NH4-N比较一致，因此硝化作用可能也是调控冬季NO2-N交换的主要过程。


2.3 NO3-N、NO2-N和NH4-N在胶州湾沉积物-海水界面的交换通量


依据不同站位表层沉积物的粒径分布可知，S3、S8和S9站位的沉积物属于粉砂质砂型，S10属于砂质粉砂型，而S4、S5、S6、S7和S11站位的沉积物属于黏土质粉砂型。根据本实验测得的不同类型沉积物对应的营养盐交换速率和张帆等对胶州湾潮滩NO3-N、NO2-N和NH4-N交换速率的调查结果，结合胶州湾不同类型沉积物所占的比例，可估算出胶州湾沉积物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交换通量。从表7可知，夏季胶州湾沉积物整体表现为水体NO3-N、NO2-N和NH4-N的源，其交换通量分别为2.35×108、6.35×107、1.34×109mmol/d，与蒋凤华等的调查结果一致;而冬季沉积物表现为水体NO3-N、NO2-N和NH4-N的汇，其交换通量分别为–6.39×107、–1.49×107和–1.33×108mmol/d。

表8 NO3-N、NO2-N和NH4-N在沉积物-海水界面的交换通量


胶州湾的夏季月度平均初级生产力约为835.72 mgC/(m2·d)，根据Redfield比值进行估算，维持初级生产力需要消耗的N为10 512μmol/(m2·d)，即整片海域的浮游植物所需的N为4.17×109mmol/d。将夏季沉积物-海水界NO3-N、NO2-N和NH4-N交换通量之和作为DIN的平均交换通量，则胶州湾沉积物-海水界面DIN的夏季交换通量为1.64×109mmol/d，可以提供初级生产力所需N的39.3%;而冬季沉积物表现为水体DIN的汇，其交换通量为–2.12×108mmol/d。


3、结论


利用实验室培养法，调查了原位溶氧和温度条件下胶州湾沉积物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交换速率，并测定了表层沉积物中Chl、TOC、TN、C/N、黏土含量、50和含水率及底层水体和间隙水中NO3-N、NO2-N和NH4-N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-海水界面溶解无机氮交换的影响，获得主要结论如下:


(1)胶州湾沉积物-海水界面无机氮主要以NO3-N和NH4-N的形态进行交换，夏季胶州湾沉积物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交换速率分别为–714~1 560、–41~941和112~26 064μmol/(m2·d)，DIN的交换通量为1.64×109mmol/d，可以提供初级生产力所需N的39.3%。而冬季NO3-N、NO2-N和NH4-N在沉积物-海水界面交换速率分别为–657~637、–117~–20和–1 334~463μmol/(m2·d)，沉积物表现为水体DIN的汇，其交换通量为–2.12×108mmol/d。


(2)在夏季，沉积物中有机质的矿化和扩散是调控胶州湾沉积物-海水界面NO3-N交换的主要过程，而有机质的矿化和底栖藻类的同化作用是调控夏季胶州湾沉积物-海水界面NH4-N交换的主要过程，而NO2-N的交换可能主要受硝化作用调控。


(3)在冬季，沉积物-海水界面NO3-N的交换受底栖藻类的同化作用和扩散共同调控。而海洋内源有机质的矿化和吸附-解吸作用是调控冬季沉积物-海水界面NH4-N交换的主要过程，冬季NO2-N交换可能也主要受硝化作用调控。