采用實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)法，在原位溫度和溶氧條件下，研究了夏、冬季膠州灣沉積物-海水界面溶解無機(jī)氮(DIN)的遷移特征。結(jié)果表明，夏、冬季膠州灣沉積物-海水界面DIN主要以NO3-N和NH4-N的形態(tài)進(jìn)行交換，夏季膠州灣沉積物表現(xiàn)為水體DIN的源，其交換通量為1.64×109mmol/d，可以提供維持初級生產(chǎn)力所需氮的39.3%;而冬季沉積物表現(xiàn)為DIN的匯，其交換通量為–2.12×108mmol/d。利用相關(guān)分析和主成分回歸分析，研究界面不同形態(tài)DIN交換速率和底層環(huán)境因子的關(guān)系，結(jié)果表明，夏季膠州灣沉積物-海水界面DIN的交換主要受沉積物中有機(jī)質(zhì)的礦化、底棲藻類的同化作用和擴(kuò)散過程共同調(diào)控，而冬季則主要受內(nèi)源有機(jī)質(zhì)的礦化、底棲藻類的同化作用、吸附-解吸和擴(kuò)散過程共同調(diào)控。

氮是浮游植物生長繁殖必需的營養(yǎng)元素，其生物地球化學(xué)循環(huán)是海洋學(xué)研究的重要內(nèi)容。沉積物是水體溶解無機(jī)氮(DIN)的重要來源，在Mobile河口，沉積物釋放的DIN可提供維持初級生產(chǎn)力所需氮的36%，王修林等的研究表明，渤海沉積物釋放的DIN占浮游植物生長所需的22%，因此，研究沉積物-海水界面無機(jī)氮的遷移轉(zhuǎn)化對評價(jià)海洋中的氮循環(huán)具有重要意義。

自然界中，溶解無機(jī)氮以銨態(tài)氮(NH4-N)、硝態(tài)氮(NO3-N)和亞硝態(tài)氮(NO2-N)三種形態(tài)存在，不同形態(tài)無機(jī)氮之間可以相互轉(zhuǎn)化。NH4-N是有機(jī)氮礦化的主要產(chǎn)物，其交換速率主要由擴(kuò)散過程決定。NO3-N和NO2-N的交換主要受硝化-反硝化作用影響，因此硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的豐度以及溶氧含量也是影響界面氮交換的重要環(huán)境因子。另外，底層溫度、鹽度、沉積物特性(平均粒徑、孔隙率)、有機(jī)質(zhì)含量、葉綠素a(Chl)、碳氮比(C/N)及底棲生物活動(dòng)也會影響沉積物-海水界面無機(jī)氮的交換?？傊练e物-海水界面DIN的交換受生物、化學(xué)和物理因素共同調(diào)控，而簡單的相關(guān)分析并不能系統(tǒng)闡述環(huán)境因子對沉積物-海水界面溶解無機(jī)氮遷移轉(zhuǎn)化的影響。

近幾十年來由于人類活動(dòng)，膠州灣水體內(nèi)的營養(yǎng)鹽豐度和結(jié)構(gòu)都發(fā)生了較為明顯的變化。沈志良的研究表明，從1962年到1998年膠州灣水體中的DIN的濃度增加了3.9倍，導(dǎo)致富營養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)增大。目前，針對膠州灣沉積物-海水界面DIN遷移轉(zhuǎn)化的研究較少，而已有的研究并未保證培養(yǎng)條件接近原位條件，其調(diào)查結(jié)果可能存在一定偏差。另外，前人對其影響因素進(jìn)行解析時(shí)往往忽略了生物因素，并不能系統(tǒng)全面的闡述環(huán)境因子對沉積物-海水界面無機(jī)氮交換的影響。

本研究在原位溫度和溶氧條件下進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，以斜率法獲得原位交換速率，同時(shí)，測定了表層沉積物中總有機(jī)碳(TOC)、Chl、C/N、總氮(TN)、含水率()、黏土含量、中值粒徑(50)以及間隙水和底層水體中不同形態(tài)DIN的濃度，利用相關(guān)分析和主成分回歸分析探討了底層環(huán)境因子對沉積物-海水界面間溶解無機(jī)氮交換的影響，以期更為系統(tǒng)的探討影響膠州灣沉積物-海水界面溶解無機(jī)氮交換的關(guān)鍵因素，為進(jìn)一步研究氮的生物地球化學(xué)循環(huán)提供理論依據(jù)。

1、材料與方法

1.1樣品采集

在膠州灣預(yù)設(shè)10個(gè)采樣站位，分別于2015年7月和2016年1月乘“創(chuàng)新號”調(diào)查船，用箱式采樣器采集高度為10~15 cm表層未擾動(dòng)的柱狀沉積樣和表層沉積物(0~1 cm)，具體站位見圖1。夏季采集了全部站位的表層沉積樣和灣內(nèi)8個(gè)站位的柱狀樣，冬季采集了灣內(nèi)和灣口共9個(gè)站位的柱狀樣和表層沉積物樣。將柱狀沉積樣置于有機(jī)玻璃管(內(nèi)=16 cm)中，4℃避光保存。同時(shí)，將表層沉積物分為3份，其中1份–20℃冷凍保存，用于測定Chl、TOC和TN。另外兩份避光冷藏保存，帶回實(shí)驗(yàn)室，1份離心(4 500 r/min，10 min，4℃)后用0.45μm醋酸纖維膜過濾取間隙水，另一份待測含水率、黏土含量和50。取同站位底層海水10 L，4℃避光保存，8 h內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。

1.2室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

夏、冬季現(xiàn)場測定的底層水溫空間差異均較小(表1)，因此控制培養(yǎng)溫度接近底層水體的平均溫度，夏季為24.5℃，冬季為5.0℃。培養(yǎng)開始前，將沉積柱與底層海水均置于預(yù)先恒溫的培養(yǎng)箱中，底層海水溫度達(dá)到培養(yǎng)溫度時(shí)，向沉積柱中緩慢加入4 L底層海水，避光培養(yǎng)，另取一有機(jī)玻璃管加入等量底層海水作為對照組。向上覆水中通入經(jīng)預(yù)實(shí)驗(yàn)確定的一定流量的空氣或空氣與氮?dú)獾幕旌蠚?，使培養(yǎng)水體的溶解氧濃度接近各站原位溶解氧條件。實(shí)驗(yàn)過程中，以24 h為間隔用Thermo Scientific OrionTMVersa StarTMpH/ISE/電導(dǎo)率/溶解氧多參數(shù)臺式測量儀對上覆水體的鹽度、DO和pH進(jìn)行監(jiān)測，培養(yǎng)條件如表1所示。電極法條件下測定的DO值經(jīng)碘量法校正(2=0.99)。

培養(yǎng)穩(wěn)定6 h后開始采集水樣，將第一次采樣時(shí)刻作為起始點(diǎn)，培養(yǎng)3~4 d，每隔10~24 h取樣，每次取樣40 mL，用0.45μm醋酸纖維膜過濾后，加氯仿–20℃保存。取完水樣后加入原站位采集的等體積底層海水，保證培養(yǎng)過程中上覆水體積不變，依據(jù)公式(1)、(2)計(jì)算沉積物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交換量和交換速率:

1.3底層參數(shù)測定

1.3.1水體參數(shù)測定

用CTD現(xiàn)場測定底層水體的溫度和鹽度，pH由丹麥Unisense公司PH微電極測定，底層水體的DO利用碘量滴定法(GB 12763.4-2007-T)測定。采集的底層水、間隙水和培養(yǎng)水樣用0.45μm醋酸纖維膜過濾后用Quaatro39型營養(yǎng)鹽流動(dòng)分析儀測定NO3-N、NO2-N和NH4-N濃度。

1.3.2表層沉積物參數(shù)測定

表層沉積物的含水率()用重量法測定，沉積物中的Chl參照Parsons等的方法用N，N-二甲基甲酰胺萃取后用同步熒光法測定，表層沉積物經(jīng)HCl處理去無機(jī)碳(GB 17378.5-2007)后用vario Macro cube型元素分析儀測定TOC含量，表層沉積物的粒徑分布用Malvern激光衍射粒度儀分析，沉積物TN用vario Macro cube型元素分析儀測定。

表1實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件與底層水原位環(huán)境條件