2、結(jié)果與討論

2.1膠州灣沉積物-海水界面溶解無機(jī)氮的交換速率

NO3-N、NO2-N和NH4-N交換量隨培養(yǎng)時(shí)間的變化曲線具有相似特征，其典型動(dòng)力學(xué)曲線如圖2。由于培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)開始前，沉積柱與底層海水分開保存，培養(yǎng)條件與實(shí)驗(yàn)條件存在一定差異，實(shí)驗(yàn)初始階段曲線可能會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，因此取穩(wěn)定后的線性部分進(jìn)行計(jì)算。

將NO3-N、NO2-N和NH4-N交換量隨時(shí)間變化曲線的線性部分斜率代入公式(2)，可以求得各形態(tài)溶解無機(jī)氮在膠州灣沉積物-海水界面的交換速率。如表2所示，夏季膠州灣沉積物主要表現(xiàn)為NO3-N、NO2-N和NH4-N的源，其交換速率分別為–714~1 560、–41~941和112~26 064μmol/(m2·d)，其中大部分站位NH4-N的交換速率在112~2 118μmol/(m2·d)范圍內(nèi)，與蔣鳳華等的結(jié)果較為接近。S5站位出現(xiàn)了NO3-N交換速率的最低值和NH4-N交換速率的最高值，這可能是因?yàn)镾5站位靠近李村河口，沉積物中有機(jī)質(zhì)含量較高(表4)，底層生物活動(dòng)活躍，耗氧率高，有機(jī)質(zhì)的礦化作用和以NO3-N為底物的反硝化作用較為顯著。冬季沉積物基本表現(xiàn)為NO3-N、NO2-N和NH4-N的匯，其交換速率分別為–657~637、–117~–20和–1 334~463μmol/(m2·d)。目前，針對(duì)冬季膠州灣沉積物-海水界面營(yíng)養(yǎng)鹽的交換速率還未見報(bào)道，本研究為進(jìn)一步完善膠州灣營(yíng)養(yǎng)鹽的收支模型提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

表3為中國(guó)近海不同海域沉積物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交換速率，比較中國(guó)近岸海域不同形態(tài)溶解無機(jī)氮的交換速率，可以發(fā)現(xiàn)NO2-N的交換速率均明顯低于NO3-N和NH4-N，這與本文的研究結(jié)果一致。此外，黃河口濕地沉積物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交換速率明顯較高，這可能是因?yàn)闈竦鼐哂休^高的生產(chǎn)力和生物量，從而使界面營(yíng)養(yǎng)鹽的循環(huán)更迅速。

表2 NO3-N、NO2-N和NH4-N在膠州灣不同站位沉積物-海水界面間的交換速率(μmol/(m2·d))

表3中國(guó)近海不同海域沉積物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交換速率

2.2影響沉積物-海水界面無機(jī)氮交換的環(huán)境相關(guān)因子解析

沉積物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交換主要由微生物的降解作用、硝化-反硝化、吸附-解吸和擴(kuò)散過程控制，受多種環(huán)境因子共同制約。這些環(huán)境因子之間相互影響，關(guān)系復(fù)雜，根據(jù)性質(zhì)的差異可以將其分為以下三類進(jìn)行討論:(1)與擴(kuò)散過程相關(guān)的參數(shù):沉積物間隙水中NO3-N、NO2-N和NH4-N的濃度以及底層水體中NO3-N、NO2-N和NH4-N的濃度;(2)與表層生物活動(dòng)相關(guān)的參數(shù):表層沉積物Chl、TOC、TN和C/N;(3)與沉積物本身性質(zhì)相關(guān)的參數(shù):表層沉積物的黏土含量、50和含水率。

表4、表5列出了不同站位的底層環(huán)境參數(shù)，從表4中可以看出，表層沉積物的Chl為0.05~4.62μg/g，TOC在0.25%~0.95%，TN含量為0.012%~0.085%，C/N為9.50~62.71，黏土含量為7%~30%，50為9~500μm，含水率為20.77%~51.00%，底層海水的NO3-N、NO2-N和NH4-N濃度分別為0.49~41.9μmol/L、0.04~2.40μmol/L和1.04~27.6μmol/L，間隙水中NO3-N、NO2-N和NH4-N的濃度分別為4.66~46.5μmol/L、0.20~2.20μmol/L和26.6~580μmol/L。

2.2.1底層水體和沉積物間隙水中NO3-N、NO2-N和NH4-N濃度及二者間濃度差

夏季膠州灣底層NO3-N的交換速率與間隙水中NO3-N濃度存在較弱正相關(guān)關(guān)系(表6)，從圖3可以看出間隙水中NO3-N濃度越高，沉積物中NO3-N越容易向水體遷移，這符合擴(kuò)散原理，這表明底層NO3-N交換受擴(kuò)散過程調(diào)控。冬季NO3-N在沉積物-海水界面的交換速率與底層NO3-N濃度、間隙水NO3-N濃度和底層濃度差幾乎不存在相關(guān)關(guān)系，因此擴(kuò)散過程可能并不是調(diào)控冬季膠州灣沉積物-海水界面NO3-N交換的主要過程。

表4不同站位表層泥的環(huán)境參數(shù)

注:NA表示該站位未測(cè)定此參數(shù)

表5不同站位底層海水和間隙水中NO3-N、NO2-N和NH4-N的濃度

表6沉積物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交換速率與底層環(huán)境參數(shù)的相關(guān)性分析

注:c.在0.05~0.10之間;底層水體濃度、間隙水中濃度和底層濃度差分別代表各形態(tài)氮各自對(duì)應(yīng)交換速率的濃度或濃度差

夏、冬季沉積物-海水界面NO2-N和NH4-N的交換速率與其底層濃度、間隙水濃度及底層濃度差之間均不存在明顯相關(guān)關(guān)系，這說明擴(kuò)散并不是調(diào)控其遷移轉(zhuǎn)化的主要過程，這與石峰針對(duì)東海的研究結(jié)果一致。

2.2.2表層沉積物的TOC、Chl、TN和C/N

夏季膠州灣表層沉積物中TOC與Chl耦合密切(=0.95，<0.001，=10)，這表明沉積物中有機(jī)質(zhì)含量越高，底棲微藻的豐度越高。針對(duì)Mobile海灣的研究表明，營(yíng)養(yǎng)鹽交換速率的最大值一般發(fā)生在富含有機(jī)質(zhì)的沉積物中，一般而言，沉積物中有機(jī)質(zhì)礦化能使間隙水中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度升高，從而促進(jìn)沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽向水體釋放。然而，有機(jī)質(zhì)豐富的沉積物中，底棲微藻豐度較高，其同化作用會(huì)掩蓋沉積物中無機(jī)氮的釋放量，因此在探究夏季膠州灣沉積物-海水界面營(yíng)養(yǎng)鹽的交換時(shí)，需要協(xié)同考慮有機(jī)質(zhì)的礦化作用和底棲藻類的同化作用。由表6可知，夏、冬季膠州灣沉積物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交換速率與表層沉積物的TOC和Chl均不存在明顯的相關(guān)關(guān)系，這表明底層有機(jī)質(zhì)和藻類豐度對(duì)界面無機(jī)氮交換的影響較小，這可能是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)的礦化作用和底棲藻類的同化作用相抵，因此與沉積物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N交換的關(guān)系并不明確。

從圖4可以看出，在冬季，隨著表層沉積物中Chl的增多，沉積物-海水界面NO2-N和NH4-N的釋放速率基本呈增大趨勢(shì)。結(jié)合相關(guān)分析(表5)可知，隨著表層沉積物中Chl含量的升高，沉積物中C/N呈降低趨勢(shì)，這可能是因?yàn)槌练e物中Chl含量越高，海洋內(nèi)源有機(jī)質(zhì)含量越高，有機(jī)質(zhì)的活性越強(qiáng)，沉積物中有機(jī)氮更容易被礦化生成NH4-N并向上層水體擴(kuò)散，因此底層NH4-N交換速率呈上升趨勢(shì)。隨著表層沉積物Chl含量的增加，冬季底層NO2-N的交換速率也呈增大的趨勢(shì)，考慮到NH4-N和NO2-N分別是硝化作用的底物和中間產(chǎn)物，因此冬季NO2-N的交換速率可能主要受硝化作用調(diào)控。

一般而言，沉積物中TN含量越高，沉積物中可交換態(tài)無機(jī)氮的含量越高，因此沉積物中TN含量也是影響底層無機(jī)氮交換的重要環(huán)境因子。然而，夏、冬季沉積物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交換速率與沉積物中TN均不存在顯著相關(guān)關(guān)系(表6)，這表明表層沉積物中TN可能不是影響膠州灣沉積物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N交換的主要因子。

C/N能表征有機(jī)質(zhì)活性，是影響底層無機(jī)氮遷移轉(zhuǎn)化的重要環(huán)境因子。Hammond等的研究表明，富氮有機(jī)質(zhì)更容易被微生物降解，因此C/N較低的沉積物中有機(jī)氮更容易被轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮，并進(jìn)一步向水體釋放，Hall等對(duì)斯卡格拉克海峽的調(diào)查也表明低C/N的沉積物更容易向水體釋放NO3-N。本實(shí)驗(yàn)中，夏、冬季沉積物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交換速率與表層沉積物的C/N均不存在明顯相關(guān)關(guān)系，然而，比較不同站位沉積物-海水界面NH4-N的交換速率，可以看出夏季NH4-N的最大釋放速率發(fā)生在S5站位，其沉積物的C/N最低，這證實(shí)富氮有機(jī)質(zhì)更易被礦化，與Hammond等的結(jié)論一致。而夏季NO3-N和NO2-N的最大吸收速率也發(fā)生在C/N最低的沉積物中，這與Hall等的結(jié)論相悖，這可能是因?yàn)镾5站位有機(jī)質(zhì)含量較高，底層生物活動(dòng)較為活躍，耗氧率高，沉積物處于還原狀態(tài)，此時(shí)以NO3-N作為電子受體的反硝化作用占主導(dǎo)，反硝化作用會(huì)將NO3-N轉(zhuǎn)化為N2-N，使間隙水中NO3-N處于較低濃度，從而促進(jìn)水體中NO3-N向沉積物遷移。冬季NO3-N、NO2-N和NH4-N的交換速率與表層沉積物C/N也不存在明顯的相關(guān)關(guān)系，這表明沉積物的C/N對(duì)膠州灣底層無機(jī)氮循環(huán)影響很小。