2.2.3表層沉積物特性

2.2.3.1含水率

圖5表現(xiàn)了夏季膠州灣沉積物-海水界面NO3-N的交換速率與沉積物的含水率的關(guān)系，從圖中可以看出，沉積物的含水率越大，夏季底層界面NO3-N的交換越迅速，兩者存在一定正相關(guān)關(guān)系(表6)。沉積物與間隙水之間的交換發(fā)生在固液界面，因此含水率在一定程度上表征了溶解和擴(kuò)散過(guò)程的難易程度，而隨著膠州灣表層沉積物含水率的增加，沉積物-海水界面NO3-N的交換速率呈上升趨勢(shì)，與沉積物-海水界面營(yíng)養(yǎng)鹽通量主要受含水率(孔隙率)影響的結(jié)論一致，表明夏季沉積物-海水界面NO3-N的交換受溶解和擴(kuò)散過(guò)程控制。夏季NO2-N和NH4-N的交換速率與表層沉積物中含水率均不存在明顯的相關(guān)關(guān)系(表6)，這進(jìn)一步證實(shí)夏季膠州灣沉積物-海水界面NO2-N和NH4-N的交換受擴(kuò)散過(guò)程影響較小。由相關(guān)分析可知，冬季沉積物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交換速率與含水率均不存在明顯相關(guān)關(guān)系，由此可推知，溫度較低時(shí)，擴(kuò)散和溶解等物理過(guò)程對(duì)冬季膠州灣底層無(wú)機(jī)氮循環(huán)的影響并不顯著。

2.2.3.2黏土含量與50

黏土礦物粒徑小，比表面積較大，是吸附-解吸和溶解等物理過(guò)程發(fā)生的重要場(chǎng)所，而50能表征沉積物的平均粒徑，因此黏土含量和50是影響吸附-解吸和擴(kuò)散過(guò)程的重要環(huán)境因子。由表6可知，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黏土含量和50之間均不存在明顯的相關(guān)關(guān)系，這表明沉積物粒徑分布對(duì)夏季底層NO3-N、NO2-N和NH4-N交換的影響較小。

2.2.4基于主成分回歸分析的影響因素分析

如前所述，沉積物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交換受多種環(huán)境因子影響，而這些影響因子之間相互關(guān)聯(lián)，簡(jiǎn)單的相關(guān)性分析和多元線性回歸模型將環(huán)境因子看作獨(dú)立變量，并不能科學(xué)的量化各個(gè)環(huán)境因子的影響。在數(shù)理統(tǒng)計(jì)中，主成分回歸分析能對(duì)多因素影響下的研究對(duì)象進(jìn)行合理預(yù)測(cè)和歸因，在保留大部分信息的同時(shí)，考慮了環(huán)境因子之間的相關(guān)性，能較為系統(tǒng)的闡述環(huán)境因子對(duì)沉積物-海水界面無(wú)機(jī)氮交換的影響。此次研究通過(guò)主成分回歸分析量化了環(huán)境因子對(duì)沉積物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N交換速率的影響，以此探究影響膠州灣沉積物-海水界面DIN交換的關(guān)鍵因子。

將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行Z標(biāo)準(zhǔn)化去量綱，利用SPSS Statistic 19分別對(duì)夏季和冬季沉積物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交換速率與相關(guān)環(huán)境因子進(jìn)行主成分回歸分析，能較為合理的模擬沉積物-海水界面NO3-N和NH4-N的交換，然而并不適用于解釋NO2-N交換速率的變化(>0.695)，分析結(jié)果如表7所示。依據(jù)環(huán)境變量在回歸模型中的權(quán)重(表7)可以看出，Chl、TOC、含水率以及底層NH4-N、NO2-N和NO3-N濃度是影響夏季沉積物-海水界面NO3-N交換的主要正相關(guān)因子，由此可推知，沉積物中有機(jī)質(zhì)的礦化作用是影響夏季膠州灣沉積物-海水界面NO3-N交換的重要過(guò)程。夏季沉積物表現(xiàn)為NH4-N的源，有機(jī)氮的礦化是沉積物中NH4-N的主要來(lái)源，然而主成分回歸分析的結(jié)果表明表層沉積物中TOC是影響界面NH4-N交換的主要負(fù)相關(guān)因子，考慮到夏季膠州灣沉積物中有機(jī)質(zhì)的含量和底棲藻類(lèi)豐度相耦合，由此可推知，這可能是因?yàn)榈讞孱?lèi)的同化作用掩蓋了由TOC含量變化引起的交換速率波動(dòng)。綜上可知，有機(jī)質(zhì)的礦化和底棲藻類(lèi)的同化作用是調(diào)控夏季膠州灣沉積物-海水界面NH4-N交換的主要過(guò)程，而NO2-N交換速率對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)與NH4-N比較一致，因此硝化作用可能是調(diào)控NO2-N交換的主要過(guò)程。

表7環(huán)境變量與主成分的關(guān)系及各環(huán)境變量在回歸模型中的權(quán)重

注:權(quán)重是指某一指標(biāo)在整體評(píng)價(jià)中的相對(duì)重要程度，無(wú)單位

表層沉積物的C/N、Chl以及底層NO2-N和間隙水中NO3-N、NO2-N和NH4-N是影響冬季沉積物-海水界面NO3-N交換的主要環(huán)境因子，其中，C/N和間隙水中NO3-N、NO2-N和NH4-N是正相關(guān)因子，而Chl和底層NO2-N是負(fù)相關(guān)因子，由此可推知，底棲藻類(lèi)的同化作用和擴(kuò)散可能是影響冬季底層NO3-N交換的主要過(guò)程。分析不同環(huán)境因子對(duì)冬季底層NH4-N交換速率的權(quán)重可知，Chl、50、底層NO3-N和底層NO2-N是影響底層NH4-N交換的主要正相關(guān)因子，而黏土含量和間隙水中NH4-N是主要負(fù)相關(guān)因子，因此海洋內(nèi)源有機(jī)質(zhì)的降解和吸附-解吸作用是調(diào)控冬季沉積物-海水界面NH4-N交換的主要過(guò)程。另外，分析結(jié)果表明間隙水中NH4-N濃度越高，沉積物中NH4-N越不容易向水體遷移，這與擴(kuò)散原理相悖，具體原因并不明確，有待進(jìn)一步探索。與夏季相似，冬季膠州灣沉積物-海水界面NO2-N交換速率對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)與NH4-N比較一致，因此硝化作用可能也是調(diào)控冬季NO2-N交換的主要過(guò)程。

2.3 NO3-N、NO2-N和NH4-N在膠州灣沉積物-海水界面的交換通量

依據(jù)不同站位表層沉積物的粒徑分布可知，S3、S8和S9站位的沉積物屬于粉砂質(zhì)砂型，S10屬于砂質(zhì)粉砂型，而S4、S5、S6、S7和S11站位的沉積物屬于黏土質(zhì)粉砂型。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)測(cè)得的不同類(lèi)型沉積物對(duì)應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)鹽交換速率和張帆等對(duì)膠州灣潮灘NO3-N、NO2-N和NH4-N交換速率的調(diào)查結(jié)果，結(jié)合膠州灣不同類(lèi)型沉積物所占的比例，可估算出膠州灣沉積物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交換通量。從表7可知，夏季膠州灣沉積物整體表現(xiàn)為水體NO3-N、NO2-N和NH4-N的源，其交換通量分別為2.35×108、6.35×107、1.34×109mmol/d，與蔣鳳華等的調(diào)查結(jié)果一致;而冬季沉積物表現(xiàn)為水體NO3-N、NO2-N和NH4-N的匯，其交換通量分別為–6.39×107、–1.49×107和–1.33×108mmol/d。

表8 NO3-N、NO2-N和NH4-N在沉積物-海水界面的交換通量

膠州灣的夏季月度平均初級(jí)生產(chǎn)力約為835.72 mgC/(m2·d)，根據(jù)Redfield比值進(jìn)行估算，維持初級(jí)生產(chǎn)力需要消耗的N為10 512μmol/(m2·d)，即整片海域的浮游植物所需的N為4.17×109mmol/d。將夏季沉積物-海水界NO3-N、NO2-N和NH4-N交換通量之和作為DIN的平均交換通量，則膠州灣沉積物-海水界面DIN的夏季交換通量為1.64×109mmol/d，可以提供初級(jí)生產(chǎn)力所需N的39.3%;而冬季沉積物表現(xiàn)為水體DIN的匯，其交換通量為–2.12×108mmol/d。

3、結(jié)論

利用實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)法，調(diào)查了原位溶氧和溫度條件下膠州灣沉積物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交換速率，并測(cè)定了表層沉積物中Chl、TOC、TN、C/N、黏土含量、50和含水率及底層水體和間隙水中NO3-N、NO2-N和NH4-N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(duì)沉積物-海水界面溶解無(wú)機(jī)氮交換的影響，獲得主要結(jié)論如下:

(1)膠州灣沉積物-海水界面無(wú)機(jī)氮主要以NO3-N和NH4-N的形態(tài)進(jìn)行交換，夏季膠州灣沉積物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交換速率分別為–714~1 560、–41~941和112~26 064μmol/(m2·d)，DIN的交換通量為1.64×109mmol/d，可以提供初級(jí)生產(chǎn)力所需N的39.3%。而冬季NO3-N、NO2-N和NH4-N在沉積物-海水界面交換速率分別為–657~637、–117~–20和–1 334~463μmol/(m2·d)，沉積物表現(xiàn)為水體DIN的匯，其交換通量為–2.12×108mmol/d。

(2)在夏季，沉積物中有機(jī)質(zhì)的礦化和擴(kuò)散是調(diào)控膠州灣沉積物-海水界面NO3-N交換的主要過(guò)程，而有機(jī)質(zhì)的礦化和底棲藻類(lèi)的同化作用是調(diào)控夏季膠州灣沉積物-海水界面NH4-N交換的主要過(guò)程，而NO2-N的交換可能主要受硝化作用調(diào)控。

(3)在冬季，沉積物-海水界面NO3-N的交換受底棲藻類(lèi)的同化作用和擴(kuò)散共同調(diào)控。而海洋內(nèi)源有機(jī)質(zhì)的礦化和吸附-解吸作用是調(diào)控冬季沉積物-海水界面NH4-N交換的主要過(guò)程，冬季NO2-N交換可能也主要受硝化作用調(diào)控。