采用實(shí)驗室培養法，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(wú)機氮(DIN)的遷移特征。結果表明，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質(zhì)的礦化、底棲藻類(lèi)的同化作用和擴散過(guò)程共同調控，而冬季則主要受內源有機質(zhì)的礦化、底棲藻類(lèi)的同化作用、吸附-解吸和擴散過(guò)程共同調控。


氮是浮游植物生長(cháng)繁殖必需的營(yíng)養元素，其生物地球化學(xué)循環(huán)是海洋學(xué)研究的重要內容。沉積物是水體溶解無(wú)機氮(DIN)的重要來(lái)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(cháng)所需的22%，因此，研究沉積物-海水界面無(wú)機氮的遷移轉化對評價(jià)海洋中的氮循環(huán)具有重要意義。


自然界中，溶解無(wú)機氮以銨態(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(wú)機氮之間可以相互轉化。NH4-N是有機氮礦化的主要產(chǎn)物，其交換速率主要由擴散過(guò)程決定。NO3-N和NO2-N的交換主要受硝化-反硝化作用影響，因此硝化細菌和反硝化細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)、有機質(zhì)含量、葉綠素a(Chl)、碳氮比(C/N)及底棲生物活動(dòng)也會(huì )影響沉積物-海水界面無(wú)機氮的交換?？傊?，沉積物-海水界面DIN的交換受生物、化學(xué)和物理因素共同調控，而簡(jiǎn)單的相關(guān)分析并不能系統闡述環(huán)境因子對沉積物-海水界面溶解無(wú)機氮遷移轉化的影響。


近幾十年來(lái)由于人類(lèi)活動(dòng)，膠州灣水體內的營(yíng)養鹽豐度和結構都發(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，導致富營(yíng)養化的風(fēng)險增大。目前，針對膠州灣沉積物-海水界面DIN遷移轉化的研究較少，而已有的研究并未保證培養條件接近原位條件，其調查結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，并不能系統全面的闡述環(huán)境因子對沉積物-海水界面無(wú)機氮交換的影響。


本研究在原位溫度和溶氧條件下進(jìn)行室內培養實(shí)驗，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(wú)機氮交換的影響，以期更為系統的探討影響膠州灣沉積物-海水界面溶解無(wú)機氮交換的關(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。


1、材料與方法


1.1樣品采集

在膠州灣預設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(jiàn)圖1。夏季采集了全部站位的表層沉積樣和灣內8個(gè)站位的柱狀樣，冬季采集了灣內和灣口共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玻璃管(內=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)驗室，1份離心(4 500 r/min，10 min，4℃)后用0.45μm醋酸纖維膜過(guò)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內帶回實(shí)驗室進(jìn)行培養實(shí)驗。


1.2室內培養實(shí)驗


夏、冬季現場(chǎng)測定的底層水溫空間差異均較小(表1)，因此控制培養溫度接近底層水體的平均溫度，夏季為24.5℃，冬季為5.0℃。培養開(kāi)始前，將沉積柱與底層海水均置于預先恒溫的培養箱中，底層海水溫度達到培養溫度時(shí)，向沉積柱中緩慢加入4 L底層海水，避光培養，另取一有機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)預實(shí)驗確定的一定流量的空氣或空氣與氮氣的混合氣，使培養水體的溶解氧濃度接近各站原位溶解氧條件。實(shí)驗過(guò)程中，以24 h為間隔用Thermo Scientific OrionTMVersa StarTMpH/ISE/電導率/溶解氧多參數臺式測量?jì)x對上覆水體的鹽度、DO和pH進(jìn)行監測，培養條件如表1所示。電極法條件下測定的DO值經(jīng)碘量法校正(2=0.99)。


培養穩定6 h后開(kāi)始采集水樣，將第一次采樣時(shí)刻作為起始點(diǎn)，培養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(guò)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，保證培養過(guò)程中上覆水體積不變，依據公式(1)、(2)計算沉積物-海水界面NO3-N、NO2-N和NH4-N的交換量和交換速率:




1.3底層參數測定


1.3.1水體參數測定


用CTD現場(chǎng)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、間隙水和培養水樣用0.45μm醋酸纖維膜過(guò)濾后用Quaatro39型營(yíng)養鹽流動(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(wú)機碳(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)驗室培養條件與底層水原位環(huán)境條件