海州湾海洋沉积物的处理及意义

海州湾海洋沉积物的处理及意义

1 引言

氮是海洋生态系统物质循环的重要元素，其含量和比例的改变会影响水体浮游植物和藻类的群落结构及生长，成为浮游植物生长的限制性因子.沉积物是海洋环境中氮的重要源与汇，能参与交换的生物可利用氮量取决于沉积物中氮的赋存形态.不同形态氮和沉积物的物理化学结合能力不同，在氮循环中所起的作用不同，因此，沉积物中氮形态的定量研究是探讨海洋沉积物中氮生态作用的重要前提.以往对沉积物的研究大多集中于总氮、有机氮和无机氮.其中，有机氮主要由蛋白质、核酸、氨基酸和腐殖质4类化学物质组成，而且大部分是腐殖质;无机氮包括吸附态无机氮和固定态铵.然而，以上分类方法并不能揭示各种氮形态对氮循环的贡献，因此，对沉积物中的氮用分级浸取分离方法提取出可转化态氮，得到能参与循环的真正部分，是研究海洋沉积物中氮循环必须解决的关键问题.

海州湾位于苏鲁交界处，面积约869 km2，是我国黄海中南部一个典型的半开阔海湾.沿岸有多条河流注入其中，是受沿岸人为活动影响最为明显的海域之一.目前，对于海州湾海区氮形态的研究比较少，研究其表层沉积物中氮形态可为了解该海域氮的循环和补充机制提供参考.基于此，本文拟利用连续浸取法对海州湾表层沉积物样品中的可转化态氮进行分析测定，探讨可转化态氮中各形态氮的含量和分布，以及其与粒度和有机碳的相关关系，揭示其生态意义.

2 材料和方法

2.1 样品的采集与预处理

样品于2014年10月采集于海州湾海域(采样区域：北纬34°50′~34°58′，东经119°20′~119°35′)，共设置10个站位(图 1)，其中，海洋牧场区7个站点(RA1、RA2、RA3、RA4、RA5、RA6、RA7)，对照区3个站点(CA1、CA2、CA3).用抓斗采泥器采集表层0~2 cm沉积物样品.样品采集后立即装入自封袋密封，排尽空气，于4 ℃下冷藏保存.运回实验室后于阴凉通风处自然风干，用研钵轻轻捣碎，保持沉积物的自然粒度，过100目筛后置于干燥器备用.

图1 海州湾采样站位图

2.2 分析与测定

称取1 g(准确到0.1 mg)表层沉积物样品，用改进的沉积物中磷(P)的分级浸取分离方法，将表层沉积物中不同形态的可转化态氮(TTN)提取出来，得到离子交换态氮(IEF-N)、弱酸可浸取态氮(WAEF-N)、强碱可浸取态氮(SAEF-N)及强氧化剂可浸取态氮(SOEF-N)，具体提取步骤见图 2.每一步骤浸取液中氮的测定方法均采用重氮偶氮分光光度法，测定的基本原理见《海洋监测规范》中的污水分析部分，NH4+-N用次溴酸钠氧化法氧化后测定，NO3--N用锌镉还原法还原后测定，每组样品做3个平行样，测定误差<±5%.

图2 各形态氮分级浸取示意图

总氮(TN)的测定采用凯氏定氮法，称取过100目筛的沉积物样品1 g(准确到0.1 mg)于定氮管，在加速剂的催化下，经浓硫酸消煮后，用定氮仪测定.非转化态氮(NTN)由TN和可转化态氮(TTN)差值得到.

粒度和总有机碳测定：利用激光粒度仪、liquidTOCⅡ总有机碳分析仪分别对表层沉积物样品的粒径大小和构成比例、总有机碳进行测定.

2.3 数据处理方法

采用SPSS 19.0对实验数据进行统计分析，相关分析用Pearson相关系数法.采用Gswin32、Origin8.0等软件进行采样站点图和各形态氮含量与分布图的绘制.

3 结果与讨论

3.1 表层沉积物中各形态氮的含量、分布与变化

海州湾调查站位表层沉积物中各形态氮的含量见表 1.表中列出了各站点IEF-N、WAEF-N、SAEF-N、SOEF-N、TTN、非转化态氮(NTN)、总氮(TN)的含量及平均值.

表1 调查区各站位表层沉积物中各形态氮的含量

3.1.1 沉积物中TN的含量、分布及变化

海州湾海域表层沉积物TN的平面分布如图 3a所示，TN的含量范围为469.00~975.10

mg ² kg-1，平均为681.59 mg ² kg-1.TN含量最大值出现在对照区2(CA2)，为975.10 mg ² kg-1.由于海州湾为一个半开阔性海湾，CA2离岸最近，因此，受陆源入湾河流下泄所携带营养物质影响较大;此外，由于海州湾地区为半日潮，自身潮流比较弱，且秋季海州湾海域以东北-西南向潮流为主，海水交换能力减弱以外洋水向岸补充为主，不利于污染物的离岸运送(周德山，2008)，导致陆源污染物在CA2站点等近岸海域聚集.对照区1~3(CA1~CA3)的总氮含量均高于660

mg ² kg-1，且高于多数海洋牧场区，海洋牧场鱼礁区7(RA7)的总氮含量最低，可能是由于该区域有筏式吊养藻类，藻类对水体中营养盐的吸收利用有利于沉积物中营养盐向水体释放，从而使海洋牧场区的氮含量较对照区低.

3.1.2 沉积物中TTN的含量、分布及变化

表层沉积物中的TTN是TN中能参与循环的真正部分.TTN的含量范围为105.26~123.97

mg ² kg-1，平均为112.66 mg ² kg-1，TTN占TN的11.15%~24.64%，平均为 16.52%.海州湾表层沉积物中可转化态氮所占百分比大于的研究结果(13.55%)，小于(25.33%~59.87%)与30.85%)

的研究结果，与的研究结果(16.81%)相当. TTN含量的空间分布整体呈现出海洋牧场区高于对照区的特点，最高值在RA6站位，最低值在CA3站位.

各形态氮的分布差异明显：首先是平均含量差异较大，各形态氮中，SOEF-N含量最高，平均为85.32 mg ² kg-1，WAEF-N最小，平均为5.78 mg ² kg-1;其次是各形态氮的平面分布类型差异明显，IEF-N在中央海区的含量高于湾内和两侧海区，呈高值分布，WAEF-N和SAEF-N则正好相反，在中央海区呈现低值分布，SOEF-N的分布较为复杂，出现两个高值区.

离子交换态氮(IEF-N)与沉积物结合能力最弱，容易被释放出来，参与海洋生态系统的氮循环，在氮循环中具有重要地位.盐度、温度、生物扰动、DO、pH及有机质的含量都会影响到IEF-N 的含量与释放，沉积物本身的粒度及结构性质也与其释放有直接的关系.表层沉积物中IEF-N含量范围为9.89~16.32 mg ² kg-1，平均为12.63 mg ² kg-1，占TN的1.85%.IEF-N在中央海区的含量高于湾内和近岸海区，呈高值分布，最大值在RA1站位.这是众多影响因素共同作用的结果，使该站点附近的表层沉积物具有较强的吸附能力，对IEF-N的吸附量增大，从而呈现此分布状态.

弱酸可浸取态氮(WAEF-N)的含量范围为4.69~6.61 mg ² kg-1，平均为5.78 mg ² kg-1，占TN的0.85%，是TTN中含量最小的一种形态，其释放能力比IEF-N稍低，与海洋沉积物的结合能力相当于碳酸盐的结合能力，是一种碳酸盐结合态氮.因此，其分布主要与沉积物中的碳酸盐环境相关，此外，还受多种因素的影响，如沉积物粒度、有机质矿化过程中酸碱度的改变等.由图 4b可以看出，RA6、RA7处WAEF-N含量较高，WAEF-N的分布主要与沉积物有机质矿化过程中pH值的变化有关，其变化使CaCO3沉淀或溶解，与NH4+或NO3-结合.

强碱可浸取态氮(SAEF-N)与沉积物的结合能力相当于铁、锰、镁等金属氧化物的结合能力.表层沉积物中SAEF-N含量在6.60~11.13 mg ² kg-1之间，平均为8.93 mg ² kg-1，占TN的1.31%.SAEF-N与沉积物的氧化还原环境相关，有机质含量、pH、微生物活动都会影响SAEF-N的含量及分布.可以看出，在湾口和远离湾口的一侧SAEF-N含量较高，而中间区域含量较低.造成这种分布的原因可能是海州湾中间区域的沉积物较两侧沉积物处于较强的还原环境，有利于SAEF-N向上覆水体中释放，被生物利用，从而造成表层沉积物中的含量较低.

强氧化剂可浸取态氮(SOEF-N)是可转化态氮中含量最大的一种形态，是有机形态的氮，释放能力最弱，对海水沉积物界面的绝对贡献最大.表层沉积物中SOEF-N含量在76.39~94.55

mg ² kg-1之间，平均为85.32 mg ² kg-1，占TN的12.52%，由此可见，SOEF-N是该海域沉积物中TTN的主要存在形态.其分布较复杂，出现两个高值区SOEF-N的分布首先与表层沉积物的来源有关，河流注入海州湾带来大量富含有机质的物质;影响SOEF-N分布的因素还有沉积物的粒度、氧化还原环境，以及有机质向沉积物的输送速度等.沉积物粒度越细，会造成不透气的环境，有利于保存有机质;同时也与沉积物本身的吸附有关，由于存在阳离子，能与蛋白质、氨基酸、酚类、糖类等有机颗粒牢固结合;有机质向沉积物的输送速度与上覆水体的水深成反比，与初级生产力成正比.海州湾为一半封闭浅湾，沿岸有多条河流注入，受陆源物质影响强烈，各因素对SOEF-N分布的影响很复杂，因此，其分布也较为复杂.

3.1.3 沉积物中NTN的含量、分布及变化

海州湾表层沉积物中NTN的含量在353.42~866.29 mg ² kg-1 之间，平均为568.93

mg ² kg-1，占TN的83.48%，最大值出现在距离湾口最近的CA2站点，最小值位于距离湾口最