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热带海洋学报 >

2022 , Vol. 41 >Issue 4: 163 - 171

DOI: https://doi.org/10.11978/2021173

海洋化学

渤海表层沉积物中化学浸取不同形态氮的释放潜力

  • 李震 , 1 ,
  • 李云凯 1, 2 ,
  • 刘永虎 3 ,
  • 程前 3 ,
  • 张硕 , 1, 2, 4
展开
  • 1.上海海洋大学海洋科学学院, 上海 201306
  • 2.上海海洋大学大洋渔业资源可持续开发省部共建教育部重点实验室, 上海 201306
  • 3.大连市现代海洋牧场研究院, 辽宁 大连 116023
  • 4.长江口水生生物监测与保护联合实验室, 上海 201306
张硕。email:

李震(1996—), 男, 湖南省娄底市人, 硕士研究生, 研究方向为海洋沉积物营养盐释放控制。email:

Copy editor: 姚衍桃

收稿日期: 2021-12-05

  修回日期: 2022-02-22

  网络出版日期: 2022-03-01

基金资助

上海市人才发展资金资助项目(B1-5404-19-0002)

上海市科委地方能力建设项目(21010502200)

收起

Release potential of different forms of nitrogen extracted by chemical leaching in the surface sediments of the Bohai Sea

  • LI Zhen , 1 ,
  • LI Yunkai 1, 2 ,
  • LIU Yonghu 3 ,
  • CHENG Qian 3 ,
  • ZHANG Shuo , 1, 2, 4
Expand
  • 1. College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China
  • 2. Key Laboratory of the Ministry of Education for the Sustainable Development of Ocean Fishery Resources, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China
  • 3. Dalian Modern Marine Ranch Research Institute, Dalian 116023, China
  • 4. Joint Laboratory for Monitoring and Protection of Aquatic Organisms in the Yangtze River Estuary, Shanghai 201306, China
ZHANG Shuo. email:

Copy editor: YAO Yantao

Received date: 2021-12-05

  Revised date: 2022-02-22

  Online published: 2022-03-01

Supported by

Shanghai Talent Development Fund Support Project(B1-5404-19-0002)

Local Capacity Building Project of Shanghai Municipal Commission of Science and Technology(21010502200)

Fold

摘要

为了探究可转化态氮(transformable total nitrogen, TTN)的影响因素及其释放潜力, 本文采用分级浸取的方法将渤海表层沉积物中的氮分为离子交换态氮(ion exchange nitrogen, IEF-N)、弱酸可浸取态氮(weak acid extractable nitrogen, WAEF-N)、强碱可浸取态氮(strong alkali extractable nitrogen, SAEF-N)、强氧化剂可浸取态氮(strong oxidizer extractable nitrogen, SOEF-N)和非转化态氮(non-transformable nitrogen, NTN), 研究了沉积物粒径和有机质等对释放氮量的影响, 探讨了沉积物中TTN的释放对上覆水中溶解无机氮(dissolved inorganic nitrogen, DIN)和叶绿素a (Chl a)的影响。结果表明, 各TTN的含量顺序为SOEF-N>SAEF-N>IEF-N>WAEF-N, 释放量为IEF-N>SAEF-N>SOEF-N>WAEF-N, 释放比例为IEF-N>WAEF-N>SAEF-N>SOEF-N, 分别有69.83%的IEF-N、64.93%的WAEF-N、56.27%的SAEF-N、29.56%的SOEF-N将再次释放。Pearson相关性分析结果显示, 沉积物中SOEF-N的释放量与粉砂含量呈负相关, 而与砂含量呈正相关; SOEF-N的释放量与上覆水中的 Chl a和溶解无机氮(dissolved inorganic nitrogen, DIN)均呈负相关, 说明SOEF-N的释放对上覆水中Chl a和DIN的影响较小, 而表层和底层水的Chl a和DIN分别具有极强的正相关关系(r=0.803, P<0.01; r=0.831, P<0.01), 这可能意味着研究区域内的水柱没有出现明显的分层。

关键词： 沉积物; 上覆水; 可转化氮; 理化性质; 生态意义

本文引用格式

李震 , 李云凯 , 刘永虎 , 程前 , 张硕 . 渤海表层沉积物中化学浸取不同形态氮的释放潜力[J]. 热带海洋学报, 2022 , 41(4) : 163 -171 . DOI: 10.11978/2021173

Abstract

To investigate the influencing factors of transformable total nitrogen (TTN) and its release potential, this paper used a graded leaching method to classify nitrogen in the Bohai Sea surface sediments into ion exchange nitrogen (IEF-N), weak acid extractable nitrogen (WAEF-N), strong alkali extractable nitrogen (SAEF-N), strong oxidizer extractable nitrogen (SOEF-N) and non-transformable nitrogen (NTN) states, the effects of sediment particle size and organic matter on the amount of released nitrogen were also investigated, and the effects of TTN release in sediment on dissolved inorganic nitrogen (DIN) and Chl a in the overlying water were examined. The results showed that the order of the content of each TTN was SOEF-N > SAEF-N > IEF-N > WAEF-N, the release amount was IEF-N > SAEF-N > SOEF-N > WAEF-N, and the release ratio was IEF-N > WAEF-N > SAEF-N > SOEF-N, respectively, 69.83% of IEF-N, 64.93% of WAEF-N, 56.27% of SAEF-N, and 29.56% of SOEF-N will be released again. Pearson correlation results showed that the release of SOEF-N in the sediment was negatively correlated with silt content, but is positively correlated with sand content; SOEF-N was negatively correlated with both Chl a and dissolved inorganic nitrogen (DIN) in the overlying water, indicating that the release of SOEF-N has less effect on the Chl a and DIN in the overlying water, while waters of surface and bottom had extremely strong positive correlations (r=0.803, P<0.01; r=0.831, P<0.01), respectively, which may imply that there is no significant stratification of surface and bottom waters in this study area.

Key words： sediment; overlying water; transformable nitrogen; physicochemical properties; ecological significance

沉积物具有复杂的理化特性, 在营养盐转化和再循环过程中扮演着重要角色, 是各种营养盐的源或汇(Gardner et al, 2001; Aigars et al, 2001; 何桐 等, 2009)。氮被认为是维持海域初级生产者生长所必需的营养元素, 其在沉积物中存在的形态直接影响其释放的潜力。根据马红波等(2003)改进的连续提取法, 可将沉积物中的总氮(total nitrogen, TN)分为可转化态氮(transferable total nitrogen, TTN)和不可转化态氮(non-transferable nitrogen, NTN); TTN又分为4种形态, 即离子可交换形态(ion exchange nitrogen, IEF-N)、弱酸可浸取形态(weak acid extractable nitrogen, WAEF-N)、强碱可浸取形态(strong alkali extractable nitrogen, SAEF-N)和强氧化剂可浸取形态(strong oxidizer extractable nitrogen, SOEF-N)。 TTN通常被认为是沉积物中能够再次参与氮循环的部分, 而NTN则是稳定存在的氮形态, 几乎不再重新参与氮循环(朱元荣 等, 2011; Zhao et al, 2020)。
沉积物中的氮通过离子交换和矿化作用等过程交换到间隙水, 再从间隙水释放到上覆水中(黄小平 等, 2006; Olsen et al, 2015), 其释放能力和释放量不仅影响上覆水的营养状况和初级生产力, 而且还是研究沉积物中氮的地球化学循环及其风险评估的重要基础(Schindler et al, 2008; 姜霞 等, 2012; 张小勇 等, 2013)。吕晓霞等(2004)发现南黄海表层细颗粒沉积物中的各种TTN与浮游植物有较密切的关系; 而Fisher等(1982)发现沉积物-水界面的可交换态氮能满足浮游植物的生长, Zheng等(2008)发现沉积物中70%的氮仍可释放并重新参与氮的生物地球化学循环, 赵晨英等(2016)发现黄渤海海域沉积物的释放是上覆水中无机氮的主要来源。环渤海海域是我国三大经济圈之一, 沿岸多年的工农业活动带来的氮素在此沉积。因此, 对于氮的释放潜力以及释放量的研究具有重要的生态学意义(邹景忠 等, 1983)。
虽然先前的研究已经对渤海沉积物中的TTN进行了一些定性研究(马红波 等, 2003; Yang et al, 2017; 周美玲 等, 2018), 但有关沉积物中TTN的释放能力和释放量的定量研究尚未见报道。因此, 本文通过对渤海表层沉积物中各形态氮的释放难易程度以及释放量进一步量化, 以期查明TTN与上覆水中DIN和Chl a的关系, 为后续深入开展沉积物中TTN的生态意义研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集与预处理

2019年4月于大连搭载“辽科1号”在环渤海沿岸海域使用不锈钢抓斗式采样器采集表层(0~5cm)沉积物, 具体采样站位见图1。用有机玻璃采水器采集表、底层水样, 用1L聚乙烯瓶盛装, 加入1mL三氯甲烷后低温保存至分析。表层沉积物混匀后依次密封于聚乙烯袋中, 挤出空气, 低温冷藏带回实验室后迅速贮藏于-20℃冷库至分析。
图1 渤海采样点分布图

该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2021)3573的标准地图制作

Fig. 1 Sampling sites in the Bohai Sea

样品经冷冻干燥、去除杂质和生物残体、研磨后, 进行柱状培养器实验, 实验装置参考裴佳瑶等(2020)的实验装置。

1.2 沉积物TN和有机质的测定

TN的测定: 首先用高锰酸钾将NO2-N转化为NO3-N, 再用还原铁粉使全部NO3-N还原转化为铵态氮, 用加速剂(K2SO4:CuSO4:Se=100:10:1)和浓硫酸高温消解后, 用凯氏定氮仪测定氮含量, 最后根据氮含量换算成TN含量, 具体方法参考《沉积物质量调查评估手册》(姜霞 等, 2012)。冷冻干燥后, 部分沉积物样品过粗筛后用于分析沉积物的粒径, 按照粒径分为黏土(clay, <4µm), 粉砂(silt, 4~63µm)和砂(sand, >63µm)。剩余的样品研磨之后通过100目尼龙筛, 测定TN, 然后存放以备后续使用。
用烧失量法测定有机质含量, 即将冷冻干燥后的沉积物样品称取0.2~0.5g, 在550℃下将样品置于马弗炉中干烧3h, 根据质量差法计算沉积物样品中的有机质(organic matter, OM)含量(张嘉雯 等, 2020)。
海水中的DIN为NO2-、NO3-、NH4+这3种无极氮离子的浓度之和, 叶绿素a的测定使用丙酮萃取分光光度法。

1.3 氮形态实验

IEF-N: 精确称取0.5g沉积物样品置于50mL离心管中, 加入1.0molL-1 KCl 溶液20mL, 室温下振荡2h, 以4000rmin-1的转速离心10min, 分别取上层清液测定NH4+、NO3-的含量, 同时做空白对照。将剩余的上清液倾去, 残渣中加入10mL去离子水洗涤1次, 离心后烘干得残渣a。
WAEF-N: 在残渣a中加入20mL HAc-NaAc 溶液(pH=5), 室温下振荡6h, 以4000rmin-1的转速离心10min, 然后分别取上层清液测定NH4+、NO3-的含量, 同时做空白对照。将剩余的上清液倾去, 在残渣中加10mL去离子水洗涤1次, 离心后烘干得残渣b。
SAEF-N: 在残渣b中加入0.1molL-1 NaOH 20mL, 室温下振荡17h, 以4000rmin-1的转速离心10min, 取上层清液测定NH4+、NO3-的含量。如样品的浸出液呈现黄褐色, 则需进行消解处理(取浸出液2mL, 加入H2O2 5mL, 然后在电热板上加热煮沸至近干, 冷却后用蒸馏水定容至50mL), 同时做空白对照。将剩余的上清液倾去, 残渣中加10mL去离子水洗涤1次, 离心后烘干得残渣c。
SOEF-N: 在残渣c中加入20mL碱性过硫酸钾氧化剂(NaOH 9.6gL-1, K2S2O8 20gL-1), 振荡3h后, 放入高压灭菌锅内氧化1h, 离心后取上层清液测定 NH4+、NO3-的含量。以上4种可转化态氮中的前3种形态均为无机氮, 强氧化剂的可浸取态氮主要为有机氮(吕晓霞 等, 2004)。提取液中的NH4+采用次溴酸钠氧化法进行测定, 而NO3-采用锌镉还原法测定, 两者之和即为该形态氮的含量(马红波 等, 2003)。

1.4 氮的释放实验

将各站点10g沉积物样品分别加入到内径为8cm、长为50cm的有机玻璃管中, 然后各自添加500 mL经0.45µm滤膜过滤的上覆海水, 并在25℃的黑暗环境中静置24h。待沉积物-水界面交换达到平衡后, 取足量沉积物再次测定各形态TTN的浓度, 其减少的量即为各形态TTN的释放量(Zheng et al, 2008; Yang et al, 2017):
R=C-A
P=R/C
式中: R为某种形态氮的释放量; C为某种形态氮的含量; A为某种形态氮释放之后的含量; P为某种形态氮的释放比例。

1.5 数据处理

使用Excel 2016进行数据处理, 采用Origin 2021绘制不同形态的TIN含量图和释放比例图, 采用SPSS 24.0进行Pearson相关性分析, 使用ArcGIS 10.3进行采样图制作。

2 结果

2.1 沉积物与上覆水的相关参数分析

沉积物的一些参数和上覆水的环境状况对沉积物中各形态TTN的影响各不相同, 为了探究其对各形态TTN的影响, 测定了一些沉积物和上覆水的相关性质, 发现沉积物中粉砂的平均含量最高, 砂和黏土次之(表1); 表、底层海水中DIN浓度基本都在Ⅳ级海水水质以内, 且各站点差异不大, 而同一站点中Chl a浓度在表、底层的差异则在2~3倍之间。
表1 沉积物和上覆水的一般参数

Tab. 1 General parameters of sediments and overlying water

项目 含量范围 均值±标准差
黏土/% 2.42~23.5 12.23±5.17
粉砂/% 8.66~74.98 50.65±17.38
砂/% 5.43~88.92 37.1±21.45
有机质/(mgkg-1) 2575.89~50629.18 24945.31±11147.38
表层海水DIN/(mgL-1) 0.04~0.21 0.08 ±0.04
表层海水Chl a/(μgL-1) 0.80~2.81 1.60±0.49
底层海水DIN/(mgL-1) 0.06~0.19 0.09±0.03
底层海水Chl a/(μgL-1) 0.92~10.60 4.43±0.50

2.2 各形态TTN的含量和释放能力

释放量和释放比例依据式(1)和式(2)计算, 表2列出了各形态TTN的释放量和释放比例结果。由表中数据可知, 调查海域各形态TTN的含量大小为SOEF-N>SAEF-N>IEF-N>WAEF-N, 释放量的顺序为IEF-N>SAEF-N>SOEF-N>WAEF-N, 释放比例的顺序为IEF-N>WAEF-N>SAEF-N>SOEF-N, 各站点对应的值可以从图2—4中看出。本文研究区各形态TTN的含量明显低于长江中下游湖泊、洪泽湖等湖泊, 这可能与海洋的稀释能力更强且人类活动相对较弱有关(姜双城 等, 2014)。
表2 各形态TTN的含量、释放量和释放比例

Tab. 2 Content and release capacity of each TTN

TTN形态 范围 均值±标准差
含量/(mgkg-1) IEF-N 7.85~38.28 15.87±6.34
WAEF-N 3.44~18.48 7.86±3.72
SAEF-N 6.36~40.72 17.19±10.71
SOEF-N 9.21~33.76 21.07±7.60
释放量/(mgkg-1) IEF-N 3.57~26.89 11.40±5.26
WAEF-N 2.23~11.79 5.13±2.54
SAEF-N 3.25~19.16 8.91±4.32
SOEF-N 1.71~13.31 6.34±3.17
释放比例/% IEF-N 45.5~86.93 69.83±10.38
WAEF-N 50.03~80.28 64.93±7.68
SAEF-N 32.63~77.79 56.27±12.01
SOEF-N 16.23~48.47 29.56±8.83
图2 各采样点表层沉积物中不同形态的TTN含量

Fig. 2 Nitrogen content of various forms in the surface sediments

图3 各采样点不同形态的TTN释放量比较

Fig. 3 Comparison of nitrogen fraction content and release amount at various sampling sites

图4 各采样点不同形态的TTN释放比例

Fig. 4 Release ratio of nitrogen fraction at each sampling sites

2.3 各形态氮的释放能力与沉积物相关参数的关系

沉积物的氮释放能力受到多方面因素的影响, 本文主要研究沉积物粒度以及TN和有机质含量对氮释放能力的影响。各形态TTN的释放量用R表示, 其下标为对应的TTN形态。由表3可知, RIEF-N、RWAEF-N与IEF-N表现为显著的正相关关系(P<0.05); WAEF-N与RWAEF-N、SAEF-N与RSAEF-N、RSOEF-N与SOEF-N均表现出显著的相关性(P<0.01)。这表明沉积物中有机质和各形态的TTN都具有正相关关系。
表3 各形态TTN及其氮释放能力与沉积物相关参数的相关性分析

Tab. 3 Correlation analysis between the nitrogen release capacity of each TTN and the physical and chemical properties of the sediment

RIEF-N RWAEF-N RSAEF-N RSOEF-N IEF-N WAEF-N SAEF-N SOEF-N
RIEF-N 1 0.414* 0.974** 0.106 0.273
RWAEF-N 0.370 1 0.439* 0.959** 0.221 -0.175
RSAEF-N 0.121 0.215 1 0.099 0.181 0.902** 0.196
RSOEF-N 0.296 -0.340 0.024 1 0.295 -0.213 -0.002 0.822**
TN -0.038 0.072 -0.080 -0.047 0.009 0.195 0.078 -0.053
黏土 0.280 0.093 0.039 0.217 0.315 0.144 0.076 0.285
粉砂 0.208 0.100 -0.173 -0.162 0.201 0.089 -0.157 -0.169
砂 -0.236 -0.104 0.131 0.079 -0.239 -0.107 0.109 0.068
OM 0.404 0.131 0.055 0.239 0.402 0.201 0.063 0.194

注: 各形态TTN的释放量用R表示, 其下标为对应的TTN形态; *表示在0.05水平上显著性相关, **表示在0.01水平上显著性相关

2.4 表层沉积物中各形态TTN及其释放量与海水中营养盐和Chl a的关系

沉积物向上覆水释放的氮素是海水中生源要素的重要来源, 对氮素的生物地球化学循环具有重要意义。分别以SDIN、BDIN代表表、底层海水中的DIN含量, 以SChl a、BChl a代表表、底层海水中的Chl a含量, 由表4数据可知, RSOEF-N和SOEF-N均与BChl a具有显著的负相关关系(P<0.05), 而BChl a、BDIN和SChl a、SDIN都表现为极显著的正相关性(P<0.01), 说明了研究区域表层和底层海水中的Chl a和DIN没有明显分层。
表4 表层沉积物中各形态TTN及其释放量与海水中营养盐和Chl a的相关性分析

Tab. 4 Correlation analysis of TTN and its release in the surface sediments on nutrients and Chl a in seawater

RIEF-N RWAEF-N RSAEF-N RSOEF-N IEF-N WAEF-N SAEF-N SOEF-N SDIN SChl a BChl a BDIN
RIEF-N 1
RWAEF-N 0.370 1
RSAEF-N 0.121 0.215 1
RSOEF-N 0.296 -0.340 0.024 1
IEF-N 0.414* 0.959** 0.181 -0.213 1
WAEF-N 0.974** 0.439* 0.099 0.295 0.501* 1
SAEF-N 0.106 0.221 0.902** -0.002 0.226 0.107 1
SOEF-N 0.273 -0.175 0.196 0.822** -0.070 0.276 0.197 1
SDIN -0.147 -0.004 -0.079 -0.178 -0.098 -0.212 -0.027 -0.171 1
SChl a 0.033 0.371 0.122 -0.367 0.381 -0.007 0.013 -0.385 -0.235 1
BChl a -0.267 0.264 0.146 -0.464* 0.221 -0.270 0.021 -0.471* -0.121 0.803** 1
BDIN 0.086 0.166 0.064 -0.197 0.101 -0.005 0.047 -0.137 0.831** 0.002 0.103 1

注: SDIN、BDIN 分别代表表、底层海水中的DIN含量, SChl a、BChl a 分别代表表、底层海水中的Chl a含量; *表示在0.05水平上显著性相关, **表示在0.01水平上显著性相关

3 讨论

3.1 TTN含量与沉积物性质的关系

当氮的外源输入得到控制时, 影响上覆水中氮素浓度的最重要因素之一是沉积物的氮释放(赵晨英 等, 2016; Yang et al, 2017)。SOEF-N主要是有机质和硫化物结合形态的氮, 一般在沉积物中占据主要地位(赵海超 等, 2013; Yang et al, 2017)。本研究中SOEF-N的含量和释放量均最大, 这可能是渤海较强的陆源有机质输入和较少的输出导致, 而释放量最大与SOEF-N的含量有关, 其在每个采样点的含量都占据很大的比重, 这与Yang等(2017)的研究结果一致。Lü等(2005)发现南黄海表层沉积物中80%的SOEF-N能重新参与生物地球化学循环, 这也与本文研究区域中的部分站点相似。
沉积物中的WAEF-N结合形式类似于碳酸盐结合形式(马红波 等, 2003)。因此, 当沉积环境中的pH值较低时, WAEF-N可以部分释放并参与氮循环(吕晓霞 等, 2004; Li et al, 2012)。从表4可知, RWAEF-N与有机质含量呈一定的负相关关系, 这可能是OM提供了众多的吸附位点, 从而不易于从沉积物中释放。
IEF-N是结合能力较弱的氮形态, 同时也是最容易浸取出来的氮形态和参与氮循环的主要形态, 由NH4+和NO3-松散地吸附在沉积物表面(周美玲 等, 2018)。IEF-N和WAEF-N的释放量较为稳定, 说明其释放主要跟提取剂的能力相关, 而与沉积物的性质关系较小, 许多研究也表明这两种形态氮的释放能力较强(吕晓霞 等, 2004; Wang et al, 2008; Yang et al, 2017)。此外, IEF-N与沉积物的吸附能力有关, 本研究中最值得指出的是T1站点, 因为该站点处于滦河的泥沙沉积区, 砂含量与其他站点相比最高(88.92%), 而黏土和粉砂含量均最低, 这也导致了其有机质含量为最低 (2575.89mgkg-1), 从而使沉积物对IEF-N的吸附能力减弱, 这与Yang等(2017)和吕晓霞等(2004)的研究结果也相一致。RIEF-N、RWAEF-N和IEF-N、WAEF-N分别表现出很强的相关性, 这可能与自身的性质相关, 作为两种最容易释放的氮形态, 两者的释放能力具有很高的相似性(Wang et al, 2008)。
强碱可浸取态氮(SAEF-N)与沉积物的结合能力相当于铁、锰等金属氧化物的结合能力(王功芹 等, 2016), 该形态氮的含量主要受氧化还原环境的影响。本文中SAEF-N与沉积物理化因素的相关性较小, 原因可能是对SAEF-N影响最大的因素是沉积物的氧化还原状态, 因此后续的研究中应该重点考虑氧化还原状态(Yang et al, 2017)。

3.2 沉积物粒度与有机质对氮释放能力的影响

OM含量与沉积物中各形态的TTN都表现出正相关性, 说明TTN的形成与OM的含量有关。事实上, OM的矿化分解作用是TTN的重要来源, 矿化产物又能提供众多的吸附位点。OM与IEF-N具有更强的相关性, 这也和OM提供的大量吸附基团相关。孙晓杰等(2021)对黄河甘宁蒙段表层沉积物的研究表明, 有机质含量较高时能明显促进磷的吸附过程; 黄欣嘉等(2017)在对湘江衡阳段的硝态氮吸附和解吸特性研究时也得出相同的结论。此外, 周睿等(2018)认为有机质含量越高的沉积物, 其氮素的吸附位点越多, 可以吸附的WAEF-N也就更多, 从而一定程度上减弱了WAEF-N的释放。从物理学角度来看, 沉积物粒径越小, 比表面积越大, 对氮的吸附能力就越强。因此, 4种TTN与黏土的相关系数比粉砂和砂大。RSOEF-N与粉砂的含量呈显著的负相关关系, 而与砂的含量则呈正相关关系, 说明粒径较小的沉积物对于SOEF-N的吸附有一定的帮助。粒径太小则导致沉积物处于厌氧环境, 抑制了有机质的矿化作用, 从而减少了SOEF-N的来源, 吕晓霞等(2004)的研究结果也验证了此观点。SAEF-N通常在氧化环境下积累而在还原条件下释放(Ye et al, 2019), 而有机质的矿化会消耗溶解氧, 因此有机质含量越高越容易导致SAEF-N的释放。

3.3 氮释放量与上覆水中营养盐和Chl a的关系

DIN是重要的生源要素之一, 是海洋生态系统初级生产力的重要基础, 内源释放是海水中DIN 的重要源头(Liu et al, 2011; Bristow et al, 2017)。BDIN、SDIN和各形态TTN的相关性存在差异, 其中BDIN与TTN的相关性要强于SDIN, 这可能是由于各形态TTN的释放首先影响BDIN的浓度, 而SDIN受到外源输入DIN的影响更大。从表4可知, BChl a与RSOEF-N呈显著的负相关关系, 显示了SOEF-N和沉积物的结合能力最强, 也最难释放, 说明浮游植物生长利用的氮可能不是主要来自沉积物中SOEF-N的释放。而IEF-N与表、底层海水中的Chl a浓度都呈现出正相关关系, 说明浮游植物生长需要的氮和IEF-N释放的氮之间有很好的相关性。Cowan等(1996)发现沉积物的氮通量能满足浮游植物需氮量的36%, 其他的一些研究也表明IEF-N是各形态的TTN中最容易释放的一种(郑国侠 等, 2006; 张小勇 等, 2013)。Chl a与沉积物并没有直接的相互作用, 而是通过一系列的物理作用、化学作用和生物活动间接地影响沉积物的早期成岩过程, 从而影响沉积物中氮的形态和含量(吕晓霞 等, 2004; 戴纪翠 等, 2007)。根据对渤海中部沉积物中各形态TTN与Chl a的相关性分析可得出, IEF-N对上覆水中Chl a总量的贡献较大。

4 结论

1) 渤海中部各站点表层沉积物的可转化氮含量大小为SOEF-N>SAEF-N>IEF-N>WAEF-N, 释放量为IEF-N>SAEF-N>SOEF-N>WAEF-N, 释放比例为IEF-N>WAEF-N>SAEF-N>SOEF-N。从各形态TTN的含量来说, 渤海沉积物的氮释放潜力较小。
2) 对于沉积物性质, SOEF-N的释放与粉砂含量呈负相关关系, 而与砂含量呈正相关关系; 黏土和有机质与各形态TTN的相关性均较强, 这与黏土和有机质能为各形态TTN的形成提供更多的吸附位点有关; SOEF-N与上覆水中Chl a和DIN都呈负相关关系, 说明SOEF-N的释放对上覆水中Chl a和DIN影响较小。
3) 从上覆水来看, IEF-N与其中的DIN和Chl a的相关性均较强, 这可能和IEF-N的释放能力最强有关; 表层海水中的Chl a和DIN分别与底层水中的Chl a和DIN具有极强的正相关关系, 表明本文研究区域中的水柱没有出现明显分层。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
戴纪翠, 宋金明, 郑国侠, 等, 2007. 胶州湾沉积物氮的环境生物地球化学意义[J]. 环境科学, 28(9): 1924-1928.

DAI JICUI, SONG JINMING, ZHENG GUOXIA, et al, 2007. Environmental biogeochemical significance of nitrogen in Jiaozhou Bay sediments[J]. Environmental Science, 28(9): 1924-1928. (in Chinese with English abstract)

[2]
何桐, 谢健, 余汉生, 等, 2009. 大亚湾表层沉积物中氮的形态分布特征[J]. 热带海洋学报, 28(2): 86-91.

HE TONG, XIE JIAN, YU HANSHENG, et al, 2009. Distribution characteristics of different forms of nitrogen in surface sediments of Daya Bay[J]. Journal of Tropical Oceanography, 28(2): 86-91. (in Chinese with English abstract)

[3]
黄欣嘉, 何少华, 王赛, 2017. 湘江衡阳段沉积物对硝态氮的吸附特性研究[J]. 安全与环境学报, 17(5): 1922-1926.

HUANG XINJIA, HE SHAOHUA, WANG SAI, 2017. Characteristics of adsorption of nitrate nitrogen for the sediment substances in Hengyang section of Xiang River[J]. Journal of Safety and Environment, 17(5): 1922-1926. (in Chinese with English abstract)

[4]
黄小平, 郭芳, 岳维忠, 2006. 南海北部沉积物间隙水中营养盐研究[J]. 热带海洋学报, 25(5): 43-48.

HUANG XIAOPING, GUO FANG, YUE WEIZHONG, 2006. Studies on nutrients in sediment interstitial water in northern South China Sea[J]. Journal of Tropical Oceanography, 25(5): 43-48. (in Chinese with English abstract)

[5]
姜双城, 林培梅, 林建伟, 等, 2014. 厦门湾沉积物中磷的形态特征及环境意义[J]. 热带海洋学报, 33(3): 72-78.

JIANG SHUANGCHENG, LIN PEIMEI, LIN JIANWEI, et al, 2014. Distribution characteristics of phosphorus and its environmental significance in the surface sediments of Xiamen Gulf[J]. Journal of Tropical Oceanography, 33(3): 72-78. (in Chinese with English abstract)

[6]
姜霞, 王书航, 等, 2012. 沉积物质量调查评估手册[M]. 北京: 科学出版社: 27-30. (in Chinese)

[7]
吕晓霞, 宋金明, 袁华茂, 等, 2004. 南黄海表层沉积物中氮的潜在生态学功能[J]. 生态学报, 24(8): 1635-1642.

LÜ XIAOXIA, SONG JINMING, YUAN HUAMAO, et al, 2004. The potential ecological roles of nitrogen in the surface sediments of the South Yellow Sea[J]. Acta Ecologica Sinica, 24(8): 1635-1642. (in Chinese with English abstract)

[8]
马红波, 宋金明, 吕晓霞, 等, 2003. 渤海沉积物中氮的形态及其在循环中的作用[J]. 地球化学, 32(1): 48-54.

MA HONGBO, SONG JINMING, LÜ XIAOXIA, et al, 2003. Nitrogen forms and their functions in recycling of the Bohai Sea sediments[J]. Geochimica, 32(1): 48-54. (in Chinese with English abstract)

[9]
裴佳瑶, 冯民权, 2020. 环境因子对雁鸣湖沉积物氮磷释放的影响[J]. 环境工程学报, 14(12): 3447-3459.

PEI JIAYAO, FENG MINQUAN, 2020. Effects of environmental factors on the release of nitrogen and phosphorus from the sediment of the Yanming Lake, China[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 14(12): 3447-3459. (in Chinese with English abstract)

[10]
孙晓杰, 舒航, 刘云江, 等, 2021. 环境因子对黄河甘宁蒙段表层沉积物中磷吸附-解吸的影响[J]. 水资源保护, 37(4): 51-60.

SUN XIAOJIE, SHU HANG, LIU YUNJIANG, et al, 2021. Effects of environmental factors on phosphorus adsorption and desorption in surface sediments of Gansu-Ningxia-Inner Mongolia section of the Yellow River[J]. Water Resources Protection, 37(4): 51-60. (in Chinese with English abstract)

[11]
王功芹, 朱珠, 张硕, 2016. 海州湾表层沉积物中氮的赋存形态及其生态意义[J]. 环境科学学报, 36(2): 450-457.

WANG GONGQIN, ZHANG SHUO, 2016. Nitrogen forms in the surface sediment of Haizhou Bay and their ecological significance[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 36(2): 450-457. (in Chinese with English abstract)

[12]
张嘉雯, 魏健, 刘利, 等, 2020. 衡水湖沉积物营养盐形态分布特征及污染评价[J]. 环境科学, 41(12): 5389-5399.

ZHANG JIAWEN, WEI JIAN, LIU LI, et al, 2020. Distribution characteristics and pollution assessment of nutrients in Hengshui Lake sediments[J]. Environmental Science, 41(12): 5389-5399. (in Chinese with English abstract)

DOI

[13]
张小勇, 孙耀, 石晓勇, 等, 2013. 黄海、东海陆架区沉积物中氮的形态分布及与浮游植物总量的关系[J]. 海洋学报, 35(1): 111-120.

ZHANG XIAOYONG, SUN YAO, SHI XIAOYONG, et al, 2013. The distribution of nitrogen forms and the relationship with the total phytoplankton in the Huanghai Sea and the East China Sea continental shelf[J]. Acta Oceanologica Sinica, 35(1): 111-120. (in Chinese with English abstract)

DOI

[14]
赵晨英, 臧家业, 刘军, 等, 2016. 黄渤海氮磷营养盐的分布、收支与生态环境效应[J]. 中国环境科学, 36(7): 2115-2127.

ZHAO CHENYING, ZANG JIAYE, LIU JUN, et al, 2016. Distribution and budget of nitrogen and phosphorus and their influence on the ecosystem in the Bohai Sea and Yellow Sea[J]. China Environmental Science, 36(7): 2115-2127. (in Chinese with English abstract)

[15]
赵海超, 王圣瑞, 焦立新, 等, 2013. 洱海沉积物中不同形态氮的时空分布特征[J]. 环境科学研究, 26(3): 235-242.

ZHAO HAICHAO, WANG SHENGRUI, JIAO LIXIN, et al, 2013. Characteristics of temporal and spatial distribution of the nitrogen forms in the sediments of Erhai Lake[J]. Research of Environmental Sciences, 26(3): 235-242. (in Chinese with English abstract)

[16]
郑国侠, 宋金明, 孙云明, 等, 2006. 南海深海盆表层沉积物氮的地球化学特征与生态学功能[J]. 海洋学报, 28(6): 44-51.

ZHENG GUOXIA, SONG JINMING, SUN YUNMING, et al, 2006. Geochemical characteristics and ecological functions of nitrogen in the abyssal basin surface sediments, South China Sea[J]. Acta Oceanologica Sinica, 28(6): 44-51. (in Chinese with English abstract)

[17]
周美玲, 张鉴达, 杨小雨, 等, 2018. 昌黎黄金海岸自然保护区海域表层沉积物中氮赋存形态分布特征[J]. 海洋环境科学, 37(5): 691-698.

ZHOU MEILING, ZHANG JIANDA, YANG XIAOYU, et al, 2018. Distribution of nitrogen in surface sediments of the Golden Beach Ocean Nature reserve, Changli[J]. Marine Environmental Science, 37(5): 691-698. (in Chinese with English abstract)

[18]
周睿, 袁旭音, BAWK M J, 等, 2018. 不同湖泊入湖河流沉积物可转化态氮的空间分布及其影响因素[J]. 环境科学, 39(3): 1122-1128.

ZHOU RUI, YUAN XUYIN, BAWK M J, et al, 2018. Spatial distributions of transferable nitrogen forms and influencing factors in sediments from inflow rivers in different lake basins[J]. Environmental Science, 39(3): 1122-1128. (in Chinese with English abstract)

[19]
朱元荣, 张润宇, 吴丰昌, 2011. 滇池沉积物中氮的地球化学特征及其对水环境的影响[J]. 中国环境科学, 31(6): 978-983.

ZHU YUANRONG, ZHANG RUNYU, WU FENGCHANG, 2011. Geochemical characteristics and influence to overlying water of nitrogen in the sediments from Dianchi Lake[J]. China Environmental Science, 31(6): 978-983. (in Chinese with English abstract)

[20]
邹景忠, 董丽萍, 秦保平, 1983. 渤海湾富营养化和赤潮问题的初步探讨[J]. 海洋环境科学, 2(2): 41-54. (in Chinese)

[21]
AIGARS J, CARMAN R, 2001. Seasonal and spatial variations of carbon and nitrogen distribution in the surface sediments of the Gulf of Riga, Baltic Sea[J]. Chemosphere, 43(3): 313-320.

DOI

[22]
BRISTOW L A, MOHR W, AHMERKAMP S, et al, 2017. Nutrients that limit growth in the ocean[J]. Current Biology, 27(11): R474-R478.

DOI

[23]
COWAN J L W, PENNOCK J R, BOYNTON W R, 1996. Seasonal and interannual patterns of sediment-water nutrient and oxygen fluxes in Mobile Bay, Alabama (USA): regulating factors and ecological significance[J]. Marine Ecology Progress Series, 141: 229-245.

DOI

[24]
FISHER N S, COWDELL R A, 1982. Growth of marine planktonic diatoms on inorganic and organic nitrogen[J]. Marine Biology, 72(2): 147-155.

DOI

[25]
GARDNER W S, YANG L Y, COTNER J B, et al, 2001. Nitrogen dynamics in sandy freshwater sediments (Saginaw Bay, Lake Huron)[J]. Journal of Great Lakes Research, 27(1): 84-97.

DOI

[26]
LI H, WANG Y, SHI L Q, et al, 2012. Distribution and fractions of phosphorus and nitrogen in surface sediments from Dianchi Lake, China[J]. International Journal of Environmental Research, 6(1): 195-208.

[27]
LIU SUMEI, LI LINGWEI, ZHANG ZHINAN, 2011. Inventory of nutrients in the Bohai[J]. Continental Shelf Research, 31(16): 1790-1797.

DOI

[28]
LÜ XIAOXIA, SONG JINMING, LI XUEGANG, et al, 2005. Geochemical characteristics of nitrogen in the southern Yellow Sea surface sediments[J]. Journal of Marine Systems, 56(1-2): 17-27.

DOI

[29]
OLSEN S, JEPPESEN E, MOSS B, et al, 2015. Factors influencing nitrogen processing in lakes: an experimental approach[J]. Freshwater Biology, 60(4): 646-662.

DOI

[30]
SCHINDLER D W, HECKY R E, FINDLAY D L, et al, 2008. Eutrophication of lakes cannot be controlled by reducing nitrogen input: Results of a 37-year whole-ecosystem experiment[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 105(32): 11254-11258.

[31]
WANG SHENGRUI, JIN XIANGCAN, JIAO LIXIN, et al, 2008. Nitrogen fractions and release in the sediments from the shallow lakes in the middle and lower reaches of the Yangtze River area, China[J]. Water, Air, and Soil Pollution, 187(1-4): 5-14.

DOI

[32]
YANG WANQIU, XIAO HAN, LI YE, et al, 2017. Vertical distribution and release characteristics of nitrogen fractions in sediments in the estuaries of Dianchi Lake, China[J]. Chemical Speciation & Bioavailability, 29(1): 110-119.

[33]
YE HONGMENG, YANG HAO, HAN NIAN, et al, 2019. Risk assessment based on nitrogen and phosphorus forms in watershed sediments: A case study of the upper reaches of the Minjiang Watershed[J]. Sustainability, 11(20): 5565.

DOI

[34]
ZHAO HAICHAO, ZHAO HAIXIANG, WANG SHENGRUI, et al, 2020. Coupling characteristics and environmental significance of nitrogen, phosphorus and organic carbon in the sediments of Erhai Lake[J]. Environmental Science and Pollution Research, 27(16): 19901-19914.

DOI

[35]
ZHENG GUOXIA, SONG JINMING, SUN YUNMING, et al, 2008. Characteristics of nitrogen forms in the surface sediments of southwestern Nansha Trough, South China Sea[J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 26(3): 280-288.

DOI

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