1 引言

　　氮是海洋生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要元素，其含量和比例的改變會影響水體浮游植物和藻類的群落結構及生長，成為浮游植物生長的限制性因子.沉積物是海洋環(huán)境中氮的重要源與匯，能參與交換的生物可利用氮量取決于沉積物中氮的賦存形態(tài).不同形態(tài)氮和沉積物的物理化學結合能力不同，在氮循環(huán)中所起的作用不同，因此，沉積物中氮形態(tài)的定量研究是探討海洋沉積物中氮生態(tài)作用的重要前提.以往對沉積物的研究大多集中于總氮、有機氮和無機氮.其中，有機氮主要由蛋白質(zhì)、核酸、氨基酸和腐殖質(zhì)4類化學物質(zhì)組成，而且大部分是腐殖質(zhì);無機氮包括吸附態(tài)無機氮和固定態(tài)銨.然而，以上分類方法并不能揭示各種氮形態(tài)對氮循環(huán)的貢獻，因此，對沉積物中的氮用分級浸取分離方法提取出可轉(zhuǎn)化態(tài)氮，得到能參與循環(huán)的真正部分，是研究海洋沉積物中氮循環(huán)必須解決的關鍵問題.

　　海州灣位于蘇魯交界處，面積約869 km2，是我國黃海中南部一個典型的半開闊海灣.沿岸有多條河流注入其中，是受沿岸人為活動影響最為明顯的海域之一.目前，對于海州灣海區(qū)氮形態(tài)的研究比較少，研究其表層沉積物中氮形態(tài)可為了解該海域氮的循環(huán)和補充機制提供參考.基于此，本文擬利用連續(xù)浸取法對海州灣表層沉積物樣品中的可轉(zhuǎn)化態(tài)氮進行分析測定，探討可轉(zhuǎn)化態(tài)氮中各形態(tài)氮的含量和分布，以及其與粒度和有機碳的相關關系，揭示其生態(tài)意義.

　　2 材料和方法

　　2.1 樣品的采集與預處理

　　樣品于2014年10月采集于海州灣海域(采樣區(qū)域：北緯34°50′~34°58′，東經(jīng)119°20′~119°35′)，共設置10個站位(圖 1)，其中，海洋牧場區(qū)7個站點(RA1、RA2、RA3、RA4、RA5、RA6、RA7)，對照區(qū)3個站點(CA1、CA2、CA3).用抓斗采泥器采集表層0~2 cm沉積物樣品.樣品采集后立即裝入自封袋密封，排盡空氣，于4 ℃下冷藏保存.運回實驗室后于陰涼通風處自然風干，用研缽輕輕搗碎，保持沉積物的自然粒度，過100目篩后置于干燥器備用.

　　圖1 海州灣采樣站位圖

　　2.2 分析與測定

　　稱取1 g(準確到0.1 mg)表層沉積物樣品，用改進的沉積物中磷(P)的分級浸取分離方法，將表層沉積物中不同形態(tài)的可轉(zhuǎn)化態(tài)氮(TTN)提取出來，得到離子交換態(tài)氮(IEF-N)、弱酸可浸取態(tài)氮(WAEF-N)、強堿可浸取態(tài)氮(SAEF-N)及強氧化劑可浸取態(tài)氮(SOEF-N)，具體提取步驟見圖 2.每一步驟浸取液中氮的測定方法均采用重氮偶氮分光光度法，測定的基本原理見《海洋監(jiān)測規(guī)范》中的污水分析部分，NH4+-N用次溴酸鈉氧化法氧化后測定，NO3--N用鋅鎘還原法還原后測定，每組樣品做3個平行樣，測定誤差<±5%.

　　圖2 各形態(tài)氮分級浸取示意圖

　　總氮(TN)的測定采用凱氏定氮法，稱取過100目篩的沉積物樣品1 g(準確到0.1 mg)于定氮管，在加速劑的催化下，經(jīng)濃硫酸消煮后，用定氮儀測定.非轉(zhuǎn)化態(tài)氮(NTN)由TN和可轉(zhuǎn)化態(tài)氮(TTN)差值得到.

　　粒度和總有機碳測定：利用激光粒度儀、liquidTOCⅡ總有機碳分析儀分別對表層沉積物樣品的粒徑大小和構成比例、總有機碳進行測定.

　　2.3 數(shù)據(jù)處理方法

　　采用SPSS 19.0對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，相關分析用Pearson相關系數(shù)法.采用Gswin32、Origin8.0等軟件進行采樣站點圖和各形態(tài)氮含量與分布圖的繪制.

　　3 結果與討論

　　3.1 表層沉積物中各形態(tài)氮的含量、分布與變化

　　海州灣調(diào)查站位表層沉積物中各形態(tài)氮的含量見表 1.表中列出了各站點IEF-N、WAEF-N、SAEF-N、SOEF-N、TTN、非轉(zhuǎn)化態(tài)氮(NTN)、總氮(TN)的含量及平均值.

　　　　表1 調(diào)查區(qū)各站位表層沉積物中各形態(tài)氮的含量

         3.1.1 沉積物中TN的含量、分布及變化

　　海州灣海域表層沉積物TN的平面分布如圖 3a所示，TN的含量范圍為469.00~975.10 mg · kg-1，平均為681.59 mg · kg-1.TN含量最大值出現(xiàn)在對照區(qū)2(CA2)，為975.10 mg · kg-1.由于海州灣為一個半開闊性海灣，CA2離岸最近，因此，受陸源入灣河流下泄所攜帶營養(yǎng)物質(zhì)影響較大;此外，由于海州灣地區(qū)為半日潮，自身潮流比較弱，且秋季海州灣海域以東北-西南向潮流為主，海水交換能力減弱以外洋水向岸補充為主，不利于污染物的離岸運送(周德山，2008)，導致陸源污染物在CA2站點等近岸海域聚集.對照區(qū)1~3(CA1~CA3)的總氮含量均高于660 mg · kg-1，且高于多數(shù)海洋牧場區(qū)，海洋牧場魚礁區(qū)7(RA7)的總氮含量最低，可能是由于該區(qū)域有筏式吊養(yǎng)藻類，藻類對水體中營養(yǎng)鹽的吸收利用有利于沉積物中營養(yǎng)鹽向水體釋放，從而使海洋牧場區(qū)的氮含量較對照區(qū)低.

　　3.1.2 沉積物中TTN的含量、分布及變化

　　表層沉積物中的TTN是TN中能參與循環(huán)的真正部分.TTN的含量范圍為105.26~123.97 mg · kg-1，平均為112.66 mg · kg-1，TTN占TN的11.15%~24.64%，平均為 16.52%.海州灣表層沉積物中可轉(zhuǎn)化態(tài)氮所占百分比大于的研究結果(13.55%)，小于(25.33%~59.87%)與30.85%)的研究結果，與的研究結果(16.81%)相當. TTN含量的空間分布整體呈現(xiàn)出海洋牧場區(qū)高于對照區(qū)的特點，最高值在RA6站位，最低值在CA3站位.

　　各形態(tài)氮的分布差異明顯：首先是平均含量差異較大，各形態(tài)氮中，SOEF-N含量最高，平均為85.32 mg · kg-1，WAEF-N最小，平均為5.78 mg · kg-1;其次是各形態(tài)氮的平面分布類型差異明顯，IEF-N在中央海區(qū)的含量高于灣內(nèi)和兩側海區(qū)，呈高值分布，WAEF-N和SAEF-N則正好相反，在中央海區(qū)呈現(xiàn)低值分布，SOEF-N的分布較為復雜，出現(xiàn)兩個高值區(qū).

　　離子交換態(tài)氮(IEF-N)與沉積物結合能力最弱，容易被釋放出來，參與海洋生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)，在氮循環(huán)中具有重要地位.鹽度、溫度、生物擾動、DO、pH及有機質(zhì)的含量都會影響到IEF-N的含量與釋放，沉積物本身的粒度及結構性質(zhì)也與其釋放有直接的關系.表層沉積物中IEF-N含量范圍為9.89~16.32 mg · kg-1，平均為12.63 mg · kg-1，占TN的1.85%.IEF-N在中央海區(qū)的含量高于灣內(nèi)和近岸海區(qū)，呈高值分布，最大值在RA1站位.這是眾多影響因素共同作用的結果，使該站點附近的表層沉積物具有較強的吸附能力，對IEF-N的吸附量增大，從而呈現(xiàn)此分布狀態(tài).

　　弱酸可浸取態(tài)氮(WAEF-N)的含量范圍為4.69~6.61 mg · kg-1，平均為5.78 mg · kg-1，占TN的0.85%，是TTN中含量最小的一種形態(tài)，其釋放能力比IEF-N稍低，與海洋沉積物的結合能力相當于碳酸鹽的結合能力，是一種碳酸鹽結合態(tài)氮.因此，其分布主要與沉積物中的碳酸鹽環(huán)境相關，此外，還受多種因素的影響，如沉積物粒度、有機質(zhì)礦化過程中酸堿度的改變等.由圖 4b可以看出，RA6、RA7處WAEF-N含量較高，WAEF-N的分布主要與沉積物有機質(zhì)礦化過程中pH值的變化有關，其變化使CaCO3沉淀或溶解，與NH4+或NO3-結合.

　　強堿可浸取態(tài)氮(SAEF-N)與沉積物的結合能力相當于鐵、錳、鎂等金屬氧化物的結合能力.表層沉積物中SAEF-N含量在6.60~11.13 mg · kg-1之間，平均為8.93 mg · kg-1，占TN的1.31%.SAEF-N與沉積物的氧化還原環(huán)境相關，有機質(zhì)含量、pH、微生物活動都會影響SAEF-N的含量及分布.可以看出，在灣口和遠離灣口的一側SAEF-N含量較高，而中間區(qū)域含量較低.造成這種分布的原因可能是海州灣中間區(qū)域的沉積物較兩側沉積物處于較強的還原環(huán)境，有利于SAEF-N向上覆水體中釋放，被生物利用，從而造成表層沉積物中的含量較低.

　　強氧化劑可浸取態(tài)氮(SOEF-N)是可轉(zhuǎn)化態(tài)氮中含量最大的一種形態(tài)，是有機形態(tài)的氮，釋放能力最弱，對海水沉積物界面的絕對貢獻最大.表層沉積物中SOEF-N含量在76.39~94.55 mg · kg-1之間，平均為85.32 mg · kg-1，占TN的12.52%，由此可見，SOEF-N是該海域沉積物中TTN的主要存在形態(tài).其分布較復雜，出現(xiàn)兩個高值區(qū)SOEF-N的分布首先與表層沉積物的來源有關，河流注入海州灣帶來大量富含有機質(zhì)的物質(zhì);影響SOEF-N分布的因素還有沉積物的粒度、氧化還原環(huán)境，以及有機質(zhì)向沉積物的輸送速度等.沉積物粒度越細，會造成不透氣的環(huán)境，有利于保存有機質(zhì);同時也與沉積物本身的吸附有關，由于存在陽離子，能與蛋白質(zhì)、氨基酸、酚類、糖類等有機顆粒牢固結合;有機質(zhì)向沉積物的輸送速度與上覆水體的水深成反比，與初級生產(chǎn)力成正比.海州灣為一半封閉淺灣，沿岸有多條河流注入，受陸源物質(zhì)影響強烈，各因素對SOEF-N分布的影響很復雜，因此，其分布也較為復雜.

　　3.1.3 沉積物中NTN的含量、分布及變化

　　海州灣表層沉積物中NTN的含量在353.42~866.29 mg · kg-1 之間，平均為568.93 mg · kg-1，占TN的83.48%，最大值出現(xiàn)在距離灣口最近的CA2站點，最小值位于距離灣口最遠RA7站點，NTN的空間分布呈現(xiàn)自西向東逐漸減小的趨勢，與TN的分布趨勢大體相同.這是由于秋季以向岸流為主，受外洋水向岸堆積影響，不利于污染物的離岸運送，導致陸源污染物在CA2站點等近岸海域聚集，使其以NTN形態(tài)保留于沉積物中.

　　3.2 不同形態(tài)氮和有機碳、粒徑的相關性分析

　　本研究測定了海州灣表層沉積物10個站點的粒度分布狀況及有機碳含量，結果如表 2所示.海州灣粒度組成在0~250 μm范圍內(nèi)，粒徑小于4 μm的粘土含量為6.08%~15.80%，4~63 μm范圍的粉砂含量在32.87%~65.66%之間，平均為46.09%，粘土和粉砂含量的最大值均位于RA2站點，最小值均在RA7站點.63~250 μm的細砂含量范圍為18.54%~61.05%，其分布情況剛好與粘土和粉砂相反，最大值出現(xiàn)在RA7處，最小值則位于RA2.總體來說，海州灣表層沉積物中粒徑分布主要以粘土和粉砂為主，平均為55.808%.粒徑的這種分布趨勢與張存勇的研究結果一致，說明海州灣沉積物的底質(zhì)類型為粘土質(zhì)粉砂.

　　表2 表層沉積物中粒度分布及有機碳含量站點粒度分布 TOC/(g · kg-1)

        在不同的取樣站點處，有機碳(TOC)含量不同;并且沉積物的粒度組成比例不同，沉積物本身的性質(zhì)和結構也就不同.氮作為重要的生源要素，各形態(tài)氮和TOC、各粒徑含量分布的相關性差別較大.海州灣表層沉積物中各形態(tài)氮和TOC、粒徑的相關系數(shù)見表 3.

　　　表3 表層沉積物中不同形態(tài)氮和各粒徑含量及有機碳間的相關性分析

         由表 3的相關性分析結果可知，TN與粒徑小于63 μm的沉積物具有顯著的正相關關系(p<0.01)，這說明粒徑效應是控制沉積物中TN含量的重要影響因素之一.由于沉積物粒徑越小，沉積物顆粒所具有的比表面積就越大，吸附容量隨之增大，因此，粒徑小于63 μm的沉積物的氮吸附量越多.IEF-N與粒徑小于4 μm、4~63 μm顆粒的相關系數(shù)分別為0.542和0.618，與63~250 μm顆粒的相關系數(shù)為-0.567，說明IEF-N主要存在于粉砂質(zhì)沉積物中，隨著細砂沉積物粒度的增大，IEF-N含量減少.這是因為粒度大，物質(zhì)運輸越頻繁，營養(yǎng)物質(zhì)的更新速度快，不利于結合力弱的IEF-N沉積.SAEF-N在氧化環(huán)境下可以比較穩(wěn)定的存在，還原環(huán)境有利于其釋放.表層沉積物顆粒越細，就會造成不透氣的厭氧環(huán)境，沉積環(huán)境就越偏向于還原，因此，IEF-N與粒徑小于4 μm、4~63 μm顆粒的相關系數(shù)分別為0.542和0.618，與63~250 μm顆粒的相關系數(shù)為-0.567，較好地說明了SAEF-N與沉積物氧化還原環(huán)境的關系.

　　TN與TOC呈顯著正相關(p<0.01，r=0.857)，IEF-N與TOC也呈顯著正相關(p<0.01，r=0.646).這是由于有機碳作為一種有機質(zhì)，其吸附容量很大，尤其是腐質(zhì)酸，能吸附較多的氮元素，TN、IEF-N與TOC的顯著相關性也體現(xiàn)出了有機碳對總氮、離子交換態(tài)氮分布趨勢的控制作用.WAEF-N、SAEF-N、SOEF-N與TOC的相關系數(shù)的負值.SAEF-N與TOC負相關系數(shù)是因為氧化還原環(huán)境控制著SAEF-N的含量，TOC含量越高，表層沉積物的還原性就越強，SAEF-N的含量越小.WAEF-N、SOEF-N與有機碳均為負相關，這與馬紅波等的研究結果不一致.WAEF-N 與TOC呈負相關，這可能是因為在海州灣區(qū)域，WAEF-N的分布趨勢與碳酸鈣是相同的，在碳酸鹽含量高的區(qū)域TOC含量較小，礦化作用比較弱，pH值的變化較小，不易發(fā)生碳酸鈣的溶解沉淀，因此，WAEF-N的含量較大;SOEF-N與TOC的相關系數(shù)為-0.331，可能是由于SOEF-N與TOC成巖過程與轉(zhuǎn)移機制的不同.

　　非轉(zhuǎn)化態(tài)氮(NTN)由總氮(TN)與可轉(zhuǎn)化態(tài)氮(TTN)相減得到，NTN可以分成兩類，一類由沉積物粒度決定，其組成成分比較復雜，被包裹在較大顆粒的內(nèi)層，無法真正的參與海洋化學循環(huán);另一類被礦物晶格的特定結構所固定，必須破壞礦物晶格后才能釋放出來.TTN和NTN是TN的兩部分組成，兩者含量的大小決定著TN含量的大小，同時，TN含量的高低影響著TTN和NTN含量的高低.沉積物中TN含量是判斷水域污染程度的重要指標，但并不能完全標志氮在循環(huán)中的作用.從表 4可以看出，NTN和NTN/TN與TN之間均有顯著的正相關關系(p<0.01，n=10)，但TTN、TTN/TN 與TN的相關系數(shù)為負值，就NTN和TTN的含量而言，隨著TN含量的增加，NTN有增加趨勢，而TTN有減小的趨勢.對于海州灣的研究來說，隨著沉積物污染程度的加劇，NTN對TN的貢獻在增大，氮的穩(wěn)定性增強，TTN對TN的貢獻減小，沉積物向著成巖過程發(fā)展.此外，IEF-N與TN呈正相關，WAEF-N、SAEF-N、 SOEF-N與TN的相關系數(shù)均為負值.這是因為IEF-N是與沉積物結合能力最弱的氮形態(tài)，是沉積物中最“活躍”的一部分，WAEF-N、SAEF-N、SOEF-N與沉積物的結合能力都大于IEF-N，表明隨著沉積物污染程度的增加，TN含量就會增加，由于TN與IEF-N的相關系數(shù)r=0.622，所以IEF-N的含量也在增加，而WAEF-N、SAEF-N、SOEF-N有減小的趨勢.

　　表4 沉積物中不同形態(tài)氮的相關性分析

        3.3 表層沉積物中氮的生態(tài)學意義

　　海州灣表層沉積物氮含量(TN為469~975.1 mg · kg-1)處于較低水平，顯著低于其他海灣，如南黃海(805.84 mg · kg-1、黃海(838.4 mg · kg-1)、珠江口(1649 mg · kg-1)、大亞灣(1692.52 mg · kg-1)、渤海(2550 mg · kg-1)，說明海州灣沉積物的營養(yǎng)水平并不高.這可能是因為采樣點多位于海洋牧場，海洋牧場區(qū)存在大型海藻的浮筏式吊養(yǎng)，海藻的生長能消耗掉大量的氮，降低了水體中的氮含量.水體與沉積物中的氮是動態(tài)交換的，水體中的氮含量降低，沉積物中的氮素會釋放到水體中，以達到動態(tài)平衡，致使底泥積累量小.TTN占TN的16.52%，TTN通過分子擴散的方式在溶液介質(zhì)中遷移，是沉積物-上覆水體氮素交換的主要形態(tài)，在整個海洋生態(tài)環(huán)境中發(fā)揮著重要的作用.在4種可轉(zhuǎn)化態(tài)氮中，IEF-N最容易被釋放出來參與海洋系統(tǒng)氮循環(huán)，WAEF-N次之，SOEF-N與沉積物的結合力最強，它們的結合力按IEF-N、WAEF-N、SAEF-N、SOEF-N的順序逐漸增強.其對沉積物-海水界面的貢獻大小是隨時間尺度大小發(fā)生變化的，當時間尺度大到使4種形態(tài)氮完全釋放時，其貢獻大小則與各形態(tài)氮含量是完全一致的，因此，各形態(tài)氮對沉積物-海水界面的絕對貢獻大小順序為SOEF-N(75.73%)>IEF-N(11.21%)>SAEF-N(7.93%)>WAEF-N(5.13%).

　　氮的各種形態(tài)在沉積物中并不是固定不變的，有機質(zhì)、微生物作用、溫度、鹽度、生物擾動、沉積物類型都會影響其相互轉(zhuǎn)化，并且這些因素具有較強的彼此影響的相關性.硝化和反硝化作用是氮在沉積物中形態(tài)轉(zhuǎn)變的主要機制，在硝化過程中，硝化細菌在O2 的參與下將NH4+-N氧化為NO3--N;在反硝化過程中，反硝化細菌會在缺氧的條件下將NO3--N還原為NH4+-N.沉積物既可以接受來自顆粒物運輸，以及水體沉降等多種途徑帶來的氮，也可以在適當?shù)暮Ｑ笏�環(huán)境條件下從沉積物中釋放出來，重新參與到水體的氮循環(huán)，影響海區(qū)浮游植物的繁殖和生長，進而影響海域的生態(tài)環(huán)境.

　　從表 5可以看出，WAEF-N與水體中DIN顯著正相關(p<0.05，r=0.666)，表明WAEF-N對于水體營養(yǎng)鹽的貢獻較大，表中也有例外，說明浮游植物的生長除了與氮素的含量有關外，也與各氮素之間的比例有關.葉綠素a是衡量初級生產(chǎn)力的重要指標，通過一系列的物理、化學作用和生物活動與海洋沉積物發(fā)生相互作用.本研究發(fā)現(xiàn)，海州灣葉綠素a與各形態(tài)氮的相關系數(shù)大多為正值，其中，IEF-N和葉綠素a的相關系數(shù)r=0.388.主要是由于IEF-N與沉積物結合能力最弱，外界環(huán)境一旦發(fā)生變化時，IEF-N就會完全釋放出來，增加水體中的氮含量;而氮營養(yǎng)鹽對海洋藻類的生長具有重要作用，其濃度的大小與葉綠素a的含量具有密切的關系.SOEF-N與葉綠素a的相關系數(shù)r=0.287，這是因為葉綠素a含量高的海區(qū)，光合作用隨之增強，浮游植物的生長活動就會活躍，富含有機質(zhì)的生物殘體分解，有機態(tài)的SOEF-N含量就會增大.

　　表5 沉積物中各形態(tài)氮與水體中營養(yǎng)鹽的相關系數(shù) Table 5 Correlation analysis between nitrogen forms and nitrates

　　4 結論

　　1)海州灣表層沉積物中總氮(TN)含量在469~975.1 mg · kg-1之間，平均為681.59 mg · kg-1，與國內(nèi)其他海域相比，海州灣底泥的營養(yǎng)水平并不高;可轉(zhuǎn)化態(tài)氮(TTN)平均為112.66 mg · kg-1，約占TN的16.52%，比例較小，非可轉(zhuǎn)化態(tài)氮(NTN)占83.48%.隨著海州灣表層沉積物污染程度的加劇，TTN占TN的比重減小，NTN占TN的比重增大，氮趨于向穩(wěn)定性強的形態(tài)發(fā)展.具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關技術文檔。

　　2)海州灣表層沉積物中各可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的釋放順序為IEF-N→WAEF-N→SAEF-N→SOEF-N，在TTN中所占比例順序為SOEF-N(75.73%)>IEF-N(11.21%)>SAEF-N(7.93%)>WAEF-N(5.13%).

　　3)相關分析表明，海州灣表層沉積物中有機碳含量、粒徑分布均影響各形態(tài)氮的含量和分布;沉積物中的WAEF-N與上覆水體中DIN有顯著的正相關關系;各形態(tài)氮和葉綠素a的相關系數(shù)大多為正值，說明浮游植物的生長不僅與各形態(tài)氮有關，也與各可轉(zhuǎn)化態(tài)氮之間的比例相關.