海州湾海洋沉积物的处理及意义

2017-03-15 08:05:49 3

  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 · kg-1,平均为681.59 mg · kg-1.TN含量最大值出现在对照区2(CA2),为975.10 mg · 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 · 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 · kg-1,平均为112.66 mg · 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 · kg-1,WAEF-N最小,平均为5.78 mg · 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 · kg-1,平均为12.63 mg · 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 · kg-1,平均为5.78 mg · 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 · kg-1之间,平均为8.93 mg · 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 · kg-1之间,平均为85.32 mg · 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 · kg-1 之间,平均为568.93 mg · 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远RA7站点,NTN的空间分布呈现自西向东逐渐减小的趋势,与TN的分布趋势大体相同.这是由于秋季以向岸流为主,受外洋水向岸堆积影响,不利于污染物的离岸运送,导致陆源污染物在CA2站点等近岸海域聚集,使其以NTN形态保留于沉积物中.

  3.2 不同形态氮和有机碳、粒径的相关性分析

  本研究测定了海州湾表层沉积物10个站点的粒度分布状况及有机碳含量,结果如表 2所示.海州湾粒度组成在0~250 μm范围内,粒径小于4 μm的粘土含量为6.08%~15.80%,4~63 μm范围的粉砂含量在32.87%~65.66%之间,平均为46.09%,粘土和粉砂含量的最大值均位于RA2站点,最小值均在RA7站点.63~250 μm的细砂含量范围为18.54%~61.05%,其分布情况刚好与粘土和粉砂相反,最大值出现在RA7处,最小值则位于RA2.总体来说,海州湾表层沉积物中粒径分布主要以粘土和粉砂为主,平均为55.808%.粒径的这种分布趋势与张存勇的研究结果一致,说明海州湾沉积物的底质类型为粘土质粉砂.

  表2 表层沉积物中粒度分布及有机碳含量站点粒度分布 TOC/(g · kg-1)

        在不同的取样站点处,有机碳(TOC)含量不同;并且沉积物的粒度组成比例不同,沉积物本身的性质和结构也就不同.氮作为重要的生源要素,各形态氮和TOC、各粒径含量分布的相关性差别较大.海州湾表层沉积物中各形态氮和TOC、粒径的相关系数见表 3.

   表3 表层沉积物中不同形态氮和各粒径含量及有机碳间的相关性分析

         由表 3的相关性分析结果可知,TN与粒径小于63 μm的沉积物具有显著的正相关关系(p<0.01),这说明粒径效应是控制沉积物中TN含量的重要影响因素之一.由于沉积物粒径越小,沉积物颗粒所具有的比表面积就越大,吸附容量随之增大,因此,粒径小于63 μm的沉积物的氮吸附量越多.IEF-N与粒径小于4 μm、4~63 μm颗粒的相关系数分别为0.542和0.618,与63~250 μm颗粒的相关系数为-0.567,说明IEF-N主要存在于粉砂质沉积物中,随着细砂沉积物粒度的增大,IEF-N含量减少.这是因为粒度大,物质运输越频繁,营养物质的更新速度快,不利于结合力弱的IEF-N沉积.SAEF-N在氧化环境下可以比较稳定的存在,还原环境有利于其释放.表层沉积物颗粒越细,就会造成不透气的厌氧环境,沉积环境就越偏向于还原,因此,IEF-N与粒径小于4 μm、4~63 μm颗粒的相关系数分别为0.542和0.618,与63~250 μm颗粒的相关系数为-0.567,较好地说明了SAEF-N与沉积物氧化还原环境的关系.

  TN与TOC呈显著正相关(p<0.01,r=0.857),IEF-N与TOC也呈显著正相关(p<0.01,r=0.646).这是由于有机碳作为一种有机质,其吸附容量很大,尤其是腐质酸,能吸附较多的氮元素,TN、IEF-N与TOC的显著相关性也体现出了有机碳对总氮、离子交换态氮分布趋势的控制作用.WAEF-N、SAEF-N、SOEF-N与TOC的相关系数的负值.SAEF-N与TOC负相关系数是因为氧化还原环境控制着SAEF-N的含量,TOC含量越高,表层沉积物的还原性就越强,SAEF-N的含量越小.WAEF-N、SOEF-N与有机碳均为负相关,这与马红波等的研究结果不一致.WAEF-N 与TOC呈负相关,这可能是因为在海州湾区域,WAEF-N的分布趋势与碳酸钙是相同的,在碳酸盐含量高的区域TOC含量较小,矿化作用比较弱,pH值的变化较小,不易发生碳酸钙的溶解沉淀,因此,WAEF-N的含量较大;SOEF-N与TOC的相关系数为-0.331,可能是由于SOEF-N与TOC成岩过程与转移机制的不同.

  非转化态氮(NTN)由总氮(TN)与可转化态氮(TTN)相减得到,NTN可以分成两类,一类由沉积物粒度决定,其组成成分比较复杂,被包裹在较大颗粒的内层,无法真正的参与海洋化学循环;另一类被矿物晶格的特定结构所固定,必须破坏矿物晶格后才能释放出来.TTN和NTN是TN的两部分组成,两者含量的大小决定着TN含量的大小,同时,TN含量的高低影响着TTN和NTN含量的高低.沉积物中TN含量是判断水域污染程度的重要指标,但并不能完全标志氮在循环中的作用.从表 4可以看出,NTN和NTN/TN与TN之间均有显著的正相关关系(p<0.01,n=10),但TTN、TTN/TN 与TN的相关系数为负值,就NTN和TTN的含量而言,随着TN含量的增加,NTN有增加趋势,而TTN有减小的趋势.对于海州湾的研究来说,随着沉积物污染程度的加剧,NTN对TN的贡献在增大,氮的稳定性增强,TTN对TN的贡献减小,沉积物向着成岩过程发展.此外,IEF-N与TN呈正相关,WAEF-N、SAEF-N、 SOEF-N与TN的相关系数均为负值.这是因为IEF-N是与沉积物结合能力最弱的氮形态,是沉积物中最“活跃”的一部分,WAEF-N、SAEF-N、SOEF-N与沉积物的结合能力都大于IEF-N,表明随着沉积物污染程度的增加,TN含量就会增加,由于TN与IEF-N的相关系数r=0.622,所以IEF-N的含量也在增加,而WAEF-N、SAEF-N、SOEF-N有减小的趋势.

  表4 沉积物中不同形态氮的相关性分析

        3.3 表层沉积物中氮的生态学意义

  海州湾表层沉积物氮含量(TN为469~975.1 mg · kg-1)处于较低水平,显著低于其他海湾,如南黄海(805.84 mg · kg-1、黄海(838.4 mg · kg-1)、珠江口(1649 mg · kg-1)、大亚湾(1692.52 mg · kg-1)、渤海(2550 mg · kg-1),说明海州湾沉积物的营养水平并不高.这可能是因为采样点多位于海洋牧场,海洋牧场区存在大型海藻的浮筏式吊养,海藻的生长能消耗掉大量的氮,降低了水体中的氮含量.水体与沉积物中的氮是动态交换的,水体中的氮含量降低,沉积物中的氮素会释放到水体中,以达到动态平衡,致使底泥积累量小.TTN占TN的16.52%,TTN通过分子扩散的方式在溶液介质中迁移,是沉积物-上覆水体氮素交换的主要形态,在整个海洋生态环境中发挥着重要的作用.在4种可转化态氮中,IEF-N最容易被释放出来参与海洋系统氮循环,WAEF-N次之,SOEF-N与沉积物的结合力最强,它们的结合力按IEF-N、WAEF-N、SAEF-N、SOEF-N的顺序逐渐增强.其对沉积物-海水界面的贡献大小是随时间尺度大小发生变化的,当时间尺度大到使4种形态氮完全释放时,其贡献大小则与各形态氮含量是完全一致的,因此,各形态氮对沉积物-海水界面的绝对贡献大小顺序为SOEF-N(75.73%)>IEF-N(11.21%)>SAEF-N(7.93%)>WAEF-N(5.13%).

  氮的各种形态在沉积物中并不是固定不变的,有机质、微生物作用、温度、盐度、生物扰动、沉积物类型都会影响其相互转化,并且这些因素具有较强的彼此影响的相关性.硝化和反硝化作用是氮在沉积物中形态转变的主要机制,在硝化过程中,硝化细菌在O2 的参与下将NH4+-N氧化为NO3--N;在反硝化过程中,反硝化细菌会在缺氧的条件下将NO3--N还原为NH4+-N.沉积物既可以接受来自颗粒物运输,以及水体沉降等多种途径带来的氮,也可以在适当的海洋水环境条件下从沉积物中释放出来,重新参与到水体的氮循环,影响海区浮游植物的繁殖和生长,进而影响海域的生态环境.

  从表 5可以看出,WAEF-N与水体中DIN显著正相关(p<0.05,r=0.666),表明WAEF-N对于水体营养盐的贡献较大,表中也有例外,说明浮游植物的生长除了与氮素的含量有关外,也与各氮素之间的比例有关.叶绿素a是衡量初级生产力的重要指标,通过一系列的物理、化学作用和生物活动与海洋沉积物发生相互作用.本研究发现,海州湾叶绿素a与各形态氮的相关系数大多为正值,其中,IEF-N和叶绿素a的相关系数r=0.388.主要是由于IEF-N与沉积物结合能力最弱,外界环境一旦发生变化时,IEF-N就会完全释放出来,增加水体中的氮含量;而氮营养盐对海洋藻类的生长具有重要作用,其浓度的大小与叶绿素a的含量具有密切的关系.SOEF-N与叶绿素a的相关系数r=0.287,这是因为叶绿素a含量高的海区,光合作用随之增强,浮游植物的生长活动就会活跃,富含有机质的生物残体分解,有机态的SOEF-N含量就会增大.

  表5 沉积物中各形态氮与水体中营养盐的相关系数 Table 5 Correlation analysis between nitrogen forms and nitrates

  4 结论

  1)海州湾表层沉积物中总氮(TN)含量在469~975.1 mg · kg-1之间,平均为681.59 mg · kg-1,与国内其他海域相比,海州湾底泥的营养水平并不高;可转化态氮(TTN)平均为112.66 mg · kg-1,约占TN的16.52%,比例较小,非可转化态氮(NTN)占83.48%.随着海州湾表层沉积物污染程度的加剧,TTN占TN的比重减小,NTN占TN的比重增大,氮趋于向稳定性强的形态发展.具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。

  2)海州湾表层沉积物中各可转化态氮的释放顺序为IEF-N→WAEF-N→SAEF-N→SOEF-N,在TTN中所占比例顺序为SOEF-N(75.73%)>IEF-N(11.21%)>SAEF-N(7.93%)>WAEF-N(5.13%).

  3)相关分析表明,海州湾表层沉积物中有机碳含量、粒径分布均影响各形态氮的含量和分布;沉积物中的WAEF-N与上覆水体中DIN有显著的正相关关系;各形态氮和叶绿素a的相关系数大多为正值,说明浮游植物的生长不仅与各形态氮有关,也与各可转化态氮之间的比例相关.

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