山東南部近海沉積物中碳、氮、磷的分布特征

呂桂才, 張 哲, 王江濤, 譚麗菊

(中國(guó)海洋大學(xué) 海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266100)

山東南部近海沉積物中碳、氮、磷的分布特征

呂桂才, 張 哲, 王江濤, 譚麗菊

(中國(guó)海洋大學(xué) 海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266100)

對(duì)山東近海31個(gè)站位表層沉積物中的總氮、總磷和總有機(jī)碳的含量和分布特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明, 總氮、總磷和總有機(jī)碳含量均較低, 高值區(qū)主要分布在膠州灣及灣口和北部海域, 總氮濃度范圍為0.31～0.75 mg/g, 平均值為0.52 mg/g, 總磷濃度范圍為0.18～0.32 mg/g, 平均值為0.24 mg/g, 總有機(jī)碳濃度范圍為0.17%～0.49%, 平均值為0.33%。相關(guān)性分析表明, 總氮和總有機(jī)碳的相關(guān)性較好, 總有機(jī)碳和總氮比值(TOC/TN)略高于Redfield比值, 表明這兩種生源要素的來(lái)源可能是一致的。

山東近海; 沉積物; 總氮; 總磷; 總有機(jī)碳

沉積物作為環(huán)境演變較為完備的信息載體, 系統(tǒng)地記錄了整個(gè)海洋生態(tài)系統(tǒng)中生物、物理及化學(xué)作用過(guò)程, 保存了自然因素和人為因素對(duì)環(huán)境的影響記錄。沉積物中的有機(jī)質(zhì)包括碳、氮、磷以及可以作為環(huán)境狀況有效的指示因子等。近海沉積物接收了大量來(lái)自于陸源輸入氮、磷、碳及有機(jī)污染物,經(jīng)過(guò)礦化作用轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)鹽, 并通過(guò)海水-沉積物界面交換重新釋放到水體中, 參與再循環(huán), 是近海水體中生源要素的重要來(lái)源[1,2]。沉積物中的有機(jī)質(zhì)是氮、磷、碳等生源要素生物地球化學(xué)循環(huán)的重要組成部分, 研究沉積物中有機(jī)氮、磷、碳對(duì)于了解近岸水體中的生源要素具有重要的意義[3,4]。

作者以山東近海31個(gè)站位的表層沉積物為研究對(duì)象, 分析了其有機(jī)氮、磷、碳的含量、分布特征及各要素之間的相關(guān)性, 并對(duì)沉積物中有機(jī)質(zhì)的來(lái)源進(jìn)行了初步探討。

1 樣品的采集與分析方法

1.1 樣品的采集

沉積物樣品于2007年10月30日到2007年11月7日采集于山東近海的31個(gè)站位, 站位如圖1所示?，F(xiàn)場(chǎng)取樣是采用不銹鋼抓斗式采樣器采集表層沉積物樣品, 采樣操作嚴(yán)格遵守《海洋化學(xué)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》的要求。

1.2 樣品分析方法

樣品分析按照《海洋化學(xué)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》上的要求進(jìn)行?？偟?TN)用凱式滴定法測(cè)定; 總磷(TP)用分光光度法測(cè)定; 總有機(jī)碳(TOC)用重鉻酸鉀氧化-還原容量法測(cè)定。TN、TP和 TOC的含量用 1g沉積物(干質(zhì)量)中含有的毫克數(shù)表示(mg/g)。

2 沉積物中C、N、P的含量及分布特征

調(diào)查海區(qū)總氮的濃度范圍為 0.31～0.75 mg/g,平均值為0.52 mg/g, 平面分布如圖2所示。由圖可見(jiàn), 總氮的高值區(qū)位于膠州灣口和調(diào)查海域北部,膠州灣內(nèi) 5個(gè)站位總氮的濃度范圍為 0.32～0.63 mg/g, 濃度也較高, 顯示了陸源輸入的影響。調(diào)查海區(qū)北部高TN值呈舌狀向南延伸, 可能與這一地區(qū)夏季較高的初級(jí)生產(chǎn)有關(guān)。大量的含有有機(jī)氮的顆粒物輸送到海底, 從而導(dǎo)致其TN濃度高于其他海區(qū)。

調(diào)查海區(qū)總磷的濃度范圍為 0.18～0.32 mg/g,平均值為0.24 mg/g。如圖2所示, 沉積物中總磷濃度在調(diào)查海區(qū)北部、中部和青島前海附近出現(xiàn)明顯高值區(qū), 其中膠州灣內(nèi)站位總磷的濃度較低, 濃度范圍在0.21～0.27 mg/g, 平均值為0.23 mg/g。

各海區(qū)沉積物中總氮和總磷的含量如表1所示?？傮w來(lái)說(shuō), 山東南部近海沉積物中總氮和總磷含量低于渤海和北黃海, 與南黃海、膠州灣和柘林灣相近。但海區(qū)沉積物總氮和總磷含量的高值低于南黃海和柘林灣, 總氮含量略高于膠州灣內(nèi)含量, 總磷與膠州灣內(nèi)相近, 說(shuō)明山東南部近海沉積物中的總氮和總磷含量相對(duì)較低。

圖1 站位分布Fig. 1 Sampling stations

表1 各海區(qū)總氮和總磷的含量比較Tab. 1 Comparisons of TN and TP in various sea areas

調(diào)查海區(qū)總有機(jī)碳的濃度范圍為 1.717～4.941 mg/g, 平均值為3.340 mg/g, 低于海洋沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[16]規(guī)定的一類(lèi)沉積物中總有機(jī)碳含量上限?？傆袡C(jī)碳的平面分布如圖2, 其分布趨勢(shì)和總氮的分布一致, 濃度高值分布在膠州灣口和調(diào)查海域的北部,北部總有機(jī)碳高值區(qū)呈舌狀向南延伸。膠州灣內(nèi)站位總有機(jī)碳的濃度范圍為 2.522～4.443 mg/g, 平均值為3.793 mg/g, 略高于總平均值。

如果沉積物中的氮、磷、碳有相同的來(lái)源, 應(yīng)當(dāng)有良好的相關(guān)關(guān)系[17]。本文對(duì)沉積物中總氮、總磷、總有機(jī)碳的濃度作相關(guān)分析, 結(jié)果如圖3所示。各有機(jī)質(zhì)間都具有一定的相關(guān)性, 總有機(jī)碳-總氮、總氮-總磷和總磷-總有機(jī)碳的相關(guān)系數(shù)分別為 0.821、0.655、0.541, 相關(guān)性都較好, 沉積物中的總氮、總磷和總有機(jī)碳可能有相近的來(lái)源。

圖2 沉積物各有機(jī)質(zhì)平面分布圖(mg/g)Fig. 2 Horizontal distribution of each organic matter in the sediment(mg/g)

在海洋沉積物中, 碳、氮原子比的大小常被用來(lái)作為判斷有機(jī)物的來(lái)源。Milliman等[18]將碳、氮原子比大于12的劃為陸源有機(jī)物, 碳、氮原子比小于8的劃為海源有機(jī)物。本文研究海域總有機(jī)碳/總氮(TOC/TN)比值為7.5, 與Redfield比值6.6很接近, 這說(shuō)明沉積物中的有機(jī)碳和總氮可能以海洋自生的為主。由于沉積物中有機(jī)氮的降解速率大于有機(jī)碳[9],因而TOC/TN的值略大于Redfield比值, 但也不排除部分有機(jī)質(zhì)來(lái)自陸源?？偟?總磷(TN/TP)約為 4.70,這可能是因?yàn)橄鄬?duì)于氮而言, 沉積物總磷中包含了較大比例的礦物結(jié)合態(tài)磷。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)山東南部近海31個(gè)站位表層沉積物樣品數(shù)據(jù)的分析, 山東南部近?？偟⒖偭缀涂傆蟹e碳含量相對(duì)較低, 高值區(qū)主要集中在膠州灣及灣口和北部調(diào)查海區(qū)。相關(guān)性分析表明, 沉積物中的總氮和總有機(jī)碳主要來(lái)源于海洋自生。

圖3 沉積物中碳、氮、磷的相關(guān)關(guān)系Fig. 3 Correlation of C, N, and P in the sediment

[1] Berelson W M.The flux of particulate organic carbon into the ocean interior： a comparison of four U.S.JGOFS regional studies[J]. Oceanography, 2001,14(4)： 59-67.

[2] Brunnegard J, Grandel S,Stahl H,et al. Nitrogen cycling in deep-sea sediments of the Porcupine Abyssal Plain, NE Atlantic[J]. Progress in Oceanography,2004, 63： 159-181.

[3] 孫云明, 宋金明. 海洋沉積物-海水界面附近氮、磷、硅的生物地球化學(xué). 地質(zhì)評(píng)論[J]. 2001, 47(4)： 527-534.

[4] Friedricha J, Dinkela F C, Friedla G, et al. Benthic nutrient cycling and diagenetic pathways in the north-western Black Sea. Estuarine[J]. Coastal and Shelf Science, 2002, 54： 369-383.

[5] 馬洪波, 宋金明, 呂曉霞, 等. 渤海沉積物中氮的形態(tài)及其在循環(huán)中的作用[J]. 2003, 地球化學(xué), 32(1)：48-54.

[6] 趙志梅, 秦延文. 渤海表層沉積物磷形態(tài)分析[J]. 海洋技術(shù), 2006, 25(4)： 51-54.

[7] 呂曉霞, 宋金明, 李學(xué)剛, 等. 北黃海沉積物中氮的地球化學(xué)特征及其早期成巖作用[J]. 地質(zhì)學(xué)報(bào), 2005,79(1)： 114-123.

[8] 董方, 劉素美, 張經(jīng). 北黃海與渤海沉積物中磷形態(tài)的分布特征[J]. 海洋環(huán)境科學(xué), 2001, 20(2)： 18-23.

[9] 宋金明, 李學(xué)剛, 邵君波, 等. 南黃海沉積物中氮、磷的生物地球化學(xué)行為[J]. 海洋與湖沼, 2006, 37(4)：370-376

[10] 呂曉霞, 宋金明. 南黃海表層沉積物中氮的區(qū)域地球化學(xué)特征[J]. 海洋科學(xué)進(jìn)展, 2003, 21(2)： 174-180.

[11] 呂曉霞, 宋金明, 袁華茂, 等. 南黃海表層沉積物中氮的分布特征及其在生物地球化學(xué)循環(huán)中的功能[J].地質(zhì)評(píng)論, 2005, 51： 212-218.

[12] 張志梅, 張雷, 鄭丙輝, 等. 渤海灣沉積物中氮、磷的空間分布特征研究[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2005, 33(4)： 107-111.

[13] 李金, 董巧香, 杜虹, 等. 柘林灣表層沉積物中氮和磷的時(shí)空分布[J]. 熱帶海洋學(xué)報(bào), 2004, 23(4)： 63-71.

[14] 戴紀(jì)翠, 宋金明, 李學(xué)剛, 等. 膠州灣沉積物中氮的地球化學(xué)特征及其環(huán)境意義[J]. 第四紀(jì)研究, 2007,27(3)： 347-356.

[15] 李學(xué)剛, 宋金明, 李寧, 等. 膠州灣沉積物中氮與磷的來(lái)源及其生物地球化學(xué)特征[J]. 海洋與湖沼, 2005,36(6)： 562-571.

[16] GB 18668-2002, 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)—海洋沉積物質(zhì)量[S].

[17] 李學(xué)剛, 宋金明. 膠州灣沉積物中氮與磷的來(lái)源及其生物地球化學(xué)特征[J]. 海洋與湖沼, 2005, 36(6)：562-571.

[18] Milliman J D, Xie Q C, Yang Z S. Transfer of particulate organic carbon and nitrogen from the Yangtze River to the ocean[J]. American JSci, 1984, 286： 824-834.

Distribution characteristics of carbon, nitrogen and phosphor in the sediments of southern Shandong adjacent seas

Lü Gui-cai, ZHANG Zhe, WANG Jiang-tao, TAN Li-ju
(Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology, Ministry of Education, Ocean University of China,Qingdao 266100, China)

Mar., 9, 2010

Shandong adjacent sea; sediments; total nitrogen; total phosphor; total organic carbon

We studied the contents and distribution characteristcs of total nitrogen(TN), total phosphor(TP), and total organic carbon(TOC) in the surface sediments of southern Shandong adjacent seas. TN, TP and TOC were not very high in these areas. The relative higher districts were at the mouth of the Jiaozhou Bay and northern of the research area. The concentration of TN ranged from 0.31 mg/g to 0.75 mg/g with a mean of 0.52 mg/g. TP ranged from 0.18 mg/g to 0.32 mg/g with a mean of 0.24 mg/g. TOC ranged from 0.17% to 0.49% with a mean of 0.33%.The correlation analysis showed that TOC and TN had relatively better result. The ratio of TOC/TN was a little higher than the Redfield ratio, which means these two biogenic factor may come from the same source.

P734.2

A

1000-3096(2010)09-0001-04

2010-03-09;

2010-04-23

山東省 908專(zhuān)項(xiàng)近岸海域生物生態(tài)和化學(xué)調(diào)查項(xiàng)目(SD-908-01-05.06); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41076065)

呂桂才(1985-), 男, 山東臨沂人, 碩士研究生, 從事海洋化學(xué)研究, 電話： 0532-66786616, E-mail： lvguicai@163.com; 王江濤, 通信作者, 電話： 13605325850, E-mail： jtwang @ouc.edu.cn

(本文編輯： 康亦兼)