渤海表層沉積物中化學(xué)浸取不同形態(tài)氮的釋放潛力

李震, 李云凱, , 劉永虎, 程前, 張碩, , 4

1. 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院, 上海 201306;

2. 上海海洋大學(xué)大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)省部共建教育部重點實驗室, 上海 201306;

3. 大連市現(xiàn)代海洋牧場研究院, 遼寧 大連 116023;

4. 長江口水生生物監(jiān)測與保護聯(lián)合實驗室, 上海 201306

沉積物具有復(fù)雜的理化特性, 在營養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)化和再循環(huán)過程中扮演著重要角色, 是各種營養(yǎng)鹽的源或匯(Gardner et al, 2001; Aigars et al, 2001; 何桐 等, 2009)。氮被認(rèn)為是維持海域初級生產(chǎn)者生長所必需的營養(yǎng)元素, 其在沉積物中存在的形態(tài)直接影響其釋放的潛力。根據(jù)馬紅波等(2003)改進的連續(xù)提取法, 可將沉積物中的總氮(total nitrogen, TN)分為可轉(zhuǎn)化態(tài)氮(transferable total nitrogen, TTN)和不可轉(zhuǎn)化態(tài)氮(non-transferable nitrogen, NTN); TTN 又分為4 種形態(tài), 即離子可交換形態(tài)(ion exchange nitrogen, IEF-N)、弱酸可浸取形態(tài)(weak acid extractable nitrogen, WAEF-N)、強堿可浸取形態(tài)(strong alkali extractable nitrogen, SAEF-N)和強氧化劑可浸取形態(tài)(strong oxidizer extractable nitrogen, SOEF-N)。 TTN 通常被認(rèn)為是沉積物中能夠再次參與氮循環(huán)的部分, 而NTN 則是穩(wěn)定存在的氮形態(tài), 幾乎不再重新參與氮循環(huán)(朱元榮 等, 2011; Zhao et al, 2020)。

沉積物中的氮通過離子交換和礦化作用等過程交換到間隙水, 再從間隙水釋放到上覆水中(黃小平 等, 2006; Olsen et al, 2015), 其釋放能力和釋放量不僅影響上覆水的營養(yǎng)狀況和初級生產(chǎn)力, 而且還是研究沉積物中氮的地球化學(xué)循環(huán)及其風(fēng)險評估的重要基礎(chǔ)(Schindler et al, 2008; 姜霞 等, 2012; 張小勇 等, 2013)。呂曉霞等(2004)發(fā)現(xiàn)南黃海表層細(xì)顆粒沉積物中的各種TTN 與浮游植物有較密切的關(guān)系; 而Fisher 等(1982)發(fā)現(xiàn)沉積物-水界面的可交換態(tài)氮能滿足浮游植物的生長, Zheng 等(2008)發(fā)現(xiàn)沉積物中70%的氮仍可釋放并重新參與氮的生物地球化學(xué)循環(huán), 趙晨英等(2016)發(fā)現(xiàn)黃渤海海域沉積物的釋放是上覆水中無機氮的主要來源。環(huán)渤海海域是我國三大經(jīng)濟圈之一, 沿岸多年的工農(nóng)業(yè)活動帶來的氮素在此沉積。因此, 對于氮的釋放潛力以及釋放量的研究具有重要的生態(tài)學(xué)意義(鄒景忠 等, 1983)。

雖然先前的研究已經(jīng)對渤海沉積物中的TTN進行了一些定性研究(馬紅波 等, 2003; Yang et al, 2017; 周美玲 等, 2018), 但有關(guān)沉積物中TTN 的釋放能力和釋放量的定量研究尚未見報道。因此, 本文通過對渤海表層沉積物中各形態(tài)氮的釋放難易程度以及釋放量進一步量化, 以期查明TTN 與上覆水中DIN 和Chla的關(guān)系, 為后續(xù)深入開展沉積物中TTN 的生態(tài)意義研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與預(yù)處理

2019 年4 月于大連搭載“遼科1 號”在環(huán)渤海沿岸海域使用不銹鋼抓斗式采樣器采集表層(0～5cm)沉積物, 具體采樣站位見圖1。用有機玻璃采水器采集表、底層水樣, 用1L 聚乙烯瓶盛裝, 加入1mL 三氯甲烷后低溫保存至分析。表層沉積物混勻后依次密封于聚乙烯袋中, 擠出空氣, 低溫冷藏帶回實驗室后迅速貯藏于-20℃冷庫至分析。

樣品經(jīng)冷凍干燥、去除雜質(zhì)和生物殘體、研磨后, 進行柱狀培養(yǎng)器實驗, 實驗裝置參考裴佳瑤等(2020)的實驗裝置。

1.2 沉積物TN 和有機質(zhì)的測定

TN 的測定: 首先用高錳酸鉀將NO2-N 轉(zhuǎn)化為NO3-N, 再用還原鐵粉使全部NO3-N 還原轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮, 用加速劑(K2SO4∶CuSO4∶Se=100∶10∶1)和濃硫酸高溫消解后, 用凱氏定氮儀測定氮含量, 最后根據(jù)氮含量換算成TN 含量, 具體方法參考《沉積物質(zhì)量調(diào)查評估手冊》(姜霞 等, 2012)。冷凍干燥后, 部分沉積物樣品過粗篩后用于分析沉積物的粒徑, 按照粒徑分為黏土(clay, ＜4μm), 粉砂(silt, 4～63μm)和砂(sand, ＞63μm)。剩余的樣品研磨之后通過100目尼龍篩, 測定TN, 然后存放以備后續(xù)使用。

用燒失量法測定有機質(zhì)含量, 即將冷凍干燥后的沉積物樣品稱取0.2～0.5g, 在550℃下將樣品置于馬弗爐中干燒3h, 根據(jù)質(zhì)量差法計算沉積物樣品中的有機質(zhì)(organic matter, OM)含量(張嘉雯 等, 2020)。

1.3 氮形態(tài)實驗

IEF-N: 精確稱取0.5g 沉積物樣品置于50mL 離心管中, 加入1.0mol·L-1KCl 溶液20mL, 室溫下振蕩2h, 以4000r·min-1的轉(zhuǎn)速離心10min, 分別取上層清液測定、的含量, 同時做空白對照。將剩余的上清液傾去, 殘渣中加入10mL 去離子水洗滌1 次, 離心后烘干得殘渣a。

WAEF-N: 在殘渣a 中加入20mL HAc-NaAc 溶液(pH=5), 室溫下振蕩6h, 以4000r·min-1的轉(zhuǎn)速離心10min, 然后分別取上層清液測定、的含量, 同時做空白對照。將剩余的上清液傾去, 在殘渣中加10mL 去離子水洗滌1 次, 離心后烘干得殘渣b。

SAEF-N: 在殘渣 b 中加入 0.1mol·L-1NaOH 20mL, 室溫下振蕩17h, 以4000r·min-1的轉(zhuǎn)速離心10min, 取上層清液測定、的含量。如樣品的浸出液呈現(xiàn)黃褐色, 則需進行消解處理(取浸出液2mL, 加入H2O25mL, 然后在電熱板上加熱煮沸至近干, 冷卻后用蒸餾水定容至50mL), 同時做空白對照。將剩余的上清液傾去, 殘渣中加10mL 去離子水洗滌1 次, 離心后烘干得殘渣c。

SOEF-N: 在殘渣c 中加入20mL 堿性過硫酸鉀氧化劑(NaOH 9.6g·L-1, K2S2O820g·L-1) , 振蕩3h 后, 放入高壓滅菌鍋內(nèi)氧化1h, 離心后取上層清液測定、的含量。以上4 種可轉(zhuǎn)化態(tài)氮中的前3種形態(tài)均為無機氮, 強氧化劑的可浸取態(tài)氮主要為有機氮(呂曉霞 等, 2004)。提取液中的采用次溴酸鈉氧化法進行測定, 而采用鋅鎘還原法測定, 兩者之和即為該形態(tài)氮的含量(馬紅波 等, 2003)。

1.4 氮的釋放實驗

將各站點10g 沉積物樣品分別加入到內(nèi)徑為8cm、長為50cm 的有機玻璃管中, 然后各自添加500 mL 經(jīng)0.45μm 濾膜過濾的上覆海水, 并在25℃的黑暗環(huán)境中靜置24h。待沉積物-水界面交換達到平衡后, 取足量沉積物再次測定各形態(tài)TTN 的濃度, 其減少的量即為各形態(tài)TTN 的釋放量(Zheng et al, 2008; Yang et al, 2017):

式中:R 為某種形態(tài)氮的釋放量;C為某種形態(tài)氮的含量;A 為某種形態(tài)氮釋放之后的含量;P為某種形態(tài)氮的釋放比例。

1.5數(shù)據(jù)處理

使用Excel2016 進行數(shù)據(jù)處理,采用Origin 2021 繪制不同形態(tài)的TIN 含量圖和釋放比例圖,采用SPSS24.0 進行Pearson 相關(guān)性分析, 使用ArcGIS 10.3 進行采樣圖制作。

2 結(jié)果

2.1 沉積物與上覆水的相關(guān)參數(shù)分析

沉積物的一些參數(shù)和上覆水的環(huán)境狀況對沉積物中各形態(tài)TTN 的影響各不相同, 為了探究其對各形態(tài)TTN 的影響, 測定了一些沉積物和上覆水的相關(guān)性質(zhì), 發(fā)現(xiàn)沉積物中粉砂的平均含量最高, 砂和黏土次之(表1); 表、底層海水中DIN 濃度基本都在Ⅳ級海水水質(zhì)以內(nèi), 且各站點差異不大, 而同一站點中Chla濃度在表、底層的差異則在2～3 倍之間。

表1 沉積物和上覆水的一般參數(shù) Tab. 1 General parameters of sediments and overlying water

2.2 各形態(tài)TTN 的含量和釋放能力

釋放量和釋放比例依據(jù)式(1)和式(2)計算, 表2 列 出了各形態(tài)TTN 的釋放量和釋放比例結(jié)果。由表中數(shù)據(jù)可知, 調(diào)查海域各形態(tài) TTN 的含量大小為SOEF-N＞SAEF-N＞IEF-N＞W(wǎng)AEF-N, 釋放量的順序為IEF-N＞SAEF-N＞SOEF-N＞W(wǎng)AEF-N, 釋放比例的順序為IEF-N＞W(wǎng)AEF-N＞SAEF-N＞SOEF-N, 各站點對應(yīng)的值可以從圖2—4 中看出。本文研究區(qū)各形態(tài)TTN 的含量明顯低于長江中下游湖泊、洪澤湖等湖泊, 這可能與海洋的稀釋能力更強且人類活動相對較弱有關(guān)(姜雙城 等, 2014)。

表2 各形態(tài)TTN 的含量、釋放量和釋放比例 Tab. 2 Content and release capacity of each TTN

2.3 各形態(tài)氮的釋放能力與沉積物相關(guān)參數(shù)的關(guān)系

沉積物的氮釋放能力受到多方面因素的影響, 本文主要研究沉積物粒度以及TN 和有機質(zhì)含量對氮釋放能力的影響。各形態(tài)TTN 的釋放量用R表示, 其下標(biāo)為對應(yīng)的TTN 形態(tài)。由表3 可知,RIEF-N、RWAEF-N與IEF-N 表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)關(guān)系(P＜0.05); WAEF-N 與RWAEF-N、SAEF-N 與RSAEF-N、RSOEF-N與SOEF-N 均表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性(P＜0.01)。這表明沉 積物中有機質(zhì)和各形態(tài)的TTN 都具有正相關(guān)關(guān)系。

表3 各形態(tài)TTN 及其氮釋放能力與沉積物相關(guān)參數(shù)的相關(guān)性分析 Tab. 3 Correlation analysis between the nitrogen release capacity of each TTN and the physical and chemical properties of the sediment

2.4 表層沉積物中各形態(tài)TTN 及其釋放量與海水中營養(yǎng)鹽和Chl a 的關(guān)系

沉積物向上覆水釋放的氮素是海水中生源要素的重要來源, 對氮素的生物地球化學(xué)循環(huán)具有重要意義。分別以SDIN、BDIN代表表、底層海水中的DIN 含量, 以SChla、BChla代表表、底層海水中的Chla含量, 由表4 數(shù)據(jù)可知,RSOEF-N和SOEF-N 均與BChla具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜0.05), 而BChla、BDIN和SChla、SDIN都表現(xiàn)為極顯著的正相關(guān)性(P＜0.01), 說明了研究區(qū)域表層和底層海水中的Chla和DIN 沒有明顯分層。

3 討論

3.1 TTN 含量與沉積物性質(zhì)的關(guān)系

當(dāng)?shù)耐庠摧斎氲玫娇刂茣r, 影響上覆水中氮 素濃度的最重要因素之一是沉積物的氮釋放(趙晨英 等, 2016; Yang et al, 2017)。SOEF-N 主要是有機質(zhì)和硫化物結(jié)合形態(tài)的氮, 一般在沉積物中占據(jù)主要地位(趙海超 等, 2013; Yang et al, 2017)。本研究中 SOEF-N 的含量和釋放量均最大, 這可能是渤海較強的陸源有機質(zhì)輸入和較少的輸出導(dǎo)致, 而釋放量最大與SOEF-N 的含量有關(guān), 其在每個采樣點的含量都占據(jù)很大的比重, 這與Yang 等(2017)的研究結(jié)果一致。Lü 等(2005)發(fā)現(xiàn)南黃海表層沉積物中80%的SOEF-N 能重新參與生物地球化學(xué)循環(huán), 這也與本文研究區(qū)域中的部分站點相似。

沉積物中的WAEF-N 結(jié)合形式類似于碳酸鹽結(jié)合形式(馬紅波 等, 2003)。因此, 當(dāng)沉積環(huán)境中的pH 值較低時, WAEF-N 可以部分釋放并參與氮循環(huán) (呂曉霞 等, 2004; Li et al, 2012)。從表 4 可知,RWAEF-N與有機質(zhì)含量呈一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系, 這可能是OM 提供了眾多的吸附位點, 從而不易于從沉積物中釋放。

表4 表層沉積物中各形態(tài)TTN 及其釋放量與海水中營養(yǎng)鹽和Chl a 的相關(guān)性分析 Tab. 4 Correlation analysis of TTN and its release in the surface sediments on nutrients and Chl a in seawater

IEF-N 是結(jié)合能力較弱的氮形態(tài), 同時也是最容易浸取出來的氮形態(tài)和參與氮循環(huán)的主要形態(tài), 由和松散地吸附在沉積物表面(周美玲 等, 2018)。IEF-N 和WAEF-N 的釋放量較為穩(wěn)定, 說明其釋放主要跟提取劑的能力相關(guān), 而與沉積物的性質(zhì)關(guān)系較小, 許多研究也表明這兩種形態(tài)氮的釋放能力較強(呂曉霞 等, 2004; Wang et al, 2008; Yang et al, 2017)。此外, IEF-N 與沉積物的吸附能力有關(guān), 本研究中最值得指出的是T1 站點, 因為該站點處于灤河的泥沙沉積區(qū), 砂含量與其他站點相比最高(88.92%), 而黏土和粉砂含量均最低, 這也導(dǎo)致了其有機質(zhì)含量為最低 (2575.89mg·kg-1), 從而使沉積物對 IEF-N 的吸附能力減弱, 這與 Yang 等(2017)和呂曉霞等(2004)的研究結(jié)果也相一致。RIEF-N、RWAEF-N和IEF-N、WAEF-N 分別表現(xiàn)出很強的相關(guān)性, 這可能與自身的性質(zhì)相關(guān), 作為兩種最容易釋放的氮形態(tài), 兩者的釋放能力具有很高的相似性(Wang et al, 2008)。

強堿可浸取態(tài)氮(SAEF-N)與沉積物的結(jié)合能力相當(dāng)于鐵、錳等金屬氧化物的結(jié)合能力(王功芹 等, 2016), 該形態(tài)氮的含量主要受氧化還原環(huán)境的影響。本文中SAEF-N 與沉積物理化因素的相關(guān)性較小, 原因可能是對SAEF-N 影響最大的因素是沉積物的氧化還原狀態(tài), 因此后續(xù)的研究中應(yīng)該重點考慮氧化還原狀態(tài)(Yang et al, 2017)。

3.2 沉積物粒度與有機質(zhì)對氮釋放能力的影響

OM 含量與沉積物中各形態(tài)的TTN 都表現(xiàn)出正相關(guān)性, 說明TTN 的形成與OM 的含量有關(guān)。事實上, OM 的礦化分解作用是TTN 的重要來源, 礦化產(chǎn)物又能提供眾多的吸附位點。OM 與IEF-N 具有更強的相關(guān)性, 這也和OM 提供的大量吸附基團相關(guān)。孫曉杰等(2021)對黃河甘寧蒙段表層沉積物的研究表明, 有機質(zhì)含量較高時能明顯促進磷的吸附過程; 黃欣嘉等(2017)在對湘江衡陽段的硝態(tài)氮吸附和解吸特性研究時也得出相同的結(jié)論。此外, 周睿等(2018)認(rèn)為有機質(zhì)含量越高的沉積物, 其氮素的吸附位點越多, 可以吸附的WAEF-N 也就更多, 從而一定程度上減弱了WAEF-N 的釋放。從物理學(xué)角度來看, 沉積物粒徑越小, 比表面積越大, 對氮的吸附能力就越強。因此, 4 種TTN 與黏土的相關(guān)系數(shù)比粉砂和砂大。RSOEF-N與粉砂的含量呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系, 而與砂的含量則呈正相關(guān)關(guān)系, 說明粒徑較小的沉積物對于SOEF-N 的吸附有一定的幫助。粒徑太小則導(dǎo)致沉積物處于厭氧環(huán)境, 抑制了有機質(zhì)的礦化作用, 從而減少了SOEF-N 的來源, 呂曉霞等(2004)的研究結(jié)果也驗證了此觀點。SAEF-N 通常在氧化環(huán)境下積累而在還原條件下釋放(Ye et al, 2019), 而有機質(zhì)的礦化會消耗溶解氧, 因此有機質(zhì)含量越高越容易導(dǎo)致SAEF-N 的釋放。

3.3 氮釋放量與上覆水中營養(yǎng)鹽和Chl a 的關(guān)系

DIN 是重要的生源要素之一, 是海洋生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力的重要基礎(chǔ), 內(nèi)源釋放是海水中 DIN 的重要源頭(Liu et al, 2011; Bristow et al, 2017)。BDIN、SDIN和各形態(tài)TTN 的相關(guān)性存在差異, 其中BDIN與TTN 的相關(guān)性要強于SDIN, 這可能是由于各形態(tài)TTN 的釋放首先影響B(tài)DIN的濃度, 而SDIN受到外源輸入DIN 的影響更大。從表4 可知,BChla與RSOEF-N呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系, 顯示了SOEF-N 和沉積物的結(jié)合能力最強, 也最難釋放, 說明浮游植物生長利用的氮可能不是主要來自沉積物中SOEF-N的釋放。而IEF-N 與表、底層海水中的Chla濃度都呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系, 說明浮游植物生長需要的氮和IEF-N 釋放的氮之間有很好的相關(guān)性。Cowan 等(1996)發(fā)現(xiàn)沉積物的氮通量能滿足浮游植物需氮量的36%, 其他的一些研究也表明IEF-N 是各形態(tài)的TTN 中最容易釋放的一種(鄭國俠 等, 2006; 張小勇 等, 2013)。Chla與沉積物并沒有直接的相互作用, 而是通過一系列的物理作用、化學(xué)作用和生物活動間接地影響沉積物的早期成巖過程, 從而影響沉積物中氮的形態(tài)和含量(呂曉霞 等, 2004; 戴紀(jì)翠 等, 2007)。根據(jù)對渤海中部沉積物中各形態(tài)TTN與Chla的相關(guān)性分析可得出, IEF-N 對上覆水中Chla總量的貢獻較大。

4 結(jié)論

1) 渤海中部各站點表層沉積物的可轉(zhuǎn)化氮含量大小為SOEF-N＞SAEF-N＞IEF-N＞W(wǎng)AEF-N, 釋放量為IEF-N＞SAEF-N＞SOEF-N＞W(wǎng)AEF-N, 釋放比例為 IEF-N＞W(wǎng)AEF-N＞SAEF-N＞SOEF-N。從各形態(tài)TTN 的含量來說, 渤海沉積物的氮釋放潛力較小。

2) 對于沉積物性質(zhì), SOEF-N 的釋放與粉砂含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, 而與砂含量呈正相關(guān)關(guān)系; 黏土和有機質(zhì)與各形態(tài)TTN 的相關(guān)性均較強, 這與黏土和有機質(zhì)能為各形態(tài)TTN 的形成提供更多的吸附位點有關(guān); SOEF-N 與上覆水中Chla和DIN 都呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, 說明SOEF-N 的釋放對上覆水中Chla和DIN 影響較小。

3) 從上覆水來看, IEF-N 與其中的DIN 和Chla的相關(guān)性均較強, 這可能和IEF-N 的釋放能力最強有關(guān); 表層海水中的Chla和DIN 分別與底層水中的Chla和DIN 具有極強的正相關(guān)關(guān)系, 表明本文研究區(qū)域中的水柱沒有出現(xiàn)明顯分層。