1 引言

　　氮是海洋生態系統物質循環的重要元素，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.不同形態氮和沉積物的物理化學結合能力不同，在氮循環中所起的作用不同，因此，沉積物中氮形態的定量研究是探討海洋沉積物中氮生態作用的重要前提.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、核酸、氨基酸和腐殖質4類化學物質組成，而且大部分是腐殖質;無機氮包括吸附態無機氮和固定態銨.然而，以上分類方法并不能揭示各種氮形態對氮循環的貢獻，因此，對沉積物中的氮用分級浸取分離方法提取出可轉化態氮，得到能參與循環的真正部分，是研究海洋沉積物中氮循環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，對于海州灣海區氮形態的研究比較少，研究其表層沉積物中氮形態可為了解該海域氮的循環和補充機制提供參考.基于此，本文擬利用連續浸取法對海州灣表層沉積物樣品中的可轉化態氮進行分析測定，探討可轉化態氮中各形態氮的含量和分布，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(采樣區域：北緯34°50′~34°58′，東經119°20′~119°35′)，共設置10個站位(圖 1)，其中，海洋牧場區7個站點(RA1、RA2、RA3、RA4、RA5、RA6、RA7)，對照區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的可轉化態氮(TTN)提取出來，得到離子交換態氮(IEF-N)、弱酸可浸取態氮(WAEF-N)、強堿可浸取態氮(SAEF-N)及強氧化劑可浸取態氮(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《海洋監測規范》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，經濃硫酸消煮后，用定氮儀測定.非轉化態氮(NTN)由TN和可轉化態氮(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 數據處理方法

　　采用SPSS 19.0對實驗數據進行統計分析，相關分析用Pearson相關系數法.采用Gswin32、Origin8.0等軟件進行采樣站點圖和各形態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氮的含量、分布與變化

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

　　　　表1 調查區各站位表層沉積物中各形態氮的含量

?????????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含量最大值出現在對照區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物質影響較大;此外，由于海州灣地區為半日潮，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1~3(CA1~CA3)的總氮含量均高于660 mg · kg-1，且高于多數海洋牧場區，海洋牧場魚礁區7(RA7)的總氮含量最低，可能是由于該區域有筏式吊養藻類，藻類對水體中營養鹽的吸收利用有利于沉積物中營養鹽向水體釋放，從而使海洋牧場區的氮含量較對照區低.

　　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化態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出海洋牧場區高于對照區的特點，最高值在RA6站位，最低值在CA3站位.

　　各形態氮的分布差異明顯：首先是平均含量差異較大，各形態氮中，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;其次是各形態氮的平面分布類型差異明顯，IEF-N在中央海區的含量高于灣內和兩側海區，呈高值分布，WAEF-N和SAEF-N則正好相反，在中央海區呈現低值分布，SOEF-N的分布較為復雜，出現兩個高值區.

　　離子交換態氮(IEF-N)與沉積物結合能力最弱，容易被釋放出來，參與海洋生態系統的氮循環，在氮循環中具有重要地位.鹽度、溫度、生物擾動、DO、pH及有機質的含量都會影響到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在中央海區的含量高于灣內和近岸海區，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，從而呈現此分布狀態.

　　弱酸可浸取態氮(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，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氮.因此，其分布主要與沉積物中的碳酸鹽環境相關，此外，還受多種因素的影響，如沉積物粒度、有機質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境相關，有機質含量、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，而中間區域含量較低.造成這種分布的原因可能是海州灣中間區域的沉積物較兩側沉積物處于較強的還原環境，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.

　　強氧化劑可浸取態氮(SOEF-N)是可轉化態氮中含量最大的一種形態，是有機形態的氮，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.其分布較復雜，出現兩個高值區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的物質;影響SOEF-N分布的因素還有沉積物的粒度、氧化還原環境，以及有機質向沉積物的輸送速度等.沉積物粒度越細，會造成不透氣的環境，有利于保存有機質;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、氨基酸、酚類、糖類等有機顆粒牢固結合;有機質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形態保留于沉積物中.

　　3.2 不同形態氮和有機碳、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，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類型為粘土質粉砂.

　　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，沉積物本身的性質和結構也就不同.氮作為重要的生源要素，各形態氮和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氮和TOC、粒徑的相關系數見表 3.

　　　表3 表層沉積物中不同形態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顆粒的相關系數分別為0.542和0.618，與63~250 μm顆粒的相關系數為-0.567，說明IEF-N主要存在于粉砂質沉積物中，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，物質運輸越頻繁，營養物質的更新速度快，不利于結合力弱的IEF-N沉積.SAEF-N在氧化環境下可以比較穩定的存在，還原環境有利于其釋放.表層沉積物顆粒越細，就會造成不透氣的厭氧環境，沉積環境就越偏向于還原，因此，IEF-N與粒徑小于4 μm、4~63 μm顆粒的相關系數分別為0.542和0.618，與63~250 μm顆粒的相關系數為-0.567，較好地說明了SAEF-N與沉積物氧化還原環境的關系.

　　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，其吸附容量很大，尤其是腐質酸，能吸附較多的氮元素，TN、IEF-N與TOC的顯著相關性也體現出了有機碳對總氮、離子交換態氮分布趨勢的控制作用.WAEF-N、SAEF-N、SOEF-N與TOC的相關系數的負值.SAEF-N與TOC負相關系數是因為氧化還原環境控制著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域TOC含量較小，礦化作用比較弱，pH值的變化較小，不易發生碳酸鈣的溶解沉淀，因此，WAEF-N的含量較大;SOEF-N與TOC的相關系數為-0.331，可能是由于SOEF-N與TOC成巖過程與轉移機制的不同.

　　非轉化態氮(NTN)由總氮(TN)與可轉化態氮(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層，無法真正的參與海洋化學循環;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，氮的穩定性增強，TTN對TN的貢獻減小，沉積物向著成巖過程發展.此外，IEF-N與TN呈正相關，WAEF-N、SAEF-N、 SOEF-N與TN的相關系數均為負值.這是因為IEF-N是與沉積物結合能力最弱的氮形態，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 沉積物中不同形態氮的相關性分析

??????? 3.3 表層沉積物中氮的生態學意義

　　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，海洋牧場區存在大型海藻的浮筏式吊養，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中遷移，是沉積物-上覆水體氮素交換的主要形態，在整個海洋生態環境中發揮著重要的作用.在4種可轉化態氮中，IEF-N最容易被釋放出來參與海洋系統氮循環，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生變化的，當時間尺度大到使4種形態氮完全釋放時，其貢獻大小則與各形態氮含量是完全一致的，因此，各形態氮對沉積物-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%).

　　氮的各種形態在沉積物中并不是固定不變的，有機質、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轉變的主要機制，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，也可以在適當的海洋水環境條件下從沉積物中釋放出來，重新參與到水體的氮循環，影響海區浮游植物的繁殖和生長，進而影響海域的生態環境.

　　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生相互作用.本研究發現，海州灣葉綠素a與各形態氮的相關系數大多為正值，其中，IEF-N和葉綠素a的相關系數r=0.388.主要是由于IEF-N與沉積物結合能力最弱，外界環境一旦發生變化時，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r=0.287，這是因為葉綠素a含量高的海區，光合作用隨之增強，浮游植物的生長活動就會活躍，富含有機質的生物殘體分解，有機態的SOEF-N含量就會增大.

　　表5 沉積物中各形態氮與水體中營養鹽的相關系數 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，與國內其他海域相比，海州灣底泥的營養水平并不高;可轉化態氮(TTN)平均為112.66 mg · kg-1，約占TN的16.52%，比例較小，非可轉化態氮(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，氮趨于向穩定性強的形態發展.具體參見 污水處理技術資料或污水技術資料更多相關技術文檔。

　　2)海州灣表層沉積物中各可轉化態氮的釋放順序為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;各形態氮和葉綠素a的相關系數大多為正值，說明浮游植物的生長不僅與各形態氮有關，也與各可轉化態氮之間的比例相關.