海州湾海洋牧场沉积物-水界面营养盐交换通量的研究

高春梅，郑伊汝，张硕、2、3

（1.上海海洋大学海洋科学学院，上海201306；2.大洋渔业资源可持续开发省部共建教育部重点实验室，上海201306；3.国家远洋渔业工程技术研究中心，上海201306）

海州湾海洋牧场沉积物-水界面营养盐交换通量的研究

高春梅1，郑伊汝1，张硕1、2、3

（1.上海海洋大学海洋科学学院，上海201306；2.大洋渔业资源可持续开发省部共建教育部重点实验室，上海201306；3.国家远洋渔业工程技术研究中心，上海201306）

为研究海洋沉积物-水界面间营养盐的交换状况，进一步了解营养物质的循环动力学和水体富营养化的内在机理，采用实验室培养法，对海州湾海洋牧场2014年春季 （5月）5个站位、夏季 （8月）6个站位和秋季 （10月）6个站位沉积物-水界面营养盐的交换速率和交换通量进行了研究。结果表明：海州湾沉积物-水界面上硅酸盐 （SiO23--Si）、磷酸盐 （PO34--P）在春季表现为由水体向沉积物进行迁移，其交换速率平均值分别为-3.27、-0.32 mmol/（m2·d），夏季和秋季均表现为由沉积物向水体进行释放，夏季二者的交换速率平均值分别为8.53、0.41 mmol/（m2·d），秋季分别为4.92、0.32 mmol/（m2·d）；溶解态无机氮 （DIN）在春、夏、秋季均表现为由沉积物向水体进行释放，交换速率平均值分别为2.86、3.39、13.04 mmol/（m2·d）；海州湾沉积物-水界面SiO23--Si、PO34--P、DIN的交换通量在3个季节的平均值分别为4.56×108、1.82×107、8.65×108mmol/d，沉积物可为海州湾初级生产力提供66%的SiO23--Si、42%的PO34--P、124%的DIN营养供给。研究表明，海州湾海洋牧场沉积物-水界面营养盐的交换速率与国内外近岸海区相比处于中等水平。

海州湾；沉积物-水界面；营养盐；交换速率；交换通量

海洋中的营养物质 （N、P、Si）是海洋生物赖以生存的重要成分，也是构成海洋生态系统的基本要素之一。营养物质缺乏会限制海洋生物的生长，而营养物质过多则会导致海洋水体富营养化，甚至发生赤潮，严重危害海洋生态系统和生态环境的正常运行发展［1］。海洋沉积物-水界面是海洋营养物质循环、转移、储存发生的重要交换场所，营养物质通过界面在水体与沉积物之间迁移、转化，对水体而言，沉积物就如营养物质的贮存库，既可作为汇，贮存营养物质，又可作为源，释放营养物质到水体中，因此，沉积物对水体中营养物质的收支和营养物质的循环动力学以及水体富营养化都具有极其重要的作用［2］。Denis等［3］研究了营养盐在狮子湾大陆架沉积物-海水界面上的交换通量，结果表明，沉积物每年为当地初级生产力供给5%的氮需求量、7%的磷需求量和28%的硅需求量。何桐等［4］对春季大亚湾海域沉积物-海水界面营养盐的交换速率进行了分析，结果表明，为维持大亚湾春季的初级生产力，沉积物可提供约10%的氮需求量、21%的磷需求量和98%的硅需求量。沉积物-海水界面营养盐的交换对水体中营养物质含量的影响较大，因此，深入研究海洋沉积物-水界面间营养盐的交换状况具有重要的意义。

海州湾渔场是江苏省近海的主要渔场之一，自2003年开始建设人工鱼礁以来，在改善渔场环境、养护生物资源方面取得了比较明显的效果。近年来，已有一些关于该海域环境评价方面的研究报道［5］，但关于营养盐补充和转化机制方面的研究尚未见报道。目前，该海域正进一步加大人工鱼礁建设，并拓展网箱养殖、贝藻场等建设内容，不断完善海洋牧场功能。而海洋牧场功能的发挥，尤其是对环境的调控能力，直接取决于该海域营养物质的补充和交换。因此，以海域的沉积物和海水中重要营养盐为研究对象，开展营养盐浓度变化及交互转化效率的研究，对掌握该海域鱼礁区营养物质循环和转化能力以及补充机制具有重要意义。本研究中，采用实验室培养法测定该海域某些典型站位的沉积物-水界面营养盐交换速率，初步估算营养盐在表层沉积物-海水界面上的交换通量，了解界面交换对于该海区营养盐的贡献，以期为海州湾营养盐的迁移转化过程和再生循环模型的建立提供基本的动力学参数。

1 材料与方法

1.1研究区域及采样点的设置

本研究中选取海州湾海洋牧场人工鱼礁区4个站位 （RA1、RA2、RA3、RA4）和对照区2个站（CA1、CA2）为采样点，站位具体分布见图1。采样时间为2014年5月 （春季）、8月 （夏季）、10 月 （秋季），分3个航次进行采样。

1.2方法

1.2.1样品的采集 使用柱状采泥器 （内置可更换PVC管）在无扰动状态下采集5管约20 cm长的表层沉积物，将PVC管两端用橡皮塞与胶布固定并储存于便携式冷冻箱中，带回实验室用于交换培养试验。同时，在每个站位采集约10 L沉积物上方的底层海水，用0.45 μm醋酸纤维滤膜过滤后，取500 mL加入三氯甲烷［6］固定、冷冻，带回实验室检测，其余海水冷冻保存带回实验室用于培养试验。采样现场用多功能水质仪测定水深、温度、DO、盐度等数据。

图1　调查站位分布图Fig.1 Distribution of sampling sites in Haizhou Bay

1.2.2试验设计 研究交换通量的方法目前主要有间隙水浓度梯度估算法和实验室培养法。由于用前者计算的结果通常偏小，误差较大，不能很好反映交换通量，而用后者计算的结果误差较小，可以更真实还原现场，结果较为准确［1，4，7-9］，故本研究中采用实验室培养法。

培养试验采用南海水产研究所发明的底泥营养盐通量测定系统装置［10］，将PVC管中的沉积物样品移入直径约5 cm、高约50 cm的有机玻璃管中，只取表层17 cm泥样，缓慢地在泥样上方加入25 cm深的上覆水，尽量避免表层沉积物搅动；将螺旋桨伸入水中4～5 cm，调节转速使水流保持站位海水流速0.6～0.8 m/s，同时保证水体均匀混合，未搅动沉积物；培养管置于可控温培养箱中避光培养，设置温度与站位现场温度一致。以螺旋桨转动约30 s开始计时，分别在培养0、2、4、8、12、24、36 h后采集上覆水100 mL，同时加入等体积海水；采集的水样经过滤后加入三氯甲烷固定保存，以待检测。

1.2.3指标的测定与计算 按照 《海洋调查规范》［11］中的方法测定水样中的营养盐。分别采用抗坏血酸还原磷钼蓝法、硅钼黄法、重氮-偶氮法、Zn-Cd还原法、次溴酸盐氧化法，测定磷酸盐（PO3-4-P）、硅酸盐 （SiO2-3-Si）、亚硝酸盐 （NO-2-N）、硝酸盐 （NO-3-N）和铵盐 （NH+4-N）的含量。

沉积物-水界面营养盐交换量计算公式［12］为

其中：M（t）为由t-1到t时刻培养水样上覆水营养盐的质量变化 （mg）；V为培养柱内沉积物上覆水的体积 （L）；Ct为t时刻直接测得的沉积物上覆水中营养盐浓度 （mg/L）；Dt-1为t-1时刻沉积物上覆水中营养盐的实际浓度 （mg/L）。Dt-1需由以下校正公式得出：

式中：V0为每次取样的体积 （L）；C0为原始底层海水中营养盐的浓度 （mg/L）；Ct-1为t-1时刻直接测得的上覆水营养盐浓度 （mg/L）。

沉积物-水界面营养盐交换速率可由交换量M（t）随时间的变化求得。交换量随时间的变化规律可分为3种：一是M（t）与t呈线性关系，用线性拟合法［3，13］；二是M（t）与t呈 S型曲线关系，用非线性拟合法［14-15］；三是当交换量随时间的变化较大时， 用平均值法［7-8，16-19］。

由于计算得出的营养盐交换量随时间变化的相关性较差，故本研究中采用平均值法计算营养盐界面的交换速率。

2 结果与分析

2.1营养盐在沉积物-海水界面上的交换速率

2.1.1SiO23--Si 从表1可见：春季、夏季和秋季SiO23--Si交换速率的变换范围分别为-5.12～-2.01、3.91～13.11、3.09～7.06 mmol/（m2· d）；春季最大值、最小值分别出现在RA3、RA2；夏季最大值、最小值分别出现在CA2、RA4；秋季最大值、最小值分别出现在CA1、RA2。相同站位不同时间段的交换速率差异较大，对照区站位的交换速率普遍高于鱼礁区。总体上，春季交换速率皆为负值，说明由水体向沉积物迁移，而夏季和秋季交换速率皆为正值，说明由沉积物向水体释放。

表1　各种营养盐在海州湾不同站位沉积物-海水界面上的交换速率Tab.1 Exchange rates of nutrients at the sediment-water interface at different stations in Haizhou Bay

2.1.4NO-3-N 春季、夏季和秋季NO-3-N的交换速率变换范围分别为-6.00～14.46、-0.37～13.79、7.54～13.36 mmol/（m2·d）；春季最大值、最小值分别出现在RA4、RA3；夏季最大值、最小值分别出现在CA1、RA3；秋季最大值、最小值分别出现在RA3、RA1（表1）。夏季对照区站位NO-3-N交换速率明显高于鱼礁区，相同站位不同时间段的NO-3-N交换速率差异较大，而秋季各站位NO-3-N交换速率的差异相对夏季较小。总体上，NO-3-N交换速率在各季节的平均值皆为正值，表现为由沉积物向水体释放。

2.1.5NH+4-N 春季、夏季和秋季NH+4-N的交换速率变换范围分别为 0.82～4.23、-2.62～3.88、-0.65～6.71 mmol/（m2·d）；春季最大值、最小值分别出现在CA1、RA2；夏季最大值、最小值分别出现在CA2、RA1；秋季最大值、最小值分别出现在RA3、CA1（表1）。春季对照区站位的NH+4-N交换速率明显高于鱼礁区，相同站位不同季节的NH+4-N交换速率差异较大。总体上，夏季NH+4-N由水体向沉积物迁移，春季和秋季则由沉积物向水体释放。

2.1.6DIN（NO-2-N、NO-3-N、NH+4-N的总和）

春季、夏季和秋季DIN的交换速率变换范围分别为-5.24～15.66、-2.99～16.33、7.05～21.73 mmol/（m2·d）；春季最大值、最小值分别出现在RA4、RA3；夏季最大值、最小值分别出现在CA1、RA3；秋季最大值、最小值分别出现在RA3、RA1（表1）。夏季对照区站位的DIN交换速率明显高于鱼礁区，相同站位不同季节的DIN交换速率差异较大。总体上DIN在3个季节的迁移趋势均为由沉积物向水体释放。

2.2海州湾沉积物-水界面营养盐交换速率与影响因素的关系

营养盐在沉积物-水界面的交换是一个复杂的地球生物化学物理的动态交换过程，有许多控制其交换速率的因素，主要归结为温度、DO浓度、pH、上覆水营养盐浓度、溶解-沉淀、吸附-解吸、水分子扩散、生物扰动、沉积物自身理化性质等［7-8，15，18，20-21］。选取部分影响因素与沉积物-水界面营养盐交换速率做相关性分析，结果见表2，由此可进一步分析各站位交换速率变化的成因。

2.2.1交换速率与上覆水中营养盐浓度的关系由相关性分析可得，SiO2-3-Si的交换速率与SiO2-3-Si的上覆水浓度呈一定的负相关性 （r=-0.243，P＞0.05）；PO3-4-P的交换速率与PO3-4-P上覆水浓度呈极显著负相关 （r=-0.894，P＜0.01）；NO-3-N的交换速率与NO-3-N上覆水浓度呈显著负相关（r=-0.486，P＜0.05）；NH+4-N的交换速率与NH+4-N上覆水浓度呈显著负相关 （r=-0.511，P＜0.05）。总体来看，各营养盐的交换速率随营养盐上覆水浓度的增加而减少，上覆水营养盐浓度低，营养盐更易从沉积物扩散到上覆水中，而上覆水营养盐浓度高，营养盐则向沉积物迁移。这表明上覆水营养盐浓度对营养盐交换速率有较大影响，而扩散过程主要受上覆水营养盐浓度的影响，即扩散过程对营养盐的交换有着控制作用。因此，PO3-4-P、NO-3-N和NH+4-N的交换主要受扩散过程控制。

表2　不同季节的上覆水营养盐浓度Tab.2 The concentrations of nutrients in overlying water in different seasons

从表2还可见，春季上覆水中NO-3-N浓度在RA1和RA3站位相对较高，故NO-3-N由水体向沉积物迁移，而NO-3-N浓度在RA2和RA4站位相对较低，NO-3-N由沉积物向上覆水释放，尤其是RA4站位的浓度最低，加大了NO-3-N向上覆水释放，使得RA4站位NO-3-N的交换速率最大。夏季和秋季与春季一样，上覆水NO-3-N浓度较大的站位，NO-3-N的交换速率相对较低，而上覆水NO-3-N浓度较小的站位，NO-3-N的交换速率则相对较大。另外，春季上覆水中NH+4-N浓度在CA1站位较低，故CA1站位NH+4-N的交换速率最大；夏季各站位上覆水中NH+4-N的浓度普遍较大，故总体表现为由水体向沉积物迁移；秋季RA3和RA4站位上覆水中NH+4-N的浓度较低，故RA3和RA4站位NH+4-N的交换速率相对较大。

表3　沉积物中营养盐与各参数的相关系数矩阵Tab.3 Correlation coefficient matrix between nutrient concentrations and the relative parameters

2.2.2交换速率与其他因素的关系 由表3可知：SiO23--Si交换速率与 PO34--P交换速率 （r= 0.849）、温度 （r=0.710）呈极显著正相关 （P＜0.01），与黏土含量 （r=0.415）、粉砂含量 （r= 0.431）呈显著正相关 （P＜0.05），与砂含量 （r= -0.432）和DO（r=-0.420）呈显著负相关 （P＜0.05）；PO34--P交换速率与NO-3-N交换速率 （r= 0.494）、黏土含量 （r=0.485）、粉砂含量 （r= 0.520）和温度 （r=0.518）呈显著正相关 （P＜0.05），与砂含量 （r=-0.518）呈显著负相关（P＜0.05）；NO-3-N交换速率与pH （r=0.413）呈显著正相关 （P＜0.05）；NH+4-N交换速率与温度（r=-0.475）呈显著负相关 （P＜0.05）。结果表明，在沉积物为黏土粉砂类型的海域，交换速率较高，在砂质类型沉积物的海域交换速率较低。就SiO23--Si交换速率而言，由于黏土粉砂型沉积物含较多的黏土矿物质，加速了其交换过程，故在沉积物-海水界面上的交换速率受溶解-沉淀过程控制。海州湾渔礁区的沉积物类型为粉砂质细砂型，而对照区沉积物的类型为砂质粉砂型，故交换速率在对照区站位普遍高于鱼礁区，夏季和交换速率在对照区站位也明显高于鱼礁区，春季交换速率在对照区站位也同样明显高于鱼礁区，正符合上述规律。温度越高，交换速率就越大，温度较低时，不利于沉积物中微生物活动，不易从有机质中释放出来，造成沉积物中浓度较低，这可能是春季PO3-4-P表现为从水体向沉积物迁移的原因。pH越高，NO-3-N交换速率就越大，原因是NO-3-N与NH+4-N的转化是氧化还原过程，DO越高，硝化反应越强，NO-3-N浓度就越大，同时pH 与DO（r=0.559）呈极显著正相关 （P＜0.01），pH越大，DO就越高，高pH有利于硝化作用的进行，释放更多的 NO-3-N。而温度与 DO （r= -0.557）呈极显著负相关 （P＜0.01），温度越低，DO就越高，这也是秋季NO-3-N交换速率高于夏季的原因。春季温度与秋季较为接近，而春季NO-3-N的交换速率却远低于秋季，其原因可能是5月为赤潮高发季节［22］，水体 DO偏低，由此降低了NO-3-N交换速率。夏季温度较高，DO较低，反硝化作用较强，NH+4-N交换速率应较大，实际情况却相反。究其原因，夏季雨量充沛，处于泄洪时期，河流携带大量营养盐进入水体，同时夏季浮游植物与浮游生物生长较弱［23］，水体中NH+4-N不能很快被吸收，造成水体NH+4-N浓度较高，因此，NH+4-N在夏季由水体向沉积物迁移。

2.3海州湾沉积物-水界面交换速率与其他近岸海区的比较

将3个季节海州湾沉积物-水界面营养盐交换速率的平均值，与国内外近岸海区及部分典型海湾之间进行比较 （表4），结果表明，海州湾沉积物-水界面营养盐的交换速率在此类区域中处于中等水平。SiO2-3-Si与NH+4-N的交换速率相对较大，而PO34--P与NO-3-N的交换速率则相对较小，营养盐在界面交换的作用中SiO23--Si与NH+4-N占据较重要的位置。本研究中，NH+4-N的交换速率相对NO-3-N的交换速率较小，与其他海区NH+4-N占据较重要位置这一规律不太符合。从表4可见，国外海湾营养盐交换速率普遍高于国内海湾，其原因可能是研究计算的方法不同或海区环境特点差异所致。在国外海湾DIN中，NH+4-N与NO-3-N相比所占比重较高，DIN主要以NH+4-N形态存在，东海与渤海中NH+4-N和NO-3-N的交换速率也与此结果一致。但本研究中，NH+4-N和NO-3-N的交换速率与其他海湾不同，DIN主要以NO-3-N形态存在，这与对胶州湾、莱州湾的研究结果一致，可能是胶州湾、莱州湾渔场的养殖类型与海州湾相近所致。

2.4海州湾沉积物-水界面营养盐交换通量及其对水体初级生产力的贡献

表4　海州湾沉积物-水界面交换速率与其他近岸海区的比较Tab.4 Comparison of exchange rates of nutrients at the sediment-water interface in Haizhou Bay with other estuaries and coastal areas

海州湾海洋牧场大约有134.5 km2，根据海州湾营养盐在沉积物-水界面交换速率的计算结果，可以估算出海州湾沉积物-水界面营养盐的交换通量 （表5）。

海州湾海洋牧场平均初级生产力为410.65 mg C/（m2·d）［22］，根据Redfield比值（C∶N∶P∶Si= 106∶16∶1∶16），即海洋浮游植物从海水摄取营养盐的比例，估算出海洋浮游植物从水体中摄取以维持初级生产力的营养盐量分别为6.95×108mmol/d DIN、4.34×107mmol/d PO34--P、6.95×108mmol/d春季沉积物-水界面营养盐的交换可为海州湾提供55%的DIN；夏季生产力需求的Si与可均由沉积物提供，DIN可提供66%；秋季沉积物可提供95%的和98% 的而DIN主要由沉积物提供。将3个季节的交换通量平均，得到海州湾沉积物-水界面营养盐交换为初级生产力可提供66%的42%的和124%的DIN作为营养物质供给。由此可见，沉积物-水界面营养盐交换作用对海州湾初级生产力营养盐补充和供给具有重要作用。

表5　海州湾沉积物-水界面营养盐的交换通量Tab.5 Exchange fluxes of nutrients at the sediment-water interface in Haizhou Bay　mmol/d

3 结论

（1）2014年3个季度海州湾海洋牧场沉积物-

（3）春季海州湾沉积物作为SiO23--Si与PO34--P的汇，夏季和秋季作为源，夏季可提供初级生产力所需求的全部量，秋季可提供95%的和98%的海州湾沉积物在3个季节均为DIN的源，界面交换为海洋浮游植物摄取的DIN，春季提供55%，夏季66%，秋季则完全满足。海州湾沉积物-水界面营养盐交换3个季度平均为初级生产力提供66%的SiO2-3-Si、42%的PO3-4-P和124%的DIN营养供给。海州湾沉积物-水界面营养盐的界面交换对海州湾海洋牧场初级生产力营养盐供给具有重要作用。

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Exchange fluxes of nutrients at sediment-seawater interface in marine ranching area of Haizhou Bay

GAO Chun-mei1，ZHENG Yi-ru1，ZHANG Shuo1，2，3
（1.College of Marine Sciences，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China；2.Key Laboratory of Sustainable Exploitation of Oceanic Fisheries Resources，Ministry of Education，Shanghai 201306，China；3.National Engineering Research Center for Oceanic Fisheries，Shanghai 201306，China）

The exchange rates and fluxes of nutrients on sediment-water interface were studied in Haizhou Bay using a laboratory incubation method during spring（May；5 stations），summer（August；6 stations）and autumn （October；6 stations）in 2014 to understand the exchange of nutrients on sediment-water interface and mechanisms of nutrient cycling and eutrophication.The results showed that SiO23--Si and PO34--P ions were fund to migrate from water to sediments at sediment-water interface in Haizhou Bay in Spring，with average rates of-3.27 and-0.32 mmol/（m2·d）；while they were released into the water in summer and autumn，with average rates of 8.53 and 0.41 mmol/（m2·d）in summer and 4.92 and 0.32 mmol/（m2·d）in autumn.Dissolved inorganic nitrogen （DIN）was released into the water in three seasons，with average exchange rates of 2.86 mmol/（m2·d）in spring，3.39 mmol/（m2·d）in summer and 13.04 mmol/（m2·d）in autumn.Exchange rates of nutrients includingand DIN at sediment-water interface in Haizhou Bay were in a medium level compared to domestic and foreign coastal waters in three seasons，with average exchange fluxes of 4.56×108mmol/d forSi，1.82×107mmol/d forand 8.65×108mmol/d for DIN.The nutrients from the sediment provided 66% of，42%ofand 124%of DIN for primary productivity in Haizhou Bay.

Haizhou Bay；sediment-seawater interface；nutrient；exchange rate；exchange flux

X13

A

10.16535/j.cnki.dlhyxb.2016.01.016

2095-1388（2016）01-0095-08

2015-04-17

农业部转产转业项目——江苏省海州湾海洋牧场示范项目 （D-8006-13-8023，D8006-12-8018）；国家公益性行业 （农业）科研专项 （201003068）

高春梅 （1976—），女，博士，副教授。E-mail：cmgao@shou.edu.cn

张硕 （1976—），男，博士，副教授。E-mail：s-zhang@shou.edu.cn