渤海表层沉积物中化学浸取不同形态氮的释放潜力

李震, 李云凯, , 刘永虎, 程前, 张硕, , 4

1. 上海海洋大学海洋科学学院, 上海 201306;

2. 上海海洋大学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. 大连市现代海洋牧场研究院, 辽宁 大连 116023;

4. 长江口水生生物监测与保护联合实验室, 上海 201306

沉积物具有复杂的理化特性, 在营养盐转化和再循环过程中扮演着重要角色, 是各种营养盐的源或汇(Gardner et al, 2001; Aigars et al, 2001; 何桐 等, 2009)。氮被认为是维持海域初级生产者生长所必需的营养元素, 其在沉积物中存在的形态直接影响其释放的潜力。根据马红波等(2003)改进的连续提取法, 可将沉积物中的总氮(total nitrogen, TN)分为可转化态氮(transferable total nitrogen, TTN)和不可转化态氮(non-transferable nitrogen, NTN); TTN 又分为4 种形态, 即离子可交换形态(ion exchange nitrogen, IEF-N)、弱酸可浸取形态(weak acid extractable nitrogen, WAEF-N)、强碱可浸取形态(strong alkali extractable nitrogen, SAEF-N)和强氧化剂可浸取形态(strong oxidizer extractable nitrogen, SOEF-N)。 TTN 通常被认为是沉积物中能够再次参与氮循环的部分, 而NTN 则是稳定存在的氮形态, 几乎不再重新参与氮循环(朱元荣 等, 2011; Zhao et al, 2020)。

沉积物中的氮通过离子交换和矿化作用等过程交换到间隙水, 再从间隙水释放到上覆水中(黄小平 等, 2006; Olsen et al, 2015), 其释放能力和释放量不仅影响上覆水的营养状况和初级生产力, 而且还是研究沉积物中氮的地球化学循环及其风险评估的重要基础(Schindler et al, 2008; 姜霞 等, 2012; 张小勇 等, 2013)。吕晓霞等(2004)发现南黄海表层细颗粒沉积物中的各种TTN 与浮游植物有较密切的关系; 而Fisher 等(1982)发现沉积物-水界面的可交换态氮能满足浮游植物的生长, Zheng 等(2008)发现沉积物中70%的氮仍可释放并重新参与氮的生物地球化学循环, 赵晨英等(2016)发现黄渤海海域沉积物的释放是上覆水中无机氮的主要来源。环渤海海域是我国三大经济圈之一, 沿岸多年的工农业活动带来的氮素在此沉积。因此, 对于氮的释放潜力以及释放量的研究具有重要的生态学意义(邹景忠 等, 1983)。

虽然先前的研究已经对渤海沉积物中的TTN进行了一些定性研究(马红波 等, 2003; Yang et al, 2017; 周美玲 等, 2018), 但有关沉积物中TTN 的释放能力和释放量的定量研究尚未见报道。因此, 本文通过对渤海表层沉积物中各形态氮的释放难易程度以及释放量进一步量化, 以期查明TTN 与上覆水中DIN 和Chla的关系, 为后续深入开展沉积物中TTN 的生态意义研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集与预处理

2019 年4 月于大连搭载“辽科1 号”在环渤海沿岸海域使用不锈钢抓斗式采样器采集表层(0～5cm)沉积物, 具体采样站位见图1。用有机玻璃采水器采集表、底层水样, 用1L 聚乙烯瓶盛装, 加入1mL 三氯甲烷后低温保存至分析。表层沉积物混匀后依次密封于聚乙烯袋中, 挤出空气, 低温冷藏带回实验室后迅速贮藏于-20℃冷库至分析。

样品经冷冻干燥、去除杂质和生物残体、研磨后, 进行柱状培养器实验, 实验装置参考裴佳瑶等(2020)的实验装置。

1.2 沉积物TN 和有机质的测定

TN 的测定: 首先用高锰酸钾将NO2-N 转化为NO3-N, 再用还原铁粉使全部NO3-N 还原转化为铵态氮, 用加速剂(K2SO4∶CuSO4∶Se=100∶10∶1)和浓硫酸高温消解后, 用凯氏定氮仪测定氮含量, 最后根据氮含量换算成TN 含量, 具体方法参考《沉积物质量调查评估手册》(姜霞 等, 2012)。冷冻干燥后, 部分沉积物样品过粗筛后用于分析沉积物的粒径, 按照粒径分为黏土(clay, ＜4µm), 粉砂(silt, 4～63µm)和砂(sand, ＞63µm)。剩余的样品研磨之后通过100目尼龙筛, 测定TN, 然后存放以备后续使用。

用烧失量法测定有机质含量, 即将冷冻干燥后的沉积物样品称取0.2～0.5g, 在550℃下将样品置于马弗炉中干烧3h, 根据质量差法计算沉积物样品中的有机质(organic matter, OM)含量(张嘉雯 等, 2020)。

1.3 氮形态实验

IEF-N: 精确称取0.5g 沉积物样品置于50mL 离心管中, 加入1.0mol·L-1KCl 溶液20mL, 室温下振荡2h, 以4000r·min-1的转速离心10min, 分别取上层清液测定、的含量, 同时做空白对照。将剩余的上清液倾去, 残渣中加入10mL 去离子水洗涤1 次, 离心后烘干得残渣a。

WAEF-N: 在残渣a 中加入20mL HAc-NaAc 溶液(pH=5), 室温下振荡6h, 以4000r·min-1的转速离心10min, 然后分别取上层清液测定、的含量, 同时做空白对照。将剩余的上清液倾去, 在残渣中加10mL 去离子水洗涤1 次, 离心后烘干得残渣b。

SAEF-N: 在残渣 b 中加入 0.1mol·L-1NaOH 20mL, 室温下振荡17h, 以4000r·min-1的转速离心10min, 取上层清液测定、的含量。如样品的浸出液呈现黄褐色, 则需进行消解处理(取浸出液2mL, 加入H2O25mL, 然后在电热板上加热煮沸至近干, 冷却后用蒸馏水定容至50mL), 同时做空白对照。将剩余的上清液倾去, 残渣中加10mL 去离子水洗涤1 次, 离心后烘干得残渣c。

SOEF-N: 在残渣c 中加入20mL 碱性过硫酸钾氧化剂(NaOH 9.6g·L-1, K2S2O820g·L-1) , 振荡3h 后, 放入高压灭菌锅内氧化1h, 离心后取上层清液测定、的含量。以上4 种可转化态氮中的前3种形态均为无机氮, 强氧化剂的可浸取态氮主要为有机氮(吕晓霞 等, 2004)。提取液中的采用次溴酸钠氧化法进行测定, 而采用锌镉还原法测定, 两者之和即为该形态氮的含量(马红波 等, 2003)。

1.4 氮的释放实验

将各站点10g 沉积物样品分别加入到内径为8cm、长为50cm 的有机玻璃管中, 然后各自添加500 mL 经0.45µm 滤膜过滤的上覆海水, 并在25℃的黑暗环境中静置24h。待沉积物-水界面交换达到平衡后, 取足量沉积物再次测定各形态TTN 的浓度, 其减少的量即为各形态TTN 的释放量(Zheng et al, 2008; Yang et al, 2017):

式中:R 为某种形态氮的释放量;C为某种形态氮的含量;A 为某种形态氮释放之后的含量;P为某种形态氮的释放比例。

1.5数据处理

使用Excel2016 进行数据处理,采用Origin 2021 绘制不同形态的TIN 含量图和释放比例图,采用SPSS24.0 进行Pearson 相关性分析, 使用ArcGIS 10.3 进行采样图制作。

2 结果

2.1 沉积物与上覆水的相关参数分析

沉积物的一些参数和上覆水的环境状况对沉积物中各形态TTN 的影响各不相同, 为了探究其对各形态TTN 的影响, 测定了一些沉积物和上覆水的相关性质, 发现沉积物中粉砂的平均含量最高, 砂和黏土次之(表1); 表、底层海水中DIN 浓度基本都在Ⅳ级海水水质以内, 且各站点差异不大, 而同一站点中Chla浓度在表、底层的差异则在2～3 倍之间。

表1 沉积物和上覆水的一般参数 Tab. 1 General parameters of sediments and overlying water

2.2 各形态TTN 的含量和释放能力

释放量和释放比例依据式(1)和式(2)计算, 表2 列 出了各形态TTN 的释放量和释放比例结果。由表中数据可知, 调查海域各形态 TTN 的含量大小为SOEF-N＞SAEF-N＞IEF-N＞WAEF-N, 释放量的顺序为IEF-N＞SAEF-N＞SOEF-N＞WAEF-N, 释放比例的顺序为IEF-N＞WAEF-N＞SAEF-N＞SOEF-N, 各站点对应的值可以从图2—4 中看出。本文研究区各形态TTN 的含量明显低于长江中下游湖泊、洪泽湖等湖泊, 这可能与海洋的稀释能力更强且人类活动相对较弱有关(姜双城 等, 2014)。

表2 各形态TTN 的含量、释放量和释放比例 Tab. 2 Content and release capacity of each TTN

2.3 各形态氮的释放能力与沉积物相关参数的关系

沉积物的氮释放能力受到多方面因素的影响, 本文主要研究沉积物粒度以及TN 和有机质含量对氮释放能力的影响。各形态TTN 的释放量用R表示, 其下标为对应的TTN 形态。由表3 可知,RIEF-N、RWAEF-N与IEF-N 表现为显著的正相关关系(P＜0.05); WAEF-N 与RWAEF-N、SAEF-N 与RSAEF-N、RSOEF-N与SOEF-N 均表现出显著的相关性(P＜0.01)。这表明沉 积物中有机质和各形态的TTN 都具有正相关关系。

表3 各形态TTN 及其氮释放能力与沉积物相关参数的相关性分析 Tab. 3 Correlation analysis between the nitrogen release capacity of each TTN and the physical and chemical properties of the sediment

2.4 表层沉积物中各形态TTN 及其释放量与海水中营养盐和Chl a 的关系

沉积物向上覆水释放的氮素是海水中生源要素的重要来源, 对氮素的生物地球化学循环具有重要意义。分别以SDIN、BDIN代表表、底层海水中的DIN 含量, 以SChla、BChla代表表、底层海水中的Chla含量, 由表4 数据可知,RSOEF-N和SOEF-N 均与BChla具有显著的负相关关系(P＜0.05), 而BChla、BDIN和SChla、SDIN都表现为极显著的正相关性(P＜0.01), 说明了研究区域表层和底层海水中的Chla和DIN 没有明显分层。

3 讨论

3.1 TTN 含量与沉积物性质的关系

当氮的外源输入得到控制时, 影响上覆水中氮 素浓度的最重要因素之一是沉积物的氮释放(赵晨英 等, 2016; Yang et al, 2017)。SOEF-N 主要是有机质和硫化物结合形态的氮, 一般在沉积物中占据主要地位(赵海超 等, 2013; Yang et al, 2017)。本研究中 SOEF-N 的含量和释放量均最大, 这可能是渤海较强的陆源有机质输入和较少的输出导致, 而释放量最大与SOEF-N 的含量有关, 其在每个采样点的含量都占据很大的比重, 这与Yang 等(2017)的研究结果一致。Lü 等(2005)发现南黄海表层沉积物中80%的SOEF-N 能重新参与生物地球化学循环, 这也与本文研究区域中的部分站点相似。

沉积物中的WAEF-N 结合形式类似于碳酸盐结合形式(马红波 等, 2003)。因此, 当沉积环境中的pH 值较低时, WAEF-N 可以部分释放并参与氮循环 (吕晓霞 等, 2004; Li et al, 2012)。从表 4 可知,RWAEF-N与有机质含量呈一定的负相关关系, 这可能是OM 提供了众多的吸附位点, 从而不易于从沉积物中释放。

表4 表层沉积物中各形态TTN 及其释放量与海水中营养盐和Chl a 的相关性分析 Tab. 4 Correlation analysis of TTN and its release in the surface sediments on nutrients and Chl a in seawater

IEF-N 是结合能力较弱的氮形态, 同时也是最容易浸取出来的氮形态和参与氮循环的主要形态, 由和松散地吸附在沉积物表面(周美玲 等, 2018)。IEF-N 和WAEF-N 的释放量较为稳定, 说明其释放主要跟提取剂的能力相关, 而与沉积物的性质关系较小, 许多研究也表明这两种形态氮的释放能力较强(吕晓霞 等, 2004; Wang et al, 2008; Yang et al, 2017)。此外, IEF-N 与沉积物的吸附能力有关, 本研究中最值得指出的是T1 站点, 因为该站点处于滦河的泥沙沉积区, 砂含量与其他站点相比最高(88.92%), 而黏土和粉砂含量均最低, 这也导致了其有机质含量为最低 (2575.89mg·kg-1), 从而使沉积物对 IEF-N 的吸附能力减弱, 这与 Yang 等(2017)和吕晓霞等(2004)的研究结果也相一致。RIEF-N、RWAEF-N和IEF-N、WAEF-N 分别表现出很强的相关性, 这可能与自身的性质相关, 作为两种最容易释放的氮形态, 两者的释放能力具有很高的相似性(Wang et al, 2008)。

强碱可浸取态氮(SAEF-N)与沉积物的结合能力相当于铁、锰等金属氧化物的结合能力(王功芹 等, 2016), 该形态氮的含量主要受氧化还原环境的影响。本文中SAEF-N 与沉积物理化因素的相关性较小, 原因可能是对SAEF-N 影响最大的因素是沉积物的氧化还原状态, 因此后续的研究中应该重点考虑氧化还原状态(Yang et al, 2017)。

3.2 沉积物粒度与有机质对氮释放能力的影响

OM 含量与沉积物中各形态的TTN 都表现出正相关性, 说明TTN 的形成与OM 的含量有关。事实上, OM 的矿化分解作用是TTN 的重要来源, 矿化产物又能提供众多的吸附位点。OM 与IEF-N 具有更强的相关性, 这也和OM 提供的大量吸附基团相关。孙晓杰等(2021)对黄河甘宁蒙段表层沉积物的研究表明, 有机质含量较高时能明显促进磷的吸附过程; 黄欣嘉等(2017)在对湘江衡阳段的硝态氮吸附和解吸特性研究时也得出相同的结论。此外, 周睿等(2018)认为有机质含量越高的沉积物, 其氮素的吸附位点越多, 可以吸附的WAEF-N 也就更多, 从而一定程度上减弱了WAEF-N 的释放。从物理学角度来看, 沉积物粒径越小, 比表面积越大, 对氮的吸附能力就越强。因此, 4 种TTN 与黏土的相关系数比粉砂和砂大。RSOEF-N与粉砂的含量呈显著的负相关关系, 而与砂的含量则呈正相关关系, 说明粒径较小的沉积物对于SOEF-N 的吸附有一定的帮助。粒径太小则导致沉积物处于厌氧环境, 抑制了有机质的矿化作用, 从而减少了SOEF-N 的来源, 吕晓霞等(2004)的研究结果也验证了此观点。SAEF-N 通常在氧化环境下积累而在还原条件下释放(Ye et al, 2019), 而有机质的矿化会消耗溶解氧, 因此有机质含量越高越容易导致SAEF-N 的释放。

3.3 氮释放量与上覆水中营养盐和Chl a 的关系

DIN 是重要的生源要素之一, 是海洋生态系统初级生产力的重要基础, 内源释放是海水中 DIN 的重要源头(Liu et al, 2011; Bristow et al, 2017)。BDIN、SDIN和各形态TTN 的相关性存在差异, 其中BDIN与TTN 的相关性要强于SDIN, 这可能是由于各形态TTN 的释放首先影响BDIN的浓度, 而SDIN受到外源输入DIN 的影响更大。从表4 可知,BChla与RSOEF-N呈显著的负相关关系, 显示了SOEF-N 和沉积物的结合能力最强, 也最难释放, 说明浮游植物生长利用的氮可能不是主要来自沉积物中SOEF-N的释放。而IEF-N 与表、底层海水中的Chla浓度都呈现出正相关关系, 说明浮游植物生长需要的氮和IEF-N 释放的氮之间有很好的相关性。Cowan 等(1996)发现沉积物的氮通量能满足浮游植物需氮量的36%, 其他的一些研究也表明IEF-N 是各形态的TTN 中最容易释放的一种(郑国侠 等, 2006; 张小勇 等, 2013)。Chla与沉积物并没有直接的相互作用, 而是通过一系列的物理作用、化学作用和生物活动间接地影响沉积物的早期成岩过程, 从而影响沉积物中氮的形态和含量(吕晓霞 等, 2004; 戴纪翠 等, 2007)。根据对渤海中部沉积物中各形态TTN与Chla的相关性分析可得出, IEF-N 对上覆水中Chla总量的贡献较大。

4 结论

1) 渤海中部各站点表层沉积物的可转化氮含量大小为SOEF-N＞SAEF-N＞IEF-N＞WAEF-N, 释放量为IEF-N＞SAEF-N＞SOEF-N＞WAEF-N, 释放比例为 IEF-N＞WAEF-N＞SAEF-N＞SOEF-N。从各形态TTN 的含量来说, 渤海沉积物的氮释放潜力较小。

2) 对于沉积物性质, SOEF-N 的释放与粉砂含量呈负相关关系, 而与砂含量呈正相关关系; 黏土和有机质与各形态TTN 的相关性均较强, 这与黏土和有机质能为各形态TTN 的形成提供更多的吸附位点有关; SOEF-N 与上覆水中Chla和DIN 都呈负相关关系, 说明SOEF-N 的释放对上覆水中Chla和DIN 影响较小。

3) 从上覆水来看, IEF-N 与其中的DIN 和Chla的相关性均较强, 这可能和IEF-N 的释放能力最强有关; 表层海水中的Chla和DIN 分别与底层水中的Chla和DIN 具有极强的正相关关系, 表明本文研究区域中的水柱没有出现明显分层。