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渤海湾天津近岸海域沉积物氮赋存形态及其环境意义

李清雪 梁秀莲 高亚茹 付超 赵海萍 孙健

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渤海湾天津近岸海域沉积物氮赋存形态及其环境意义

    作者简介: 李清雪(1964-),女,河北邯郸人,教授,博士,主要从事水污染控制及新兴污染物、水环境生态模拟方面研究,E-mail:liqingxue_610@126.com;
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2016YFA0600901);国家自然科学基金项目(51779121);水沙科学与水利水电工程国家重点实验室科研课题项目(2020-KY-03)
  • 中图分类号: X132;X55

Nitrogen forms and their environmental significance in the sediments of Tianjin coastal waters, Bohai bay

  • 摘要: 本研究采用连续分相浸取法,研究了渤海湾近岸海域沉积物中离子交换态氮(IEF-N)、碳酸盐结合态氮(CF-N)、铁锰氧化态氮(IMOF-N)及有机态和硫化物结合态氮(OSF-N)4种可转化态氮(TF-N)的含量及空间分布特征,进而揭示其环境意义。结果表明,表层沉积物中TF-N含量范围为145 ~ 233 μg/g,均值为193 μg/g,整体呈近岸高于远岸的空间分布特征,主要受陆源输入影响;各形态氮占总氮的比例为IEF-N(9.6%)> IMOF-N(4.4%)> OSF-N(3.9%)> CF-N(0.08%),空间分布各异。TF-N含量的垂向变化范围为24 ~ 313 μg/g,不同站位垂向分布各异。TF-N中的IEF-N与IMOF-N的含量随沉积深度增加呈增加的垂向分布特征,OSF-N在不同站位垂向分布各异,CF-N含量最小,其垂向变化不显著。根据沉积物质量评价指南,研究区域沉积物中的氮污染处于最低级别;各形态氮按结合能力完全释放后对上覆水的绝对贡献为IEF-N(44.4%)> OSF-N(35.4%)> IMOF-N(19.7%)> CF-N(0.5%)。
  • 图 1  采样站位分布

    Figure 1.  Distribution of sampling stations

    图 2  沉积物中TN的空间分布

    Figure 2.  Spatial distribution of TN contents in sediments

    图 3  沉积物中TF-N的空间分布

    Figure 3.  Spatial distribution of TF-N contents in sediments

    图 4  沉积物中可转化态氮形态的空间分布

    Figure 4.  Spatial distribution of transferable nitrogen forms in sediments

    图 5  沉积物中总氮的垂向分布

    Figure 5.  Vertical distribution of total nitrogen in sediments

    图 6  沉积物中可转化态氮的垂向分布

    Figure 6.  Vertical distribution of transferable nitrogen forms in sediments

    图 7  沉积物中各形态可转化态氮的垂向分布

    Figure 7.  Vertical distribution of various transferable nitrogen forms in sediments

    图 8  各形态氮储存量及完全释放时间

    Figure 8.  Contents of nitrogen forms and its completely released time

    图 9  各形态氮对上覆水体的贡献随时间的变化

    Figure 9.  Variation of contribution of nitrogen forms to overlying water with time scale

    图 10  表层沉积物中陆源有机质的相对贡献

    Figure 10.  The relative contribution of terrestrial organic matter in surface sediments

    图 11  柱状沉积物中陆源有机质的相对贡献率

    Figure 11.  The relative contribution rate of terrestrial organic matter in columnar sediments

    表 1  沉积物的一般理化性质

    Table 1.  General chemical characteristics in sediments

    样品编号中砂/μm细砂/μm粗粉砂/μm细粉砂/μm黏土/μm分类
    D50/μm
    TOC/(%)
    含水率/(%)
    500~250250~6363~1616~44~1<1
    体积比/(%)
    1#0.034.1929.2334.4510.6321.48粘土质粉砂9.130.88239.7
    2#0.1318.5247.4616.1913.014.70粉砂28.250.41629.4
    3#0.001.2915.9547.7010.3524.70粘土质粉砂6.270.98344.8
    4#0.013.9027.0442.1013.1313.81粘土质粉砂8.910.93744.6
    5#0.026.7034.4440.1011.896.85粉砂12.460.86844.1
    6#1.4021.5333.4129.068.256.35砂质粉砂19.700.40026.9
    7#0.024.4626.1437.9310.9320.53粘土质粉砂8.320.80640.1
    8#0.005.4433.4739.9812.498.63粘土质粉砂11.540.67442.9
    9#0.3220.2636.3531.4010.820.85砂质粉砂20.160.45140.6
    10#0.016.3532.6936.6410.5813.74粘土质粉砂11.570.74737.4
    11#0.1110.6526.4833.1211.1418.50粘土质粉砂10.200.59239.4
    12#0.002.1428.2042.2810.1317.25粘土质粉砂9.120.78034.7
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    表 2  表层沉积物中各形态氮的含量

    Table 2.  The content of nitrogen forms in surface sediments

    样品编号IEF-N/μg·g−1CF-N/μg·g−1IMOF-N/μg·g−1OSF-N/μg·g−1TF-N/μg·g−1TN/μg·g−1
    1#98.70.846.574.52201350
    2#91.70.545.17.6145680
    3#97.20.818.891.22081550
    4#102.60.756.349.22091530
    5#100.21.160.248.12101480
    6#105.90.737.529.4174760
    7#100.50.743.646.61911310
    8#104.70.486.042.12331090
    9#106.80.759.233.5200780
    10#99.40.840.036.71771200
    11#102.80.944.546.3194800
    12#106.42.211.235.81561210
    平均值101.40.945.845.11931145
    占TF-N的比值/(%)53.40.4723.422.8--
    占TN的比值/(%)9.60.084.43.917.98-
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    表 3  表层沉积物中不同形态氮和各粒径含量、有机碳及含水率间的相关性分析

    Table 3.  Correlation analysis between nitrogen forms and particle size, organic carbon, water content

    氮形态中砂/μm细砂/μm粗粉砂/μm细粉砂/μm黏土/μmTOC
    含水率
    500~250250~6363~1616~4< 4
    TN−0.525−0.861**−0.637*0.817**0.620*0.977**0.708*
    TF-N−0.262−0.393−0.4170.5400.2300.4810.798**
    IEF-N0.3510.092−0.1970.333−0.272−0.1580.054
    CF-N−0.158−0.351−0.2400.3550.2060.252−0.087
    IMOF-N−0.0840.1780.408−0.142−0.426−0.1700.335
    OSF-N−0.317−0.659*−0.839**0.717**0.725**0.775**0.666*
    注:** 表示在0.01级别上显著相关;* 表示在0.05级别上显著相关
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-01-22
  • 录用日期:  2021-03-19
  • 刊出日期:  2022-06-20

渤海湾天津近岸海域沉积物氮赋存形态及其环境意义

    作者简介:李清雪(1964-),女,河北邯郸人,教授,博士,主要从事水污染控制及新兴污染物、水环境生态模拟方面研究,E-mail:liqingxue_610@126.com
  • 1. 河北工程大学 能源与环境工程学院,河北 邯郸 056038
  • 2. 清华大学建筑设计研究院有限公司,北京 100084
  • 3. 清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京 100084
基金项目: 国家重点研发计划项目(2016YFA0600901);国家自然科学基金项目(51779121);水沙科学与水利水电工程国家重点实验室科研课题项目(2020-KY-03)

摘要: 本研究采用连续分相浸取法,研究了渤海湾近岸海域沉积物中离子交换态氮(IEF-N)、碳酸盐结合态氮(CF-N)、铁锰氧化态氮(IMOF-N)及有机态和硫化物结合态氮(OSF-N)4种可转化态氮(TF-N)的含量及空间分布特征,进而揭示其环境意义。结果表明,表层沉积物中TF-N含量范围为145 ~ 233 μg/g,均值为193 μg/g,整体呈近岸高于远岸的空间分布特征,主要受陆源输入影响;各形态氮占总氮的比例为IEF-N(9.6%)> IMOF-N(4.4%)> OSF-N(3.9%)> CF-N(0.08%),空间分布各异。TF-N含量的垂向变化范围为24 ~ 313 μg/g,不同站位垂向分布各异。TF-N中的IEF-N与IMOF-N的含量随沉积深度增加呈增加的垂向分布特征,OSF-N在不同站位垂向分布各异,CF-N含量最小,其垂向变化不显著。根据沉积物质量评价指南,研究区域沉积物中的氮污染处于最低级别;各形态氮按结合能力完全释放后对上覆水的绝对贡献为IEF-N(44.4%)> OSF-N(35.4%)> IMOF-N(19.7%)> CF-N(0.5%)。

English Abstract

  • 沉积物作为海洋环境中氮的重要源与汇[1],其内源释放是造成氮污染的关键因素之一[2-3]。沉积物中不同形态的氮在氮循环中所起作用各异,并非所有形态的氮都能直接释放进入上覆水体[4-5]。因此,定量研究沉积物中氮的赋存形态是控制海洋内源污染的重要前提[5-6]

    宋金明等将渤海沉积物中的氮分为可转化态氮(TF-N)与非转化态氮(NT-N),并将TF-N分为离子交换态氮(IEF-N)、碳酸盐结合态氮(CF-N)、铁锰氧化态氮(IMOF-N)及有机态和硫化物结合态氮(OSF-N),揭示了可转化态氮中各形态氮对氮循环的贡献[7]。周美玲等对昌黎黄金海岸自然保护区氮形态的研究表明,各形态氮的分布差异主要受陆源营养盐的输入与水动力因素影响[8]。此外,众多学者研究了湖泊、水库、河流及城市内河等不同水体中氮形态的赋存特征、释放风险、影响因素等[2,5,9-10]

    渤海湾为半封闭型海湾,水体自净能力弱[11],且沿岸有海河、子牙新河、潮白新河、永定新河等河流汇入,承纳着京、津、冀三地大量污、废水,导致天津近岸海域水体富营养化程度日益加重。其中,无机氮是渤海湾重点超标污染因子,对天津近岸海域的生态环境构成了严重威胁[12-13]。因此,研究其沉积物中氮含量及氮赋存形态,评估沉积物氮污染状况及内源释放潜力,对海域生态环境的治理具有重要意义。

    • 在沿渤海湾西北部近岸海域(38°57′ N-39°07′ N,117°43′ E-118°03′ E)布设12个站位,如图1所示。2019年10月21日— 2019年10月25日,用抓斗式采泥器采集表层厚约10 cm的样品,立即混匀,封存于聚乙烯密封袋中,排尽空气。用高频震动沉积物取样钻机(SDI-VibeCore D)在2#、8#和11#站位采集柱状样,现场按0~10 cm每2 cm间隔切割,10~50 cm每5 cm间隔切割,50~300 cm每10 cm间隔切割,分别封存于聚乙烯密封袋中,排尽空气。采集的沉积物样品冷冻保存,运回实验室待测。

      图  1  采样站位分布

      Figure 1.  Distribution of sampling stations

    • 根据沉积物样品的含水率称取相当于1.0 g干重的湿样,采用宋金明等的连续分相浸取法,提取不同形态的TF-N[7],得到IEF-N、CF-N、IMOF-N及OSF-N,浸取液中的亚硝酸盐氮(NO2-N)、硝酸盐氮(NO3-N)、氨氮(NH4-N)分别采用重氮-偶氮法、锌镉还原法、次溴酸钠氧化法测定[14]

      总氮(TN)与总有机碳(TOC)的测定:称取1.0 g自然风干的沉积物样品,用10% HCl浸泡24 h(期间不断搅拌),去除碳酸盐,离心,沉淀相用纯水洗涤至上清液的pH为中性,40 ℃恒温干燥至恒重,玛瑙研钵研磨,利用元素分析仪(Vario EL-Ⅲ Elemental Analyzer)测定TOC和TN的含量。每个样品测定3个平行样,最终结果取平均值,并在每运行20~30个样品后测定一组标准品来校正仪器。

      粒度的测定:利用HORIBA LA-960 型激光粒度仪进行测定。

    • 研究区域表层沉积物的粒径组分、中值粒径(D50)、TOC含量及含水率见表1。表层沉积物粒径较细,粒径范围为2~125 μm,按沉积物粒径级配构成可划分为粘土质粉砂、粉砂和砂质粉砂3种类型。D50变化范围为6.27~28.25 μm,平均值为13.0 μm,2#、6#、10#站位中值粒径相对较大,分别为28.25 μm、19.70 μm和20.16 μm,其余站位的中值粒径较小,均小于15 μm。研究区域内沉积物的中值粒径分布有一定规律,这与该海域的地理特征、潮汐动力和人类活动等有较为密切的关系。TOC的百分含量变化范围为0.400~0.983;沉积物含水率的变化范围为26.9%~44.8%,二者均在河口附近的3#、4#、5#站位形成高值区。

      样品编号中砂/μm细砂/μm粗粉砂/μm细粉砂/μm黏土/μm分类
      D50/μm
      TOC/(%)
      含水率/(%)
      500~250250~6363~1616~44~1<1
      体积比/(%)
      1#0.034.1929.2334.4510.6321.48粘土质粉砂9.130.88239.7
      2#0.1318.5247.4616.1913.014.70粉砂28.250.41629.4
      3#0.001.2915.9547.7010.3524.70粘土质粉砂6.270.98344.8
      4#0.013.9027.0442.1013.1313.81粘土质粉砂8.910.93744.6
      5#0.026.7034.4440.1011.896.85粉砂12.460.86844.1
      6#1.4021.5333.4129.068.256.35砂质粉砂19.700.40026.9
      7#0.024.4626.1437.9310.9320.53粘土质粉砂8.320.80640.1
      8#0.005.4433.4739.9812.498.63粘土质粉砂11.540.67442.9
      9#0.3220.2636.3531.4010.820.85砂质粉砂20.160.45140.6
      10#0.016.3532.6936.6410.5813.74粘土质粉砂11.570.74737.4
      11#0.1110.6526.4833.1211.1418.50粘土质粉砂10.200.59239.4
      12#0.002.1428.2042.2810.1317.25粘土质粉砂9.120.78034.7

      表 1  沉积物的一般理化性质

      Table 1.  General chemical characteristics in sediments

    • 表层沉积物中TN含量如表2所示(除TN为干重含量外,其余项目均为湿重含量)。TN含量范围为680~1550 μg/g,均值为1145 μg/g,高于2006年8月渤海表层沉积物的含量(含量范围200~1200 μg/g,均值为700 μg/g)[15],与2008年5月渤海湾永定新河入海口沉积物的TN含量相当(610~1230 μg/g)[16]。根据加拿大安大略省环境和能源部(1992)发布的沉积物质量评价指南[17],TN含量小于550 mg/kg时为安全级别,本研究区域表层沉积物中TN含量高于其最低标准,生态毒性效应属于最低级别,对环境具有一定的潜在危害。

      样品编号IEF-N/μg·g−1CF-N/μg·g−1IMOF-N/μg·g−1OSF-N/μg·g−1TF-N/μg·g−1TN/μg·g−1
      1#98.70.846.574.52201350
      2#91.70.545.17.6145680
      3#97.20.818.891.22081550
      4#102.60.756.349.22091530
      5#100.21.160.248.12101480
      6#105.90.737.529.4174760
      7#100.50.743.646.61911310
      8#104.70.486.042.12331090
      9#106.80.759.233.5200780
      10#99.40.840.036.71771200
      11#102.80.944.546.3194800
      12#106.42.211.235.81561210
      平均值101.40.945.845.11931145
      占TF-N的比值/(%)53.40.4723.422.8--
      占TN的比值/(%)9.60.084.43.917.98-

      表 2  表层沉积物中各形态氮的含量

      Table 2.  The content of nitrogen forms in surface sediments

      表层沉积物中TN含量在河口附近的3#、4#、5#站位形成高值区,河口处2#站位TN含量最低,整体呈近岸高、远岸低的分布特征(图2)。TN与TOC(r=0.977,p<0.01)、含水率(r=0.708,p<0.05)及粒径小于16 μm的沉积物呈显著正相关关系(表3),这说明粒径对沉积物中TN含量有重要影响,由于沉积物粒径越小其吸附容量越大,因此,粒径小于16 μm的沉积物具有吸附更多有机物、氮的能力[7],致使河口附近站位TN含量较高。河口处2#站位的D50最大,且水动力条件较强,故考虑受沉积物粒度与水动力条件影响,2#站位TN含量相对较低。

      图  2  沉积物中TN的空间分布

      Figure 2.  Spatial distribution of TN contents in sediments

      氮形态中砂/μm细砂/μm粗粉砂/μm细粉砂/μm黏土/μmTOC
      含水率
      500~250250~6363~1616~4< 4
      TN−0.525−0.861**−0.637*0.817**0.620*0.977**0.708*
      TF-N−0.262−0.393−0.4170.5400.2300.4810.798**
      IEF-N0.3510.092−0.1970.333−0.272−0.1580.054
      CF-N−0.158−0.351−0.2400.3550.2060.252−0.087
      IMOF-N−0.0840.1780.408−0.142−0.426−0.1700.335
      OSF-N−0.317−0.659*−0.839**0.717**0.725**0.775**0.666*
      注:** 表示在0.01级别上显著相关;* 表示在0.05级别上显著相关

      表 3  表层沉积物中不同形态氮和各粒径含量、有机碳及含水率间的相关性分析

      Table 3.  Correlation analysis between nitrogen forms and particle size, organic carbon, water content

    • TF-N是能参与界面循环的氮形态的总和[18]。表层沉积物中TF-N含量为145~233 μg/g,均值为193 μg/g,占TN的17.98%(表2),本研究区域表层沉积物中TF-N占比与2006年黄−东海陆架区(16.8%)相当[19],略高于2014年长江口(14.5%)[20],低于1998年渤海海域(30.9%)[7]。TF-N的空间分布如图3所示,整体呈近岸高于远岸的特点,最高值在8#站位,最低值在2#站位。

      图  3  沉积物中TF-N的空间分布

      Figure 3.  Spatial distribution of TF-N contents in sediments

      在研究区域表层沉积物的可转化态氮中,IEF-N为主要赋存形态,4种形态氮占TN的比例顺序为IEF-N(9.6%)> IMOF-N(4.4%)> OSF-N(3.9%)> CF-N(0.08%)。氮形态的赋存状况由于研究海域的地形地貌、外源输入等条件的差异而不同,例如,渤海沉积物中OSF-N为主要赋存形态,占TN的26.45%[7];长江口邻近海域则以IMOF-N为主,占TN的6.48%[20]

      IEF-N是最容易进入水体被生物利用的可转化态氮,对海洋生态系统中的氮循环具有重要意义[20]。 研究区域中IEF-N含量为91.7~106.8 μg/g,均值为101.4 μg/g,占TF-N的53.4%(表2),其中,NO3-N含量为36.9~49.1 μg/g,平均为41.7 μg/g;NH4-N含量为54.8~67.5 μg/g,平均为59.7 μg/g。NH4-N是IEF-N的主要成分,这是由于NH4-N主要源于沉积物中有机氮的分解,且河流的输入携带了大量有机质[7]。IEF-N空间分布差异性较小(CV=4.4%),如图4a所示,最低值在河口处的2#站位,最高值在9#站位。对比研究区域沉积物的中值粒径分布,2#站位的D50最大,由于沉积物粒径越大,物质运输越频繁,不利于IEF-N的沉积,所以,2#站位的IEF-N含量最低,反之,沉积物粒径越小其吸附容量越大[4],故9#站位的IEF-N含量最高。

      图  4  沉积物中可转化态氮形态的空间分布

      Figure 4.  Spatial distribution of transferable nitrogen forms in sediments

      CF-N的释放能力稍低于IEF-N[7],含量范围为0.4~2.2 μg/g,均值为0.9 μg/g,占TF-N的0.47%(表2)。CF-N的空间分布如图4b所示,最高值在12#站位,其余站位分布较均匀。

      IMOF-N是铁锰氧化物吸附的氮,主要受沉积环境的氧化还原状态控制[10],IMOF-N的含量变化范围为11.2~86.0 μg/g,均值为45.8 μg/g,占TF-N的23.4%(表2)。IMOF-N中以NH4-N占优势,其含量为4.2~81.1 μg/g,均值为36.0 μg/g;NO3-N含量为4.8~16.7 μg/g,均值为9.8 μg/g。IMOF-N的空间分布如图4c所示,最高值出现在8#站位,河口南部及远岸站位含量相对较低,12#站位存在最低值,可能与沉积环境的氧化还原条件、陆源输入和水动力条件等因素有关[21]

      OSF-N是4种可转化态氮中最难以释放并参与氮循环的形态[8],其含量范围为7.6~91.2 μg/g,均值为45.1μg/g,占TF-N的22.8%(表2)。OSF-N的空间分布如图4d所示,河口处2#站位含量最低,近岸处、河流入海方向的下游及南部观测站位含量相对较高。由于河流注入携带了大量有机质,且由表3可知,OSF-N与粒径的相关关系显著,粒径较小时容易形成利于有机质保存的厌氧环境,因此,有机质及沉积物粒径对OSF-N的分布有较大影响。OSF-N中NH4-N的变化范围为未检出~43.7 μg/g,均值为31.6 μg/g;NO3-N的变化范围为1.6~53.4 μg/g,均值为13.4 μg/g。OSF-N(NH4-N)与沉积物中的TOC(r=0.634, p<0.05)、含水率(r=0.736, p<0.01)呈显著正相关关系,其原因是NH4-N主要来源于沉积物中有机氮的分解,且沉积物含水率高有利于NH4-N的释放,因此,TOC与含水率也是影响OSF-N分布的重要因素。

    • 在研究区域内的柱状沉积物样品中,8#站位与11#站位的TN含量范围分别为670~1340 μg/g、630~1080 μg/g,均值分别为959 μg/g、799 μg/g,其垂向分布特征如图5所示,TN含量在0~70 cm深度范围内呈现减小的趋势,大于70 cm则保持稳定,这主要是由表层沉积物矿化作用及微生物活动等因素所致[22]

      图  5  沉积物中总氮的垂向分布

      Figure 5.  Vertical distribution of total nitrogen in sediments

    • 研究区域柱状沉积物中TF-N含量的垂向变化范围为24~313 μg/g,其垂向分布如图6所示,各研究站位的垂向分布特征不同,反映了沉积环境的差异。其中,2#站位的TF-N含量随沉积深度的增加呈先升高后降低的特征,在90 cm处出现最大值;8#站位的TF-N含量随沉积深度的增加呈升高趋势,可能由于沉积较深层的“惰性”氮再活化为可转化态氮,使深层TF-N含量高于表层[22];11#站位的TF-N含量则呈减小趋势。河口处2#站位的TF-N含量在0~90 cm深度小于远岸处11#站位,这是由于河口处水动力条件较强,水体中的氮不易沉积所致;沉积深度大于90 cm时,两个站位的TF-N呈现相似的垂向分布特征,这是由于成岩作用使沉积深层的TF-N转化为更稳定的形态,致使可转化的部分减少。

      图  6  沉积物中可转化态氮的垂向分布

      Figure 6.  Vertical distribution of transferable nitrogen forms in sediments

      各形态氮在不同站位的含量变化范围不同。其中,IEF-N是可转化态氮中主要的赋存形态,其次为IMOF-N与OSF-N,CF-N的占比最小。

      各形态氮的垂向分布特征各异(图7)。IEF-N的含量范围为0.66~129.5 μg/g。2#站位与8#站位的IEF-N含量均随沉积深度的增加呈波状上升的趋势,由于氧气量随沉积深度的增加而减少,导致NH4-N含量随深度增加而增加,故考虑NH4-N含量对其垂向分布产生一定影响,这与文献[22]的研究结果一致。

      图  7  沉积物中各形态可转化态氮的垂向分布

      Figure 7.  Vertical distribution of various transferable nitrogen forms in sediments

      CF-N的含量范围为0.3~3.8 μg/g,各站位垂向变化不大。

      IMOF-N对氧化还原环境较敏感[23],其含量范围为0.7~145.1 μg/g。各站位的IMOF-N均随深度的增加呈波动升高的趋势,这是由于IMOF-N主要为金属氧化物结合态氮,以铝氧化物结合态氮为主,而在沉积较深处受生物影响较小,铝氧化物稳定,因此沉积较深处的IMOF-N含量较高[23]

      OSF-N主要受物质来源和矿化作用的影响。OSF-N的含量范围为4.3~172.3 μg/g,其垂向分布趋势与TF-N相似,河口处2#站位的OSF-N含量随沉积深度增加呈先升高后降低的趋势,由于河口处的水体扰动作用较大,且有机质的矿化作用多存在于表层沉积物,进而导致OSF-N的含量逐渐升高[20],在90 cm处出现最高值;8#站位垂向变化不明显,仅在160 cm 处含量突增;远岸处11#站位沿垂向整体呈下降趋势。其中,河口处2#站位与远岸处11#站位在大于90 cm深度处,均随沉积深度增加呈现下降的趋势,这是由于随着深度增加,有机质的埋藏时间也增加,成岩作用造成有机质含量减少,故OSF-N含量也随之减少。

    • 当沉积环境发生变化时,TF-N可释放进入上覆水体参与氮的再循环[7]。根据柱状沉积物上层0~10 cm中各形态氮的平均含量,结合海域面积与沉积物密度,估算渤海湾沉积物中TF-N的负荷为36.3×106 kg。

      根据张洁帆对渤海湾DIN交换通量研究结果[24],经估算,沉积物中氮的年最大释放量为1.56×106 kg,假设在界面交换中沉积物释放的氮完全由TF-N提供,则各形态氮完全释放的最短时间及其对水体的贡献如图8所示。假设在一年内界面交换所需的氮含量完全由IEF-N提供,随着时间的推移,当IEF-N完全释放后,CF-N、IMOF-N和OSF-N依次释放,当各形态氮完全释放时,其对上覆水体的绝对贡献大小与各形态氮的含量一致,即IEF-N(44.4%)> OSF-N(35.4%)> IMOF-N(19.7%)> CF-N(0.5%)(图9)。

      图  8  各形态氮储存量及完全释放时间

      Figure 8.  Contents of nitrogen forms and its completely released time

      图  9  各形态氮对上覆水体的贡献随时间的变化

      Figure 9.  Variation of contribution of nitrogen forms to overlying water with time scale

    • 沉积物中有机氮(ON)的来源与有机质基本一致,海洋中有机质的来源通常用C/N来判断,若C/N>15,认为有机质为陆源高等植物贡献,若5<C/N<7,则认为有机质为海洋生物贡献[25-26]。研究区域的TOC/TN在扣除样品中无机氮(IN)的影响后,得到校正值范围为5.4~11.2,平均值为8.1,说明有机质受海源与陆源混合影响。所以,可初步判断研究区域沉积物中的有机氮受陆源和海源共同影响[25]

      假设海源有机质(Ca)和陆源有机质(Ct)的C/N值分别为5和15(作为零级近似)[27-28],对研究区域沉积物中海源与陆源有机质进行定量估算,进而得到陆源有机质的相对贡献率(图10图11)。

      图  10  表层沉积物中陆源有机质的相对贡献

      Figure 10.  The relative contribution of terrestrial organic matter in surface sediments

      图  11  柱状沉积物中陆源有机质的相对贡献率

      Figure 11.  The relative contribution rate of terrestrial organic matter in columnar sediments

      研究区域表层沉积物中的有机质受陆源和海源共同影响,整体以海源有机质占据主导,特别是5#、6#、9#站位受海源有机质影响更为明显。河流入口处的1#站位、河口南部的3#站位和远岸10#、11#、12#站位的陆源贡献率相对较高,这与常规状态下的海源贡献率随离岸距离的增加而增加的分布规律不太一致,原因可能如下:一方面,研究区域水深较浅且处于近岸海域,海水易产生搅动,进而影响海底沉积物有机质的分布[29],2#、5#、6#、9#站位沉积物的中值粒径大于远岸站位11#、12#站位,相对不利于沉积物有机质的保存;另一方面,河流输入的有机质随时间进行转移,到达远岸站位时相对地延长了有机质分解矿化时间,且富含有机氮的海源有机质会优先降解[28]。在柱状沉积物中,陆源有机质的平均贡献率为59.2%,随沉积深度的增加整体略呈升高趋势,反映了近年来陆源输入对沉积物中有机质含量的影响有所减小。

    • (1)表层沉积物中TN含量为680~1550 μg/g,生态毒性效应处于最低级别,对环境具有一定的潜在危害。各形态氮占TN的比例为IEF-N(9.6%)> IMOF-N(4.4%)> OSF-N(3.9%)> CF-N(0.08%)。有机质、沉积物粒径、TOC与含水率等是影响各形态氮分布差异的重要因素。

      (2)研究区域柱状沉积物中TF-N的含量范围为24~313 μg/g,各形态氮的垂向分布特征各异。

      (3)研究区域沉积物中TF-N的主要赋存形态为IEF-N,其释放对上覆水体贡献最大。各形态氮完全释放对上覆水体绝对贡献为IEF-N(44.4%)> OSF-N(35.4%)> IMOF-N(19.7%)> CF-N(0.5%)。

      (4)研究区域沉积物中ON的来源受陆源与海源共同影响,表层沉积物整体上以海源占据主导。在柱状沉积物中,陆源贡献率随沉积深度的增加略呈升高趋势。

参考文献 (29)

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