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  • ISSN 1007-6336
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大亚湾滨海湿地沉积物间隙水无机氮分布特征及其沉积物-水界面交换通量

赵春宇 张凌 江志坚 吴云超 柯志新 黄小平

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大亚湾滨海湿地沉积物间隙水无机氮分布特征及其沉积物-水界面交换通量

    作者简介: 赵春宇(1989-), 男, 山东烟台人, 博士研究生, 主要从事海洋环境生态学研究, E-mail:zhaochunyu_ecology@163.com;
    通讯作者: 黄小平(1965-), 男, 研究员, 博士生导师, 主要从事海洋生态环境研究, E-mail:xphuang@scsio.ac.cn
  • 基金项目: 国家重点基础研究发展计划(973)项目(2015CB452902,2015CB452905)
  • 中图分类号: P736.4

Distribution characteristics of the porewater inorganic nitrogen and their benthic exchange fluxes in coastal wetlands of Daya bay

  • 摘要: 为探讨大亚湾滨海湿地沉积物间隙水中无机氮的时空分布规律及其环境效应,于2017年3月(枯水期)和8月(丰水期)分别采集了大亚湾湿地3个断面的沉积柱,测定了间隙水中无机氮含量并对其在沉积物-水界面交换进行了实验室培养实验。结果发现,滨海湿地近岸上覆水中氮营养盐含量远高于大亚湾水体平均值,说明近岸人类活动对湿地生态系统中氮含量的影响较为严重,河流输送是其来源的主要途径。间隙水中NH4-N、NO3-N和NO2-N的平均含量分别为:770.60、7.63和7.39 μmol/L,其中NH4-N是DIN的主要组分,约占DIN的85.82%~99.67%。室内培养实验发现,NH4-N、NO3-N和NO2-N的界面交换通量平均值分别为0.09、-0.18和0.36 mmol/(m2·d),不同断面下DIN的交换速率存在明显差异。整体上,DIN的交换通量在枯水期约为0.41 mmol/(m2·d),湿地沉积物表现为上覆水DIN的源;而丰水期沉积物则成为DIN的汇,其平均通量约为-0.23 mmol/(m2·d)。对照实验结果表明,灭菌之后NH4-N、NO3-N和NO2-N的平均交换通量均有所降低,相比于原始组分别降低了76.5%、23.7%和50.3%,说明微生物在氮的转化中起到了非常重要的作用。
  • 图 1  大亚湾滨海湿地采样站位

    Figure 1.  Sampling sites of coastal wetlands in Daya bay

    图 2  丰水期和枯水期不同站位上覆水中氮素的含量及其分布特征

    Figure 2.  Content and distribution characteristics of nitrogen in the overlying water of different stations in wet and dry season

    图 3  丰水期沉积物间隙水DIN剖面分布

    Figure 3.  Porewater profiles of DIN in sediment in the wet season

    图 4  枯水期沉积物间隙水DIN剖面分布

    Figure 4.  Porewater profiles of DIN in sediment in the dry season

    图 5  滨海湿地沉积物-水界面DIN交换通量特征(负值表示其扩散方向由上覆水到沉积物)

    Figure 5.  The DIN fluxes at the sediment-water interface in dry and wet season (negative value indicates the diffusion direction from overlying water to sediment)

    表 1  国内外不同类型湿地沉积物-水界面NO2-N、NO3-N和NH4-N的交换速率

    Table 1.  Exchange rates of NO2-N, NO3-N and NH4-N at sediment-water interface in different wetlands

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-08-25
  • 录用日期:  2018-11-14
  • 刊出日期:  2020-06-20

大亚湾滨海湿地沉积物间隙水无机氮分布特征及其沉积物-水界面交换通量

    作者简介:赵春宇(1989-), 男, 山东烟台人, 博士研究生, 主要从事海洋环境生态学研究, E-mail:zhaochunyu_ecology@163.com
    通讯作者: 黄小平(1965-), 男, 研究员, 博士生导师, 主要从事海洋生态环境研究, E-mail:xphuang@scsio.ac.cn
  • 1. 中国科学院南海海洋研究所, 中国科学院热带海洋生物资源与生态重点实验室, 广东 广州 510301
  • 2. 中国科学院大学, 北京 100049
  • 3. 德州学院资源环境与规划学院, 山东 德州 253023
基金项目: 国家重点基础研究发展计划(973)项目(2015CB452902,2015CB452905)

摘要: 为探讨大亚湾滨海湿地沉积物间隙水中无机氮的时空分布规律及其环境效应,于2017年3月(枯水期)和8月(丰水期)分别采集了大亚湾湿地3个断面的沉积柱,测定了间隙水中无机氮含量并对其在沉积物-水界面交换进行了实验室培养实验。结果发现,滨海湿地近岸上覆水中氮营养盐含量远高于大亚湾水体平均值,说明近岸人类活动对湿地生态系统中氮含量的影响较为严重,河流输送是其来源的主要途径。间隙水中NH4-N、NO3-N和NO2-N的平均含量分别为:770.60、7.63和7.39 μmol/L,其中NH4-N是DIN的主要组分,约占DIN的85.82%~99.67%。室内培养实验发现,NH4-N、NO3-N和NO2-N的界面交换通量平均值分别为0.09、-0.18和0.36 mmol/(m2·d),不同断面下DIN的交换速率存在明显差异。整体上,DIN的交换通量在枯水期约为0.41 mmol/(m2·d),湿地沉积物表现为上覆水DIN的源;而丰水期沉积物则成为DIN的汇,其平均通量约为-0.23 mmol/(m2·d)。对照实验结果表明,灭菌之后NH4-N、NO3-N和NO2-N的平均交换通量均有所降低,相比于原始组分别降低了76.5%、23.7%和50.3%,说明微生物在氮的转化中起到了非常重要的作用。

English Abstract

  • 近年来随着工农业发展及人口增加,人类活动产生大量含氮营养物质排入近海,造成河口及海湾等地区的富营养化程度不断增强[1-2]。滨海湿地作为海陆交互作用的过渡区具有重要的生态意义,它能够截留周边人类活动产生的营养物质,从而缓解环境压力。沉积物作为含氮营养盐迁移转化的重要场所,是湿地生态系统的重要组成部分。一方面沉积物作为营养物质的汇,接纳人类活动排放的污染物质,缓解水体富营养化状态,另一方面随着有机质矿化作用的发生,产生的营养盐重新释放进入到上覆水体,成为营养物质的源。Cowan等[3]对美国Mobile湾的研究发现,沉积物可向浮游植物提供大约36%的氮。汪雅露等[4]在胶州湾的研究发现,沉积物可为初级生产力提供约39.3%的无机氮。因此沉积物就像一个巨大的调节器,具有存储或释放营养物质的功能,对水体中营养盐等生源要素的收支平衡和循环动力学产生重要调控作用。沉积物-水界面是海洋中岩石圈和水圈进行物质交换、实现沉积物调控能力的重要媒介,上覆水中营养盐含量一定程度上受界面交换的影响。研究发现影响界面交换的因素很多,其中生物的作用占重要地位[5]。此外,由于滨海湿地具有复杂的环境条件,使得界面交换过程还受到沉积物粒径、氧化还原电位、pH、温度、停留时间及湿地开发利用等多因素的共同制约[4-5],在不同的环境条件下,营养盐迁移转化特征各不相同。

    大亚湾是我国东南沿海地区最主要的亚热带海湾之一。近几十年来随着经济的快速发展和人口的迅猛增加,大亚湾生态环境受人类活动的影响显著,其沉积物在调控水体溶解无机氮(DIN)迁移转化中所起的作用引起了人们的广泛关注。Ni等[6]的研究发现,大亚湾海域的沉积物主要表现为硝氮(NO3-N)/亚硝氮(NO2-N)的汇,氨氮(NH4-N)的源。何桐等[7]通过培养实验发现,大亚湾海域的沉积物可为初级生产者提供约10%的DIN。程香菊等[8]对大亚湾养殖区的研究表明,沉积物可作为NH4-N的源,其年均释放量高达6.42 t/a。目前对于大亚湾较深海域沉积物界面交换的研究较多,而针对滨海湿地的相关研究则未见报道。因此,本研究以大亚湾周边不同类型湿地为研究对象,分别采集丰水期和枯水期柱状沉积物进行间隙水中DIN时空分布特征的研究,并通过室内培养实验估算了DIN各形态的界面交换通量。初步探讨了沉积物间隙水中DIN的形态分布及界面交换的影响机制,对进一步研究滨海湿地氮的迁移转化规律及其控制机制提供基础。

    • 大亚湾地处114.5°E—114.9°E,22.4°N—22.9°N,是典型的亚热带半封闭海湾,总面积高达600 km2,海岸线长度约为92 km。该地区降水充沛,丰水期主要集中在每年的4月—9月,属于亚热带海洋性气候。大亚湾沿岸生境多样,主要包括红树林、海草床、珊瑚礁、泥滩和沙滩等生态系统。本次研究分别于2017年3月和8月对大亚湾3个典型的滨海湿地进行了高潮带(HT)、低潮带(LT)和潮下带(ST, 水深约为3 m)共9个站位进行采样,采样断面如图 1所示。其中,T1位于大鹏澳主要为光滩湿地断面,其不远处有网箱及贝类养殖;T2位于淡澳河口湿地,其高潮带有少量红树林;T3位于红树林湿地,分布有大面积红树林。

      图  1  大亚湾滨海湿地采样站位

      Figure 1.  Sampling sites of coastal wetlands in Daya bay

    • 用重力式柱状采样器采集沉积物柱状样。采样管内径为7.5 cm,长度为50 cm,采集到的沉积物深度约为30 cm,将采集到的沉积柱用锡纸包好后,迅速带回实验室进行处理。每个站位共采集5根沉积柱,其中两根用于间隙水样品的制备,分别离心后合二为一,另取两根分别用于原始组和灭菌组的室内培养,剩余一根用于粒径等理化因子的测定。沉积柱上部10 cm每隔1 cm进行切割,下部20 cm每隔2 cm进行切割。切割后的沉积物离心(4000 r/min,15 min)得到上清液,用φ=0.45 μm醋酸纤维膜进行过滤,滤液加入HgCl2固定,保存于-20 ℃冰箱中用于DIN的测定。高潮时采集各站位底层海水,经φ=0.45 μm的滤膜过滤后,冷藏保存,用于培养用上覆水。

      水质参数温度、盐度及DO等指标使用YSI 6600多参数测量仪进行测定。沉积物粒径采用Mastersizer 2000型激光粒度分析仪进行分析,检测限为0.02~2000 μm。营养盐的测定参见《海洋监测规范》(GB17378.4-2007),所用仪器为营养盐自动分析仪(Lachat Inc., Quickchem 8500, USA)。NO3-N的检测限为0.1 μmol/L,NO2-N和NH4-N检测限为0.01 μmol/L。数据分析及作图使用Excell 2013、Sigma Plot 10.0、Surfer 13.0等软件。

    • 将沉积物柱状样放入恒温水浴箱中维持温度在原位温度(枯水期约为17 ℃,丰水期约为26 ℃),并加入800 mL原位过滤海水进行培养。培养时向上覆水中通入一定流量的空气或氮气以维持原位DO浓度。预培养3 h后开始取样,取样间隔为3~6 h,培养时间为3 d,每次取100 mL上覆水过滤后于-20 ℃保存,并在每次采样结束后加入100 mL的原位过滤海水继续培养。实验分别设置原始组和灭菌组,原始组用于研究自然条件下界面交换通量。灭菌组添加HgCl2抑制微生物活动,以研究微生物对氮的转化作用。培养结束后进行DIN的测定,并按照如下公式进行交换通量的计算[9]

      式中:Fflux为沉积物-水界面营养盐交换通量[mmol/(m2·d)];△C/△t为营养盐浓度随时间的变化率[mmol/(m3·d)];A为沉积物-水界面表面积(m2);V为上覆水体积(L);C(t)为修正后上覆水营养盐浓度(mmol/L);C′(t)为上覆水营养盐实测浓度(mmol/L);V0为每次取样体积(L);C0为初始原位海水营养盐浓度(mmol/L)。

    • 本次研究中,各个站位上覆水不同形态含氮营养盐特征分布如图 2所示。不同断面之间DIN具有显著差异(ANOVA,p < 0.01)。在枯水期DIN的平均值为(161.66±160.55) μmol/L,而在丰水期其含量均略高于枯水期,含量为(197.28±236.02) μmol/L,主要是由于丰水期雨水对陆源营养物质的冲刷作用所致。上覆水中NH4-N的变化范围为5.41~446.22 μmol/L,平均值为(129.98±170.77) μmol/L,占DIN的72.4%以上。NO3-N和NO2-N的含量较低,变化范围为4.57~106.82 μmol/L和0.09~19.43 μmol/L,平均值分别为(44.03±32.27) μmol/L和(5.46±6.19) μmol/L。在T1和T2断面,NH4-N是上覆水中DIN的主要组成部分,分别占DIN的51.9%和82.0%,而在T3断面NO3-N占69.7%,是DIN主要的氮形态,这可能与T3断面红树林在生长过程中优先吸收水体中的NH4-N有关[10]。不同断面间比较发现,DIN的空间分布整体表现为T2>T3>T1。T2河口断面的营养物质含量远高于其余两断面,说明淡澳河河流输入是富营养盐污水的重要来源。在各断面之中T1光滩断面的DIN含量最低,其平均含量为(16.58±5.15) μmol/L,但均高于Ke等人[11]对大亚湾远岸水体的研究结果(DIN平均值约为13.68 μmol/L),可见近岸高强度人类活动排放对滨海湿地生态系统中氮营养盐的影响较为严重。

      图  2  丰水期和枯水期不同站位上覆水中氮素的含量及其分布特征

      Figure 2.  Content and distribution characteristics of nitrogen in the overlying water of different stations in wet and dry season

    • 沉积物复杂多变的环境条件,决定了不同形态N时空分布的异质性。本研究各站位沉积物间隙水中NO2-N、NO3-N和NH4-N的时空变化如图所示(图 3图 4)。总体来看,间隙水中NH4-N是DIN最主要的存在形态,其平均含量约占DIN的85.82%~99.67%。在丰水期,NH4-N含量变化范围为74.05~2902.01 μmol/L,平均值为(732.58±817.24)μmol/L,而枯水期NH4-N的含量为11.35~3821.43 μmol/L,平均含量为(801.75±948.81)μmol/L。枯水期NH4-N含量高于丰水期,结合实测的硝化速率和厌氧氨氧化速率分析发现,这是由于丰水期温度相对较高,提高了硝化细菌和厌氧氨氧化细菌的活性,促进了硝化和厌氧氨氧化过程对NH4-N的消耗所致[12-13]。在同一断面水平方向上,由高潮带至潮下带,随着离岸距离的增加,NH4-N的含量逐渐增加。沉积物间隙水中的NH4-N主要来源于有机质的矿化作用,通过现场测定沉积物的氧化还原电位发现,由高潮带至潮下带,沉积物的还原性逐渐增强高潮:(-147±60.8)mV,低潮带:(-187.5±73.5)mV,潮下带:(-225±75.4)mV,促进了有机氮矿化作用的发生[5]。随着沉积物还原性的增强,异化硝酸盐还原为铵过程也会促进沉积物间隙水中NH4-N的积累[14]。在同一站位的垂直方向上,随着深度的增加还原性的增强,NH4-N表现出逐渐增加的趋势。表层沉积物由于底栖生物的“灌溉作用”使间隙水中的NH4-N不断向上覆水释放,也会造成表层NH4-N含量的降低而深层得到积累[15]。各站位之间比较发现,T2河口断面的NH4-N含量最高,尤其是受淡澳河影响严重的潮下带,其NH4-N含量在丰水期和枯水期分别高达(2270.22±284.45)μmol/L和(2066.43±753.45)μmol/L,这主要是由于人类生产和生活过程中产生的有机废物直接或间接的排放到淡澳河中发生的沉积,在沉积物微生物的作用下发生有机质的矿化所致。

      图  3  丰水期沉积物间隙水DIN剖面分布

      Figure 3.  Porewater profiles of DIN in sediment in the wet season

      图  4  枯水期沉积物间隙水DIN剖面分布

      Figure 4.  Porewater profiles of DIN in sediment in the dry season

      沉积物间隙水中NO3-N和NO2-N的含量均较低,平均含量分别为(7.63±4.65)μmol/L和(7.28±8.47)μmol/L。总体上两者与NH4-N具有相反的分布特征,NO3-N含量的高值出现在沉积柱表层,而NH4-N含量在表层则较低,说明沉积物矿化过程产生的NH4-N在进入到上覆水之前发生了硝化作用[16]。在表层0~5 cm左右时NO3-N含量迅速降低,之后随着深度的增加呈缓慢降低的趋势,这说明沉积物表层氧化性增强,还原性减弱,促进了硝化作用的发生,使得NO3-N在表层发生积累[16]。而随着深度的增加还原性增强,反硝化和厌氧氨氧化过程增强,消耗了沉积物间隙水中的NO3-N和NO2-N,使得两者呈现逐渐降低的趋势。与前人对大亚湾水体中沉积物间隙水营养盐的研究相比[6],滨海湿地沉积物间隙水中NO3-N和NO2-N的含量均高于大亚湾远岸海域,一方面由于人类活动的排放所致,另一方面主要归因于潮汐的作用,干湿交替促进了湿地沉积物中氧分子的渗透能力,从而促进了硝化作用的发生。

    • 本研究通过进行室内培养实验估算了沉积物-水界面不同形态氮的交换通量,并分别设置了原始组和灭菌组探讨生物过程对营养盐交换通量的影响,自然条件下界面交换通量如图 5中的原始组所示。DIN各形态界面平均净交换通量大小整体表现为:NO2-N>NO3-N>NH4-N,各断面之间差异显著(p < 0.05)。T1光滩湿地断面的高潮带和低潮带的NH4-N、NO3-N、NO2-N在两个季节均表现为由上覆水向沉积物迁移,平均净交换通量分别为(-0.88±0.75)、(-0.72±0.70)、(-0.30±0.18)mmol/(m2·d),表明这两个站位沉积物对湿地营养盐起到净化的作用。而T1断面的潮下带DIN的平均交换通量为(0.54±0.39)mmol/(m2·d)。由于T1潮下带靠近网箱养殖,沉积物中的有机质含量较高,矿化和硝化过程中产生大量的DIN可能是造成氮营养盐释放的主要原因。T2河口湿地NH4-N、NO3-N和NO2-N在两个季节的平均净交换通量分别为(1.95±2.42)、(0.41±2.39)和(0.93±0.38)mmol/(m2·d)。在丰水期,T2断面的高潮带表现为NH4-N和NO3-N的汇,可能受到红树林快速生长过程中吸收大量的NH4-N和NO3-N,造成两者在由上覆水向沉积物中扩散补充。而在低潮带和潮下带,沉积物则主要表现为NH4-N的源,平均释放速率高达(4.08±1.33)mmol/(m2·d),这是因为丰水期高温促进了有机质的矿化,使沉积物中NH4-N含量增高。对NO3-N而言,丰水期沉积物Eh较低还原性较强[T2丰水期Eh:(-235.3±91.1)mV,枯水期:(-129.7±25.0)mV],以NO3-N为底物的反硝化作用较为显著,使沉积物中NO3-N被不断消耗,沉积物表现为NO3-N的汇。在枯水期,T2断面整体则为DIN的源,一方面由于枯水期沉积物的Eh偏高,氧化性较强还原性减弱,使得反硝化作用减弱而硝化作用增强;另一方面,沉积物中较高含量的NH4-N为硝化过程提供了丰富的底物,加速了沉积物中NO2-N和NO3-N的产生,从而促进沉积物DIN的释放。T3红树林湿地断面的NH4-N、NO3-N和NO2-N的平均净交换通量分别为(-1.35±1.18)、(-0.64±0.57)和(0.24±0.27)mmol/(m2·d),整体上T3断面沉积物为DIN的汇,其净吸收量为-0.58 mmol/(m2·d),有效缓解了水体的富营养化水平,这可能与红树林的快速生长过程中对营养盐的吸收,以及沉积物粒径较细比表面积较大[各断面黏土含量分别为:T1:(14.8±10.4)%; T2:(21.9±2.5)%; T3:(34.1±6.7)%],对营养盐的吸附作用增强有关[4]。此外,红树林地区沉积物较强的反硝化和厌氧氨氧化过程中对间隙水NO3-N和NH4-N的消耗也能促进营养盐由上覆水向沉积物扩散。

      图  5  滨海湿地沉积物-水界面DIN交换通量特征(负值表示其扩散方向由上覆水到沉积物)

      Figure 5.  The DIN fluxes at the sediment-water interface in dry and wet season (negative value indicates the diffusion direction from overlying water to sediment)

      表 1中对比了不同类型湿地沉积物-水界面NO2-N、NO3-N和NH4-N的交换速率。从该表中可知,NO2-N的交换速率在各湿地中均为正值,而NO3-N则均为负值,沉积物表现为NO2-N的源,NO3-N的汇,这与本研究的结果相近。NH4-N在界面交换中的方向,在不同湿地中各不相同,这可能与人类活动对湿地的影响程度不同有关,因为人类活动过程中产生的含氮废水会影响间隙水和上覆水中营养盐的浓度,造成不同程度的浓度差,从而驱动NH4-N的界面交换。此外,长江口湿地DIN各形态N的交换速率明显较高,可能与该地区较强的水动力交换及低盐促进了界面营养盐的循环有关。

      表 1  国内外不同类型湿地沉积物-水界面NO2-N、NO3-N和NH4-N的交换速率

      Table 1.  Exchange rates of NO2-N, NO3-N and NH4-N at sediment-water interface in different wetlands

      对比图 5中原始组与灭菌组结果可以发现,整体上DIN各个形态的交换通量在灭菌之后均有所降低,这与前人的研究结果一致[5]。NH4-N、NO3-N和NO2-N的平均交换速率分别为(0.02±1.24)、(0.14±1.18)和(0.18±0.37)mmol/(m2·d),相比于原始组交换速率分别降低了76.5%、23.7%和50.3%,说明细菌微生物在氮的迁移转化中起到了非常重要的作用。除此之外,底栖生物在界面营养盐交换方面也具有重要作用[17],底栖动物的扰动或底栖微藻的生长吸收也能够影响DIN的迁移转化。硝化、反硝化、氨化作用以及底栖生物的扰动,是沉积物氮形态转化中重要的生物过程。

    • (1) 大亚湾湿地沉积物上覆水中氮的含量远高于湾内远岸水体,其中NH4-N是最主要的氮形态,约占DIN的72.4%以上。在淡澳河河口断面,DIN含量显著高于其他断面,说明河流输入是DIN的主要来源途径,近岸人类活动输入对大亚湾滨海湿地氮素的影响严重。

      (2) NH4-N是大亚湾湿地沉积物间隙水DIN最主要的存在形态,其含量约占DIN的85.82%~99.67%,沉积物中有机质的矿化可能是间隙水中NH4-N的重要来源。垂直方向上随着深度的增加,NH4-N的含量呈逐渐增加的趋势。而NO2-N和NO3-N的分布则与之相反,即随着深度的增加反硝化和厌氧氨氧化的消耗增强,导致其含量逐渐降低。

      (3) 丰水期各断面NH4-N、NO2-N和NO3-N的界面净交换速率平均值分别为-3.70~5.02、-0.47~0.83和-2.05~0.43 mmol/(m2·d),DIN平均净交换速率为(0.41±1.26)mmol/(m2·d),沉积物表现为DIN的源。而枯水期各断面NH4-N、NO2-N和NO3-N的界面交换速率平均值分别为-0.29~2.30、-0.23~1.36和-1.10~3.41 mmol/(m2·d),DIN平均净交换速率为(-0.23 ±1.69)mmol/(m2·d),沉积物表现为DIN的汇。

      (4) 添加生物抑制剂灭菌后发现,整体上DIN各个形态的交换通量均有所降低,相比于原始组分别降低了76.5%、23.7%和50.3%,说明微生物在氮的迁移转化中起到了非常重要的作用。此外,红树植物的生长吸收对沉积物-水界面之间的营养盐交换速率也有重要调节作用。

参考文献 (20)

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