渤海沉积物中氮的赋存形态及其在循环中的作用

为揭示渤海沉积物中氮的生物地球化学循环过程，本文应用自然粒度下的分级分离浸取方法首次对渤海沉积物中氮的形态进行了研究，获得了氮形态分布的地球化学特征；将沉积物氮中可转化和非转化部分定量区别开，并对可转化态中各形态氮对其循环贡献的大小进行了评估；结合底栖生物的分布初步探计了沉积物中氮与生物生产的关系及底栖生物对氮循环的影响。得到的主要结论包括：渤海沉积物中氮的形态分布特征及其控制因素。表层沉积物中IEF-N、CF-N、IMOF-N和OSF-N占TN的比例分别为3.67%，0.31%，0.42%和26.45%，OSF-N是可转化态氮的优势形态。IEF-N 中NH_4~+和NO_3~-具有不同的成岩机制：NH_2~+主要受OC、Es和粘土矿物性质影响，NO_3~-与水体分布密切相关。CF-N含量最小，主要受沉积环境pH值的影响。IMOF-N主要由NH_4~+在Fe~（3+）上的吸附形成，受沉积物的氧化还原环境控制。OSF-N除与物质来源有关外，受到粘土矿物性质及沉积物粒度的影响。Fe、Mn和Co对IEF-N和IMOF-N的成岩作用影响明显，Cu、Pb和Mo对OSF-N的分布产生影响，二者作用的机理不同。表层样中，约69.15%的氮经过早期成岩作用而埋藏，短期内不再参与循环。氮的埋藏通量与沉积物聚积速率呈显著正相关，同时受温度、Eh、OC、盐度、硫化物含量等因素影响。沉积物中C/N和N/P均呈现异常的低值，前者主要是由于沉积物中保留了大量的无机氮，后者主要因为陆地排放大量磷入海以及磷的埋藏效率高于氮所致。柱状样中，IEF-N基本随深度减小，IMOF-N随深度有突变现象，OSF-N随深度的变化表明了矿化作用进行的程度。对沉积物中生源要素分解速率常数有：N>P>C>Si。表层沉积物中可转化态氮占总氮的比例高于深层沉积物。OC/ON随深度减小表明沉积物通过某种机制富集了有机氮。各形态氮在氮循环中作用及渤海氮循环收支。对渤海沉积物中可转化态氮的量进行了估算，IEF-N、CF-N、IMOF-N和OSF-N分别为3.657 * 10~8kg，2.794 * 10~7 kg，3.832 * 10~7kg和2.372平共处* 10~9kg；结合室内模拟的氮的界面交换通量，估算其完全释放所需的时间分别为2.15a，0.16a，0.225a和13.94a。各形态氮释放的顺序与其结合牢固程度一致，即IEF-N>CF-N >IMOF-N>OSF-N，其对界面交换的贡献大小则随时间尺度大小发生变化：随时间尺度增加，IEF-N、CF-N、IMOF-N的贡献逐渐减小，OSF-N的贡献逐渐增大，当时间尺度大到足以使四态氮完全释放时，其贡献的大小与各形态氮的量一致即OSF-N（84.6%）>IEF-N（13.0%）>IMOF-N（1.4%）>CF-N（1.0%）。非转化态氮占总氮的 69.15%，其中由于颗粒物包裹导致的“非转化态”氮为49%，说明粒度的影响非常重要。IEF-N和OSF-N主要存在于颗粒物质外层，是循环的主要参与者，CF-N和IMOF-N绝大部分在内层，对循环的贡献很小。水体中再循环的氮对初级生产力的贡献（74.4%）比沉积物中再循环氮的贡献 （26.1）大得多，二者对生态系统的作用不同，水体再生的营养盐通常在较长的时间尺度上维持初级生产力的平衡，而沉积物中的再生则在很短的时间内通过强烈的混合作用提高初级生产力。沉积物中氮与生物生产的关系及底栖生物对沉积物氮循环的影响。IEF-N和OSF-N的分布均与初级生产力以及浮游植物个体数量的分布具有一定的相似性。沉积物中的IEF-N的作用相当于一个氮营养盐的“储存库”对初级生产力产生影响，其作用机制类似于水体富营养化的正反馈机制。IEF-N能对赤潮的发生起加速作用。底栖生物的分布与氮形态分布具有正的相关性：莱洲湾内IEF-N和OSF-N的分布与该区域高生物量和高密度的大型底栖动物分布一致，说明在底栖生物活动活跃的区域营养盐的再生和流动是高效而迅速的。生物扰动能加速矿化作用的进行，使沉积物在一定深度范围内NH_4~+含量增加，大型底栖动物的灌溉作用使NO_3~-在深层仍有较高的分布。底栖生物的不同种群对营养盐变化的响应不同。