（海洋化学专业论文）黄河口湿地沉积物中营养盐分布及交换通量的研究.pdf

各 ，+ t 1 ， i i i l l i l l ir l l l r r r l i l l r r r i l l l i i i y 18 3 0 0 7 6 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特i i ) i i 以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得( 逵! 翅遣直 墓丝壶要挂别童明的：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名：槲 签字日期：剜9 年多月，加 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络 向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签字： 膨l 式谚 签字日期：矽f d 年占月妒签字日期：矽萨6 月阳 黄河口湿地沉积物中营养盐分布 及交换通量的研究 摘要 河口潮滩湿地是海陆相互作用的重要环境界面，其水动力作用强烈、泥沙输移和 冲淤变化复杂、生物多样性丰富，具有独特的环境功能和生态价值。黄河口湿地是由 黄河携带的泥沙冲淤而成，是我国暖温带最完整、最广阔、最年轻的新生湿地生态系 统，其典型性强，生态环境类型独特，自然资源丰富，越来越受到国内外学者的重视。 开展黄河口湿地的研究，具有重要的科学意义和应用价值。 本论文以黄河口湿地表层沉积物及柱状沉积物为研究对象，分析了沉积物中总氮 ( t n ) 、总磷( t p ) 及间隙水中磷酸盐( p 0 4 一p ) 、氨氮( n h 4 - n ) 、亚硝酸盐( n 0 2 n ) 、硝 酸盐( n 0 3 n ) 、硅酸盐( s i 0 3 s i ) 的含量和分布特征，通过实验室培养法计算了营养盐在 沉积物水界面的交换通量，并结合盐度等相关参数，讨论营养盐在沉积物水界面交 换过程的影响因素，为进一步研究黄河口湿地营养盐的迁移、转化及沉积物中营养盐 的再生循环提供基础数据。本论文得出的主要结论如下： ( 1 ) 黄河口湿地沉积物含水率为1 7 1 4 3 3 9 0 ；沉积物中值粒径是5 4 5 6 2 1 a m ， 各站沉积物的组成主要是粉砂，粘土和砂含量较少。沉积物含水率和中值粒径分布基 本呈相反趋势，二者有较好的负相关性，说明沉积物颗粒越细，沉积物持水能力越强， 沉积物的含水率也就越高。 ( 2 ) 黄河口湿地表层间隙水中p 0 4 p 的含量变化范围是0 2 1 2 6 8 p m o l l ，平均值 为2 8 2 - + - 4 4 8 t t m o l l 。表层间隙水中n h 4 - n 、n 0 2 - n 、n 0 3 n 的含量变化范围分别是 1 2 1 3 5 8 0 3 、0 4 0 1 4 3 0 、0 0 6 4 4 6 4 p m o l l ，平均值分别为1 3 6 7 4 - 1 1 7 3 、1 9 6 3 4 - 3 2 1 6 、 7 7 4 5 + 9 4 0 6 p m o l l 。表层间隙水中s i 0 3 s i 的含量变化范围是4 1 8 3 4 6 4 0 t t m o l l ，平 均值是l l1 7 + 8 6 2 4 1 t m o l l 。 表层沉积物中t p 、t n 的含量变化范围分别是8 1 0 4 2 4 3 、4 1 6 6 - 2 9 3 7 p g g ，平均 值分别为1 9 1 5 4 - 8 2 0 、1 4 0 3 4 - 5 8 2 6 9 9 g 。沉积物的粒度是影响t p 、t n 含量的重要因 素，表层沉积物颗粒越细，t p 、t n 含量越高。 ( 3 ) 黄河口湿地柱状沉积物间隙水中p 0 4 p 的含量变化范围是o 1 8 2 1 8 1 a m o l l 。 在垂直分布上，p 0 4 p 的含量基本随深度增加逐渐降低，到一定深度之后，其含量随 深度继续增加有逐渐增加的趋势。沉积物间隙水中n h 4 - n 、n 0 2 n 、n 0 3 n 、d i n 的 含量变化范围分别为4 5 1 3 4 8 i 、0 1 6 1 3 0 0 、1 7 1 2 0 0 2 、2 0 4 5 2 3 1 4 p m o l l 。沉积物 i 间隙水中无机氮的含量随深度增加基本呈现逐渐降低的趋势。沉积物间隙水中s i 0 3 一s i 的含量变化范围是5 9 7 2 2 5 6 1 t m o l l 。在垂直分布上，s i 0 3 s i 含量随深度增加有逐 渐增加的趋势。 沉积物中t p 、t n 的含量变化范围分别为4 5 4 4 3 0 7 、1 1 6 9 - 2 9 3 7 9 9 g 。在垂直 分布上，t p 、t n 的含量基本随深度增加逐渐降低，主要受到沉积物粒度的制约。 ( 4 ) p 0 4 p 、n h 4 - n 、n 0 2 。n 、n 0 3 n 、s i 0 3 s i 在沉积物水界面的交换通量分别在 0 3 0 0 0 4 5 、9 1 6 - - 6 9 4 、1 2 0 2 1 0 、2 2 8 1 4 4 、0 - 1 6 3m m o l m 2 d 范i 习内。 营养盐在沉积物水界面的交换通量受氧化还原条件及盐度影响较大。 关键词：沉积物；间隙水；营养盐；交换通量；黄河口湿地 s t u d yo nd is t rib u t ；o na n db e n t hicfiu x e so fn u t rie n t sin s e dim e n to ft h ey ei io wriv e re s t u a r yw e tla n d a b s t r a c t t h ee s t u a r i n ea n dc o a s t a lt i d a lf l a t ，a sat y p i c a lt r a n s i t i o n a lz o n eb e t w e e nl a n da n d o c e a n ，i sc h a r a c t e r i z e db yi n t e n s eh y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n s ，f r e q u e n ts e d i m e n tt r a n s p o r t a n dm a t e r i a le x c h a n g ea n dh i g hb i o d i v e r s i t y , i th a ss p e c i a le n v i r o n m e n t a lf u n c t i o na n d e c o l o g i c a lv a l u e s t h ey e l l o wr i v e re s t u a r yw e t l a n di s f o r m e db yt h ee r o s i o no ft h e s e d i m e n tc a r d e db yy e l l o wr i v e r , w h i c hi st h em o s tc o m p l e t e ，t h em o s te x t e n s i v ea n dt h e m o s ty o u n g e s tn e ww e t l a n de c o s y s t e mi nt h ew a r mt e m p e r a t eo fc h i n a b e c a u s eo fi t s s t r o n gt y p i c a l n e s s ，t h eu n i q u ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n dt h er i c hn a t u r a lr e s o u r c e s ，i t a t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o no ft h er e s e a r c h e r sa th o m ea n da b r o a d t h e r e f o r e ，t h e r ea r e s c i e n t i f i ca n dp r a c t i c a lv a l u e st od or e s e a r c ho nt h ey e l l o wr i v e re s t u a r yw e t l a n d t h ep a p e rw a sb a s e do nt h es u r f a c es e d i m e n ta n dt h ec o l u m n a rs e d i m e n to fy e l l o w r i v e re s t u a r yw e t l a n d t h ec o n t e n ta n dd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft na n dt pi n s e d i m e n ta n dp 0 4 一p ，n h 4 - n ，n 0 2 一n ，n 0 3 - na n ds i 0 3 一s ii ns e d i m e n tp o r ew a t e rw e r e d i s c u s s e d b e n t h i ce x c h a n g ep r o c e s s e so fn u t r i e n t sa tt h es e d i m e n t - w a t e ri n t e r f a c ew e r e m e a s u r e da c c o r d i n gt ot h el a bi n c u b a t i o ne x p e r i m e n t s ，a n dt h ei n f l u e n c e st ot h ee x c h a n g e f l u xw e r ed i s c u s s e d t h i sp a p e rp r o v i d e sab a s i sf o rf u r t h e rr e s e a r c ho fn u t r i e n tm i g r a t i o n ， t r a n s f o r m a t i o na n dn u t r i e n tr e c y c l i n gi ns e d i m e n to ft h ey e l l o wr i v e re s t u a r yw e t l a n d t h e m a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ew a t e rc o n t e n to fs e d i m e n ti s 17 14 - 3 3 9 0 ，a n dt h em e d i a nd i a m e t e ro f s e d i m e n ti sb e t w e e n5 4a n d5 6 2 p m t h em a i nc o m p o s i t i o no fs e d i m e n ti ss i l t ys a n d ，a n d t h ec o n t e n to fc l a ya n ds a n da r el e s s t h ed i s t r i b u t i o no fw a t e rc o n t e n to fs e d i m e n ta n d m e d i a nd i a m e t e ro fs e d i m e n ta r ec o n t r a r yt r e n d ，a n dt h e yh a sb a s i cn e g a t i v ec o r r e l a t i o n ，i t m e a n st h a tt h es m a l l e ro fs e d i m e n tp a r t i c l e s ，t h es t r o n g e ra b i l i t yo fs e d i m e n t st oh o l dw a t e r , a n dt h em o i s t u r ec o t e n to fs e d i m e n ta r eh i g h e r ( 2 ) t h ec o n c e n t r a t i o ns c o p e so fp 0 4 一pi nt h es u r f a c es e d i m e n tp o r ew a t e rr a n g e sf r o m 0 2 1t o2 6 8 p , m o l l t h ec o n c e n t r a t i o ns c o p e so f n h 4 - n ，n 0 2 一n ，n o s - nr a n g ef r o m1 2 1 3 t o5 8 0 3 ，0 4 0t o1 4 3 0 ，a n d0 0 6t o4 4 6 4 i t m o l l 。t h ec o n c e n t r a t i o no fs i 0 3 - s ir a n g e sf r o m 41 8 3t o4 6 4 0 1 x m o l l 1 1 i t h ec o n c e n t r a t i o no f t pa n dt ni ns e d i m e n tr a n g ef r o m8 1 0t o4 2 4 3 1 x g ga n d4 1 6 6 t o2 9 3 7 9 9 g ，s e d i m e n tp a r t i c l es i z ei st h ei m p o r t a n ti n f l u e n c ef a c t o r st ot pa n dt n ，t h e s m a l l e ro fs e d i m e n tp a r t i c l e s ，t h eh i g h e rc o n t e n to ft pa n dt n b e s i d e s ，t h ei n p u t so f e x o g e n o u sp a r t i c l en i t r o g e nm a ya f f e c tt h ec o n c e n t r a t i o no ft n ( 3 ) t h ec o n c e n t r a t i o no fp 0 4 一pi nm a r s hs e d i m e n tp o r ew a t e ri ny e l l o wr i v e re s t u a r y r a n g e sf r o m0 18t o2 18 p m o l l t h ev e r t i c a ld i s t r i b u t i o no fp 0 4 一pf i r s td e c r e a s e sw i t ht h e d e p t h ，a n dt h e ni n c r e a s e sw i t ht h ef u r t h e ri n c r e a s i n go fd e p t h t h ec o n c e n t r a t i o n so fn h 4 一n ， n 0 2 - n ，n 0 3 - na n dd i ni nt h es e d i m e n tp o r ew a t e rr a n g ef o r m4 5 1 3 4 8 1 ，0 1 6 1 3 0 0 ， 1 71 2 0 0 2 ，2 0 4 5 - 2 314 p m o l l t h ec o n c e n t r a t i o no f i n o r g a n i cn i t r o g e nd e c r e a s e sw i t ht h e d e p t h t h ec o n c e n t r a t i o no fs i 0 3 - s ii n c r e a s e sw i t ht h ed e p t h t h et pa n dt ni nt h es e d i m e n tr a n g ef r o m4 5 4 4 3 0 7 ，11 6 9 2 9 3 7 1 x g g t h ev e r t i c a l d i s t r i b u t i o no ft pa n dt nm a i n l yd e c r e a s ew i t ht h ed e p t h ，w h i c ha r ea f f e c t e db yt h e s e d i m e n tg r a i ns i z e ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h ei n c u b a t i o ne x p e r i m e n t ，t h ef l u xo fn u t r i e n t sb e t w e e ns e d i m e n t a n dw a t e ra r ec a l c u l a t e d ，a n df a c t o r st h a ta f f e c tt h ee x c h a n g ep r o c e s sa r ed i s c u s s e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ef l u x e so fp 0 4 一p ，n i - 1 4 - n ，n 0 2 - n ，n 0 3 - na n ds i 0 3 - s ib e t w e e n s e d i m e n ta n dw a t e ra r e - 0 3 0 0 0 4 5 ，9 1 6 6 9 4 ，1 2 0 2 1 0 ，2 2 8 1 4 4 ，0 1 6 3m m o l m 2 d ， r e s p e c t i v e l y t h ef l u xo fn u t r i e n t sa l ea f f e c t e db ys a l i n i t ya n dr e d o xe n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：s e d i m e n t ；p o r ew a t e r ；n u t r i e n t ；e x c h a n g ef l u x e s ；y e l l o wr i v e re s t u a r yw e t l a n d i v 目录 o 前言1o 日i j 舌l 1 文献综述2 1 1 湿地研究背景和意义2 1 1 1 湿地2 1 1 2 研究背景和意义3 1 2 湿地沉积物中营养盐的研究4 1 2 1 湿地沉积物中营养盐的来源。4 1 2 2 湿地沉积物中营养盐的迁移与循环。5 1 3 营养盐在沉积物水界面交换的研究7 1 3 1 实验室培养法：8 1 3 2 沉积物间隙水浓度梯度估算法9 1 3 3 上覆水营养盐质量平衡估算法1 l 1 3 4 现场法1 1 1 3 5 影响营养盐在沉积物水界面交换的因素1 2 1 4 本文研究内容及目的1 5 2 黄河口湿地表层沉积物中营养盐的含量和分布16 2 1 材料与方法1 6 2 1 1 主要仪器1 6 2 1 2 调查站位及样品采集：。1 6 2 1 3 溶解态营养盐的测定1 7 2 1 4 沉积物中总氮和总磷的测定1 8 2 1 5 沉积物含水率的测定1 8 2 1 6 沉积物粒度的测定1 8 2 1 7 沉积物矿物组成的测定1 8 2 2 结果与讨论：1 9 2 2 1 表层沉积物含水率及中值粒径的分布1 9 2 2 2 表层沉积物间隙水中营养盐的含量和分布2 4 2 2 3 表层沉积物中t p 、t n 的含量和分布3 l v 2 3 小结。3 4 3 黄河口湿地柱状沉积物中营养盐的含量和分布3 5 3 1 柱状沉积物含水率及中值粒径的分布3 5 3 2 柱状沉积物间隙水中营养盐的含量和分布3 9 3 2 1p 0 4 p 的含量和分布3 9 3 2 2 无机氮的含量和分布4 3 3 2 3s i 0 3 一s i 的含量和分布4 9 3 2 4 黄河口湿地沉积物间隙水中营养盐含量与其它区域的比较5 0 3 3 柱状沉积物中t p 、t n 的含量和分布o 5 1 3 3 1t p 的含量和分布5 1 3 3 2t n 的含量和分布：5 3 3 3 3 影响沉积物中t p 、t n 含量和分布的因素5 4 3 3 4t p 与t n 5 6 3 4 j 、结5 8 4 黄河口湿地沉积物水界面营养盐交换通量的研究5 9 4 1 样品采集与研究方法。5 9 4 1 1 采样点设置及样品采集5 9 4 1 2 沉积物水界面营养盐的交换通量培养实验6 0 4 2 结果与讨论6 2 4 2 1 黄河口湿地沉积物水界面p 0 4 p 的交换通量6 2 4 2 2 黄河口湿地沉积物水界面溶解无机氮的交换通量6 4 4 2 3 黄河口湿地沉积物水界面s i 0 3 s i 的交换通量6 8 4 2 4 黄河口湿地沉积物一水界面营养盐交换通量与不同区域的比较。7 l 4 3 小结7 2 5 主要结论7 3 参考文献7 5 致谢81 发表的学术论文8 2 v i 黄河口湿地沉积物中营养盐分布及交换通量的研究 0 前言 湿地是介于陆地和水体之间，兼有水、陆特征的生态类型，是地球表层独特而重 要的生态系统。湿地既是陆地上的天然蓄水库，又是许多珍贵生物物种的分布、栖息 和繁殖地，在调节气候、涵养水源、控制土壤侵蚀、净化环境、提供资源等方面发挥 着重要作用。 黄河口湿地是由黄河携带的泥沙冲淤而成，是我国暖温带最完整、最广阔、最年 轻的新生湿地生态系统，其典型性强，生态环境类型独特，自然资源丰富，越来越受 到国内外学者的重视。开展黄河口湿地的研究，具有重要的科学意义和应用价值。 沉积物水界面是水体和沉积物两相组成的环境边界，与其它界面相比，其最显 著的特点是：界面发生的所有反应都是在一定水深和缺氧条件下，在有机质和微生物 细菌的直接或间接参与下进行的，是典型的生物地球化学过程。营养盐是支撑生物生 长繁殖最重要的成分，是生态系统的基本要素之一，营养盐在沉积物水界面的交换 过程是生态系统物质循环不可缺少的部分。沉积物是一个巨大的营养盐储藏库和释放 源，营养盐通过间隙水与上覆水体进行交换，影响上覆水体的营养状态，是营养盐循 环的重要环节。 近年来，国内很多学者对中国近海沉积物水界面营养盐的生物地球化学特征进 行研究，但对黄河口湿地营养盐的生物地球化学循环的研究并不多见。本论文以黄河 口湿地表层沉积物及柱状沉积物为研究对象，分析了沉积物中总氮( t n ) 、总磷( t p ) 及间隙水中磷酸盐( p 0 4 一p ) 、氨氮( n h 4 - n ) 、亚硝酸盐( n 0 2 - n ) 、硝酸盐( n o r n ) 、硅酸 盐( s i 0 3 s i ) 的含量和分布特征，通过实验室培养法计算了营养盐在沉积物水界面的交 换通量，并结合p h 、e h 、盐度等相关参数，讨论营养盐在沉积物水界面交换过程的 影响因素，为进一步研究黄河口湿地营养盐的迁移、转化及沉积物中营养盐的再生循 环提供基础数据。 三年来，在导师的悉心教导之下，论文研究工作取得了一定的进步，但由于本人 目前的知识水平有限，对论文实验数据的处理、分析以及结果的讨论难免有不足和不 当之处，在此，诚恳希望各位专家、老师和同学予以指正。 黄河口湿地沉积物中营养盐分布及交换通量的研究 1 文献综述 1 1 湿地研究背景和意义 1 1 1 湿地 湿地是由喜水生物和过湿环境构成的特殊自然综合体，是多种能量和物质交 换的场所。它是地球上重要的生存环境和生态系统，具有稳定环境、物种基因保 护及资源利用的功能，被誉为“自然之肾0 “生物基因库 和“人类摇篮。作为 自然界最富生物多样性的生态景观和人类最主要的生存环境之一，湿地与森林、 海洋一起并列为全球三大生态系统【l 2 1 。 由于湿地分布广泛，种类繁多，相互之间差别很大，因此很难给湿地下一个 明确的定义。总的来说，湿地的定义可以分为两类：一类是管理定义，通常采用 的是最有代表性的国际湿地公约( r a m s a r 公约) 中湿地的定义：“湿地是指不论其为 天然或人工、长久或暂时性的沼泽地、水域地带，静止或流动的淡水、半咸水、 咸水，包括低潮时水深不超过6 m 的海水水域 3 1 。 此定义比较具体，具有明显的 边界，具有法律的约束力，在湿地管理工作中易于操作【4 5 1 。另外，凡签署加入国 际湿地公约的缔约国都已经接受这一定义，在国际上具有通用性【2 l 。另一类是不 同学者从不同角度出发，对于不同的研究区域和研究对象，给出的不同定义，可 以概括为水文学、动力地貌学、生态学i 泥炭地质学、景观学、资源学等方面给 出的定义【6 ，7 1 。 据初步统计，全球湿地总面积为8 5 6 x 1 0 8 h m 2 ，约占世界陆地面积的6 4 。我 国湿地面积达65 9 4 x 1 0 4 h m 2 ，居亚洲第一、世界第四位，几乎包括了国际湿地公约 中所有的湿地类型，并拥有世界上独特的青藏高原湿地。由于湿地兼有水陆两类 生态系统的某些特征，因而具有多种生态功能和经济与社会价值，已成为人类赖 以生存和发展的自然资源宝库与生存环境。湿地科学已成为当今世界所关注的重 点学科与研究领域【2 l 。 黄河口湿地自然保护区地处山东省东营市黄河入海口处，总面积达1 5 3 万公 顷。其中核心区面积7 9 万公顷，缓冲区面积1 1 万公顷，实验区面积6 3 万公顷。该 保护区地理位置优越，生态类型独特，是我国暖温带最完整、最广阔、最年轻的 2 黄河口湿地沉积物中营养盐分布及交换通量的研究 湿地生态系统；是全国最大的河口三角洲自然保护区。 黄河口地区的湿地是一个新生的湿地系统，是世界上面积自然增长最快的湿 地，区内生物资源、湿地资源和景观资源十分丰富，具有典型的河口和滨海湿地 生态系统，具有重大的科研价值和生态意义。国内外关于湿地研究的兴趣很大【6 8 q 3 ，并取得了较好的成果。但目前对黄河e l 地区的湿地研究较少。 1 1 2 研究背景和意义 河口是海洋与河流的交汇和过渡带，是岩石圈、水圈、大气圈和生物圈四大 圈层交互作用和各类界面的汇集地带，是淡水和海洋栖息地之间的生态交错区。 在这一地带，各种物理过程、化学过程、生物过程和地质过程错综复杂，加上全 球环境变化和频繁的人类活动，使该地带的各种现象更趋复杂。河口潮滩是海陆 相互作用的重要环境界面，其水动力作用强烈、泥沙输移和冲淤变化复杂、生物 多样性丰富，具有独特的环境功能和生态价值【1 4 ，15 1 。河口潮滩湿地是一个很复杂 的双重驱动环境系统：一方面，潮滩受干湿交替、冲淤交替、咸淡水交替等海陆 相互作用的影响，自然环境条件复杂，且环境呈现出剧烈的动态变化，同时由于 物理、化学、生物等环境因素在时间和空间尺度上的急剧变化，使河口成为很脆 弱的生态系统【1 4 】；另一方面，滨岸区围海造地、大型工程建设及旅游开发等高强 度的人类活动对潮滩湿地原本就脆弱的环境产生了极大的影响和压迫【l 们。 在自然和人为作用的影响背景下，河口潮滩湿地氮、磷、硅等生源要素的生 物地球化学循环不仅影响区域的物质输移、能量信息流动和湿地初级生产过程， 而且河口潮滩湿地作为河口区主要生源要素的源、汇、转换器以及调节器，还可 以促进或者延缓河口环境的富营养化过程和污染趋势，也可能在某些环境条件下 出现营养元素的大量内源释放过程【1 5 l 。研究河口潮滩湿地生源要素的生物地球化 学过程，具有重要的环境意义。 沉积物水界面是最重要的界面之一，是水体和沉积物两相组成的环境边界。 与其它界面如岩。土界面、水气界面等相比，最显著的特点在于界面发生的所有反 应都是在一定水深和缺氧或含氧无氧界面条件下，而且都是在有机质和微生物的 间接或直接参与下进行的，是典型的生物地球化学过程【1 7 】，对水体中物质的循环、 转移、储存有重要的作用。沉积物水界面是天然水体在物理、化学和生物特征等 方面差异性最显著和负责水体和沉积物之间物质输送和交换的重要边界环境。营 黄河口湿地沉积物中营养盐分布及交换通量的研究 养盐在沉积物水界面的交换不仅是营养盐生物地球化学循环的一个重要环节，而 且是水体中营养盐的一个重要补充途径，甚至超过其它途径的输入【1 8 ，19 1 。 沉积物中营养物质的再生对水体中营养物质的收支和营养盐循环动力学等都 有非常重要的作用【2 0 】。伴随微生物的作用、有机物质的降解与矿化、沉积物中各 种早期化学成岩反应，往往使得沉积物间隙水中营养盐的浓度高于上覆水体，这 些高浓度的营养盐通过底栖生物扰动、分子扩散、对流、沉积物再悬浮等过程， 参与沉积物水界面交换 2 1 , 2 2 】。对水体而言，沉积物犹如一个营养贮存库，在一定 环境条件下，这个贮存库作为内源性营养物的供给源，向水体释放营养物，因此， 在近岸地区水体富营养化程度与沉积物有较为密切的联系1 2 3 1 。图1 1 表明了沉积物 水界面上的各种作用。 图1 1营养盐在沉积物水界面上的循环 2 4 , 2 s 1 1 2 湿地沉积物中营养盐的研究 1 2 1 湿地沉积物中营养盐的来源 营养盐是水生生态系统的重要生源要素，是生物生存繁殖最重要的成分，某 一种或几种要素的缺乏会影响生物的生长，或者改变环境中生物的组成，但过多 的营养盐输入也有可能导致水体富营养化，引发赤潮，对生态系统和生态环境带 来负面影响。沉积物是营养盐的重要蓄积库，在一定的条件下，营养盐具有源或 4 黄河口湿地沉积物中营养盐分布及交换通量的研究 汇效应，向水体吸附或释放营养盐，沉积物中营养物质的再生对水体中营养物质 的收支和营养盐循环动力学等都有非常重要的作用。 物质通过底质、生物和水文途径输入湿地【2 6 1 。表1 1 列出了湿地中营养盐来 源的方式，对于营养盐氮、磷来说，其来源主要方式为水源输入，其次是生物来 源。在水源输入的方式中，降水是硝酸盐和铵盐的重要补充方式。 表1 1 湿地中营养盐的来源方式【2 7 1 物质来源具体说明 地质输入 生物输入 水文途径 基岩风化产物 光合作用 氮的固定 动物( 如鸟类) 对物质的输入 迁徙动物携带的生命物质 河口中的河海混合贡献 降水( 其中有人文活动的影响) 溪水、河水、地下水( 其中有人文活动的影响) 1 2 2 湿地沉积物中营养盐的迁移与循环 沉积物中营养盐的循环包括沉积物间隙水和沉积物固体本身。生源颗粒物质 到达沉积物表面后，将在沉积物界面进行复杂的生物地球化学过程，即早期成岩 过程，它包括在细菌作用下的有机质分解和矿化、矿物的溶解与沉淀、离子的交 换与吸附过程等，这些过程能引起生源物质的释放、吸收和埋葬，改变了间隙水 中生源成分的组成和浓度，导致了沉积物一水界面之间的浓度梯度，使界面总处于 生物地球化学动态平衡状态。在这个平衡中，有机质和溶解氧的浓度，不同形态 的硫、温度、p h 、生物扰动以及其它金属离子的存在等因素，控制着磷、氮、硅 的迁移转化【2 引。 沉积物中磷、氮、硅在有机质中的碳被氧化降解的同时得到释放。在有氧环 境中，n h 4 - n 和有机氮被0 2 氧化成n 2 ，部分被氧化成n 2 0 和n 0 3 - n ，磷被氧化 成p 0 4 一p ，有机硅被转化成s i ( o h ) 4 ，0 2 是电子的最终接受体。部分产物离开沉积 物进入水体再循环。在缺氧环境中，根据浓度和生物化学条件，0 2 、n 0 2 、n 0 3 以及重金属离子都可能成为电子的接受体【2 9 1 。 磷是生态系统中最重要的化学物质之一，在淡水沼泽以及深水沼泽湿地中它 被作为一种主要的限制性养分。磷在湿地沉积物中以多种形式存在，包括以无机 5 黄河口湿地沉积物中营养盐分布及交换通量的研究 和有机形式存在的溶解态和不可溶态。无机形式包括p 0 4 3 、h p 0 4 厶、h 2 p 0 4 。，主 要存在形式取决于p h 。磷对铁、钙、铝都有亲和力，当这些元素处于可利用状态 时，磷会和这些物质形成复合物。图1 2 为湿地沉积物中磷的转化图，由图可知， 磷在沉积物及沉积物水界面发生复杂的转化。 图1 2 湿地沉积物中磷的转化( s o p 表示溶解有机磷) | 2 6 1 影响磷在沉积物中的循环的因素有很多，包括温度、p h 、氧化还原电位、吸 附解吸、沉积过程，不同的环境条件、水利条件、生物过程和人为因素等，它们 都对沉积物中磷的循环有重要的影响1 3 0 j 。 湿地的许多氧化阶段都出现氮，氮在湿地的生物地球化学循环中相当重要。 由于微生物的作用、有机质的分解与矿化、沉积物中的各种早期化学成岩反应， 湿地细颗粒沉积物中含有高浓度的溶解态氮。沉积物中间隙水中的溶解态氮会向 上覆水中扩散，而沉积物颗粒也会吸附大量的氮，沉积物由于受到扰动发生的再 悬浮会导致这些氮迅速向水体的释放。湿地沉积物中氮的转化如图1 3 所示。 6 黄河口湿地沉积物中营养盐分布及交换通量的研究 图l 一3 湿地沉积物中氮的转化【2 6 】( s o n 表示可溶性有机氮) 湿地沉积物中氮循环的重要环节有：铵化作用、硝化作用、矿化作用、脱氮 和固氮作用，影响沉积物中氮持留的主要是沉积作用、植物吸收、脱氮作用【2 7 1 。 氮在沉积物中的形态转变主要是通过硝化和反硝化作用来实现的。硝化作用影响 着沉积物中氮的内部循环，是氮循环的重要反应之一，主要在铵氧化细菌和亚硝 酸盐氧化细菌参与下进行。在硝化过程中，硝化细菌在0 2 的作用下将n h 4 - n 转化 为n 0 3 - n ，并产生中间产物n 2 0 ；在反硝化过程中，反硝化细菌在缺氧条件下将 n 0 3 n 转化为n h 4 - n 。铵化作用将有机氮水解成以氨基酸形式存在的有机络合结合 态，氨基酸脱氨基作用形成n h 4 + ，。大部分n h 4 + 以可交换相形式存在。表面沉积物 微生物催化脱氮作用反应可将n o 或n o x 还原成n 2 等排出水体，脱氮反应是所有氮 转化过程最具生态环境效应的反应【3 1 1 。 1 3 营养盐在沉积物水界面交换的研究 研究沉积物一水界面营养盐的交换主要有4 种方法，分别为实验室培养法、 沉积物间隙水浓度梯度估算法、上覆水营养盐质量平衡估算法和现场法。各种方 7 黄河口湿地沉积物中营养盐分布及交换通量的研究 法都有其优势和不足，为了提高适应面和测量精确性，常常可以将多个方法结合 使用。 1 3 1 实验室培养法 实验室培养法是通过分析上覆水中营养盐浓度的变化来计算界面的交换通 量，是研究营养盐在沉积物水界面交换的最常用方法之一。通常将采集到的沉积 物装入培养管中在实验室进行培养，控制一定的环境条件，测定上覆水中营养盐 浓度的变化及一些水体基本参数，如温度、溶解氧、p h 等。在培养实验过程中， 沉积物样品的高度和表面积、培养时间和取样间隔、加入上覆水的体积等都会由 于研究者设计实验的不同而有所差异。实验室培养装置图如图1 4 所示： 图1 4 培养装置图【3 2 】 g u n n a r s 等1 3 3 】对沉积物进行培养，在恒温( 1 0 + 3 0 c ) 的实验室中，将培养管 放在温度为9 + 2 0 c 的水浴中培养，并向培养管中通入氮气或空气，控制水体的氧 化还原条件。培养过程中每取出一定体积的培养水样，同时加入相同体积的培养 用水。刘素美等【3 4 】在研究渤海莱州湾沉积物水界面溶解无机氮的扩散通量时，用 箱式采样器采集底部沉积物，插入内径为7 或8 c m 的有机玻璃管，将沉积物和有 机玻璃管一同取出，向管中加入用采水器采集的底层水，在培养箱中暗中培养， 箱中有现场海水连续流过，以保持实验水温与现场一致，培养过程中每取出一定 体积的培养水样，即加入相同体积的培养用水，且培养时向培养管中通入空气或 8 黄河口湿地沉积物中营养盐分布及交换通量的研究 氮气，或者加入氯化汞，以产生不同的培养条件。d e n i s 等【3 2 1 对沉积物进行培养， 所用培养装置图如图l - 4 所示，培养温度控制与现场温度一致，每个培养管都跟 装有培养用水的储备箱连接，取样之后，同时将储备箱中同体积的水注入到各个 培养管中，培养管上面固定浮动的磁力搅拌，目的是为了将上覆水体混合均匀3 5 i ， 培养进行3 6 4 8 h 。戚晓红等【3 6 】研究东、黄海沉积物水界面营养盐交换速率时， 用多管采样器采集沉积物，向管中沉积物上方加入现场用采水器采集的底层过滤 海水，在聚氯乙烯箱中避光培养，箱中有现场海水连续流过，保持培养温度与现 场一致，并向培养柱上方通入氮气和空气，连续培养约5 0 h ，每隔6 8 h 从培养柱 内上覆水取样，同时向培养柱内加入同体积相同站位底层过滤海水。 这种方法基本上不破坏沉积物的性状，适合各种河流、湖泊和海洋沉积物的 研究，也可以根据研究者的意图改变实验条件，是目前世界上比较流行的方法。 其缺点是实验工作量比较大，往往需要搬运大量的上覆水来进行培养实验，难以 消除实验室和现场环境条件的差异，比如实验室的光照、温度、颗粒沉降补充、 水动力条件等，这些都与现场有明显差异，且培养过程中的管壁效应可能会对结 果带来一定影响【1 5 l 。 培养过程中采取向培养管内加入培养用水以保持上覆水的体积不变，但是这 样做会引起上覆水中营养盐浓度以及溶解氧浓度的变化，从而影响营养盐在沉积 物水界面的交换。采取向培养管中充气的方式虽然可以在一定程度上保持水体的 氧化还原电位，使水体中不同形态的营养盐之间的转化得到控制，但是，该交换 过程并不是简单的与氧化还原条件相关，这就使培养实验得到的交换通量难以还 原到现场条件，从而使营养盐的交换通量与实际情况存在差别。 总体来说，实验室培养法的培养方式因人而异，但因其结果与实际比较接近， 操作也不复杂，因而受到了越来越广泛的应用，与后面讨论的现场法相比，两种 方法所得结果比较一致，但有时结果会比现场法偏低【3 。 1 3 2 沉积物间隙水浓度梯度估算法 、 沉积物间隙水浓度梯度估算法是通过实验测定沉积物间隙水和上覆水中营 养盐浓度，利用f