張 碩,方 鑫,黃 宏,張 虎,張俊波,5,6

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基于正交試驗(yàn)的沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換通量研究——以海州灣海洋牧場(chǎng)為例

張 碩1,2,方 鑫1,黃 宏3,張 虎4,張俊波1,5,6*

(1.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院,上海201306；2.上海海洋大學(xué)大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海201306；3.上海海洋大學(xué)海洋生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,上海201306；4.江蘇省海洋水產(chǎn)研究所,江蘇南通226007；5.上海海洋大學(xué)國家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心,上海201306；6.上海海洋大學(xué)水產(chǎn)科學(xué)國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,上海201306)

為了研究沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換特性,采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),對(duì)海州灣海洋牧場(chǎng)2016年5月3個(gè)站位沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換通量進(jìn)行了研究,分析了沉積物類型、溫度、DO和pH值對(duì)沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換通量的影響.結(jié)果表明:影響營養(yǎng)鹽交換通量的因素間存在主次關(guān)系,影響NH4+-N交換的因素依次:DO>溫度>沉積物類型;影響NO3-+NO2--N交換的因素依次為:沉積物類型>DO>溫度;影響PO43--P交換的因素依次為:DO>沉積物類型>溫度;影響SiO32--Si交換的因素依次為:溫度>pH值.因素之間的交互作用對(duì)各項(xiàng)營養(yǎng)鹽交換通量有著重要的影響,在建立沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換模型時(shí),更應(yīng)著重考慮交互作用的影響效果.本研究實(shí)驗(yàn)得出的沉積物類型、溫度、溶解氧和pH值這4種因素對(duì)海州灣營養(yǎng)鹽交換影響的結(jié)果與海州灣往年調(diào)查研究結(jié)果大致相符.

沉積物-水界面；營養(yǎng)鹽；交換通量；正交試驗(yàn)；交互作用

沉積物和水體之間的相互作用(營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)、遷移和存儲(chǔ))對(duì)近岸淺海生態(tài)環(huán)境有重要的影響[1].沉積物-水界面是近岸淺海區(qū)域中非常重要的界面之一,沉積物-水界面營養(yǎng)鹽的交換對(duì)維持海洋初級(jí)生產(chǎn)力和水體營養(yǎng)鹽含量平衡有著顯著的影響[2].控制沉積物-水界面間營養(yǎng)鹽遷移的因素主要包括擴(kuò)散、吸附-解吸、沉淀(礦化)、溶解和有機(jī)質(zhì)分解等,沉積物中有機(jī)物通過微生物的作用轉(zhuǎn)化成間隙水中的營養(yǎng)鹽,再通過吸附-解吸、自生礦物沉淀、微生物的吸收利用及擴(kuò)散等作用從沉積物中發(fā)生轉(zhuǎn)移[3].在這些過程中,溫度、溶解氧、pH值、鹽度、生物擾動(dòng)和沉積物自身理化性質(zhì)等因素也會(huì)促進(jìn)或抑制沉積物-水界面間營養(yǎng)的交換[4].沉積物的粒度是影響TP(總磷)、TN(總氮)含量的重要因素,沉積物顆粒越細(xì),TP、TN含量越高,沉積物粒度還制約著沉積物中TP、TN的垂直分布,其含量隨深度增加而逐漸降低[5].有研究表明,無機(jī)磷占TP的50%~90%,無機(jī)磷通過厭氧釋放轉(zhuǎn)化為PO43-[6-7],有機(jī)氮占TN的70%~90%,大部分有機(jī)氮會(huì)在微生物的作用下發(fā)生礦化作用,其主要產(chǎn)物是NH4+-N[8-9],后經(jīng)硝化作用氧化為NO3--N或NO2--N,或通過擴(kuò)散作用滲入間隙水中,從而改變N、P營養(yǎng)鹽在沉積物-水界面的濃度梯度,發(fā)生交換作用[10-13].溫度對(duì)硝化和反硝化作用有顯著的影響,并認(rèn)為硝化反應(yīng)的微生物適宜溫度為20~30℃.溫度在5~30℃之間時(shí),溫度每上升10℃,細(xì)菌的增長速率增大1倍[14],在溫度適宜的情況下,硝化作用發(fā)生后改變其原有的濃度梯度,加快了其交換速率,同時(shí)pH值升高也會(huì)加快NO3-的交換速率.SiO32-的交換速率雖然與溫度呈正相關(guān)的關(guān)系,但同時(shí)還會(huì)受到沉積物粒度、鹽度等因素的影響[15].溫度的升高和較低的含氧量會(huì)加快PO43-從有機(jī)質(zhì)中的釋放,沉積物的類型也會(huì)影響PO43-的釋放過程[16],在厭氧條件下,PO43-的釋放速率則是好氧條件下的2~8倍[17].此外,溫度和DO之間呈顯著負(fù)相關(guān)[18],pH值與海水溫度存在顯著的相關(guān)性[19],從另一個(gè)側(cè)面影響著營養(yǎng)鹽的交換.

海州灣位于蘇魯交界處,該海域自2002年開始實(shí)施人工魚礁項(xiàng)目,經(jīng)過10多年的建設(shè),人工魚礁對(duì)海州灣漁場(chǎng)漁業(yè)資源的恢復(fù)起到了重要作用.從近些年的水質(zhì)生態(tài)調(diào)查報(bào)告結(jié)果看[20-21],海州灣的生態(tài)環(huán)境得到顯著的改善,海洋牧場(chǎng)的功能逐漸得到體現(xiàn).而海洋牧場(chǎng)對(duì)環(huán)境的調(diào)控能力取決于該海域營養(yǎng)物質(zhì)的交換與補(bǔ)充.因此,開展對(duì)海洋沉積物和海水中營養(yǎng)鹽交換的特性研究顯得尤為重要.海州灣是一個(gè)半開敞型海灣[22],灣內(nèi)有多條入海河流,會(huì)導(dǎo)致海水的pH值產(chǎn)生波動(dòng),且海州灣氣候四季分明,有研究表明海州灣C、N元素的賦存受到沉積物粒度的制約[23].目前,多數(shù)學(xué)者僅就單個(gè)因素對(duì)營養(yǎng)鹽交換的影響規(guī)律進(jìn)行了研究,董慧[4]和Zhen[24]通過單因素的控制實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),NH4+-N、NO3--N和PO43--P在貧氧環(huán)境下的交換通量要高于富氧條件下,隨著溫度的升高,NH4+-N、NO3--N和PO43--P的交換通量增大.但影響沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換的因素之間并不是相互獨(dú)立的,它們會(huì)共同作用于交換過程.故本研究采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),從多因素(沉積物粒徑、溫度、溶解氧、pH值)角度,開展沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換特性研究,從而為該海域建立營養(yǎng)鹽交換模型提供基本參數(shù),也為海域水環(huán)境修復(fù)提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究站點(diǎn)與樣品采集

為了解海州灣海洋牧場(chǎng)沉積物物理性質(zhì),本研究于2015年5月,由近及遠(yuǎn)在海州灣魚礁區(qū)選取6個(gè)站位(RA1、RA2、RA3、RA4、RA5、RA6),對(duì)照區(qū)選擇2個(gè)站位(CA1、CA2)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣調(diào)查,具體站位如圖1所示,在每個(gè)站位使用抓斗式采泥器采集4組表層沉積物.根據(jù)2015年采樣得到的沉積物類型結(jié)果,又于2016年5月,從8個(gè)站位中選取3個(gè)站位(CA1、RA1、RA4)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查采樣,在每個(gè)站位使用柱狀采泥器(內(nèi)置可替換的PVC管)采集站位處的27根無擾動(dòng)的表層沉積物(共計(jì)81根),每根PVC管直徑為5cm,長度為35cm,且在采樣時(shí)保證每根PVC管內(nèi)的沉積物長度大于20cm,如若未達(dá)到20cm則重新采樣,把PVC管的兩頭用橡膠塞子密封,放入加冰的便攜式冷藏柜中冷藏并帶回實(shí)驗(yàn)室.同時(shí)采集3桶(75L)沉積物上方的底層海水,放入冷藏柜中帶回實(shí)驗(yàn)室.

圖1 海州灣海洋牧場(chǎng)采樣站位

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)2015年5月調(diào)查采樣得到的結(jié)果, CA1、RA1、RA2站位的沉積物類型分別為粉砂質(zhì)黏土(TY)、黏土質(zhì)粉砂(YT)、粉砂質(zhì)砂(TS),平均粒徑依次增大,水深分別為12.6m、14.1m、14.5m. 908近海專項(xiàng)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示:海州灣海域全年表層水溫變化在31.00~5.70℃之間,平均溫度為17.58℃,底層水溫在30.00~5.62℃之間,平均溫度為16.78℃;表層溶解氧含量介于3.59~ 11.03mg/L,平均含量為7.33mg/L,底層溶解氧含量介于3.29~8.67mg/L,平均含量為7.03mg/L;表層pH值介于7.45~8.96,平均值為8.02,底層pH值介于7.81~8.34,平均值為8.09(908近海專項(xiàng)調(diào)查數(shù)據(jù)).從近些年海州灣的相關(guān)研究來看,海州灣海域全年平均海表溫16.76℃,平均溫度變化范圍為5.51~28.52℃[23].海州灣平均溶解氧濃度為6.67mg/L,其具體變化范圍為3.77~11.8mg/ L[25-26],且受多條入海河流影響導(dǎo)致海水的pH值會(huì)上下波動(dòng),其pH平均值為8.11.除了徑流、降雨、大氣交換等因素的影響,還會(huì)受到生物生長的影響,6月和10月是海州灣赤潮的多發(fā)期,部分海域的pH值會(huì)達(dá)到8.87[27].結(jié)合908近海專項(xiàng)調(diào)查數(shù)據(jù)與相關(guān)研究數(shù)據(jù),采用正交設(shè)計(jì)研究沉積物類型、溫度、DO和pH值對(duì)沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換通量的影響,試驗(yàn)共設(shè)定上述4個(gè)因素(A、B、C、D),每個(gè)因素設(shè)定3個(gè)水平,在實(shí)驗(yàn)中不僅考慮單個(gè)因素的影響,而且考慮因素之間的相互作用,選取L27(313)正交設(shè)計(jì)表,具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1,每組實(shí)驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行.

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

注:“貧氧”條件是向海水中充氮?dú)?DO值為(3±0.5)mg/L;“自然狀態(tài)”表示自然狀態(tài)下的DO濃度(6.5±0.5)mg/L;“富氧”條件是向海水中充空氣,DO值為(10±0.5)mg/L.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將采集的PVC管中的沉積物樣品解凍,并將其中的沉積物樣品小心推入直徑為5cm,高度為50cm的有機(jī)玻璃培養(yǎng)管中,培養(yǎng)管中沉積物的高度約為18cm,將采集的上覆水倒入2L的燒杯中(上覆水的體積約為600mL),用50%的HCL和20%的NaOH調(diào)整至所需的pH值,并充分?jǐn)噭?在沉積物上方加入約25cm的調(diào)整過pH值的上覆水,加水過程中注意避免攪動(dòng)表層的沉積物.按表1調(diào)整每根培養(yǎng)管中的pH值,在需要充氮?dú)夂统溲鯕獾呐囵B(yǎng)管中放入連接著氣泵的起泡石,調(diào)節(jié)起泡石的高度,避免攪動(dòng)表層沉積物,并把這些培養(yǎng)管分別放入10,20,30℃的避光培養(yǎng)箱.分別在培養(yǎng)0,2,4,8,12,24,36,48h后采集上覆水50mL,并加入等體積對(duì)應(yīng)站位的海水.采集的上覆水采用0.45μm醋酸纖維膜過濾,并加入三氯甲烷冷藏保存[28],以備分析.

1.4 測(cè)定及計(jì)算方法

沉積物粒徑采用馬爾文Mastersizer 2000激光粒度儀測(cè)定,參照謝帕德三角圖進(jìn)行分類[29].培養(yǎng)后采集的水樣采用Clever Chem380全自動(dòng)間斷分析儀(Dechem-Tech)測(cè)定,各項(xiàng)營養(yǎng)鹽的具體方法為:NH4+的測(cè)定采用苯酚-次氯酸鹽比色法;NO3-的測(cè)定采用鎘柱還原法;NO2-的測(cè)定采用重氮-偶氮法;PO43-的測(cè)定為鉬藍(lán)分光光度法;SiO32-的測(cè)定為硅鉬藍(lán)法;沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換通量通過公式(1)計(jì)算計(jì)算得出[30].

式中:為沉積物-水界面營養(yǎng)鹽的交換通量, mmol/(m2·d);()為上覆水營養(yǎng)鹽質(zhì)量的變化值, mmol;為培養(yǎng)柱的截面積,m2; Δ為培養(yǎng)時(shí)間的變化量,d.

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

由RGui 3.3.1軟件對(duì)營養(yǎng)鹽的結(jié)果進(jìn)行多因素方差分析,主效應(yīng)圖由Origin 9.1繪制,交互作用圖由Minitab 16.1.0繪制.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同因素對(duì)沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換通量的影響

營養(yǎng)鹽的交換通量方差分析結(jié)果如表2所示,在影響營養(yǎng)鹽交換通量的各因素之間存在著交互作用的影響,且這些因素對(duì)各營養(yǎng)鹽交換通量的影響程度有所不同,影響程度的顯著性差異較大.其中DO對(duì)NH4+-N交換通量有極顯著的影響(<0.01),沉積物類型、溫度及沉積物類型和DO的交互作用對(duì)NH4+-N交換通量有顯著的影響(<0.05).通過比較表2中顯著性值的大小可以得出各個(gè)因素或交互作用對(duì)NH4+-N交換通量影響的主次關(guān)系:DO(C)>(A′C)>溫度(B)>沉積物類型(A)>pH值(D)>(C′D)>(A′D)>(B′D)> (B′C)>(A′B).通過比較因素獨(dú)立作用的顯著性及其主效應(yīng)圖(圖2),得出NH4+-N交換通量隨著沉積物類型的平均粒徑增大而增大,隨著DO的升高而減小,當(dāng)溫度為20℃時(shí),其交換通量最大.DO是影響NH4+-N交換通量最顯著的因素,在有氧條件下NH4+可通過硝化作用氧化為NO2-,并能被繼續(xù)氧化為NO3-,在缺氧條件下, NO3-通過反硝化作用,NO2-和NH4+通過厭氧氨氧化逐步還原生成 N2,或NO3-通過異化硝酸鹽還原作用還原為NH4+[31].當(dāng)水體中的DO濃度較大時(shí),沉積物表層(氧滲透層)處于氧化環(huán)境,硝化作用更容易發(fā)生,沉積物間隙水中的NH4+-N經(jīng)過硝化細(xì)菌作用轉(zhuǎn)化為NO3-,導(dǎo)致表層沉積物間隙水中的NH4+-N濃度降低.此外,沉積物中NO3-在缺氧環(huán)境下會(huì)發(fā)生異化硝酸鹽還原作用,提高沉積物中NH4+-N的濃度[31-33].實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)水體中的DO濃度降低時(shí),沉積物表層的氧滲透層發(fā)生異化硝酸鹽還原作用,改變了原有的濃度梯度,濃度梯度的改變直接影響物質(zhì)的交換強(qiáng)度[34],從而增大了NH4+-N的交換通量;溫度對(duì)NH4+-N交換通量存在顯著的影響,溫度在5~30℃之間時(shí),溫度每上升10℃,細(xì)菌的增長速率增大1倍[14].溫度對(duì)參與硝化和反硝化作用的微生物活性有顯著的影響,并認(rèn)為硝化反應(yīng)的微生物適宜溫度為20~30℃,反硝化的適宜溫度為25℃左右[35-37].實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在20℃時(shí),NH4+-N平均交換通量達(dá)到最大值,這可能是由于20℃時(shí)微生物的活性較強(qiáng),沉積物間隙水中大量NH4+-N發(fā)生硝化作用,導(dǎo)致水體中的NH4+-N濃度大于沉積物間隙水中的濃度,從而發(fā)生交換作用.但是隨著溫度的升高,硝化作用減弱,從而減低了NH4+-N交換通量;沉積物組成粒徑較大的黏土質(zhì)粉砂(YT)和粉砂質(zhì)砂(TS)NH4+-N平均交換通量比粒徑較小的粉砂質(zhì)黏土(TY)的交換通量大,沉積物的粒度大小不僅可以改變沉積物中氧氣的分布,而且沉積物的粒徑越大,微生物能更容易接觸到顆粒的表面,因而能培養(yǎng)更多的微生物,使得更多的微生物參與到硝化反應(yīng)中,從而加快了NH4+-N的硝化過程[38-40].

如表2所示,沉積物類型及沉積物類型和DO的交互作用對(duì)NO3-+NO2--N交換通量有極顯著的影響(<0.01),溫度、DO、沉積物類型和溫度的交互作用及沉積物類型和pH的交互作用對(duì)NO3-+NO2--N交換通量有顯著的影響(< 0.05).通過比較表2中顯著性值的大小可以得出各個(gè)因素或交互作用對(duì)NO3-+NO2--N交換通量影響的主次關(guān)系:沉積物類型(A)>(A′C)>DO (C)>溫度(B)>(A′B)>(A′D)>pH值(D)>(B′D)> (B′C)>(C′D).通過比較因素獨(dú)立作用的顯著性及其主效應(yīng)圖(圖2),得出當(dāng)沉積物類型為黏土質(zhì)粉砂(YT)時(shí),NO3-+NO2--N交換通量最大,NO3-+ NO2--N的交換通量隨著DO的升高而減小,當(dāng)溫度為10℃,其交換通量最大.沉積物類型是影響NO3-+NO2--N交換通量最顯著的因素,沉積物組成粒徑較大的黏土質(zhì)粉砂(YT)和粉砂質(zhì)砂(TS) 中NO3-+NO2—N的平均交換通量高于粒徑較小的粉砂質(zhì)黏土(TY)的交換通量大,與NH4+-N不同的是黏土質(zhì)粉砂(YT)的交換通量比粉砂質(zhì)砂(TS)和粉砂質(zhì)黏土(TY)高,由于沉積物類型為黏土質(zhì)粉砂(YT)和粉砂質(zhì)砂(TS)時(shí),NH4+-N表現(xiàn)出較高的交換通量,大量NH4+-N在細(xì)菌的作用下發(fā)生硝化作用轉(zhuǎn)化成為NO3--N和NO2--N[41].當(dāng)沉積物表層(氧滲透層)的NO3--N濃度大于沉積物間隙水中NO3--N的濃度時(shí),NO3--N會(huì)向沉積物間隙水?dāng)U散,在擴(kuò)散過程中有一部分NO3-- N會(huì)發(fā)生反硝化作用,導(dǎo)致交換通量的減小.DO對(duì)NO3-+NO2--N的交換通量也有顯著的影響, DO的濃度直接關(guān)系到水體的氧化還原環(huán)境.當(dāng)水體為氧化環(huán)境時(shí),氧滲透層的NH4+-N更容易發(fā)生硝化作用,NO3-+NO2--N的交換通量應(yīng)該比還原條件下更大.但在本實(shí)驗(yàn)中,NO3-+NO2--N的交換通量隨溶解氧的升高而降低.原因可能是在還原條件下,沉積物對(duì)NO3--N有較強(qiáng)的吸附性,從而抑制NO3-+NO2--N的交換,導(dǎo)致其交換通量減小[42-44].但當(dāng)溫度超過25℃時(shí),硝化反應(yīng)速率降低[45],致使NO3-+NO2--N的交換通量增大,從而出現(xiàn)轉(zhuǎn)折.

如表2所示,DO對(duì)PO43--P交換通量有極顯著的影響(<0.01),沉積物類型、溫度、溫度和DO的交互作用對(duì)PO43--P交換通量有顯著的影響(<0.05).通過比較表2中顯著性值的大小可以得出各個(gè)因素或交互作用對(duì)PO43--P交換通量影響的主次關(guān)系:DO(C)>沉積物類型(A)>(B′C)>溫度(B)>(A′B)>(B′D)>(A′D)>(C′D)>(A′C)>pH值(D).通過比較因素獨(dú)立作用的顯著性及其主效應(yīng)圖(圖2),得出PO43--P交換通量隨著沉積物類型的平均粒徑增大而增大,隨著DO的升高而減小,隨著溫度的升高而增大.DO是影響PO43--P交換通量最顯著的因素, P不會(huì)直接參與氧化還原過程,Fe(Ⅲ)與PO43--P雖然形成難溶的鐵結(jié)合態(tài)P,當(dāng)沉積物表層(氧滲透層)含氧量較高時(shí),Fe(Ⅲ)會(huì)限制PO43--P向水體的遷移[46],而當(dāng)沉積物表層(氧滲透層)含氧量較低時(shí),Fe(Ⅲ)被還原成Fe(Ⅱ),PO43--P從結(jié)合態(tài)P中釋放出來[32,47-48],從而導(dǎo)致了PO43--P的交換通量隨DO的降低而增大;沉積物的組成對(duì)PO43--P的交換通量也產(chǎn)生了顯著的影響,水體中的水生動(dòng)物的排泄、浮游動(dòng)植物的尸體以及外源磷沉降都會(huì)導(dǎo)致沉積物中有機(jī)磷含量的增高,微生物能分解有機(jī)質(zhì),促進(jìn)沉積物中營養(yǎng)鹽向水層的釋放[31],較大的粒徑可以培養(yǎng)更多的微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)進(jìn)行分解;溫度對(duì)PO43--P的影響表現(xiàn)在兩個(gè)方面,沉積物-水界面上的吸附反應(yīng)通常是一個(gè)放熱過程,當(dāng)溫度升高時(shí),磷酸鹽會(huì)發(fā)生解吸作用[49],溫度的升高還會(huì)提高微生物的活性,從而使PO43--P的交換通量增大.

沉積物類型和溫度的交互作用對(duì)SiO32--Si交換通量有極顯著的影響(<0.01),溫度、pH值及沉積物類型和DO的交互作用對(duì)SiO32--Si交換通量有顯著的影響(<0.05).通過比較表2中顯著性值的大小可以得出各個(gè)因素或交互作用對(duì)SiO32--Si交換通量影響的主次關(guān)系:(A′B)> (A′C)>溫度(B)>pH值(D)>沉積物類型(A)>(A′D)>(B′C)>DO(C)>(C′D)>(B′D).通過比較因素獨(dú)立作用的顯著性及其主效應(yīng)圖(圖2),得出SiO32--Si交換通量隨著溫度的升高而增大,隨著pH的升高而增大.溫度對(duì)SiO32--Si的交換通量有顯著的影響,溫度會(huì)顯著影響生物硅的溶解度和溶解動(dòng)力學(xué)過程[50-52].有研究表明,生物硅的溶解度和溫度呈線性相關(guān),其關(guān)系為eq=23.8+ 936,式中:eq是生物硅的溶解度,是反應(yīng)溫度,溫度變化范圍為4.5~28℃[53].生物硅的大量溶解,導(dǎo)致溶解態(tài)硅濃度上升,從而增大了SiO32--Si的交換通量;雖然pH值在海洋環(huán)境中相對(duì)穩(wěn)定,但在河口地區(qū),pH值的變化相對(duì)明顯[54].生物硅的溶解動(dòng)力在自然水體中都隨pH值的增大而升高,而較高的pH值可以使硅醇鍵更容易斷裂[55].研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH值從6.1上升至8.1時(shí),二氧化硅的溶解速度上升了2倍[56],溶解速度的增大是導(dǎo)致硅酸鹽交換通量變大的主要因素.

表2 正交設(shè)計(jì)方差分析

注:*表示有顯著性差異(<0.05);**表示有極顯著性差異(<0.01).′表示2個(gè)因素的交互作用.

圖2 營養(yǎng)鹽交換通量主效應(yīng)Fig.2 Main effect plot of nutrients exchange flux

2.2 各因素交互作用對(duì)沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換通量的影響

由表2和圖3可知,只有(A′C)的交互作用對(duì)NH4+-N的交換通量產(chǎn)生了顯著的影響,沉積物類型和DO在各自不同水平上都會(huì)有不同的效果.在單因素條件下,NH4+-N的交換通量隨沉積物組成平均粒徑的增大而減小,隨DO的增大而減小,但 (A′C)存在對(duì)NH4+-N交換通量的交互作用,在平均粒徑較小的沉積物類型和低DO水平共同作用下,NH4+-N的交換通量較大,在沉積物為黏土質(zhì)粉砂(YT)和DO為自然水平的共同作用下,NH4+-N的交換通量較小.因此,在研究NH4+-N的交換通量時(shí),需要對(duì)沉積物類型和DO的交互作用進(jìn)行考慮.

圖3 NH4+-N的交互作用

圖4 NO3-+NO2--N的交互作用

由表2和圖4可知,(A′B)、(A′C)、(A′D)的交互作用都對(duì)NO3-+NO2--N的交換通量產(chǎn)生了顯著的影響,在單因素條件下,沉積物平均粒徑較大時(shí),NO3-+NO2--N的交換通量較大,20°C時(shí)NO3-+NO2--N的交換通量最大,隨DO的升高而降低,且pH值對(duì)NO3-+NO2--N的交換通量并無顯著的影響,但(A′B)、(A′C)、(A′D)存在對(duì)NO3-+NO2--N交換通量的交互作用,在平均粒徑較大的沉積物類型和低溫度水平共同作用下,NO3-+NO2--N的交換通量較大.在平均粒徑較小的沉積物類型和低DO水平共同作用下, NO3-+NO2--N的交換通量較大.在沉積物為粉砂質(zhì)砂(TS)和pH值為9的共同作用下,NO3-+ NO2--N的交換通量最大.因此,在研究NO3-+ NO2--N的交換通量時(shí),需要對(duì)沉積物類型、DO、溫度和pH值的交互作用進(jìn)行考慮.

圖5 PO43--P的交互作用

圖6 SiO32--Si的交互作用

由表2和圖5可知,只有(B′C)的交互作用對(duì)PO43--P的交換通量產(chǎn)生了顯著的影響,在單因素條件下,PO43--P的交換通量隨溫度的上升而增大,隨DO的增大而減小,但(B′C)存在對(duì)PO43--P交換通量的交互作用,在低溫和低DO水平的共同作用下,PO43--P的交換通量較小.因此,在研究PO43--P的交換通量時(shí),需要對(duì)溫度和DO的交互作用進(jìn)行考慮.

由表2和圖6可知,(A′B)和(A′C)的交互作用對(duì)SiO32--Si的交換通量產(chǎn)生了顯著的影響,在單因素條件下,沉積物類型和DO濃度并未對(duì)SiO32--Si的交換通量產(chǎn)生顯著的影響,而SiO32-- Si的交換通量隨溫度的升高而增大,但 (A′B)和(A′C)存在對(duì)SiO32--Si交換通量的交互作用,在黏土質(zhì)粉砂(YT)的沉積物類型和高溫的共同作用下,SiO32--Si的交換通量最大,在黏土質(zhì)粉砂(YT)的沉積物類型和低溶解氧水平的共同作用下,SiO32--Si的交換通量最小.因此,在研究SiO32--Si的交換通量時(shí),需要對(duì)沉積物類型和溫度的交互作用及沉積物類型和DO的交互作用進(jìn)行考慮.

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果與往年海州灣實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較

根據(jù)往年海州灣實(shí)地采樣,通過實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)得到其交換通量的數(shù)據(jù)(其中2014年部分交換通量數(shù)據(jù)引自高春梅等[57]的研究),并結(jié)合海州灣理化參數(shù)進(jìn)行分析,如表3所示.各項(xiàng)營養(yǎng)鹽沉積物-水界面的交換通量隨沉積物類型、溫度、DO等的變化趨勢(shì)與本文的研究結(jié)果大致相同, DO含量較小的夏季,NH4+-N的交換通量比春季和秋季大.秋季的水溫條件應(yīng)該更適合NH4+-N的交換,但還是比夏季的交換通量小,其原因可能是夏季雨量充沛,處于泄洪時(shí)期,河流攜帶大量營養(yǎng)鹽進(jìn)入水體.粒徑較小的黏土質(zhì)粉砂NH4+-N平均交換通量也比粒徑較大的粉砂質(zhì)砂大;沉積物為黏土質(zhì)粉砂時(shí),NO3-+NO2--N的交換通量最大. DO含量較小的夏季, NO3-+NO2--N的交換通量比春季和秋季大; DO含量較小的夏季, PO43--P的交換通量比春季和秋季大,且隨著沉積物粒徑的增大而增大.秋季的溫度應(yīng)更適合PO43--P的交換,但還是比春季的交換通量小,其原因可能是秋季浮游植物豐度較大[58-60],并認(rèn)為硅藻沉積與沉積物中P 的埋藏有密切聯(lián)系[61],導(dǎo)致其通量減小;SiO32--Si的交換通量隨著夏季溫度升高而增大.

表3 海州灣往年?duì)I養(yǎng)鹽交換通量及理化參數(shù)

注:表中數(shù)值為正值,表示營養(yǎng)鹽由沉積物向上覆水遷移;負(fù)值表示營養(yǎng)鹽由上覆水向沉積物遷移.

3 結(jié)論

3.1 影響NH4+-N交換的因素依次為:DO>溫度>沉積物類型;影響NO3-+NO2--N交換的因素依次為:沉積物類型>DO>溫度;影響PO43--P交換的因素依次為: DO>沉積物類型>溫度;影響SiO32--Si交換的因素依次為:溫度>pH值.

3.2 在分析各因素對(duì)營養(yǎng)鹽交換通量的影響和建立沉積物-水界面模型時(shí),應(yīng)著重考慮其交互作用的影響效果.

3.3 基于正交實(shí)驗(yàn)所得的沉積物類型、溫度、DO和pH值這4種因素對(duì)沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換通量的影響結(jié)果與往年海州灣現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果相比較,結(jié)果顯示本研究結(jié)果與往年海州灣現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的營養(yǎng)鹽交換通量變化趨勢(shì)具有一致性.

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Exchange fluxes of nutrients at the sediment-water interface based on orthogonal experimental design--Taking the marine ranching area of Haizhou Bay as an example.

ZHANG Shuo1,2, FANG Xin1, HUANG Hong3, ZHANG Hu4, ZHANG Jun-bo1,5,6*

(1.College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China；2.Key Laboratory of Sustainable Exploitation of Oceanic Fisheries Resources, Ministry of Education, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China；3.College of Marine Ecology and Environment, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China；4.Maine Fisheries Research Institution of Jiangsu, Nantong 226007, China；5.National Engineering Research Center for Oceanic Fisheries, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China；6.National Demonstration Center for Experimental Fisheries Science Education, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)., 2017,37(11)：4266~4276

The exchange fluxes of nutrients between sediment and water interface were studied in Haizhou Bay, where 3 stations were sampled inMay 2016 to further investigate the characteristics of nutrients fluxes exchange based on orthogonal experiment method. The effects of sediment type, temperature, DO and pH on the exchange fluxes of nutrients between sediment and water interface were analyzed. The primary and secondary relations of various factors above affecting nutrient fluxes could be observed. With respect to NH4+-N, its influencing factors were shown as follows, DO>temperature>sediment type; for NO3-+NO2--N, sediment type>DO>temperature; for PO43--P, DO>sediment type>temperature; for SiO32--Si, temperature>pH. The interaction among these factors was found as an important effect on the fluxes of nutrients, which should be taken into account in the establishment of the sediment-water interface nutrients exchange model. Results in this study on the effect of sediment types, temperatures, dissolved oxygen, and pH on the nutrient exchange fluxes in Haizhou Bay were basically consistent with the investigation data of Haizhou Bay in former years.

sediment-water interface；nutrinets；exchange flux；orthogonal experiment；interaction

X131.2

A

1000-6923(2017)11-4266-11

張 碩(1976-),男,天津人,副教授,博士,主要從事海洋生態(tài)修復(fù)方面研究.發(fā)表論文40余篇.

2017-04-07

海州灣海洋牧場(chǎng)示范項(xiàng)目(D-8006-12-0018,D8006-15-8014);公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201003068,201303047);國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2006A A100303)

* 責(zé)任作者, 副教授, jb_zhang@shou.edu.cn