底栖生物和沉积物是海洋生态系统中重要的组成部分，氮作为海洋初级生产力中不可缺少的元素，与底栖生物有着密不可分的关系。沉积物易受到环境因素的影响从而性质发生改变，生物扰动就是其中重要的因素之一。在早期的生物扰动研究中，杜永芬等人^[1]对菲律宾蛤仔、吕洪斌等^[2]对丝鳃虫和菲律宾蛤仔、于子山等^[3]对紫彩雪蛤进行了研究，发现底栖生物扰动直接作用于沉积物，能够让沉积物在垂直方向进行混合、搬运，改变其物理结构。之后的研究发现，生物扰动能影响沉积物的化学性质，郑余琦等^[4]研究发现缢蛏扰动对沉积物磷赋存形态具有显著的影响，聂小保等^[5]发现颤蚓生物扰动能促进沉积物中TN的释放，还有研究表明底栖生物的扰动作用能够影响沉积物中氮的硝化与反硝化过程^[6-7]，部分底栖生物能够显著提高反硝化速率^[8]，邓可^[9]等对菲律宾蛤仔的研究发现其生物扰动对沉积物-水界面生源要素迁移存在影响，Regan Nicholaus等^[10]发现青蛤生物扰动能够促进沉积物-水界面N、P营养盐的释放。

目前关于底栖生物扰动对沉积物氮的迁移转化、释放等方面的研究很多，但有关生物扰动对沉积物氮形态影响的研究还很少见。因此，本文开展底栖生物缢蛏的室内培养实验，通过分析缢蛏扰动前后柱状沉积物中不同形态氮的含量变化，来研究生物扰动对柱状沉积物中氮形态与含量的影响。

1   材料与方法

1.1   样品的采集与处理

海州湾位于中国黄海中南部，江苏省最北端，是一个半开阔海湾，沉积物主要以粉砂淤泥质为主，底栖生物资源丰富。实验所用沉积物于2018年8月采于海州湾海洋牧场区，用抓斗采泥器采集表层沉积物，混合均匀放入保温箱低温保存，运回实验室，然后将沉积物在60 ℃烘干（以去除微生物对实验的影响），去除杂质和石块较大颗粒后备用。

培养实验所用生物缢蛏购买于芦潮港海鲜市场，带回后用海水清洗表面泥沙以及附着生物，选择体长为（6.0±0.5）cm健康完整的生物个体置于实验室循环水池中暂养7 d，期间不间断曝气充氧，并投喂足量金藻，以保证缢蛏活性。

1.2   生物扰动实验

实验设置生物扰动组（低密度组、高密度组）和对照组，每组3个重复。首先将预处理好的沉积物用新鲜海水在室温下培养7 d，让沉积物恢复到接近自然状态，然后将培养好的沉积物均匀放入直径16 cm的PVC管中，沉积物柱高20 cm，在沉积物表层加入适量的海水继续培养3 d，分别在生物扰动组的PVC管中放入缢蛏，低密度组放入两只缢蛏（99 ind./m²），高密度组放入5只缢蛏（249 ind./m²），进行生物扰动实验，培养周期为20 d。培养实验期间对照组和生物扰动组均保持充氧，每日更新1/3的海水，金藻饵料隔天投喂一次，直至实验周期结束。

培养实验结束后，缓慢抽取上层海水，尽量避免引起表层沉积物的扰动。将PVC管中的柱状沉积物从上至下按照上层（0～5 cm段）每1 cm分层；中层（5～13 cm段）每2 cm分层；下层（13～21 cm段）每4 cm分层取样、冷冻干燥、过100目筛，测定沉积物中各种形态氮的含量。

1.3   分析方法

总氮（total nitrogen，TN）测定采用凯氏定氮法，称取1 g（精确到0.001 g）沉积物于消解管中，经浓硫酸消解后放入凯式定氮仪中测定。

氮形态采用马红波等人^[11]改进的分级提取方法，将氮分为可转化态氮（transferable total nitrogen，TTN）和不可转化态氮（non-transferable total nitrogen，NTN）。可转化态氮包括离子交换态氮（ion exchange form，IEF-N）、碳酸盐结合态氮（carbonate form，CF-N）、铁锰氧化态氮（iron manganese oxide form，IMOF-N）、有机态和硫化物结合态氮（organic and sulphide form，OSF-N）。浸取液分别用1 mol/L KCl、1 mol/L NaAc（pH=5）、0.1 mol/L NaOH、碱性K₂S₂O₈，不同形态氮浸取液中的NH₄-N采用次溴酸盐氧化法测定，NO₃-N采用锌-镉还原法测定；非转化态氮（NTN）由总氮（TN）减去可转化态氮（TTN）得到。

1.4   数据处理

数据采用SPSS 17.0软件进行分析，数据统计以及图表制作由EXCEL 2010进行。

2   结果与讨论

2.1   缢蛏扰动后沉积物各形态氮含量组成

表1是缢蛏扰动下各形态氮的含量变化。对照组和生物扰动组的TN含量均值分别为355.09×10⁻⁶和421.97×10⁻⁶。与对照组相比，生物扰动组沉积物中TN含量增加了18.84%，缢蛏扰动促进了沉积物中TN含量的增加。NTN是由TN减去TTN得来，由于成分复杂，性质稳定，不容易浸取出来，所以这部分氮很难参与到氮循环中。在扰动实验结束后沉积物中NTN含量增加了30.94%，TTN含量降低了20.57%。TTN中OSF-N的含量最高，对照组和生物扰动组分别为52.20×10⁻⁶和26.24×10⁻⁶；CF-N含量最低，对照组和生物扰动组分别为9.35×10⁻⁶和11.98×10⁻⁶；IEF-N对照组和生物扰动组分别为11.29×10⁻⁶和15.16×10⁻⁶；IMOF-N对照组和生物扰动组分别为10.62×10⁻⁶和12.91×10⁻⁶。OSF-N作为TTN的主要存在形式，在缢蛏扰动后减少了49.73%，其他3种形态氮含量增加，增加量分别为34.29%（IEF-N）、28.16%（CF-N）和21.57%（IMOF-N），这与IEF-N、OSF-N、IMOF-N的性质有关^[12]。综上所述，缢蛏扰动促进了沉积物中OSF-N向其他3种形态氮转化，以及可转化态氮（TTN）向不可转化态氮（NTN）的转化。

表  1  缢蛏扰动下各形态氮的含量变化

Tab.  1  The change of nitrogen form content under bioturbation in Sinonovacula Constricta

氮形态		IEF-N	CF-N	IMOF-N	OSF-N	NTN	TTN	TN
		×10−6
对照组		11.29	9.35	10.62	52.20	271.64	83.45	355.09
生物扰动组	低密度组	14.01	10.94	12.18	25.79	344.10	62.92	407.02
	高密度组	16.31	13.02	13.63	26.69	367.27	69.66	436.93
平均值		15.16	11.98	12.91	26.24	355.69	66.29	421.97
变化量/（%）		34.29	28.16	21.57	−49.73	30.94	−20.57	18.84

下载: 导出CSV 

| 显示表格

图1是上、中、下层沉积物中不同形态氮占TN的百分比。由图可知，NTN占TN的比例为70.45%～85.91%，TTN占TN的比例为14.09%～29.35%，其中OSF-N占TN的比例最高，为5.63%～20.83%，CF-N占TN比例最低，为2.20%～3.15%，IEF-N和IMOF-N占TN的比例分别为2.43%～3.98%和2.48%～3.89%。与对照组相比，生物扰动组（高、低密度组）上、中、下层沉积物中TN、NTN含量都呈明显增加的趋势，TTN含量减小，其中OSF-N占TN的比例下降明显，其他3种氮形态（IMOF-N、CF-N、IEF-N）占TN的比例增加。因此，缢蛏扰动使沉积物氮中TTN占TN的比例减小，NTN占TN的比例增加，促进了TTN向NTN的转化。

图  1  上、中、下层各形态氮的百分组成

Fig.  1  Percent composition of nitrogen in upper, middle and lower sediments

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.2   缢蛏生物扰对沉积物TN含量的影响

沉积物TN含量在322.00×10⁻⁶至483.00×10⁻⁶之间，平均值为401.95×10⁻⁶，对照组TN平均含量为355.09×10⁻⁶，生物扰动组为425.37×10⁻⁶（低密度组为414.84×10⁻⁶，高密度组为435.91×10⁻⁶），由图2可知，高密度组TN含量明显大于低密度组，大于对照组。缢蛏扰动对沉积物中TN的含量变化有影响，且随着缢蛏生物密度的增加，TN含量增加明显。从垂直方向上来看，柱状沉积物中TN含量随深度的增加呈往复螺旋式变化，低密度组的高值出现在6 cm和12 cm处，高密度组的高值出现在5 cm、10 cm和15 cm深度，与实验期间缢蛏栖息的深度一致，因此缢蛏通过自身的生命活动对所栖息深度的沉积物产生了较大的影响，并促进了沉积物中TN含量的增加。

图  2  缢蛏扰动下沉积物TN的垂直分布

Fig.  2  The vertical distribution of TN in sediment under the bioturbation in Sinonovacula constricta

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.3   沉积物中不同形态氮含量的垂直分布

2.3.1   IEF-N

IEF-N是结合能力较弱的氮形态，却也是最容易浸取出来的氮形态，主要由沉积物中NH₄-N的含量决定^[13]。IEF-N含量在9.56×10⁻⁶至27.51×10⁻⁶之间，对照组平均11.29×10⁻⁶，生物扰动组15.16×10⁻⁶（低密度组14.01×10⁻⁶；高密度组16.31×10⁻⁶）。由于采样时间为夏季，海水中浮游生物含量较高，消耗了大量的氧气，采集的沉积物处于还原环境^[14]，沉积物氮的反硝化作用占优势^[15]，因此经矿化作用产生的NH₄⁺难被硝化，所以对照组沉积物中IEF-N含量较低。高密度组IEF-N含量高于低密度组且明显高于对照组，这是因为缢蛏的扰动改变了沉积物的物理结构以及理化性质^[16]，促进了沉积物中IEF-N含量的增加。如图3a所示，从垂直方向来看，对照组IEF-N含量在垂直方向上的变化较小，高、低密度组的垂直变化趋势大致相同，都是在0～4 cm的上层沉积物中垂直变化较小，随着深度的增加在5～7 cm的中上层沉积物中IEF-N含量增加，并在6 cm达到最大值，而后下层沉积物中IEF-N含量的垂直变化变小。但低密度组在6 cm处的最大值异常的高，可能是由于缢蛏栖息在此深度，对该深度沉积物的扰动作用相较其他深度更强，所以IEF-N含量突然增高。

2.3.2   IMOF-N

IMOF-N含量变化与沉积物的氧化还原环境有关。IMOF-N在还原条件下能够稳定存在，在氧化环境下大量Fe²⁺被氧化成Fe³⁺，沉积物中的氮更容易与Fe³⁺结合，因此在氧化环境下的IMOF-N含量较高。一般来说富氧的表层沉积物中IMOF-N含量较高，随着深度的增加沉积物还原性增强，IMOF-N含量会逐渐降低。IMOF-N含量在7.67×10⁻⁶至21.39×10⁻⁶之间，对照组平均值为10.62×10⁻⁶，生物扰动组平均值为12.91×10⁻⁶（低密度组12.18×10⁻⁶；高密度组13.63×10⁻⁶）。从图3b中可以看出，对照组IMOF-N含量随着深度的增加呈减小的趋势，在4 cm处达到最小值，而后含量在垂直方向上变化很小。高、低密度组的IMOF-N含量在垂直方向上的变化趋势相同，都是随着深度的增加含量先减小，然后在3～10 cm深度逐渐增大，最大值均出现在6 cm处，在10 cm以深IMOF-N在垂直方向上的含量变化又变小，且高密度组的IMOF-N含量高于低密度组高于对照组。缢蛏的扰动作用使沉积物的物理结构变得松散，有利于氧气的输送，改变了沉积物的氧化还原环境^[17]，所以在缢蛏栖息的深度IMOF-N含量较高，而且扰动强度较高的高密度组的含量也高于低密度组。

2.3.3   CF-N

CF-N的含量变化取决于沉积物中CO₃^2-含量以及有机矿化作用，pH也是影响CF-N含量变化的重要因素^[18]。本实验中沉积物pH变化较小，有机矿化作用弱，沉积物中的CaCO₃不易溶解形成$ {\rm CO}_3^{2-}$，很难生成CF-N，因此含量较低。CF-N含量为7.70×10⁻⁶～16.20×10⁻⁶，是4种氮形态中含量最低的。对照组平均9.35×10⁻⁶，生物扰动组11.98×10⁻⁶（低密度组10.94×10⁻⁶；高密度组13.02×10⁻⁶）。如图3c所示，除了低密度组在2～3 cm深度含量突然增大外，其他深度在垂直方向上的含量变化不明显，高密度组与对照组CF-N含量在垂直方向上的变化趋势相同，都是随着深度的增加，含量呈先减小后增大，然后又减小，直至保持不变的变化趋势，最大值出现在6 cm处，在8～16 cm深度生物扰动组与对照组的变化趋势相同，含量变化幅度都较小，在16 cm以深对照组和高密度组又突然增大，但其含量值与表层接近。

图  3  四种氮形态含量的垂直分布

Fig.  3  The content of 4 nitrogen forms in vertical distribution.

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.3.4   OSF-N

OSF-N主要与沉积物的来源有关。OSF-N含量为24.10×10⁻⁶～75.33×10⁻⁶，对照组平均52.20×10⁻⁶，生物扰动组26.24×10⁻⁶（低密度组25.79×10⁻⁶；高密度组26.69×10⁻⁶），是4种氮形态中含量最高的，也是TTN的主要存在形式。如图3d所示，对照组OSF-N含量随着深度的增加在0～4 cm深度增大而后降低，在6～12 cm深度含量基本保持不变，然后在13～21 cm的下层沉积物中OSF-N含量再次增大。生物扰动组OSF-N含量低于对照组，高、低密度组CF-N含量在垂直方向上变化相近，变化也不十分明显。OSF-N主要的变化机制目前还并不了解，但在沉积物处于缺氧状态时，有机物能够较好的保存，与之结合的OSF-N也能够比较稳定的保存在沉积物中，因此OSF-N含量的变化可能是由于缢蛏扰动破坏了其能稳定存在的环境条件。

3   结　论

（1）缢蛏扰动增加了沉积物中TN的含量，扰动后沉积物的TN含量增加了18.84%。在垂直方向上TN含量呈往复螺旋式变化，且生物扰动组明显高于对照组。尽管不同缢蛏生物密度对沉积物中TN的影响强度不同，但缢蛏扰动都表现为促进了沉积物中TN含量的增加。

（2）沉积物中的氮主要以OSF-N形态存在。缢蛏扰动促进了沉积物中OSF-N向其它形态氮的转化以及TTN向NTN的转化。从垂直方向上看，中上层沉积物中各形态氮的含量波动较大，4种形态氮含量的最大值都出现在6 cm附近，与实验过程中缢蛏栖息深度相吻合，也表明缢蛏扰动对沉积物氮形态的变化有显著影响。

（3）实验室模拟实验证明了缢蛏扰动对沉积物氮形态的变化有显著影响，沉积物和海水之间的联系密切，因此在未来开展缢蛏扰动对沉积物-水界面营养盐影响的研究也十分有意义。