沉积物与上覆水之间的营养盐交换受到多种因素的干扰，影响因素之间的关系是相互的并不是独立存在的^[1]。有研究^[2-3]表明底栖生物通过掘穴、摄食、排泄等生命活动对沉积物-水界面营养盐的交换产生影响。生物扰动能促进沉积物中的NH₄⁺向上覆水中释放^[4]，改变沉积物氧化还原环境，进而促进沉积物中的硝化、反硝化反应^[5-6]。商景阁等^[7]运用稳定同位素示踪法对长足摇蚊幼虫扰动的研究显示，扰动加快了水体中硝酸盐向沉积物迁移的速率。NIZZOLI等^[8]通过实验发现，沙蚕扰动使沉积物-水界面NH₄-N通量提高了1.5~4.0倍。孙思志等^[9]研究发现，铜锈环棱螺扰动促进了沉积物中氮的硝化速率, 加快了沉积物-水界面的氮营养盐循环。

在一些研究中提到底栖生物的代谢和扰动会影响营养盐的含量变化，邓可等^[10]研究表明菲律宾蛤仔的扰动能够显著影响无机氮在沉积物-水界面的迁移，其排泄作用能够向水中释放DIN和PO₄^3--P。ZHANG等^[11]研究认为沉积物NH₄⁺释放的主要原因是底栖生物的排泄和扰动作用。但关于底栖动物的扰动和代谢共同作用下营养盐通量的变化研究还鲜见报道。底栖生物生活在沉积物中，实际的代谢过程很难准确测定，本文尝试通过底栖生物缢蛏排氨作用替代实际代谢产生的氨，测定沉积物-上覆水中氮营养盐的组成含量及通量变化，探索底栖生物扰动及其代谢作用对氮营养盐的影响。

1 材料与方法 1.1 样品采集与处理

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，在65 ℃烘干(以消除微生物的影响)，筛除大型生物以及杂质，备用。培养实验前将处理好的沉积物用新鲜海水培养7 d，使其接近原生环境的状态。

培养实验所用生物缢蛏(Sinonovacula constricta)购自芦潮港海鲜市场，带回后用海水清洗表面泥沙以及附着生物，置于实验室循环水池中暂养7 d，其间不间断曝气充氧，并投喂金藻，以保证缢蛏活性。挑选体长为(5.4±0.4)cm、湿质量为(9.5±1.6)g健康完整的个体进行代谢测定以及氮通量的实验室模拟培养实验。

1.2 实验方案 1.2.1 营养盐通量测定实验

采用实验室培养法的环境条件为水温23 ℃，盐度22，pH=8，实验周期25 d，设置3个生物密度组(63.66、127.32、190.99 ind/m²)和对照组。实验所用海水的初始NH₄⁺含量为5.94 μmol/L，NO₂^-含量为1.81 μmol/L，NO₃^-含量为8.97 μmol/L。培养装置为直径20 cm的PVC管，培养管中沉积物高度8 cm，海水高度20 cm。实验期间将全部培养管放在循环水池中暂养。每间隔5天取出培养管进行通量测定，培养管上端封闭、停止充氧，在黑暗、水浴条件下培养4 h。同时用磁力搅拌器缓慢搅拌各培养管内的上覆水(不引起表层沉积物的搅动)，以使各培养管上覆水的营养盐、溶解氧(DO)等分布均匀。测定实验前后培养管中DO含量，抽取培养实验前后上覆水500 mL，经0.45 μm玻璃纤维滤膜过滤后测定其中NH₄⁺、NO₃^-、NO₂^-含量。实验结束后将培养管放回循环水池继续暂养。

1.2.2 缢蛏排氨测定

将0、2、4、6只缢蛏，分别放在4 L装满海水的桶中，每组3个重复，在不额外充氧的环境下培养24 h。根据培养前后海水中的氨氮浓度变化来计算排氨，换算成NH₄⁺浓度^[12]。

1.3 分析方法

海水中NH₄-N测定采用次溴酸盐氧化法，NO₃-N测定采用锌-镉还原法，NO₂-N测定采用重氮-偶氮法。溶解氧浓度由手持式溶氧仪直接测定。

1.4 数据处理

NH₄⁺和NO₂^-+NO₃^-通量根据以下公式^[13]计算：

式中:F为营养盐通量; ΔC为培养前后NH₄⁺和NO₂^-+NO₃^-浓度变化, μmol/L，同时用空白对照校正; V为培养器中上覆水的体积, m³; A为培养器底部的横截面积, m²; t为培养时间, d。

数据采用SPSS 22.0软件进行分析，数据统计以及图表制作由EXCEL 2016进行。

2 结果与分析 2.1 上覆水NH₄⁺、NO₂^-+NO₃^-、DIN浓度变化

上覆水中NH₄⁺含量为2.26~72.21 μmol/L。图 1表明，低、中、高密度组与对照组上覆水NH₄⁺含量变化趋势大体一致，均是随着时间的推移呈不断增加的趋势。低、中、高密度组含量明显高于对照组，且随着生物密度的增加，NH₄⁺含量增高。其中，实验中期(10~20 d)NH₄⁺含量增加较为明显，后期(20~25 d)NH₄⁺含量变化较小，基本保持在70 μmol/L左右。

上覆水中NO₂^-+NO₃^-含量为9.97~208.06 μmol/L。低、中、高密度组与对照组上覆水中NO₂^-+NO₃^-含量变化趋势大体一致，均是随着时间的推移，呈先增加后减小的趋势。对照组含量高于低、中、高密度组，在实验初期(0~5 d)NO₂^-+NO₃^-含量变化较小，各密度组之间差别很小。5~15 d含量增大明显, 并在15 d达到最大值。而后15~25 d NO₂^-+NO₃^-含量呈降低的趋势，即中、高密度组NO₂^-+NO₃^-含量要低于低密度组与对照组。

从图 1中可以明显看出DIN含量随着时间的推移呈上升的趋势, 对照组和低密度组的含量高于中、高密度组。DIN含量主要由NO₂^-、NO₃^-、NH₄⁺共同作用，本文中的变化趋势与NO₂^-+NO₃^-的变化趋势类似。

2.2 NH₄⁺、NO₂^-+NO₃^-通量变化

NH₄⁺通量的变化范围为-0.195~0.273 mmol/(m²·d)。图 2表明，除实验初始(0 d)时NH₄⁺通量值为负，表现为沉积物从上覆水中吸收NH₄⁺，5~25 d通量值均大于零，表现为沉积物向上覆水中释放NH₄⁺。随着时间的推移，通量值呈先增大后减小的趋势。5 d低、中、高密度组之间的NH₄⁺通量无显著性差异(P>0.05)，15~25 d各密度通量存在显著性差异(P < 0.05)，且中、高密度组的含量呈降低趋势。

NO₂^-+NO₃^-通量的变化范围为-0.554~0.038 mmol/(m²·d)。图 2表明在实验前期(5~10 d)NO₂^-+NO₃^-通量较小。除了第10、15天的低密度组表现为沉积物向上覆水中释放NO₂^-+NO₃^-，其余时间均表现为沉积物从上覆水中吸收NO₂^-+NO₃^-。整体上看，除了第10天中密度组NO₂^-+NO₃^-通量值低于低密度组外，中、高密度组NO₂^-+NO₃^-通量值均显著大于低密度组(P < 0.05)。

2.3 去除缢蛏排氨后上覆水NH₄⁺含量及其通量变化

缢蛏在代谢过程中的排氨作用会产生NH₄⁺，能够影响上覆水中NH₄⁺的含量。从图 3可以看出，在去除缢蛏排氨所产生的NH₄⁺后，NH₄⁺含量随时间的变化趋势与之前类似，但含量有所降低。0~10 d NH₄⁺含量缓慢增加，10~20 d增加幅度较大，20~25 d含量变化较小，中、高密度组比对照组小幅度降低，低密度组增加。低、中、高密度组上覆水NH₄⁺含量始终高于对照组。

图 4表明，去除缢蛏排氨所产生的NH₄⁺后，低密度组除0 d, 均表现为沉积物向上覆水中释放NH₄⁺。中、高密度组除0 d和5、10 d的通量为负值，表现为沉积物从上覆水中吸收NH₄⁺外，其余时间均表现为沉积物向上覆水中释放NH₄⁺。低密度组与高密度组NH₄⁺通量存在显著性差异(P < 0.05), 15 d低、高密度组之间不存在显著性差异(P>0.05)。通过图 4和图 2的对比发现，在去除缢蛏排氨作用产生的NH₄⁺后，低密度组的NH₄⁺通量变化不大，中、高密度组在5、10 d由正值变为负值，其余实验期间NH₄⁺通量略有降低。

3 讨论 3.1 上覆水NH₄⁺、NO₂^-+NO₃^-含量变化

实验初期，NH₄⁺含量增加幅度较小，很可能是由于缢蛏还处于对新环境的适应阶段，扰动强度较小。随着时间的推移，扰动强度增加，促进了沉积物中NH₄⁺释放，所以上覆水NH₄⁺含量增加明显，且随着生物密度的增大而增大。实验后期(20~25 d)沉积物与上覆水之间的NH₄⁺浓度差较小，达到了相对平衡的状态，NH₄⁺含量基本保持稳定。有研究^{[11, 14]}表明，底栖生物的扰动促进了沉积物中NH₄⁺的释放，进一步增加上覆水中NH₄⁺的浓度。

底栖生物的扰动作用能够影响沉积物中氮的硝化、反硝化过程，进而加快NO₃^-的还原过程^[3]。NO₂^-是硝化作用的中间产物，本实验测得的含量很低，因此将NO₂^-与NO₃^-合在一起作为硝化作用的产物。缢蛏的扰动改变了沉积物的氧化还原环境，使得表层沉积物中的溶解氧含量增加，有利于硝化反应的发生^[15]，从而促进沉积物中的NO₃^-向水中释放，所以0~15 d NO₃^-含量逐渐增加。随着时间的推移，缢蛏的生命活动消耗了上覆水中的氧气，使得硝化作用减弱，在实验后期(15~25 d)NO₃^-含量有小幅度的下降。还有研究^[16-17]发现, 底栖生物的扰动会促进水中的NO₃^-向沉积物中迁移，促进沉积物中的反硝化作用，因此上覆水中的NO₃^-含量降低，所以对照组NO₂^-+NO₃^-含量要高于低、中、高密度组。

综上所述，缢蛏扰动促进了上覆水中氮营养盐的增加，不同生物密度扰动的影响有差异，总的来说在一定生物栖息密度下，随着密度的增加，扰动作用对氮营养盐的影响更大。本实验的结果与ZHONG等^[18]对凡纳滨对虾扰动的研究类似。

3.2 NH₄⁺、NO₂^-+NO₃^-通量变化

沉积物是海洋底栖生物生命活动的重要介质，底栖生物的生长、排泄，掘穴等活动会改变沉积物的氧气环境，加速沉积物中的氮向水中释放^[8]。实验初期，上覆水中与沉积物中氮营养盐的含量存在浓度差，均表现为沉积物从上覆水中吸收NH₄⁺和NO₂^-+NO₃^-。缢蛏扰动促进了沉积物向上覆水中释放NH₄⁺，使得氮营养盐通量一直大于零，且硝化过程中上覆水中NH₄⁺转化成NO₃^-[19-20]，在5~25 d大部分时间NH₄⁺和NO₂^-+NO₃^-通量发生相反的变化，因此缢蛏的扰动促进了氨氮与硝态氮之间的转化。研究^[6]表明，缢蛏的扰动影响沉积物和上覆水中溶解氧的含量，使沉积物中溶解氧含量增加，加速了沉积物硝化过程，使得上覆水中NO₃^-的含量增加。在本实验培养结束后，对照组上覆水中溶解氧含量减少了1.58%，沉积物中溶解氧增加0.56%；实验组上覆水中溶解氧的含量降低了27.10%~42.64%，沉积物间隙水中溶解氧含量增加了6.46%~19.70%，与该研究结果相近。且随着生物密度的增加，中、高密度组的NO₂^-+NO₃^-通量高于低密度组。因此缢蛏扰动对氮营养通量有影响，且不同生物密度扰动的影响有差异，整体上看，中、高密度组的通量要大于低密度组。

3.3 去除排氨作用NH₄⁺含量及通量的变化

缢蛏的代谢过程中，排氨作用产生的NH₄⁺，NO₃^-含量较低因此可以忽略。缢蛏在盐度为22、pH=8的环境条件下排氨率最大，研究^[12]表明缢蛏在此最适环境下只需消耗较少的能量就可以维持正常的生命活动。在去除缢蛏排氨产生的NH₄⁺后，NH₄⁺的含量变化与之前类似，都是随着时间的推移呈增加的趋势，但在5~10 d和15~25 d含量有小幅度的降低，这是由于去除排氨作用矫正含量的结果。缢蛏通过排氨作用向上覆水中输送NH₄⁺，对含量变化有一定的贡献，但排氨作用与缢蛏本身扰动所促进沉积物向上覆水中释放NH₄⁺相比影响较小。在实验后期(20~25 d)，去除排氨作用前后NH₄⁺含量变化差别不大，说明排氨作用对NH₄⁺含量变化的影响变小，此时沉积物与上覆水之间的NH₄⁺浓度达到了新的平衡。虽然排氨过程依旧存在，但不影响沉积物与上覆水之间整体的平衡状态。因此缢蛏的扰动促进了沉积物中NH₄⁺向上覆水中释放，其中排氨作用也增加了上覆水中NH₄⁺含量，这与ZHANG等^[11]关于河蚬扰动对沉积物水界面营养盐影响的研究结论类似，但本实验中缢蛏排氨作用对NH₄⁺含量整体变化的影响不是很大。

去除排氨作用后，整个实验周期内低密度组NH₄⁺通量变化不大，只是略微减小。但中、高密度组在5~10 d由沉积物向上覆水中释放变为吸收，而后随着时间的推移，中、高密度组的NH₄⁺通量减小，但依旧表现为沉积物向水中释放。有研究表明在实验前期缢蛏的排氨作用对沉积物与上覆水之间的NH₄⁺交换通量有较大的影响，随着时间的推移影响逐渐减小。且在生物密度较大的情况下，排氨作用对NH₄⁺通量的影响更大。

4 结论

缢蛏扰动促进了上覆水NH₄⁺、NO₂^-+NO₃^-含量的增加以及沉积物与上覆水之间氮营养盐的交换，且随着缢蛏投放密度的增加，NH₄⁺含量呈现明显的增大趋势，而NO₃^-+NO₂^-含量先增加后降低。缢蛏的排氨作用对上覆水中NH₄⁺含量及其通量变化有影响，其中对NH₄⁺通量在实验初期的影响较大，从沉积物向上覆水释放转变为上覆水中NH₄⁺向沉积物迁移，随后趋于平稳，变化不明显。影响沉积物与上覆水中氮通量变化的因素有很多，最终对氮通量的影响结果都是多方面综合考虑的，在本实验中缢蛏的排氨作用对氮通量存在影响，但并不是主要影响因素。在未来的研究中，可以从缢蛏的整个生命过程及其代谢等方面来进行，还需要考虑在模拟实验中一些机械扰动所带来的影响。