埃及西地中海沿岸沉积物孔隙水的化学和地质特征

《Egyptian Journal of Aquatic Research》：Chemical and geological characteristics of sediment pore water along the western Mediterranean coast of Egypt

　　马纳尔·G·马哈茂德|穆罕默德·阿迈尔|阿马尔·E·A·阿布·塔莱布|穆罕默德·H·埃尔马莫尼|莱拉·A·穆罕默德|赫米娜·R·Z·塔德罗斯
海洋化学实验室，海洋环境部门，国家海洋学和渔业研究所，亚历山大，埃及

**摘要**
沉积物孔隙水被认为是向水体柱输送污染物的来源，这会降低水质并危害水生生物。研究孔隙水的重要性在于评估人类活动，例如城市化等土地利用变化对其的影响。这些变化通过向孔隙水中释放化学物质、改变其流动和数量以及化学成分，导致盐碱化、污染以及营养物质和其他元素在沉积物孔隙水中的积累等问题。尽管孔隙水的作用至关重要，但目前相关数据仍十分缺乏。本研究通过考虑研究区域内人类活动的发展情况来弥补这一不足。本研究的重点是测定孔隙水的pH值、总碱度以及营养盐（PO43?、SiO3?、NH4+、NO2?和NO3?）的含量。溶解无机氮离子（NH4+、NO3?和NO2?）分别占总含量的91.10%、7.96%和1.0%。研究结果还表明，磷是限制因素之一。沉积物中的水分主要由沙子和淤泥组成，有机碳含量普遍较低。水质指数（25.35–51.19）显示水质主要处于中等偏差到较差的状态。本文指出，该地区农业和旅游开发项目可能导致土地覆盖发生显著变化，从而加剧水质问题。这种营养物质的评估需要持续进行，以便及时记录任何变化。这项研究可能有助于制定有效的管理策略，帮助决策者做出更明智的决策。

**引言**
沉积物孔隙水被认为是水体柱污染物的潜在来源，会改变水质并危害水生生物（Rigauda等人，2013年）。此外，通过各种生物地球化学过程，沉积物孔隙水可以作为无机硅酸盐、磷和氮的来源或汇（Shreadah等人，2015年）。水污染，尤其来自工业和生活污水的污染，是与城市初期快速增长相关的一个严重环境问题（Onodera，2011年）。在过去的一个世纪里，人类活动在沿海地区的扩展以及随之而来的污染物和营养物质的输入对大多数沿海地区产生了重大影响。尽管近几十年来相关法律大大减少了污染，但污染物仍在沉积物孔隙水中不断累积。因此，未来几十年的任务是了解沉积物孔隙水的特性和毒素，提高我们对环境风险的认识，并为管理者和政策制定者提供正确的指导（Emili等人，2011年；Shreadah等人，2015年）。

此外，由于海洋沉积物在早期成岩过程中发生的微生物和非生物活动，孔隙水的碱度会升高（Chatterjee等人，2011年；Krumins等人，2013年）。碱度的产生和转移会影响海水酸化的中和能力，这可能由于大气中二氧化碳水平的上升而加剧（Cyronak等人，2013年）。据估计，大陆架海域沉积物生成的碱度占了大气中二氧化碳吸收量的60%以上（Lukawska-matuszewska & Grzybowski，2018年）。此外，高达17%的总碱度来源于溶解有机物（DOM）。沉积物中有机物的厌氧分解过程被认为是这种底栖碱度向水体柱转移的主要原因（Krumins等人，2013年）。盐度和营养物浓度的日变化、周变化和半月变化表明，除了地质条件外，还有多种海洋学因素影响沉积物中营养物的流出。在日本西部，海水与沉积物孔隙水之间的交换是氮的一个重要来源（Saito等人，2018年）。在pH值为7.5–8.0的范围内，检测到较高的硝化速率（最佳pH值为7.8）（Isnansetyo等人，2014年）。Wang等人（2019年）认为，厌氧沉积物中的主要生化过程是氨的富集，而硝化作用较弱，这可能是孔隙水中铵含量较高的原因（深度10–40厘米）。反硝化作用产生的氮氧化物（N2O）和氮气（N2）对于去除孔隙水中的硝酸盐至关重要。Onodera等人（2007年）提出，磷既可以在海洋中生成，也可以从陆地输送到沉积物中。

Shreadah等人（2015年）研究了底栖营养物通量对上层水的影响。2010年春季，他们测量了埃尔梅克斯湾及其周边排水系统中的底层水（BW）和孔隙水（PW）中的溶解无机营养物质（NO2?、NO3?、PO43?和SiO44?）含量。他们得出结论，与上层水（OBW）相比，孔隙水中营养物浓度较高的主要原因是最上层沉积物中有机物的持续埋藏和分解。在底栖海洋生态系统中，铵是最常见的氮形式，其自养过程中的利用频率高于亚硝酸盐和硝酸盐（Horrigan和McCarthy，1982年；Ivan?i?和Degobbis，1984年）。铵在被微生物和底栖生物重新矿化后倾向于在沉积物的厌氧层中积累（Herbert，1999年；Regnault，1987年，包括滨鸟的作用Jauffrais等人，2015年）。尽管在沉积物孔隙水中尚未报道毫米级别的铵异质性，但其他营养物质（如磷（Ding等人，2016年）以及亚硝酸盐和硝酸盐（Metzger等人，2019年）已有相关研究。

通过渗透性沙层的孔隙水有效传输得到了底栖通量评估、孔隙水营养物特征、水体柱剖面营养物分配以及沉积物颗粒大小分布的支持。与底层水相比，孔隙水预计受到更严重的污染，因为许多最初进入水体的污染物更易附着在沉积物颗粒上（Shreadah等人，2015年）。了解埃及地中海海域沉积物孔隙水的特性有助于评估该地区人类活动的影响。本文的主要目标是研究埃及西海岸地中海海域孔隙水的pH值、碱度以及营养盐（PO43?、SiO3?、NH4+、NO2?和NO3?）的含量。由于该领域的研究较少，因此揭示埃及地中海海域孔隙水的特性非常重要。这是制定有效管理策略的第一步。

**材料与方法**
研究区域
埃及西海岸地中海海域是一个受海岸水动力、沉积物输送和日益增加的人为压力影响的动态海洋-陆地界面。如图1所示，2022年的Yarmouk考察活动战略性地覆盖了从埃尔-萨卢姆（El-Saloom）到埃尔-梅克斯（El-Mex）之间的10个站点，范围覆盖经度25°6′E至30°4′E、纬度31°5′N至32°5′N，涵盖了多样的沉积环境和地球化学特征。使用抓取采样器在不同水深处采集了表层沉积物样本。这些站点的深度、靠近城市/农业区的程度以及地貌特征各不相同，从而能够全面评估该重要沿海区域的沉积物组成、孔隙水化学性质和环境健康状况。

**数据下载**
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**图1. 2022年春季埃及西部海岸的采样位置**

**采样**
从埃及西海岸地中海沿线的八个方向采集了沉积物样本（每份500克）。这八个采样点分别位于埃尔-萨卢姆（El-Saloom）、西迪巴拉尼（Sidi Barani）、阿拉姆埃尔-鲁姆（Alam El-Room）、埃尔-达巴（El-Dabaa）、埃尔-阿莱曼（El-Alamein）、西迪克里尔（Sidi Krir）和埃尔-梅克斯（El-Mex），共获得10个沉积物样本。采样信息见表1。

**表1. 2022年Yarmouk考察期间从地中海西海岸不同地点采集的沉积物样本**

**孔隙水的物理化学参数测量**
根据Nessim（2007年）的方法，从冷冻后的沉积物中提取孔隙水并通过离心分离获得。每个样本的孔隙水体积约为25毫升。测量pH值，并在提取后立即固定氨含量。使用便携式pH计（Orion Research Model 210数字pH计）测量pH值，精度达到0.1单位以内（Grasshoff等人，1999年）。随后进行了其他参数的测量。总碱度采用Grasshoff（1999年）描述的方法通过滴定法测定。营养盐（PO43?、SiO3?、NH4+、NO2?和NO3?）通过Grasshoff（1999年）描述的方法进行量热法测定。使用Shimadzu UV-150–02双光束分光光度计进行测量，每项测量重复三次以确保结果准确。

**质量保证/质量控制（QA/QC）**
使用硫酸铜溶液在不同浓度下测量6到8个吸光度值（范围0–3在546纳米处），校准分光光度计的线性。分光光度计显示，PO43?的线性范围为0.1至100微摩尔，SiO3?为0.4至100微摩尔，NO3?为0.5至100微摩尔，NO2?为0.2至100微摩尔，检测限分别为PO43? 0.17微摩尔，SiO3? 0.15微摩尔，NO3? 0.45微摩尔，NO2? 0.35微摩尔。PO43?的相对标准偏差为9.4%，SiO3?为3.7%，NO2?和NO3?合计为6.9%。NH4+的线性范围为0.1–100微摩尔，检测限为0.52微摩尔，精度为5.9%。碱度的范围（0.02–0.5）毫升，精度标准偏差为0.08%。

**沉积物的地球化学特性**
为了测定水分含量（％），将20克最近采集的沉积物样本放入二氧化硅坩埚中，在105°C的烤箱中烘干过夜。重新称重后计算水分百分比（Folk，1980年）。通过Folk（1980年描述的干筛法评估颗粒大小，并使用Gaudette（1974年）描述的方法计算总有机碳（TOC）。使用重铬酸钾（K2Cr2O7）和浓硫酸氧化沉积物样本，然后用硫酸铵铁（II）六水合物（NH4）2 Fe(SO4)2·6H2O溶液滴定过量的重铬酸钾。指示剂使用的是二苯胺。

**结果与讨论**
从埃尔-萨卢姆到埃尔-梅克斯采集的孔隙水pH值变化较小（0.21 pH单位），波动范围在7.79–7.91之间（表2）。所有样本均被归类为微碱性，与Nessim（2007年）在东港的先前观察结果一致。研究区域内pH值的分布显示了特定的环境相关性。最大pH值（7.91）出现在第3站点（西迪-克里尔区域），该处总碱度、硅酸盐（SiO3?）浓度和有机碳百分比最高。物理上，该区域以细颗粒沉积物（85%淤泥）为主，硝酸盐（NO3?）浓度最低。最小pH值（7.79）出现在第1站点（西迪巴拉尼区域），该处铵（NH4+）浓度也最低。

**表2. 2022年Yarmouk考察期间从地中海西海岸不同站点采集的沉积物样本中的各项参数测量结果**

**结论**
从埃尔-萨卢姆到埃尔-梅克斯的孔隙水pH值变化较小（0.21 pH单位），波动范围较窄（7.79–7.91）。所有样本均呈微碱性，这与Nessim（2007年）在东港的观察结果一致。pH值分布反映了特定的环境特征：最高pH值（7.91）出现在第3站点（西迪-克里尔区域），该处总碱度、硅酸盐（SiO3?）浓度和有机碳百分比最高；最低pH值（7.79）出现在第1站点（西迪巴拉尼区域），该处铵（NH4+）浓度最低。这种波动可能会为沉积物中的生物创造一个比水柱中更为“恶劣”或化学压力更大的环境（Carstensen & Duarte, 2019）。下载：下载高分辨率图片（80KB）下载：下载全尺寸图片 图2. 2022年春季埃及海岸西部沉积物中pH值的等高线图。总碱度（meq/L） 总碱度（TA）是一个关键的缓冲剂，代表了孔隙水中和酸并调节碳酸盐化学成分的能力（Ahmad等人，2023年）。在这项研究中，TA值显示出显著的空间变化，埃及地中海西部海岸的总体平均值为36.29 meq/L（表2）。采样站之间的TA分布显示出明显的化学梯度，最低的TA值为27.53 meq/L，出现在El-Saloom和El-Hammam区域的第3站点。最高的TA值为55.05 meq/L，记录在Sidi Krir区域的第3站点。这一数值在地球化学上具有重要意义，因为它与最高的pH值、硅酸盐（SiO3?）浓度和有机碳百分比同时出现，而淤泥占沉积物颗粒大小的85%，同时硝酸盐（NO3?）的值最低。这些结果与Eastern Harbor的历史数据形成了鲜明对比，Nessim等人（2007年）报告的数值要低得多，范围在1.61至6.67 meq/L之间（平均2.26 meq/L）。本研究发现的显著更高的碱度，特别是在Sidi Krir 3和Alam El-Room 1等东部站点，表明淤泥中碳酸钙分解受到多种局部因素的影响，包括强烈的微生物或化学缓冲过程，以及可能与碱性地下水或特定矿物沉积物的相互作用，这些因素调节了该区域的化学基线。下载：下载高分辨率图片（91KB）下载：下载全尺寸图片 图3. 2022年春季埃及海岸西部沉积物中总碱度的等高线图。营养成分 沿着埃及地中海海岸的沉积物孔隙水中的营养成分包括溶解的无机氮形式（NO2?、NO3?和NH4+）、活性磷酸盐和硅酸盐。它们在表2中进行了统计。沉积物孔隙水中的营养成分浓度显示出相当大的空间变异性，突出了局部富营养化热点的存在以及沉积物组成的影响。活性磷酸盐（PO43?/P） 磷是一种必要的营养成分，但会限制生物生产力（Codispoti, 1989）。它通常与生活污水有关（Nessim & Tadros, 1986）。由于人类活动的迅速发展，特别是工业和农业活动，埃及地中海海岸的某些地区出现了严重的富营养化现象，这些活动向沿海水域释放了大量营养物质和其他污染物（Dorgham等人，2019）。本研究中的PO43?浓度平均为12.34 μM，表明其分布受到沉积物特征和早期成岩过程的动态影响。最低浓度（4.32 μM）记录在El-Dabaa站点，那里的沉积物100%由沙子组成。沙质沉积物通常具有较低的吸附能力和快速的孔隙水交换，这限制了磷的保留和储存。因此，该站点的含水量最低，N/P比率最高，反映了磷的再生减少和沉积物积累较弱。相反，最高浓度（20.64 μM）出现在El-Hammam区域的第3站点，这与最高的铵（NH4+）和溶解无机氮（DIN）浓度同时出现，同时硝酸盐（NO2?）和总碱度较低，表明沉积物中的有机物降解活动增强，以及营养物质的循环利用活跃。在沉积物早期成岩过程中，有机物的分解通过矿化作用将磷酸盐释放到孔隙水中。同时，氨化作用产生NH4+，表明有机物的分解非常剧烈。沉积物地球化学进一步通过铁结合磷（Fe-P）和钙结合磷（Ca-P）的转化来调节磷的移动性。在氧化条件下，磷酸盐通常被吸附到铁氧化物上形成Fe-P复合物，有效地将磷固定在表层沉积物中。然而，在还原条件下，微生物将三价铁（Fe3+）还原成亚铁（Fe2+），导致铁氧化物溶解，从而将先前结合的磷酸盐释放到孔隙水中。这一过程提高了磷的可用性，并导致孔隙水中磷酸盐浓度的升高。相比之下，部分溶解的磷酸盐可能以钙结合磷（Ca-P）矿物的形式沉淀，尤其是在富含碳酸盐的海洋环境中。这种从更活跃的Fe-P相到相对稳定的Ca-P相的转化代表了磷在海洋沉积物中的长期埋藏途径。本研究中的测量浓度略低于Eastern Harbor先前报告的平均值14 μM（Nessim等人，2007年），这可能表明研究区域的有机负荷较低，或者沉积物中的矿物沉淀和吸附过程存在差异。本研究中的一个关键观察是孔隙水中磷酸盐的显著富集，相对于上层水柱中平均0.716 μM（Mahmoud等人，2023年）。孔隙水中的最大浓度大约是水柱中的四倍，从而在沉积物-水界面形成了陡峭的梯度。这样的梯度表明沉积物是磷的主要储存库，这与Nissenbaum等人（1990年）的观察结果一致。与沉积物相比，水柱中较低的磷酸盐浓度（图4）证实了进入系统的磷通过吸附到矿物颗粒、生物吸收和沉积物埋藏迅速被纳入底栖环境。然而，这种磷并不是永久固定的。氧化还原电位、pH值和微生物活动的变化可能触发沉积物成岩反应，重新释放磷并使其扩散回上层水中。因此，沉积物不仅作为磷的汇，而且在缺氧或还原条件下，还可能作为潜在的内部来源，对控制沿海生态系统的营养循环和富营养化起着关键作用。下载：下载高分辨率图片（102KB）下载：下载全尺寸图片 图4. 2022年春季埃及海岸西部沉积物中磷酸盐浓度的等高线图。硅酸盐（SiO3? /S） 硅酸盐是调节硅藻生产力的主要营养成分，通常是海洋环境中浮游植物爆发的限制因素（El-Naggar等人，2019）。在这项研究中，孔隙水中的溶解硅酸盐含量平均为15.03 μM，其空间变化与沉积物质地和有机负荷密切相关。这里观察到的硅酸盐水平明显低于Eastern Harbor先前研究中的25 μM（Nessim等人，2007年），也低于El-Said等人（2010年）得到的范围12.7–63.9 mg/g（166.93–8.4 × 105）μM及其总平均26.3 mg/g（345.7 μM）。硅酸盐的分布清晰地区分了研究区域的东部和西部；最高的SiO3?浓度（27.75 μM）记录在Sidi-Krir区域的第3站点。这一数值与以淤泥为主的沉积物、最高的pH值、总碱度和有机碳百分比密切相关。这种关联表明，该区域的细粒沉积物是岩生成矿物和生物源二氧化硅的储存库。另一方面，最低的硅酸盐值（5.75 μM）记录在El-Saloom的第2站点，与最低的N/P比率相对应。如图5所示，研究区域东部的硅酸盐水平升高可能反映了岩生成输入（矿物风化）和硅藻再循环的结合。在这些细粒、富含矿物的沉积物中，生物源二氧化硅（来自死亡硅藻）的溶解和硅酸盐矿物的风化为该区域提供了独特的地球化学特征，使其与营养较贫瘠的西部站点区分开来。下载：下载高分辨率图片（96KB）下载：下载全尺寸图片 图5. 2022年春季埃及海岸西部沉积物中硅酸盐浓度的等高线图。氨（NH4+/N） 如预期，孔隙水中的氨含量远高于上层海水中的含量，这反映了早期成岩过程中的显著富集（Nessim和Tadros，1986；El-Sabrouti等人，1996）。由于人类活动的迅速发展，特别是工业和农业活动，导致大量营养物质和其他污染物被释放到沿海水域，埃及地中海海岸的某些地区出现了严重的富营养化现象（Dorgham等人，2019）。本研究中PO43?的浓度平均为12.34 μM，表明其分布受到沉积物特征和早期成岩过程的动态影响。最低浓度（4.32 μM）记录在El-Dabaa站点，那里的沉积物100%由沙子组成。沙质沉积物通常具有较低的吸附能力和快速的孔隙水交换，这限制了磷的保留和储存。因此，该站点的含水量最低，N/P比率最高，反映出磷的再生减少和沉积物积累较弱。相反，最高浓度（20.64 μM）出现在El-Hammam的第3站点，与最高的铵（NH4+）和溶解无机氮（DIN）浓度同时出现，同时硝酸盐（NO2?）和总碱度较低，表明沉积物中有机物的降解活动增强，以及营养物质的活跃循环利用。在沉积物早期成岩过程中，有机物的分解通过矿化作用将磷酸盐释放到孔隙水中。同时，氨化作用产生NH4+，表明有机物的分解非常剧烈。沉积物地球化学还通过铁结合磷（Fe-P）和钙结合磷（Ca-P）的转化来调节磷的移动性。在氧化条件下，磷酸盐通常被吸附到铁氧化物上形成Fe-P复合物，从而有效地将磷固定在表层沉积物中。然而，在还原条件下，微生物将三价铁（Fe3+）还原为亚铁（Fe2+），导致铁氧化物溶解，从而将先前结合的磷酸盐释放到孔隙水中。这一过程提高了磷的可用性，并导致孔隙水中磷酸盐浓度升高。相反，部分溶解的磷酸盐可能以钙结合磷（Ca-P）矿物的形式沉淀，特别是在富含碳酸盐的海洋环境中。从更活跃的Fe-P相向相对稳定的Ca-P相的转化代表了磷在海洋沉积物中的长期埋藏途径。本研究中的测量浓度略低于Eastern Harbor先前报告的平均值14 μM（Nessim等人，2007年），这可能表明研究区域的有机负荷较低，或者沉积物中的矿物沉淀和吸附过程存在差异。本研究的一个关键观察是，孔隙水中磷酸盐的富集程度显著高于上层水柱中的平均水平，后者平均为0.716 μM（Mahmoud等人，2023年）。孔隙水中的最大浓度大约是水柱中的四倍，形成了沉积物-水界面之间的陡峭梯度。这样的梯度表明沉积物是磷的主要储存库，这与Nissenbaum等人（1990年）的观察结果一致。与沉积物相比，水柱中较低的磷酸盐浓度（图4）证实了进入系统的磷通过吸附到矿物颗粒、生物吸收和沉积物埋藏迅速被纳入底栖环境。然而，这种磷并不被永久固定。氧化还原电位、pH值和微生物活动的变化可以触发沉积物成岩反应，重新释放磷并允许其扩散回上层水中。因此，沉积物不仅作为磷的汇，而且在缺氧或还原条件下，还可能作为潜在的内部来源，对控制沿海生态系统的营养循环和富营养化起着关键作用。下载：下载高分辨率图片（102KB）下载：下载全尺寸图片 图4. 2022年春季埃及海岸西部沉积物中磷酸盐浓度的等高线图。硝酸盐（NO2? /N） 上层水中NO2?/DIN的比率小于1%。Nessim（1994）在沿海水中发现这一比率略高，为3%，而在Western Harbour水中为8.5%。孔隙水中的硝酸盐含量略高于上层水，有时其水平远低于NO3?含量。El-Rayis等人（1996）发现超过50%的硝酸盐离子从沉积物扩散到上层水中。硝酸盐离子向沉积物孔隙水的扩散表明，孔隙水中反硝化作用和/或这种离子的固定速率远大于其生成速率（硝化作用）。本研究中报告的硝酸盐离子范围非常广泛，在Sidi Barani和El-Alamein区域的第1站点为318.50 μM，在El-Hammam区域为1334.00 μM，其次是El-Mex 1区域（1176 μM），这是由于在还原条件下有机物的剧烈分解以及向硫酸盐还原区的过渡，总平均值为650.71 μM。与Tbia、Maadia、Abu Qir Bay（Faragallah等人，2017年）和Eastern Harbor（Nessim等人，2007年）的先前研究相比，当前研究区域作为更重要的缺氧营养物保留区，其中有机物的分解不受氧化损失的影响。这些站点还具有最高的DIN水平，突显了它们作为营养物保留区的角色。NH4+和DIN的等高线图（图6；NH4+, DIN）进一步证实了这些发现，并展示了富集的明显空间聚集。下载：下载高分辨率图片（296KB）下载：下载全尺寸图片 图6. 2022年春季埃及海岸西部沉积物中氨、硝酸盐、亚硝酸盐和DIN的等高线图。亚硝酸盐（NO2? /N） 上层水中NO2?/DIN的比率小于1%。Nessim（1994）在沿海水中发现这一比率略高，为3%，而在Western Harbour水中为8.5%。孔隙水中的亚硝酸盐含量略高于上层水，有时其水平远低于NO3?含量。El-Rayis等人（1996）发现>50%的沉积物将NO2?离子扩散到上层水中。硝酸盐离子向沉积物孔隙水的扩散表明，孔隙水中反硝化和/或这种离子的固定速率远大于其生成速率（硝化作用）。这反映了孔隙水中的缺氧状态和还原反应的主导地位。在本研究中，NO2?在El-Hammam区域的第3站点最低，为4.31 μM，在El-Mex区域的最大值为10.90 μM，其次是El-Alamein区域的第1站点，为10.30 μM，总平均值为6.72 μM。如图6（NO2?）所示，孔隙水中的NO2?浓度高于对应的水柱值，后者介于未检测到和0.875 μM之间，总平均值为0.160 μM（Mahmoud等人，2023年）。本研究的总平均值高于Faragallah等人（2017年）的结果，Tbia和Maadia分别为4.62 μM和3.00 μM，而Abu Qir Bay近海的硝酸盐平均值为4.30 μM（Faragallah等人，2017年）。本研究的总平均值也高于Eastern Harbor孔隙水的年平均值，为2.8 μM（Nessim等人，2007年）。硝酸盐（NO3?/N） 孔隙水沉积物中的NO3?分布模式非常不规则，其水平在Sidi Krir区域的第3站点（总碱度和有机碳最高）为13.10 μM，而在Sidi Barani区域的第3站点为97.50 μM，总平均值为56.89 μM（图6（NO3?））。这一总平均值远高于Faragallah等人（2017年）的结果，Tbia和Maadia分别为23.11 μM和19.73 μM，而Abu Qir Bay近海的硝酸盐平均值为13.38 μM（Faragallah等人，2017年）。在Eastern Harbor孔隙水中，硝酸盐也显示出不规则的模式，波动在缺失和50–90 μM之间（Nessim等人，2007年）。溶解无机氮（DIN） 本研究中沉积物孔隙水中的DIN含量变化很大（385.78–1410.80 μM），总平均值为714.31 μM（表2）。NH4+离子占91.10%，因此它是孔隙水中最丰富的DIN种类。NO3?离子占7.90%，而NO2?离子在DIN中的比例极小，为1.0%。El-Hammam 3和El-Mex 1分别记录了最高的DIN水平，分别为1410.80 μM和1245.50 μM，突显了它们作为营养物保留区的角色。如图6（DIN）所示，DIN的等高线图清楚地显示了富集的空间聚集。**营养物质的高浓度，特别是DIN和氨，在这项研究中发现是由于人类活动导致的，这导致了水生系统的失衡，并对人类健康构成了风险。这些污染物通过污染饮用水、降低空气质量以及限制用于娱乐或钓鱼的水资源，严重影响了人类活动。它们还引发了有毒藻类的大量繁殖、呼吸系统疾病以及长期的健康问题，如高铁血红蛋白血症。**

**氮磷比**
Redfield（1958年）报告称，开阔海域的正常氮磷比为16:1。本研究中的孔隙水沉积物中氮磷比存在极大的偏差：最低比例为St.2（El-Saloom区域）的26:1，其次是St.1（Sidi-Barani区域）的27:1，最高比例为St.2（El-Dabaa区域）的205:1，年均值为78:1。所有研究地点的氮磷比都较高。这些高比例表明上覆水体中磷的供应可能存在限制，这种情况由有机物的矿化作用以及沉积物中极高的氨含量所维持。这些数值高于Nessim等人（2007年）在东港进行研究时报告的结果。Nessim和Tadros（1986年）在西港的孔隙水中检测到的氮磷比平均值为129:1，这表明磷几乎是全年藻类生长的主要限制因素。**

**此外，尼罗河三角洲前的地中海水域显示出磷酸盐是限制性因素，大部分磷酸盐被深层水柱中的无机颗粒物吸附后移入沉积物中。**目前世界面临的最严峻的环境问题之一是快速发生的富营养化（Nyenje等人，2010年）。全球范围内，河口的沿海水域受到陆地营养盐输入的人类活动显著影响（Ferreira等人，2011年）。这类人类活动影响了沉积物孔隙水和沉积物本身，这是由于最近在埃及地中海沿岸地区进行的开发造成的。这些开发包括新建城市（如El-Alamein新城）、新的交通网络、石油和天然气勘探公司、度假村和旅游村庄、海水淡化厂，以及一些生产水泥砖、铝制品和洗涤剂的工厂。此外，El-Alamein机场和Hamra石油港口也得到了发展。这些地区的人类活动通过工业、农业和居民活动排放了污染物，由于这些化合物的毒性特征及其对水质、沉积物和沉积物孔隙水的有害影响，造成了严重的生态问题（El Zokm等人，2024年）。

然而，在这些区域，富营养化现象普遍存在，导致生物群落发生变化（Carpenter，2003年），既促进了有毒藻类的生长，也促进了非有毒藻类的生长，进而导致环境退化和经济损失。此外，高浓度的DIN与较低的磷酸盐浓度之间的差异导致了多个站点的氮磷比显著升高——例如El-Dabaa 2（205:1）、El-Mex 1（173:1）和El-Alamein 1（85:1）。这些比例远超过了Redfield推荐的16:1，表明磷的供应受到限制，而氮则是推动富营养化的主要因素。氮磷比的等高线图（图7）进一步突显了沿海地区的这种不平衡状态。

**总体而言，营养物质的浓度上升与之前的研究结果一致，这些研究分别于1991年和2007年进行。El-Bayomi（2009年）发现不同土地覆盖类型之间存在变化。通过变化检测技术对Landsat图像进行了分析。El-Bayomi（2009年）发现，由于农业和旅游开发项目的推进，土地覆盖发生了显著变化。这些变化以及沿埃及西北海岸的海岸线和土地覆盖情况也改变了环境参数（El-Bayomi，2009年）。**

**沉积物与孔隙水之间吸收和释放的营养物质浓度通常高于水柱中的浓度。这种情况通过微生物活动驱动的营养物质流动、扰动（如再悬浮）以及不同的化学条件，增强了地表水的生产力并引发了藻类的大量繁殖（富营养化）（Shreadah等人，2015年）。先前的研究已经探讨了埃及地中海沿岸不同地区沉积物与孔隙水之间的关系。例如，Shreadah等人（2015年）研究了2010年春季El-Mex湾底泥营养物通量对上覆海水的影响。他们的研究使用了沉积物-水界面的孔隙水梯度浓度来确定平均无机营养物通量。Youssef（2025年）通过研究亚历山大东港的沉积物中的营养物质累积（OC、N形态和P形态）来探讨城市污染对沿海区域的影响。最近的沉积作用表明，富含有机物的城市径流导致了表层中OC的显著积累。根据Youssef（2025年）的研究，需要更严格的污染控制、持续监测和有针对性的策略来改善城市化沿海流域的水质。**

**沉积物的含水量**
沉积物样品的含水量在St.2（El-Dabaa）区域为25.10%，St.1（El-Mex）区域为62.82%，Alam El-Room 1区域为56.22%，总体平均值为43.34%。来自不同地点的沉积物样本接受了粒径分析。不同样本的沙子、粉砂和粘土比例见表2。如图8所示，等高线图清楚地表明含水量随沉积物类型而变化，在粉砂含量丰富的区域含水量更高。

**沉积物的粒径特性**
沉积物的粒径特性是底栖环境中地球化学行为的关键决定因素。粒径分析（图9）显示，西部和中部区域（如El-Dabaa 2、Sidi Barani 1和El-Alamein 1）以沙粒为主，而在El-Saloom 2、3、Alam El-Room 1、El-Hammam 3和El-Mex 1则以较细的沉积物（粉砂或砂质粉砂）为主。这些粒度差异直接影响了含水量和有机碳（OC）水平，较细的沉积物由于表面积较大和吸附能力更强，因此含水量和有机碳含量更高。

**沉积物的粒径特性变化不大，沙子的平均含量分别为62.19%、粉砂为32.76%、粘土为5.17%（表2）。**细粒沉积物可能是由人类活动和陆地活动形成的。研究结果表明，沙子的含量在Sidi Barani和Sidi Krir区域的St.3为0.05%，而在Sidi Barani和El-Alamein的St.1以及El-Dabaa区域的St.2则达到了100%。粉砂的含量在Sidi Barani和El-Alamein的St.1及El-Dabaa区域的St.2之间波动，从0%到85%不等，而在Sidi Krir区域的St.3则为84.75%。大多数站点的粘土含量在Sidi Barani和El-Alamein的St.1及El-Dabaa区域的St.2之间最低，而在Sidi Krir区域的St.3则最高，达到15%（表2）。

**有机碳百分比**
沉积物中的有机碳（OC%）总体较低，范围从St.1（Alam El-Room区域）的0.34%到St.3（Sidi Krir区域）的1.14%不等，反映了沉积环境中的有机物积累情况。总体平均值为0.81%。所有沉积物中的OC百分比都低于严重效应水平（SEL）和最低效应水平（LEL），除了St.3（Sidi Krir区域）的OC百分比超过了1%（表2）。这些结果在等高线图（图10）中得到了清晰体现，图中显示粉砂含量丰富的区域有机碳含量较高。这些参数为理解孔隙水中的营养物质分布提供了重要背景。

**水质指数（WQI）**
通过使用水质指数（WQI）评估了各个区域和深度的水质，该指数是根据pH值、磷酸盐（PO43?）、硅酸盐（SiO3?）、铵（NH4+）、亚硝酸盐（NO2?）、硝酸盐（NO3?）、氮磷比（N/P）和有机碳（OC）等关键参数计算得出的。每个参数都根据环境标准（EPA，2001年；WHO，2004年）进行了标准化，数值范围在0到100之间。权重是根据其环境影响分配的，具体方法参考Khan等人（2004年）。例如，pH值和NO3?被赋予0.15的权重，而PO43?和NH4+被赋予0.10的权重。通过以下公式计算每个参数的子指数并加以综合：
WQI = ∑（参数指数×权重）/ 总权重

需要注意的是，大多数WQI框架最初是为地表水或饮用水评估开发的。由于目前专门针对沉积物孔隙水设计的标准化指数较为有限，本研究将WQI方法作为一种综合比较工具使用，而不是严格的监管评估工具。因此，选择的标准（EPA，2001年；WHO，2004年）被用作参考基准，以便在各站点之间进行相对比较，尽管这些指南并非专门为沉积物孔隙水环境设计。水质指数（WQI）通过整合多个参数指数提供了孔隙水质量的综合概述（表3）。大部分站点的质量被评为“差”（WQI = 25–49），其中El-Hammam 3和El-Mex 1被评为“非常差”（WQI = 25.35和26.38），这反映了它们较高的营养物质负荷和有机碳水平（表3、表4）。WQI的空间分布凸显了这些污染热点，并反映了营养物质和有机碳地图中观察到的模式。

**结论**
尽管存在某些局限性，WQI方法提供了一个有用的综合框架，用于总结多物理化学参数并识别环境压力的相对空间模式。然而，WQI值的解释应视为指示性的而非绝对的，因为所应用的标准是从地表水质量指南改编而来的。未来的工作应致力于开发专门针对底栖沉积物环境的孔隙水质量指数。

**生物地球化学关系：相关性分析**
相关性分析量化确认了营养物质之间的相互作用。DIN与NH4+之间的相关性接近完美（r = 0.998），进一步证实了铵是沉积物孔隙水中主要的氮形态。DIN与含水量（r = 0.464）和氮磷比（r = 0.521）之间的正相关性表明，富含水分的细粒沉积物有利于营养物质的保留，并促进了氨化作用。这种反向关系可能反映了有机物成岩作用和微生物活动的不同阶段，其中易于降解的碳已经被消耗掉，留下了富含营养物质但碳含量较低的沉积物剖面（表5）。需要注意的是，由于采样站的数量相对较少（n = 10），相关结果应被视为指示性关系，而不是具有统计意义的预测性关联。

多变量控制：主成分分析（PCA）的解释
尽管主成分分析（PCA）能够提供变量之间关系的有用见解，但由于该数据集仅包含十个采样站，因此对多变量统计结果的解释应视为探索性的。有限的样本大小降低了多变量分析的统计稳健性，并可能影响成分载荷的稳定性。因此，PCA结果应谨慎解读，主要用于识别总体模式和潜在的环境驱动因素，而不是确定性的因果关系。

主成分分析（PCA）有助于理清变量之间的复杂关系。散点图（图1S）显示了四个主成分，这些成分解释了83.1%的总变异，每个成分代表不同的环境驱动因素。旋转后的成分图（图2S）和成分载荷（表1S）更清晰地展示了关键参数在空间和统计上的相互作用。PC1解释了25.16%的变异，其载荷主要包含NH4+、DIN、NO2?和N/P比率。这一成分反映了在富含有机物的环境中，由于强烈的氨化作用和营养物质滞留所导致的富营养化现象，尤其是在El-Hammam 3和El-Mex 1站点。PC2（24.25%）的载荷较高，包含PO43?和NO2?，这表明可能存在人为的营养物质输入，可能来自市政或农业排放。这些变量通常出现在部分反硝化作用和磷酸盐富集的区域，反映出营养成分的同化不足。PC3（20.65%）主要由T. Alk.、SiO3?和NO3?构成，表明存在地质影响，如矿物风化和地下水输入。这一成分在东部站点最为明显，尤其是在Sidi Krir 3站点，那里天然硅酸盐和碳酸盐可能是沉积物化学成分的主要来源。PC4（13.05%）几乎完全受水分含量的影响，表明沉积物的水合作用与营养成分的富集是独立的。水分含量影响着微生物活动、氧化还原梯度和孔隙水扩散，这些因素在塑造营养物质转化过程中起着关键作用（表6）。

表6. 2022年春季从埃及海岸西部沉积物中收集的不同孔隙水参数的主成分分析（PCA）解释。

旋转后的成分矩阵
| | | pH | T_Alk | PO43? | SiO3? | NH4+ | NO2? | NO3? | DIN | N/P比率 | 水分含量 |
|-------|-------|--------|--------|--------|--------|--------|--------|--------|-------|------|
| | | -0.418 | 0.075 | -0.929 | -0.015 | 0.004 | -0.004 | 0.010 | 0.080 | 0.284 |
| | | 0.266 | 0.358 | -0.033 | 0.862 | 0.274 | -0.121 | 0.365 | 0.523 |
| | | 0.358 | 0.862 | 0.274 | 0.907 | 0.051 | 0.214 | 0.295 |
| | | -0.033 | -0.057 | 0.015 | 0.051 | -0.164 | 0.305 | 0.120 |
| | | -0.004 | -0.098 | 0.220 | 0.776 | -0.1 | 0.1 | 0.949 |
| | | 0.051 | -0.114 | 0.051 | -0.1 | 0.010 | 0.554 | 0.441 |
| | | -0.114 | 0.1 | -0.1 | 0.1 | 0.951 | -0.098 | 0.927 |
| | | 0.284 | 0.139 | -0.259 | -0.518 | 0.220 | 0.139 | 0.220 |

提取方法：主成分分析（PCA）
旋转方法：使用Kaiser标准化的Varimax方法。
a. 旋转在5次迭代后收敛。

总体而言，PCA的结果验证了空间和单变量观察结果，证实了该区域海岸沉积物的地球化学特征受到沉积物质地、有机负荷、氧化还原条件以及自然和人为因素的复杂相互作用的影响。这些驱动因素在空间地图和整个研究区域的多变量模式中都有体现。

结论
尽管本研究具有重要意义，但由于研究区域发生的发展变化，关于某些孔隙水参数的信息仍然不足。本研究的目标是测量沉积物孔隙水的pH值、总碱度以及营养盐（PO43?、SiO3?、NH4+、NO2?和NO3?）的含量。结果显示NH4+、NO2?和NO3?的浓度较高，表明磷是最主要的限制因素。大多数站点的主要成分是沙子和淤泥，而黏土的含量最少。

不幸的是，营养盐的含量升高，这可能是由于该地区的农业和旅游发展项目导致的，进而引起土地覆盖的严重变化和环境参数的富集。因此，应谨慎解读水质指数（WQI）的结果，因为该指数主要基于地表水标准而非沉积物孔隙水系统的标准制定。

然而，采样站数量的相对较少是一个方法学上的局限，建议未来的研究扩大空间覆盖范围并实施季节性采样，以增强多变量分析的统计稳健性。此外，除了持续监测营养盐之外，还建议同时研究其他参数，如有机物、痕量金属以及海水、沉积物和间隙水中的主要成分，以便及时记录任何变化，从而帮助决策者尽快采取必要行动。

伦理批准
本研究无需伦理批准。

作者贡献声明
Manal G. Mahmoud：撰写 – 审查与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化
Mohamed Amer：撰写 – 审查与编辑、正式分析、数据管理
Amaal E.A. Abou Taleb：撰写 – 审查与编辑、方法论、正式分析
Mohamad H. Elmamoney：方法论、正式分析
Laila A. Mohamed：撰写 – 审查与编辑、方法论、数据管理
Hermine R.Z. Tadros：撰写 – 审查与编辑、方法论、数据管理