王永平 ,朱廣偉 ,洪大林 ,秦伯強 * (.南京水利科學研究院,水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 009；.中國科學院南京地理與湖泊所,湖泊與環(huán)境國家重點實驗室,江蘇 南京 0008)

沉積物－水界面是天然水體在物理、化學和生物特征等方面差異性最顯著和負責水體和沉積物之間物質(zhì)輸送和交換的重要邊界環(huán)境.沉積物－水界面的生物地球化學過程就是指發(fā)生在界面附近的物理和化學反應,包括氧化和還原、溶解和沉淀、吸附和解吸、遷移和轉化、擴散和埋藏、細菌生化反應及生物擾動等作用[1].因而沉積物－水界面是水環(huán)境地球化學循環(huán)和生物系統(tǒng)耦合的重要方面,是控制和調(diào)節(jié)水體和沉積物之間物質(zhì)輸送和交換的重要途徑,也被認為是影響淺水湖泊內(nèi)源釋放的重要因素.

目前,許多學者圍繞著淺水湖泊中沉積物－水界面的物質(zhì)(包括營養(yǎng)鹽、重金屬以及浮游藻類等)釋放通量[2-6]、釋放通量與界面環(huán)境條件的關系[7]、營養(yǎng)鹽在水-沉積物界面上遷移的過程[8]、沉積物再懸浮對磷釋放的影響[9-10]、環(huán)境因子(如:水中溶解氧、pH值、氧化還原電位、溫度、生物及水體的擾動等)對沉積物中營養(yǎng)鹽釋放影響等[6,11-13]等開展了大量的研究.但是,大部分研究都將沉積物－水界面當成“黑匣子”,僅研究其功能,而對于沉積物－水界面的厚度及其結構的研究甚少,且所得結論差距較大.吳豐昌[14]等認為,沉積物－水界面是指新近沉降的沉積物(15cm左右)與水的界面,并且存在擴散亞層――沉積物最表面水體組成的邊界層,是沉積物表面粘滯流層的底層,對界面的物質(zhì)交換和早期成巖作用的方式和強度等有重要的價值,但只能通過間接估計方法得出其厚度.高光等在對太湖沉積物中微生物的研究中發(fā)現(xiàn),在3～5和10cm 左右,無論是微生物的種類還是數(shù)量,都出現(xiàn)了峰值(待發(fā)表數(shù)據(jù)).王雨春等[2]和楊龍元等[15]研究認為,營養(yǎng)鹽的分解及釋放通常集中在沉積物－水界面0～2cm的薄層內(nèi).Morris等[16]模擬了沉積物剖面上有機質(zhì)的礦化,認為有機質(zhì)礦化作用主要發(fā)生在表層2cm厚的沉積物中,2cm以下沉積物中有機質(zhì)的礦化速度小的幾乎可以忽略.而最近一些研究發(fā)現(xiàn):具有極高生物地球化學活性的沉積物-水界面通常在mm范圍內(nèi)[17].

因此,本試驗擬通過對太湖沉積物－水界面的結構的調(diào)查比較,以期為了解沉積物－水界面厚度和進一步開展沉積物－水界面微環(huán)境結構的研究打下基礎.

1 材料與方法

2010年9月中旬,分別在太湖貢湖灣與梅梁灣交叉口(藻型湖區(qū))和胥口灣(草型湖區(qū))采樣.每個樣點用自制的分層采水器采集泥面以上5,20,35cm處的水樣以及水面以下20cm處水樣,一部分水樣現(xiàn)場過0.45um GF/F膜,濾后水放入車載冰箱冷藏,剩余水樣帶回實驗室.同時用柱狀采樣器采集界面清晰的泥柱 3根,密封后運回實驗室,用溶氧微電極(PreSens, German)測定沉積物表層溶解氧(DO)剖面后,再從上往下按 1,2,2,5,5cm間隔取5層泥樣.

濾后水用 Skalar流動分析儀(荷蘭)測定硝氮、亞硝氮、氨氮和磷酸根,用1020型TOC儀(O.I. Corporation, American)測定溶解性有機碳(DOC)濃度,原水參照《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》[18]測定 TN、TP、TDN、TDP、Chl-a、總懸浮物濃度(SS總)和有機懸浮物濃度(SS有機)[19].

泥樣采用烘干法測定其含水量與孔隙率[20],重鉻酸鉀－硫酸消化－凱氏定氮法測定 TN,高氯酸－硫酸酸溶－鉬銻抗比色法測定TP,重鉻酸鉀－硫酸(油浴)氧化－硫酸亞鐵滴定法測定總有機碳(TOC).用于粒徑分析的樣品用稀鹽酸、雙氧水處理,分別去除碳酸鹽和有機質(zhì)后,用Mastersizer-2000型激光粒徑儀(Malvern,English)進行分析,樣品分析誤差小于5%.

2 結果與分析

2.1 草、藻型湖區(qū)各水層指標差異

草、藻型湖區(qū)各水層指標如圖1所示.草型湖區(qū)中SS總、SS有機、Chl-a、TN、TDN、TP和TDP等指標顯著低于藻型湖區(qū).其中,除Chl-a和TDP濃度在各層間沒有顯著差異外,草型湖區(qū)水層中 SS總、SS有機、TN、TDN和TP都大致呈現(xiàn)出越往下濃度越高的趨勢.在藻型湖區(qū)水層中,由于風浪擾動頻繁導致水柱混合,各水層間的SS總、SS有機、TN、TDN和TP都沒有顯著差異.其中, Chl-a在表層水體中顯著高于其他各層,主要原因是藍藻上浮并在水表面富集.

草、藻型湖區(qū)間以及各水層間的DOC、磷酸根和氨氮濃度的規(guī)律性不是很明顯,差異也不顯著.其中,僅有草型湖區(qū)水柱的磷酸根濃度同樣受沉積物靜態(tài)內(nèi)源釋放的影響,基本呈現(xiàn)出越往下濃度越高的趨勢.另外,硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮在藻型湖區(qū)水 柱中含有微量,而在草型湖區(qū)中基本檢測不出.

圖1 太湖草、藻型湖區(qū)水層各項指標差異Fig.1 Parameters profile in water columns of phytoplankton-dominant and macrophyte-dominant regions

圖2 太湖草、藻型湖區(qū)沉積物層各項指標差異Fig.2 Parameters profile in sediment cores of phytoplankton-dominant and macrophyte-dominant regions

2.2 草、藻型湖區(qū)沉積物層各指標變化

圖3 太湖草、藻型湖區(qū)表層沉積物溶解氧含量Fig.3 Oxygen profiles in sediment cores in phytoplankton-dominant and macrophytedominant regions

草、藻型湖區(qū)沉積物各層指標如圖 2所示.草、藻型湖區(qū)沉積物的含水量與孔隙率都大致呈逐漸遞減的趨勢,草型稍高于藻型.草型湖區(qū)沉積物的TN和TOC顯著高于藻型,且都在3～5cm處出現(xiàn)增高或降低的拐點.而沉積物的 TP則表現(xiàn)為藻型湖區(qū)顯著高于草型湖區(qū),但也在3～5cm處出現(xiàn)了拐點.兩類湖區(qū)間的沉積物中值粒徑?jīng)]有顯著差異,各層均值都在 9～16μm 之間.同樣可以觀察到,中值粒徑在3～5cm處發(fā)生增大或變小的改變.

圖3是由溶氧微電極測得的草、藻型湖區(qū)沉積物表層DO濃度剖面,可以看到,草型湖區(qū)沉積物表面的溶解氧高于藻型,但隨后迅速下降,在泥下1mm處即檢測不到溶解氧.而在藻型湖區(qū)的沉積物中,溶解氧在泥下0.5～1mm處出現(xiàn)迅速下降的趨勢,直到泥下2.5mm處才趨于0,溶氧層厚度明顯高于草型.

3 討論

由于受沉積物分層技術和檢測技術的分辨率的限制,對于沉積物－水界面的厚度一直都眾說紛紜.本試驗結果顯示,草、藻型湖區(qū)沉積物的TN、TP、TOC和粒徑等指標都在3～5cm處出現(xiàn)拐點,意味著 3～5cm 處上下沉積物層的特異性.而沉積物表面溶解氧深度的試驗結果表明,DO濃度在沉積物表面以下0.5mm即出現(xiàn)拐點.并且,草型湖區(qū)表層1mm和藻型湖區(qū)表層2.5mm沉積物由于含氧,與其他各層沉積物也存在著明顯的差異性.有觀點認為,界面發(fā)生的許多生物地球化學反應實際上是一個由有氧/無氧條件變化調(diào)節(jié)的氧化還原邊界層的轉化控制的.很多化學物質(zhì)氧化還原態(tài)的改變,也將改變表層沉積物的吸收和釋放特征,如有機質(zhì)的氧化會釋放N和P,氧化態(tài)的鐵和錳將對P等產(chǎn)生吸附等.因此,雖然受不同指標和不同研究手段的影響,沉積物－水界面中沉積物厚度的界定出現(xiàn)了較大的分歧.但是,與沉積物－水界面微環(huán)境研究密切相關以及對沉積物營養(yǎng)鹽的內(nèi)源釋放影響最大的,很有可能是與溶解氧有關的mm級沉積物表層.

另外,對沉積物—水界面的環(huán)境效應研究發(fā)現(xiàn):在水動力擾動頻繁的藻型湖區(qū),至少在沉積物表面以上 35cm 內(nèi),水體各項指標都沒有出現(xiàn)顯著差異;而在相對較為靜止的草型湖區(qū),水柱中大部分指標都呈現(xiàn)出越往下濃度越高的現(xiàn)象,可見這些指標主要受沉積物靜態(tài)內(nèi)源釋放的影響.另一方面,藻型湖區(qū)由于藍藻水華的存在,能顯著改變水體中pH值并刺激沉積物中溶解性營養(yǎng)鹽的釋放[21-22]或者降低表層沉積物對磷的滯留能力[23].而水生植物的根際微環(huán)境由于根系的泌氧和分泌其他氧化性物質(zhì)的能力而處于氧化環(huán)境,能促進金屬離子從還原態(tài)轉化為氧化態(tài),從而極顯著地增加沉積物對磷的吸附,減少磷的解析[24-25].并且,水生植物能通過根系吸收沉積物中生物有效磷,有效減少沉積物間隙水中的磷向上覆水的擴散量,還通過莖葉攔截、吸附水中的顆粒物質(zhì)并通過顆粒物質(zhì)吸附水中的溶解性磷,有效的降低上覆水中磷及顆粒物的負荷[26].也有研究表明,沉水植物在存在及生長過程中,沉積物上部5cm沉積物間隙水中氨氮含量逐步降低,表現(xiàn)出沉積物－水界面氮的釋放通量與沉積物生物量存在負相關性[27].即使根系不發(fā)達的黑藻,也能顯著降低上覆水中總磷、溶解性活性磷和溶解性總磷的濃度[28].這些研究結果與本試驗結果中草型湖區(qū)水柱的 SS總、SS有機、Chl-a、TN、TDN、TP和TDP等指標顯著低于藻型湖區(qū)一致.因此,不同的生境條件對水-沉積物界面的水層厚度也有明顯的影響.

4 結論

4.1 草型湖區(qū)中 SS總、SS有機、Chl-a、TN、TDN、TP和 TDP等指標顯著低于藻型湖區(qū).草型湖區(qū)水柱中SS總、SS有機、TN、TDN和TP等指標都呈現(xiàn)出越往下濃度越高的趨勢,而藻型湖區(qū)各水層間差異不明顯.

4.2 草型湖區(qū)沉積物的TN和TOC顯著高于藻型,TP則顯著低于藻型;兩個湖區(qū)沉積物的TN、TP、TOC和粒徑都在3～5cm處出現(xiàn)拐點.

4.3 草型湖區(qū)沉積物溶解氧層厚度(＜1mm)小于藻型湖區(qū)(＜2.5mm).

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