鄭琦，李磊，呂昌偉，2*，王偉穎，何江，2，左樂，顏道浩

（1.內(nèi)蒙古大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，呼和浩特　010021；2.內(nèi)蒙古大學(xué)環(huán)境地質(zhì)研究所，呼和浩特　010021）

沉積物中硅釋放的影響因素研究

鄭琦1，李磊1，呂昌偉1，2*，王偉穎1，何江1，2，左樂1，顏道浩1

（1.內(nèi)蒙古大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，呼和浩特010021；2.內(nèi)蒙古大學(xué)環(huán)境地質(zhì)研究所，呼和浩特010021）

為揭示沉積物中硅的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制及其生物地球化學(xué)循環(huán)規(guī)律，給湖泊富營養(yǎng)化發(fā)生機(jī)制及水環(huán)境治理與保護(hù)研究積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以烏梁素海為研究對象，深入探討了pH、微生物和低分子量有機(jī)酸等環(huán)境因子對沉積物中Si釋放的影響機(jī)制。結(jié)果表明，隨著pH的升高（7.0～9.5），烏梁素海上覆水中Si濃度降低，沉積物中生源硅（BSi）含量升高，顯示烏梁素海的偏堿性環(huán)境使硅在水-沉積物界面的擴(kuò)散矢量方向指向沉積物。方差分析表明，有微生物體系和無微生物體系之間上覆水Si濃度具有顯著差異，可能與微生物的捕食作用和降解作用有關(guān)。菖蒲區(qū)上覆水中Si濃度整體高于對應(yīng)季節(jié)蘆葦區(qū)上覆水，而菖蒲區(qū)沉積物中BSi含量低于對應(yīng)季節(jié)蘆葦區(qū)沉積物，主要是由于蘆葦和菖蒲根基分泌的低分子量有機(jī)酸不同，進(jìn)而對硅酸鹽礦物的溶解能力存在差異導(dǎo)致的。沉水植物區(qū)沉積物冬春季和夏秋季整體表現(xiàn)為上覆水的硅匯，上覆水共向沉積物中轉(zhuǎn)移約15.62 t Si；挺水植物區(qū)沉積物冬春季和夏秋季整體表現(xiàn)為上覆水的硅源，沉積物共向上覆水中釋放約33.15 t Si。

硅；釋放；影響因素；沉積物；湖泊

鄭琦，李磊，呂昌偉，等.沉積物中硅釋放的影響因素研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，35（4）：745-749.

ZHENG Qi，LI Lei，Lü Chang-wei，et al.Factors influencing silicon releases from lake sediments［J］.Journal of Agro-Environment Science，2016，35（4）：745-749.

硅是最常見的元素之一，在地殼中含量排名第二，但其很少以單質(zhì)的形式出現(xiàn)在自然界。在水體中，硅是硅藻、硅鞭藻和放射蟲等浮游植物有機(jī)體的重要構(gòu)造組成，是聚集在沿海和深海沉積物中海洋生物起源物質(zhì)的重要組成部分［1］。海洋中硅藻約生產(chǎn)了240 Tmol·a-1的生源硅，約貢獻(xiàn)了45%的海洋生產(chǎn)力，硅藻生長是控制海洋CO2儲蓄能力的重要過程［2］。

湖泊是高效的生物地球化學(xué)反應(yīng)器［3-4］，研究湖泊中硅的生物地球化學(xué)循環(huán)具有重要意義。本文探討了烏梁素海夏秋季和冬春季pH、微生物和低分子量有機(jī)酸對烏梁素海硅釋放的影響，揭示了烏梁素海不同季節(jié)沉水植物區(qū)和挺水植物區(qū)沉積物硅的源/匯功能，進(jìn)一步闡明了湖泊中硅的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制，以期為烏梁素海的合理開發(fā)和保護(hù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

烏梁素海（40毅47憶～41毅03憶N，108毅43憶～108毅57憶E）位于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市烏拉特前旗境內(nèi)，河套平原的東端，是黃河流域最大的淡水湖之一，是中國的八大淡水湖之一，也是全球范圍內(nèi)荒漠半荒漠地區(qū)極為少見的具有多種生態(tài)功能與效益的大型淺水草型湖泊?，F(xiàn)有水域面積333.48 km2，湖面程高1 018.5 m，庫容量（2.5～3）×108m3，80%水域水深0.8～1.0 m［5］。農(nóng)田退水是該湖最主要的補(bǔ)給水源，蒸發(fā)和排入黃河為其主要支出途徑。近用來水體富營養(yǎng)化進(jìn)程加劇，以蘆葦、菖蒲為±勢種的挺水植物和以龍須眼子菜、穗花狐尾藻為±勢種的沉水植物生長繁茂，遍布全湖［6］。目前腐爛水草以每用9～13 mm的速度在湖底堆積，成為世界上沼澤化速度最快的湖泊之一［7］。

1.2研究方法與實(shí)驗(yàn)材料

1.2.1樣品采集

2013用8月對烏梁素海進(jìn)行了系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)測及樣品采集（用荷蘭Eijkelkamp公司產(chǎn)SA Beeker型沉積物原狀采樣器采集沉積物樣品）。

釋放實(shí)驗(yàn)樣品：在烏梁素海南部、中部和北部沉水植物區(qū)分別采集表層沉積物。同時(shí)，于同一站位采集用于硅釋放實(shí)驗(yàn)的上覆水樣，回到實(shí)驗(yàn)室后即刻使用中性濾紙進(jìn)行過濾處理，水樣過濾后于4益下避光保存。

1.2.2實(shí)驗(yàn)與分析方法

釋放實(shí)驗(yàn)按照《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》進(jìn)行，根據(jù)不同季節(jié)烏梁素海的實(shí)際情況，通過控制溫度、光照及溶解氧入件分別模擬夏秋季節(jié)及冬春季節(jié)烏梁素海硅的釋放過程（表1）。氧化還原入件通過通入氧氣及氮?dú)鈦砜刂?。將采集的表層沉積物充分混勻，稱?。?0.00依0.10）g（濕重）沉積物平鋪于500 mL培養(yǎng)瓶底部，緩慢加入400 mL過濾后的湖水進(jìn)行培養(yǎng)，并記錄液面位置，分別于第0、10、20、40、60、90、120、150、180 d取出上覆水和沉積物樣品進(jìn)行分析測試。

表1　釋放實(shí)驗(yàn)控制因子Table 1　Influencing factors studied in release experiments

（1）pH值對營養(yǎng)鹽釋放的影響實(shí)驗(yàn)：釋放實(shí)驗(yàn)?zāi)M烏梁素海的真實(shí)環(huán)境（pH8.0），將pH控制在中性入件（pH7.0）、偏堿性（pH8.0）和堿性入件（pH9.5），分別在好氧和厭氧入件下培養(yǎng)。

（2）微生物對營養(yǎng)鹽釋放的影響實(shí)驗(yàn)：釋放實(shí)驗(yàn)設(shè)置有微生物組和無微生物組，分別在好氧和厭氧入件下培養(yǎng)。有微生物組通過添加葡萄糖作為微生物的營養(yǎng)源，促進(jìn)微生物的生長繁殖；無微生物組通過添加福爾馬林使體系內(nèi)無微生物。

（3）低分子量有機(jī)酸對營養(yǎng)鹽釋放的影響實(shí)驗(yàn)：烏梁素海中挺水植物以蘆葦和菖蒲為±勢種，因其根系分泌不同低分子量有機(jī)酸，故通過添加不同低分子量有機(jī)酸模擬培養(yǎng)樣品處于不同挺水植物生長區(qū)開展硅的釋放實(shí)驗(yàn)，分別在好氧和厭氧入件下培養(yǎng)。菖蒲區(qū)根系會分泌檸檬酸和草酸，蘆葦區(qū)的根系會分泌檸檬酸而不會分泌草酸［9-11］，因此以檸檬酸為基本酸，以草酸為菖蒲區(qū)的特征酸進(jìn)行添加，有機(jī)酸的添加濃度均為50滋mol·g-1。蘆葦區(qū)僅添加基本酸作為影響因子，菖蒲區(qū)添加基本酸及特征酸作為影響因子。

上覆水中的可溶性總磷酸鹽和可溶性正磷酸鹽采用鉬銻抗分光光度法測定，硅酸鹽采用硅鉬藍(lán)分光光度法測定。

沉積物中生源硅（BSi）的提取方法：準(zhǔn)確稱取0.200 0 g沉積物樣品，盛于50 mL聚乙烯離心管中，先加入5 mL 10%H2O2，30 min后加入5 mL 1 mol·L-1HCl，搖勻并靜置30 min，再加入20 mL超純水，離心（4500 r·min-1）10 min，棄去上清液，60益干燥一夜；加入40 mL 2 mol·L-1的Na2CO3溶液搖勻，放入85益水浴恒溫箱保溫5 h［8］，離心取1 mL上清液，用硅鉬藍(lán)比色法測定提取液中的硅酸鹽含量。

2　結(jié)果與討論

2.1pH對硅釋放的影響

pH對烏梁素海上覆水中硅濃度的影響見圖1。上覆水中Si的初始濃度為2.09滋g·mL-1，無論中性入件（pH7.0）、偏堿性入件（pH8.0）或堿性入件（pH9.5），上覆水中Si濃度大體都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，穩(wěn)定后Si濃度都低于初始濃度。較為明顯的是，在實(shí)驗(yàn)pH范圍內(nèi)（7.0～9.5），pH越高，Si濃度越低。對不同pH體系Si濃度進(jìn)行方差分析，結(jié)果顯示pH7.0、pH8.0和pH9.5入件下，上覆水Si濃度具有顯著差異（P＜0.05）。這可能與堿性入件下氧化物對Si的吸附有關(guān)。有研究表明土壤pH為4～10之間時(shí)，氧化物對Si的吸附隨pH的升高而升高，具體數(shù)據(jù)見表2。

pH對烏梁素海沉積物中硅含量的影響見圖2和表2。沉積物中BSi的初始含量為1.77 mg·g-1，無論酸性、偏堿性或堿性入件，沉積物中BSi含量大體都呈現(xiàn)先上升后波動變化，趨于穩(wěn)定后BSi含量都低于初始濃度。90～180 d內(nèi)pH9.5入件下沉積物中BSi含量比pH7.0和pH8.0體系BSi含量高，對pH7.0和pH8.0體系的BSi含量數(shù)據(jù)（n=7）與pH9.5體系BSi含量數(shù)據(jù)（n=4）進(jìn)行方差分析，結(jié)果顯示兩組數(shù)據(jù)沉積物BSi含量有顯著差異（P＜0.05）。這與上覆水在pH9.5入件下水中Si濃度最低的結(jié)果相對應(yīng)。由此可見，在實(shí)驗(yàn)pH范圍內(nèi)（7.0～9.5），pH越高越有利于上覆水中的硅向沉積物轉(zhuǎn)移。

圖1　pH對烏梁素海上覆水中硅濃度的影響Figure 1　pH effect on silicon concentrations in overlying water of WLSH Lake

圖2　pH對烏梁素海沉積物中硅含量的影響Figure 2　pH effect on silicon content in sediments of WLSH Lake

表2　不同pH下烏梁素海上覆水中的硅濃度和沉積物中的硅含量Table 2　pH effect on silicon concentrations in overlying water and sediments

2.2微生物對硅釋放的影響

圖3及表3分別列出了微生物對沉積物和上覆水中硅濃度的影響。從總體上看，無論夏秋季還是冬春季，就沉積物中BSi含量而言，有微生物的體系略高于無微生物的體系；就上覆水中Si濃度而言，有微生物的體系明顯高于無微生物的體系。對不同體系硅濃度進(jìn)行方差分析，結(jié)果顯示無論夏秋季還是冬春季，有微生物體系和無微生物體系之間上覆水Si濃度具有顯著差異（P＜0.05）。這可能與微生物的捕食作用［11］和降解作用［12］有關(guān)。在有微生物的體系中，就沉積物而言，夏秋季比冬春季BSi含量高，就上覆水而言，夏秋季和冬春季Si濃度相近；在無微生物的體系中，夏秋季沉積物BSi含量和上覆水Si濃度都比冬春季對應(yīng)值略高。夏秋季和冬春季Si濃度的差異可能是季節(jié)性環(huán)境入件綜合作用的結(jié)果，季節(jié)性的因素［13-17］如溫度、光照和水動力入件等都會影響B(tài)Si的溶解速率。有研究表明［14-15］，BSi溶解度隨海水溫度上升而上升。另外，沉積物中BSi含量和上覆水中Si濃度的季節(jié)性差異可能與烏梁素海藻類的季節(jié)性差異有關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)烏梁素海冬季以硅藻為±勢類群，春季以綠藻、硅藻為±勢類群，夏季以綠藻和藍(lán)藻為±勢類群，秋季以藍(lán)藻為±勢藻門，其次為硅藻門，因此藻類的季節(jié)性差異可能影響沉積物中BSi含量和上覆水中Si濃度的季節(jié)性變化。

圖3　微生物對烏梁素海硅釋放的影響Figure 3　Microorganism effect on silicon releases

圖4　低分子量有機(jī)酸對烏梁素海硅釋放的影響Figure 4　Effects of low molecular weight organic acids on silicon releases

表3　有無微生物體系下上覆水與沉積物中的硅含量Table 3　Microorganism effect on silicon concentrations in overlying water and sediments

表4　低分子量有機(jī)酸體系下上覆水與沉積物中的硅含量Table 4　Effects of low molecular weight organic acids on silicon concentrations in overlying water and sediments

2.3低分子量有機(jī)酸對硅釋放的影響

圖4及表4分別列出了低分子量有機(jī)酸對沉積物和上覆水中硅濃度的影響。在180 d的培養(yǎng)周期內(nèi)，蘆葦區(qū)夏秋季和冬春季上覆水中Si濃度和沉積物中BSi含量差異不大，而菖蒲區(qū)冬春季上覆水中Si濃度和沉積物中BSi含量都比夏秋季略高。具體而言，夏秋季和冬春季上覆水中Si的濃度是菖蒲區(qū)近似于或高于蘆葦區(qū)，夏秋季和冬春季沉積物中BSi含量是菖蒲區(qū)近似于或低于蘆葦區(qū)。有機(jī)酸溶解硅酸鹽礦物主要是通過酸溶作用和絡(luò)合作用兩種方式［18］，蘆葦和菖蒲根基分泌的低分子量有機(jī)酸不同［9-11］，所產(chǎn)生的H+和有機(jī)配體數(shù)量不同，有機(jī)配體對金屬離子的螯合能力也不同［19-20］，因此對硅酸鹽礦物的溶解能力存在差異。草酸是菖蒲區(qū)分泌的特征酸［10，21］，孔明明等［22］研究草酸和檸檬酸對硅酸鹽礦物的溶解性發(fā)現(xiàn)，草酸作用強(qiáng)于檸檬酸，胡華峰［23］也在其研究中指出草酸對于高嶺石的溶解能力強(qiáng)于檸檬酸?？赡苁腔谏鲜鲈?，菖蒲區(qū)上覆水中Si濃度整體高于對應(yīng)季節(jié)蘆葦區(qū)上覆水中Si濃度，而菖蒲區(qū)沉積物中BSi含量低于對應(yīng)季節(jié)蘆葦區(qū)沉積物中BSi含量。

3　結(jié)論

烏梁素海真實(shí)環(huán)境中，隨著pH的升高（7.0～9.5），上覆水中Si濃度降低，沉積物中BSi含量升高，表明湖水本身（pH=8.0）有利于上覆水中硅的沉積而不利于沉積物中硅的釋放；有微生物體系Si濃度和BSi的含量都高于無微生物體系，且有微生物體系Si濃度和BSi的含量有季節(jié)性差異，表明微生物和硅質(zhì)生物影響著硅循環(huán)的進(jìn)程；草酸+檸檬酸體系（菖蒲區(qū)）對于硅酸鹽礦物的溶解作用強(qiáng)于單檸檬酸體系（蘆葦區(qū)），使得菖蒲區(qū)上覆水中Si濃度高于蘆葦區(qū)，而沉積物中BSi含量低于蘆葦區(qū)。

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Factors influencing silicon releases from lake sediments

ZHENG Qi1，LI Lei1，Lü Chang-wei1，2*，WANG Wei-ying1，HE Jiang1，2，ZUO Le1，YAN Dao-hao1
（1.College of Environment and Resources，Inner Mongolia University，Hohhot 010021，China；2.Institute of Environmental Geology，Inner Mongolia University，Hohhot 010021，China）

Diatoms greatly control the water憶s capacity to store CO2.Silicon（Si）level in water impacts diatom growth.In this work，the influences of pH，microorganism and low molecular weight organic acids on silicon releases from the sediments of Wuliangsuhe（WLSH）Lake were investigated under simulating experiments.Results showed that concentrations of Si in overlying water decreased along with pH increases（7.0～9.5），while the content of BSi in sediments increased.This indicated that the diffusion direction of Si released was towards the sediments at the water-sediment interface under weak-alkaline environment.Silicon concentrations were higher in microorganism system than in non-microorganism system in both overlying water and sediments.The differences in Si concentrations in both overlying water and sediments among different hydrophyte areas were resulted from the differences of low molecular weight organic acids excreted by hydrophytes.Sediments from both submerged and emergented plant areas acted as Si sink and source，depositing and releasing 15.62 t and 33.15 t Si in the whole year，respectively.This work would advance the understanding of the transformation，migration and biogeochemical cycle of Si in lake sediments as well as protection of terrestrial aquatic environment.

silicon；release；factors；sediment；lake

X52

A

1672-2043（2016）04-0745-05

10.11654/jaes.2016.04.019

2015-11-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41003049）；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2015MS0404）

鄭琦（1993—），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境地球化學(xué)。E-mail：15248114107@163.com

呂昌偉E-mail：lcw2008@imu.edu.cn