多重組合擾動對沉積物微界面環境的影響

蔡順智，胡琦，錢少江，黃振旭，李大鵬

（1.蘇州科技大學環境科學與工程學院，江蘇蘇州215009；2.溧陽市環境監測站，江蘇溧陽213399；3.蘇州科太環境技術有限公司，江蘇蘇州215011）

多重組合擾動對沉積物微界面環境的影響

蔡順智1，胡琦2，錢少江2，黃振旭3，李大鵬1

（1.蘇州科技大學環境科學與工程學院，江蘇蘇州215009；2.溧陽市環境監測站，江蘇溧陽213399；3.蘇州科太環境技術有限公司，江蘇蘇州215011）

為了闡明多重組合擾動因素對沉積物微界面環境的影響，以太湖梅梁灣沉積物為研究對象，采用Rhizon采樣技術和微電極系統等手段，研究了擾動下微界面溶解氧滲透深度、pH、ORP、鐵離子和含水率等變化規律。結果表明，藻類組（ES5）的OPD最大，達到了11.5 mm。不同擾動下對照組、搖蚊幼蟲組、組合擾動組、河蜆組（或藻類）的pH剖面曲線趨勢從左向右平移，而ORP剖面曲線從左往右的順序分別是ES1、ES2、ES4、ES3、ES5組。河蜆組表層0～6 cm沉積物的平均含水率達到了61.68%，為各組最高。與組合擾動組相比，河蜆的出現降低了沉積物OPD，而藻類的出現進一步增大了沉積物OPD。同時，組合擾動下河蜆或藻類的出現進一步增大了沉積物pH。其次，組合擾動下河蜆的出現降低了沉積物ORP，而藻類的出現進一步增大沉積物ORP。除此之外，河蜆的出現還進一步增大了沉積物含水率和孔隙度，而藻類的出現對其并無顯著性影響。

多重；組合擾動；微界面環境；河蜆；銅綠微囊藻

底泥擾動是促使內源磷遷移轉換的關鍵因素[1]。底泥擾動可分為兩種：一是物理擾動，主要是風浪，水流，魚類巡游，船運等物理因素造成的；二是生物擾動，主要是由底棲生物引起的[2-3]。然而，在天然水體中，底泥擾動通常由多種形式構成，最常見的是物理擾動與底棲生物組成的組合擾動[4]。目前，淺水湖泊磷遷移轉化理論體系的構建主要是基于底泥表層的泥水界面[5]。但是，由于底棲生物的存在，使得底泥內部存在另一種泥水界面，因為此類界面的形成過程、大小、氧化層厚度、形狀、環境效應明顯不同于底泥表層的泥水界面，采用建立在底泥表層的傳統的磷遷移轉化理論體系來解釋內源磷的再生及遷移轉化則明顯不妥，由此人們開始關注底泥微界面環境的研究[6]，但對于組合擾動對底泥微界面環境的影響研究甚少。有鑒于此，本研究以物理擾動、搖蚊幼蟲、河蜆和藻類為主要研究對象，真實地模擬了太湖底泥多重擾動的實際情形，借此研究多重組合擾動對沉積物微界面環境的影響，以期為豐富淺水湖泊磷遷移轉化理論體系奠定前期理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究地點與采樣準備

2015年4月利用大口徑重力采樣器（Rigo Co.直徑90 mm，高500 mm）在無錫梅梁灣采樣點（N31° 31'30.10″，E120°10'57.1）采集表層15 cm沉積物柱樣總計16根，并保留采樣管上覆水水樣，用橡皮塞密封采樣管兩端，再垂直地把采集到的柱樣放入采樣架中，同時采集上覆水50 L，采樣運輸過程中盡量保持柱樣不發生擾動。采樣點底泥及上覆水的各項理化性質見表1。

試驗用藻類購自中科院水生生物研究所（武漢），品種為銅綠微囊藻（Microcystis aeruginosa），該品種是太湖水華爆發時的優勢種群。實驗用搖蚊幼蟲購自花鳥市場，河蜆采集于太湖，為太湖原生河蜆。用梅梁灣采集來的底泥和上覆水馴化培養買回來的搖蚊幼蟲和帶回來的河蜆，使其適應實驗條件，一周后用于實驗。

表1 采樣點沉積物和上覆水的理化性質

1.2 實驗方法

實驗用培養單元培養管構造見圖1，培養管材料為有機玻璃（長20.5 cm，內徑ID 8.4 cm），底部用橡膠塞密封；管壁留有安裝Rhizon間隙水采樣器的小孔，使用前用疏水膠帶密封。

用400目金屬篩將采集來的上覆水過濾，截除掉其中的浮游生物，過濾后的上覆水用作底泥柱樣培養的上覆水。采集的沉積物柱樣進行以下處理：把每個柱樣表層10 cm的底泥切分成5層，每層2 cm，相同層的沉積物收集在同一桶中，將各桶內底泥通過60目金屬篩以除去其中的底棲生物和大顆粒物，將過篩后的沉積物混勻，按原來順序裝入培養管中，并用切片將沉積物-水界面切成完全平整。然后將濾后上覆水引到底泥上部，盡可能不使表層底泥發生擾動且保持泥-水界面的平整。將制得的若干個（根據實驗要求不同）底泥柱樣放在培養水槽內，并向水槽內加入濾后上覆水淹沒培養管，用曝氣頭對槽內水曝氣預培養16 d，讓底泥穩定。

圖1 實驗培養管

在第14天底泥已基本穩定，即泥-水界面沉降完全，泥面高度保持穩定；上覆水中的各營養鹽濃度保持穩定。從培養水槽中取出沉積物柱樣，將泥樣柱上頂至適當位置，使得采樣孔位于泥-水界面以下1.5、2.5、3.5、4.5、5.5 cm處（分別采集泥面下1～2、2～3、3～4、4～5、5～6 cm段的間隙水，采樣分辨率是1 cm，由于在0.5 cm處插入的Rhizon采樣管易在重力作用下將表層泥面開裂，因此原定于0.5 cm處抽取1～2 cm間隙水的小孔暫時取消），將Rhizon間隙水采樣管包扎生膠帶后插入培養管壁預留的小孔中以保證完全密封，插入時注意采樣管的水平。將制得的培養柱樣放入黑暗房間內，防止藻類光合作用對磷的影響。同時取足量預培養水放入棕色瓶中4℃保存，棕色瓶用錫箔包裹，作為實驗用上覆水的補充。為了使實驗結果更可靠，設置平行實驗，將制得的15根柱樣分別作如下實驗：3根用于對照實驗組（ES1）、3根用于搖蚊幼蟲擾動組（ES2）、3根用于物理和搖蚊幼蟲組合擾動組（ES3）、3根用于物理、搖蚊幼蟲和河蜆組合擾動組（ES4）、3根用于物理、搖蚊幼蟲、藻擾動組（ES5）。

在第17天，挑選活性較強的搖蚊幼蟲，向組合擾動（ES2、ES3、ES4、ES5）組柱樣中加入相應條數的搖蚊幼蟲（密度與太湖自然密度一致），其中主要種群為羽搖蚊（Chironomus plumosus）幼蟲，絕大多數的搖蚊幼蟲能迅速打孔鉆入底泥中，半小時過后，將尚未打孔鉆入的搖蚊幼蟲用鑷子輕輕挑出，用新的有活力的搖蚊幼蟲代替，然后將所有培養管放回黑暗房間內開啟試驗。以同樣的的方法加入相應數量的河蜆和藻類。河蜆密度選擇參照文獻[7]，銅綠微囊藻濃度選擇參照文獻[8]。加入河蜆時用筷子夾住河蜆緩慢靠近泥-水界面輕輕放置于底泥表面，盡量避免產生較大擾動。

采用恒速攪拌機對柱樣進行擾動，轉速為150 r/min，在水面上方1 cm處擾動10 min，使得表層0.5 cm沉積物完全懸浮。試驗期間，若發現搖蚊幼蟲鉆出泥面死亡時，立即用鑷子小心挑出，并加入等量的活體。

間隙水Fe2+取樣時預先在2 mL注射器針管中加入適量顯色劑后抽取1 mL間隙水。采樣后，立即用存于棕色瓶中的等量預培養水補充。

實驗共持續了11 d（第17～27天）。間隙水在15、21、26 d采集，每次抽取2 mL間隙水。試驗在第27天結束，當天用Unisense微電極系統測定各柱樣氧剖面，隨后取出Rhizon間隙水采樣器，之后，將底部橡膠塞上頂，將表層10 cm沉積物切分成5層，每層底泥2 cm，將相同層位的底泥收集在同一燒杯中，用玻璃棒充分混勻。然后測定其含水率、孔隙度。

1.3 樣品分析方法

沉積物溶解氧滲透深度OPD、pH、ORP分別用微電極系統（Unisense，丹麥）測定。

間隙水中Fe2+用鄰菲羅啉分光光度法測定[9]。

含水率：將空坩堝放入烘箱，105℃條件下烘30 min，在干燥器中冷卻20 min后稱重，直至恒重為止（兩次稱重相差不超過0.000 5 g），記為g0。再取適量濕泥于坩堝中，稱重為g1，將裝濕泥的坩堝放入烘箱105℃條件下烘12 h，在干燥器中冷卻20 min后稱重，直至恒重為止（兩次稱重相差不超過0.000 5 g），記為g2。按下式計算含水率[10]

孔隙度：是根據沉積物濕重與干重計算所得，計算公式如下

式中，m1為底泥干重；m2為底泥濕重；2.5為底泥干密度（g/cm3）。

2 結果與討論

2.1 沉積物微界面環境氧的變化規律

不同處理組的沉積物微界面環境氧的分布規律見圖2，圖2中縱坐標0 mm處虛線表示沉積物-水界面（SWI），泥上坐標記為正，泥下坐標記為負。

圖2顯示，由于底棲生物作用、底棲生物和物理擾動的協同作用、藻類光合作用，導致沉積物微環境氧發生明顯變化。其中，對照組（ES1）、搖蚊幼蟲組（ES2）、組合擾動組（ES3）、河蜆組合擾動組（ES4）和藻類組合擾動組（ES5）對應的溶解氧滲透深度OPD分別為：5.1、6.8、10.2、8.0和11.5 mm。由此可見，ES1、ES2和ES3這3組的變化規律符合前人研究[11]結果表明：三組中組合擾動組OPD最大，并依次大于搖蚊幼蟲組和對照組（各處理組的氧剖面是對該沉積物柱樣表層隨機選取一點做穿刺測定的，在選點時避開了水絲蚓所打的蟲洞，因此剖面具有相對一般性）。當河蜆或藻類出現時，沉積物OPD明顯產生不同變化。與組合擾動組相比，河蜆的出現降低了沉積物OPD，而藻類的出現進一步增大了沉積物OPD。

圖2 實驗中不同處理組沉積物O2剖面

其中河蜆降低沉積物OPD原因有四：一是河蜆自身的新陳代謝旺盛，需要消耗大量O2[12]，從而減少了進入沉積物的O2；二是河蜆的挖穴、活動使得深層黑色的厭氧沉積物暴露于表層富氧的上覆水中，這些厭氧物質被O2氧化從而消耗大量的O2。三是河蜆打洞產生生物引灌作用，使得洞穴壁周圍形成環形氧化區，并使好氧微生物活性恢復，從而消耗更多O2，同時河蜆的活動改造了微界面的生物廊道的構造[13]，很多孔洞被重新封閉，氧氣交換產生困難。四是由于河蜆和物理擾動的協同作用，強化了上述3個過程，進一步增大了O2的消耗。因此河蜆的出現消耗了大量沉積物表層O2從而降低了沉積物OPD。而藻類的出現增大了沉積物OPD是由于藻光合作用產生大量的O2，增大了上覆水與沉積物O2的濃度梯度，從而增大了O2向沉積物擴散的通量，因此藻類的加入進一步增大了沉積物OPD。

2.2 沉積物微環境pH的變化規律

各處理組沉積物微環境pH剖面見圖3。

圖3顯示，在沉積物表層0～1.5 cm，各處理組pH呈現迅速遞減趨勢，在1.5 cm之后pH趨于穩定。其中，在0～1.5 cm階段，組合擾動組pH明顯依次大于搖蚊幼蟲組、對照組和組合擾動組，當河蜆和藻類出現時，pH進一步增大。從圖3可以看出，河蜆組和藻類組pH剖面非常接近，只是河蜆組稍高，說明二者對pH的增量相當。同時，對照組、搖蚊幼蟲組、組合擾動組、河蜆組（或藻類）的pH剖面曲線趨勢從左向右平移，pH增加的區域沿垂向上呈現逐漸擴張的趨勢。

其中組合擾動下河蜆的出現進一步增大了沉積物的pH主要可從以下四方面來做解釋：首先，結合圖2，ES4組OPD要大于ES1組和ES2組，有研究表明溶解氧有利于氧化有機物中的有機酸和氧化能吸附氫氧根的陰陽離子，使得pH增大[14]，自然OPD的增大有利于pH的增加。

其次是河蜆打洞筑穴，加速了上覆水與間隙水的交換，生物引灌作用將帶堿性的上覆水沖刷進入洞穴內，將沉積物中酸性物質中和并帶離沉積物。同時河蜆的主要排泄產物含有正磷酸鹽和氨氮[15]，正磷酸鹽的水解有利于pH的增大，而氨氮易被氧化，對pH貢獻不大。另外，河蜆和物理組合擾動對微界面環境pH產生了協同效應：物理擾動能促進生物擾動，物理擾動脅迫河蜆構筑更多更深的洞穴，強化的生物引灌作用使得沉積物中pH增加的程度和區域相應的增大。綜合這四個方面，河蜆組產生的堿化效應明顯，因此河蜆的出現進一步增加了沉積物特定深度的pH，這也解釋了ES4組OPD小于ES3組，而pH要大于組合擾動組的原因。

而藻類的存在同樣產生了跟河蜆類似的效果，其主要原因是由于藻類光合作用吸收大量上覆水中CO2從而增大了上覆水的pH，pH增大后的上覆水在擴散作用、生物平流、生物引灌作用下與間隙水進行交換，同時藻類組的OPD最大，對氧化有機物中的有機酸和氧化能吸附氫氧根的陰陽離子有極大的作用，因此沉積物pH隨之增大，但由于藻類組增加pH的因素相比河蜆組要少，因此pH要略低于河蜆組。

2.3 底泥微界面環境ORP的變化規律

各處理組沉積物微環境ORP（氧化還原電位）剖面見圖4。

圖4 實驗結束后（第27天）各處理組沉積物ORP剖面

圖4顯示，各處理組沉積物的ORP在表層0～1.3 cm緩慢降低，在1.3～2 cm呈現迅速遞減趨勢，之后緩慢降低直至降到0 mv左右（由于微電極能夠尖端細部進入沉積物的長度只有5 cm，所以深度在5 cm以下的沉積物ORP無法測量）；同時，組合擾動組ORP明顯依次大于搖蚊幼蟲組和對照組，河蜆的出現，使得ORP降低，而藻類的出現使ORP進一步增大，這與圖2結果相吻合。同時，ES1、ES2、ES4、ES3、ES5的ORP剖面從左向右平移，ORP增加的區域沿垂向上呈現逐漸擴張的趨勢。

其中組合擾動下河蜆的出現降低了沉積物ORP主要可從以下三方面來做解釋：首先，如前所述河蜆的出現顯著降低了沉積物溶解氧滲透深度，氧氣的消失對各層位ORP的減小具有較大貢獻。其次，河蜆是排氨動物，NH4+-N排泄占TN排泄的50.78%～100%[15]，在河蜆的打洞筑穴和搖蚊幼蟲構筑廊道過程中，將表層含NH4+沉積物被動的拖拽到沉積物深處，由于生物擾動、生物平流等效應使得深層沉積物獲得了更多的電子受體，ORP隨之也呈現遞減態勢。另外，河蜆-搖蚊幼蟲-物理組合擾動對微環境ORP產生了協同效應：水動力因素脅迫搖蚊幼蟲在相同深度構筑更多廊道或向更深處構筑廊道，由此產生的生物引灌、生物平流效應也就越顯著。沉積物各深度ORP均有所增加，并且增加的區域沿垂向上呈現逐漸擴張的趨勢。

藻類的出現進一步增大沉積物ORP是因為藻進行光合作用產生的大量O2擴散到沉積物各層，使得沉積物獲得了更多的電子供體，ORP也隨之增大。

2.4 沉積物微環境Fe2+的變化規律

各處理組沉積物微環境Fe2+剖面見圖5。

圖5 不同處理組間隙水Fe2+剖面

由圖5（a）可知，在底棲生物和藻類加入前（0 d）、ES1、ES2、ES3、ES4和ES5中Fe2+剖面相似，無顯著性差異。在0～4 cm，ES1、ES2、ES3、ES4和ES5中Fe2+濃度隨深度的增加而增大，分別從33.60、36.96、32.40、27.54和25.92 μmol/L增大到60.70、64.21、61.20、55.07和52.02 μmol/L。大于4 cm后，ES1、ES2、ES3、ES4和ES5中Fe2+濃度隨深度的增加而減小，分別減小到33.72、34.07、37.98、30.39和28.49 μmol/L，并保持穩定。圖5（b）顯示，與組合擾動相比，在沉積物0～5 cm，河蜆和藻類的出現進一步加大Fe2+的降低幅度。

圖5中Fe2+濃度的變化規律表明，組合擾動下，河蜆或藻類的出現都能進一步顯著減小間隙水中的Fe2+濃度。其原因如下：一是，河蜆擾動能將表層的氧化態顆粒帶入到沉積物深處；二是，生物引灌作用可以將大量富氧上覆水涌入洞穴，溶解氧沿洞穴壁擴散形成一層環形沉積物氧化區，其周邊沉積物和間隙水中的Fe2+不斷向其擴散并被氧化成水合鐵氧化物。此外，由于河蜆-搖蚊幼蟲-物理組合擾動對沉積物影響范圍增加，從而擴大了Fe2+濃度變化范圍。

新形式組合擾動對沉積物界面改造的協同效應有關。物理擾動通過破壞表層沉積物的結構，迫使河蜆重新構筑洞穴、搖蚊幼蟲重新構筑廊道或者向沉積物更深處遷移，從而增加沉積物-水界面面積，加大上覆水向間隙水的擴散，并通過生物引灌作用，擴大沉積物中好氧區體積。

而河蜆和搖蚊幼蟲擾動則通過增加沉積物含水率和孔隙率，使得在同等剪切力作用下，更多的表層顆粒物質被懸浮，增加了其被氧化的幾率[16]。因此，在兩者協同作用下，即更多的顆粒物質存在氧化的趨勢，使得Fe2+進一步減小。同時藻類光合作用產生的氧也進一步增大了沉積物氧化區所占的體積，Fe2+也隨之進一步減小。

2.5 沉積物微界面環境物理的變化規律

各處理組沉積物微環境含水率與孔隙度見圖6。

圖6顯示，各處理組的含水率和孔隙度均隨著深度的增加呈現遞減趨勢。同時，各處理組柱樣在0～6 cm范圍內，ES1、ES2、ES3、ES4在同一深度沉積物的含水率與孔隙度呈現依次遞增趨勢，但ES5與ES3并無顯著性差異。說明了河蜆的出現進一步促進沉積物含水率和孔隙度的增大，而藻類的出現對其并無顯著性影響。各處理組間的差異性隨著深度的遞增呈現減弱趨勢。

各處理組柱樣6～10 cm范圍內，同一深度沉積物含水率與孔隙度幾乎相等、其中ES1、ES2、ES3、ES4、ES5表層0～6 cm沉積物含水率均值分別為56.65%、57.92%、59.69%、61.68%和59.16%；而表層0～2 cm沉積物含水率分別為60.54%、62.93%、65.54%、69.81%和65.28%。

河蜆的出現進一步增大了沉積物含水率和孔隙度是因為河蜆構筑洞穴、攝食、排泄等活動，促進生物引灌作用。當洞穴遭到物理擾動的破壞，河蜆被迫重新構筑洞穴，使得沉積物含水率和孔隙度呈現遞增態勢。同時，表層沉積物含水率、孔隙度的提高又可以使得同等物理擾動強度下有更多的沉積物發生再懸浮，由此產生的對洞穴更強的破壞性脅迫河蜆對沉積物結構產生更大程度的改造，更促進了含水率與孔隙度的進一步增加。

圖6 實驗結束時（第28天）不同處理組沉積物含水率與孔隙度

3 結論

（1）與組合擾動組相比，河蜆的出現降低了沉積物的OPD，而藻類的出現進一步增大了沉積物OPD；

（2）組合擾動下河蜆或藻的出現進一步增大了沉積物pH，由于河蜆組增加pH因素多，藻類組的pH要略低于河蜆組；

（3）組合擾動下河蜆的出現降低了沉積物ORP，而藻類的出現進一步增大沉積物ORP；

（4）河蜆的出現進一步增大了沉積物含水率和孔隙度，而藻類的出現對其并無顯著性影響。

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Impacts of the multiple combined disturbance on the sediment micro interface and environment

CAI Shunzhi1,HU Qi2,QIAN Shaojiang2,HUANG Zhenxu3,LI Dapeng1
（1.School of Environmental Science and Engineering,SUST,Suzhou 215011,China;2.Liyang Environmental Monitoring Station,Liyang 213399,China;3.Suzhou Science and Technology Co.Ltd,Suzhou 215011,China）

In order to clarify the influence of multiple combined disturbance factors on the sediment micro interface and environment,the sediment of Meiliang Bay in Taihu Lake was studied as the major research object in this experiment.With the help of the Rhizon sampling technique,the Unisense microelectrode system and so on,this experiment was to research on the change regularities of OPD,pH,ORP,iron ions and water content of micro interface and environment under disturbance.The results indicated that algae group（ES5）had the largest OPD,reaching 11.5 mm.The pH profiles of ES1,ES2,ES3,ES5 and ES4 moved from left to right respectively under different disturbances.However,the sequence of ORP profiles from left to right was ES1,ES2,ES4,ES3 and ES5.The average water content of group ES4 in 0～6 cm sediment surface reached 61.68%,which was the highest among all groups.The appearance of Corbicula fluminea reduced OPD of sediment compared with combined disturbance.However,the appearance of algae increased OPD of sediment further.Meanwhile,the appearance of Corbicula fluminea or algae increased the pH of sediment further under combined disturbance.Next,the appearance of Corbicula fluminea reduced ORP of sediment and the appearance of algae increased ORP of sediment more under combined disturbance.In addition,the appearance of Corbicula fluminea still increased the water content and porosity of sediment further.But there was no significant effect with the appearance of algae.

multiple;combined disturbance;micro interface and environment;Corbicula fluminea;Microcystis aeruginosa

X131.2

A

1672-0679（2016）04-0001-06

（責任編輯：經朝明）

2016-09-26

國家自然科學基金項目（51178284；51278523）；江蘇省第四期“333”工程項目；江蘇省“六大人才高峰”項目（2013-JNHB-022）

蔡順智（1992-），男，江蘇溧陽人，碩士研究生。

李大鵬（1975-），男，教授，博士，主要從事水體修復方面的研究，Email：ustsldp@163.com。