[专稿]湖泊沉积物-水界面研究进展与展望

湖泊沉积物-水界面是以水层/沉积层物相为基础、具有一定立体尺度的交接面,界面上所发生的由生物积极参与的物理、化学和生物学微小反应和环境变化,都会对界面附近物质的状态和迁移转化行为产生着复杂影响.本文首先回顾了沉积物-水界面研究100多年来的发展历程及国内外近20年发展.然后系统介绍了国际上对沉积物-水界面的物理尺度与结构的宏观和微观认识;重点综述了沉积物间隙水的取样、物化性质的多维测定与结构表征、过程的静态和动态模拟等湖泊沉积物-水界面研究技术与方法;分析和展示了氮磷等营养物、重金属和持久性有机污染物在湖泊沉积物-水界面迁移转化过程的研究进展;总结和归纳了在沉积物-水界面过程的模型研究、沉积物-水界面物质交换的定量化、界面过程与湖泊生态环境灾害关系等模型与过程效应方面的研究成果.最后对沉积物-水界面信息获取技术的研发方向、界面物质交换定量化研究的关注点,以及加强模型的应用和构建等方面进行了展望.     

东太湖水温变化与水-沉积物界面热通量初探

水温对沉水植被的生长和分布具有重要作用,水-沉积物界面热通量对浅水湖泊水温变化的影响值得关注.东太湖是我国东部典型的草型浅水湖区,采用自2013年11月至2015年10月对东太湖湖心进行的不同深度水体及沉积物温度高频观测数据,结合东太湖表层沉积物的热力学性质计算了水-沉积物界面热通量,分析了东太湖水温和水-沉积物界面热通量的变化特征并探讨了其影响因素.结果表明：东太湖各深度水体日升温过程随水深增加后延,升温过程夏季延长,冬季缩短;表层水温日变幅最大,底层水温日变幅次之,沉积物温度日变幅最小,各深度温度日变幅夏季最小、冬季最大;春季和夏季升温过程中各深度日均温变化沿水深存在约1天的延迟,秋季和冬季无此现象;2015年与2014年东太湖温度变化趋势相同,同比月均温差与气温差呈线性相关.沉积物8：00-19：00向水体放热增加或从水体吸热减少,19：00至次日8：00放热减少或吸热增加;3-9月从水体吸热,为热汇,10月至次年2月向水体放热,为热源,沉积物全年为湖泊热源;逐日水-沉积物界面热通量每月6至15日存在相对年变幅较小幅度的正弦式波动.水温和水-沉积物界面热通量的变化主要受太阳辐射和气温的影响,二者对气象参数的响应具有迟滞现象;水-沉积物界面热通量与水温呈负相关,其变化相对水温迟滞,水-沉积物界面热交换的主要作用为缓冲湖泊水体的热量变化;夏季,沉水植物能降低湖泊各层水温和垂向水温差.     

动力扰动下太湖梅梁湾水-沉积物界面的营养盐释放通量

通过波浪水槽试验,研究了不同水动力扰动条件下太湖梅梁湾水-沉积物界面的营养盐通量.结果发现,水动力扰动对该通量的影响很大,在中等扰动强度下(水底波切应力为0.019N·m-2,相当于梅梁湾中部夏季盛行风-东南风风速5～7 m·s-1),TN,DTN和NH4+-N的通量分别为1.92×10-3,-1.81×10-4和5.28×10-4mg·m-2·s-1(向上为正,向下为负),而TP,TDP和SRP的通量分别为5.69×10-4,1.68×10-4和-1.29×10-4mg·m-2·s-1.根据对气象资料的统计,夏季5～7 m·s-1东南风风速的最大持续时间为15h,以上述通量和风速持续时间进行计算,太湖底泥区域按水面积的47.45％,将分别有111tTN,32tNH4+-N,34tTP和10tTDP进入水体,可分别导致整个太湖水体中相应的平均浓度升高约0.025,0.007,0.007和0.002 mg·1-1.当扰动增大时(水底波切应力为0.217 N·m-2,相当于梅梁湾中部东南风速10～11 m·s-1),营养盐通量显著增加,其中TN,DTN和NH4+-N分别达1.16×10-2,6.76×10-3和1.14×10-2 mg·m-2·s-1,而TP通量亦大幅度上升,达到2.14×10-3 mg·m-2·s-1,上述通量的增加幅度均达到一个量级以上.但是,TDP的通量有所减小,其值为9.54×10-5 mg·m-2·s-1,而SRP虽然存在增加趋势,但其通量值却很小(5.42×10-5 mg·m-2·s-1).统计结果显示,太湖地区该风速的持续时间不超过5h.若以5h计,在上述强扰动情况下,营养盐释放量分别为232t TN,134.9t TDN,228t NH4+-N,42.7 t TP,2.0t TDP和1.1tSRP,水体中相应的平均浓度的升高量为0.050,0.029,0.049,0.009,0.0004和0.0002 mg·1-1.由此可见,在浅水湖泊中,动力扰动能造成水体中营养盐浓度的急骤升高,虽然在微扰动情况下,有些指标的释放通量出现负值(如DTN和SRP),水底沉积物表现为上述营养盐成分的汇集场所,但沉积物中大多数营养盐成分会随着底泥悬浮和水体-沉积物界面环境条件的改变而进入水体,给水体生态系统带来严重影响,这也是浅水湖泊所具有的显著特征之一.     

鄱阳湖沉积物和水界面磷的交换通量

采用扩散模型法与实验培养法对鄱阳湖沉积物和水界面间可溶性总磷和可溶性磷酸盐的界面交换过程进行研究,并探讨了其影响因素.结果表明,利用2种方法得到鄱阳湖各站点可溶性总磷和可溶性磷酸盐在沉积物与水界面间的交换方向不完全相同,大部分站点沉积物是磷的源,其中,利用扩散模型法估算的可溶性总磷和可溶性磷酸盐平均扩散通量分别为0.052和0.047 mg/(m~2·d),而实验培养法测得可溶性总磷和可溶性磷酸盐的平均交换通量则分别为0.25和0.24 mg/(m~2·d),且各站点利用扩散模型法测得磷的交换通量均小于实验培养法的计算结果.此外,上覆水溶解氧浓度及水体温度对可溶性总磷和可溶性磷酸盐的交换过程均具有一定的影响,表现为温度越高,溶解氧浓度越小,可溶性总磷和可溶性磷酸盐的交换越强烈.     

白洋淀沉积物氮磷赋存特征及其内源负荷

白洋淀环境整治对区域生态文明建设具有重要意义,然而,目前对加剧白洋淀富营养化的内源氮、磷污染负荷依然缺乏系统的研究.本研究以野外调研和室内培养实验相结合形式,在白洋淀主要水域内采集原位柱状沉积物样品,详细地研究了白洋淀沉积物中氮、磷赋存形态、间隙水中氮、磷剖面特征以及沉积物-水界面氮、磷交换特征.结果表明,白洋淀沉积物总氮、总磷含量分别为1230.8~9559.0 mg/kg（均值2379.5 mg/kg）和344.4~915.4 mg/kg（均值608.4 mg/kg）,氮、磷累积污染量大.沉积物中铵态氮赋存量大（3.2~175.8 mg/kg）,由此导致间隙水中铵态氮浓度较高,最高达到28.8 mg/L.沉积物磷形态以Ca-P和Fe-P为主,分别占总量的38.3%~76.1%和3.98%~18.0%,间隙水中磷酸盐浓度已接近甚至高于国内外典型富营养湖区.间隙水中高浓度的铵态氮和磷酸盐导致沉积物-水界面氮、磷交换通量较高,铵态氮平均释放和扩散通量分别为106.37和12.42 mg/（m²·d）;磷酸盐平均释放和扩散通量分别为15.06和2.33 mg/（m²·d）,沉积物内源氮、磷污染负荷较高,已严重威胁到白洋淀水环境质量,迫切需要整治.其中,北部河口区域以及中部府河入湖区和人口密集活动区沉积物氮、磷内源负荷尤为突出,应成为白洋淀沉积物内源污染整治的关键区域.     

水动力条件对沉积物-水界面氧通量的影响

氧环境决定了水体沉积物中各种生命所需元素的最终归趋,沉积物-水界面是水相与沉积物相氧传递的重要场所,而水动力条件是影响沉积物-水界面氧传递的重要因素.选择三峡库区一级支流御临河为研究对象,根据长年监测数据建立实验室模型,采用声学多普勒流速测试仪及微电极测试系统构建了非侵入式涡度相关测试系统,探究了不同水动力条件对沉积物-水界面氧通量的影响.结果表明：水体静止状态下沉积物-水界面溶解氧浓度随时间的增加而减少,非静止状态下随时间的增加而增加;沉积物-水界面氧通量随水体流速的增加而增加.根据氧通量求解对应流速下垂直涡动扩散系数并进行线性拟合,当水体流速为0.01~0.14 m/s时,垂直涡动扩散系数与水体流速的相关性最好,此时沉积物-水界面氧通量的传递以涡动扩散为主导.     

湖泊沉积物-水界面氧气交换速率的测定及影响因素

水流启动-停止法可有效获取体积式氧气交换速率(O2(f)).且该速率与沉积物柱样培养法获得的总氧气交换速率(TOE)之间具显著相关性;与由一维溶解氧剖面计算获得的氧气在扩散界面层中的扩散速率和氧气在沉积物中的扩散速率相比,O2(t)与TOE不仅能代表氧气扩散速率,而且还包括沉积物中生物呼吸以及生物扰动引起的界面氧气交换速率信息.此外,通过比较太湖及南四湖多位点不同沉积物性质条件下界面氧气交换速率,结果表明界面氧气交换速率在空间尺度上的差异性,除与生物因素有关外,还与沉积物有机物质含量显著相关.     

太湖沉积物-水界面生源要素迁移机制及定量化——1.铵态氮释放速率的空间差异及源-汇通量

采集柱状芯样,室内静态模拟不同温度下太湖沉积物铵态氮释放.结果表明,经面积加权,5℃、15℃和25℃下氮的交换速率分别为-16.0±17.6mg/穴m2·d雪、12.6±6.9mg/穴m2·d雪和34.1±20.8mg/穴m2·d雪,不同湖区其释放速率差异极大.受外源污染影响较大的水域,氮释放量随温度的升高而增加;受死亡残体沉降和分解影响明显的草藻型湖区,氮的年释放通量较大.全太湖沉积物-水界面NH4 -N的年净通量为9960.3±4960.0t,其中成汇的通量值约为-911±637.9t/a,大部分泥区在一年中至少经过了一次的源-汇转换过程.     

轮叶黑藻(Hydrilla verticillata)对沉积物-水界面微观剖面理化参数的影响

水生植物是湖泊生态系统的重要组成部分,沉积物-水界面是湖泊生态系统中营养盐循环的重要界面,因而研究水生植物对沉积物-水界面微观剖面的影响具有重要意义.本文利用轮叶黑藻作为研究对象,研究了来自于香溪河、太湖和东湖3个样点的沉积物及上覆水中N、P等理化性质,并利用微电极研究轮叶黑藻对3种沉积物-水界面微观剖面是否有影响.实验结果表明:轮叶黑藻生长迅速.增长率因沉积物不同而不同,有一定的耐污能力;轮叶黑藻使水体和沉积物中总氮、总磷含量减少,对水体和底泥有一定的净化作用;轮叶黑藻可使水体溶解氧升高,并使沉积物有氧层厚度增加,改变沉积物的氧化还原电位;轮叶黑藻可能改变了根际微环境中微生物的数量和种类,而使沉积物和上覆水中的pH、N₂O和H2S等发生变化.     

湖泛水体沉积物-水界面Fe2+/ΣS2-迁移特征及其意义

湖泊水底Fe~(2+)和ΣS~(2-)浓度的快速增加是湖泛暴发最早发生于沉积物-水界面的主要前提,缺氧环境下水底扩散层附近Fe~(2+)和ΣS~(2-)的迁移是其在沉积物-水界面处稳定积累的重要原因.以蓝藻聚积水体沉积物-水界面为研究对象,应用湖泊过程模拟装置及间隙水被动采样等技术,重点研究了间隙水和底层上覆水中Fe~(2+)和ΣS~(2-)的垂向分布特征,并定量估算了二者的扩散通量及迁移方向.结果表明:湖泛样品水体沉积物-水界面处于典型的还原性环境,表层沉积物间隙水中Fe~(2+)和ΣS~(2-)浓度显著高于对照样品,二者在表层沉积物中积累趋势明显.湖泛水体沉积物-水界面处Fe~(2+)释放通量较高,表现出较强烈的自沉积物向上覆水方向的释放能力;而湖泛样品ΣS~(2-)在沉积物-水界面处释放通量为负,迁移方向为自上覆水向沉积物扩散.Fe~(2+)和ΣS~(2-)在湖泛水体沉积物-水界面处不同的迁移特征证明:缺氧/厌氧条件下,湖泊水体表层沉积物间隙水中高浓度Fe~(2+)向上覆水的扩散为湖泛致黑物质的形成提供了重要的物质基础;底层上覆水及界面水中SO~(2-)4在表层沉积物中被还原,为终端还原产物ΣS~(2-)为湖泛致黑物质的形成提供了另一重要物质来源.     

湖泊沉积物-水界面磷的迁移转化机制与定量研究方法

湖泊磷循环主要指磷在沉积物、上覆水和生物体间的迁移转化,而沉积物-水界面磷的迁移转化作为富营养湖泊磷循环的关键过程,备受关注.本文就国内外研究进展,综述了磷在上覆水、沉积物中的赋存形态和生物有效性,沉积物-水界面磷迁移转化的机制与定量研究方法.探讨沉积物性质、环境因子和生物特性对界面磷迁移的驱动机制,以及磷在浅水湖泊、深水湖泊中迁移转化机制的差异,指出现阶段迁移机制的研究多集中在单因素和定性化方面,而对多因素和定量化的研究还相对缺乏,未来可深入探究多因素耦合作用下磷的迁移规律.分析了野外调查、模拟实验、质量衡算和模型等研究方法的优缺点及适用情况,提出未来可将野外调查、模拟实验和模型法相结合,借助野外调查识别磷的迁移过程,模拟实验验证磷迁移的机制,并以野外调查和模拟实验的数据和结论为基础,构建模型量化具体迁移过程及其对湖泊磷循环的贡献,从而全面认识磷迁移转化规律.最后,提出了未来湖泊沉积物-水界面磷迁移研究需要关注的几个方面.     

浅水湖泊动力作用下水-土界面底泥起悬驱动力野外观测

动力扰动引起的水-土界面沉积物悬浮是浅水湖泊蓝藻水华控制的难点,本文基于声学高频流速仪、浊度仪、气象、波浪等观测仪器获取的高时空分辨时间序列参量,以太湖为例对动力扰动下的底泥起悬驱动力进行研究.结果表明风速小于3 m/s时,水-土界面处平均悬浮物浓度为59 mg/L,波流综合切应力小于0.015 N/m~2,底泥未起悬或在底床附近极小范围内发生起悬;风速在3~6 m/s时,水-土界面处平均悬浮物浓度为103 mg/L,波浪产生的底切应力大部分情况远大于湖流产生的切应力,波流综合切应力处于0.015~0.25 N/m~2范围内,底泥中等规模起悬;风速大于6 m/s时,水-土界面处平均悬浮物浓度为174 mg/L,波浪产生的底切应力占据绝对的主导地位,波流综合切应力大于0.25 N/m~2,底泥大规模起悬.梅梁湾底泥起悬的临界切应力在0.015 N/m~2左右,临界风速大约为3 m/s.     

水力调控对湖泊甲烷扩散通量的影响

外源引水等水力调控措施常用于湖泊水环境综合整治中,作为人类施加到湖泊显著的外界活动,其对湖泊甲烷(CH4)扩散通量的影响鲜有报道.贡湖湾作为"引江济太"工程长江来水进入太湖的第一站,其CH4通量变化是对水力调控的最好响应.基于2011年11月至2013年8月逐月的野外观测表明,贡湖湾平均CH4扩散排放量为0.073 m...     

太湖草/藻型湖区沉积物-水界面环境特征差异

在太湖草、藻型湖区进行冬、夏两季多点采样,分别对采样点的水环境特征、泥面以上5 cm上覆水中营养盐以及沉积物的含水量、中值粒径、有机碳、氮、磷、金属元素和溶解氧进行测定.结果表明:夏季藻型湖区表层水体pH高于中、底层,冬季草型湖区各层水体pH高于藻型;草型湖区水体浊度夏季低于藻型,冬季反之;藻型湖区上覆水中的硝态氮和磷酸根浓度显著高于草型;草型湖区沉积物中含水量冬季显著高于夏季;草型湖区沉积物中总有机碳显著高于藻型;Fe、Zn、Ca、Pb、Na和K等元素在草、藻型湖区间差异显著;沉积物中溶解氧表现为冬季深于夏季,藻型深于草型的规律.     

Nitrogen cycling across the sediment-water interface in an eutrophic,artificially oxygenated lake

Processes controlling the nitrogen (N) exchange between water and sediment in eutrophic Lake Sempach were studied using three different independent methods: benthic flux chambers, interstitial water data and hypolimnetic mass balances. The sediments released NH ₄ ⁺ (1.1–16.1 mmoles m^–2 d^–1), NO ₂ ^- (0.1–0.4 mmoles m^–2 d^–1) and dissolved organic N (<0.25 mmoles m^–2 d^–1). A net NO ₃ ^- consumption (2.4–11.1 mmoles m^–2 d^–1) related to the NO ₃ ^- concentrations in the overlying water was observed in all benthic chamber experiments. The flux of the reactive species NO ₃ ^- and NH ₄ ⁺ was found to depend on hydrodynamic conditions in the water overlying the sediment. For this reason, benthic chambers overestimated the fluxes of inorganic N compared to the other methods. Thus, in short-term flux chamber experiments the sediment may either become a sink or a source for inorganic N depending on the O₂ concentration in the water overlying the sediment and the stirring rate. As demonstrated with a¹⁵NO ₃ ^- experiment, nitrate-ammonification accounted for less than 12% of the total NO ₃ ^- consumption. After six years of artificial oxygenation in Lake Sempach, a decrease in hypolimnetic total inorganic nitrogen (TIN) was observed in the last two years. The occurrence of dense mats of H₂S-oxidizingBeggiatoa sp. indicated micro-aerobic conditions at the sediment surface. Under these conditions, a shorter distance between the ecological niches of nitrifying and denitrifying bacteria, and therefore a faster NO ₃ ^- -transport, can possibly explain the lowering of TIN by enhanced net denitrification.     

好氧和厌氧条件对霞浦湖沉积物-水界面氮磷交换的影响

在实验室控制条件下,研究了日本霞浦湾和湖心区底泥中形态氮磷,在好氧和厌氧条件下水土界面交换量变化及差异,结果表明;好氧条件下,ＮＯ＾－３－Ｎ,ＮＯ＾－２－Ｎ,ＮＨ＾＋４,－Ｎ,和ＰＯ＾３－４－Ｐ均有释放作用产生,量值多数较小,ＤＴＮ和ＤＴＰ则净释放作用接近零;厌氧条件下,ＮＯ＾－３－Ｎ和ＮＯ＾－２－Ｎ呈负释放状态,ＮＨ＾＋４－Ｎ和ＰＯ＾３－４－Ｐ的释放速率是好氧条件下的２－８倍。