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.     

太湖梅梁湾沉积物-水界面氮迁移特征初步研究

用乙炔为抑制剂,气相色谱法测定了１９９７年夏季太湖梅梁湾口沉积物－水界面的反硝化率和Ｎ２Ｏ的自然排放率,太湖梅梁湾沉积物的反硝化率为１．４－５．６μｍｏｌＮ２／（ｍ＾２．ｈ）,Ｎ２Ｏ的复原斐和率为０．０８－０．６６μｍｏｌＮ２／（ｍ＾２．ｈ）,探讨了沉积物－水界面ＮＯ＾－３的交换动态。指出沉积物内硝化－反硝化作用是太湖湖泊生态系统氮循环过程中一个重要的环节。在湖泊水土界面氮交换中,沉积物是具有吸收     

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.     

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—2.磷释放的热力学机制及源-汇转换

通过对云贵高原西北部鹤庆钻孔古湖相沉积岩芯的粒度、碳酸盐含量和烧失量等指标的综合分析、研究,重建了鹤庆盆地2．78 Ma以来的古环境演化过程．岩芯磁性地层表明,鹤庆湖盆形成于约2．78 Ma．环境代用指标的综合分析显示:鹤庆盆地2．78 Ma以来有过三次大的环境转变,即2．65 Ma鹤庆湖盆积水成湖,1．55 Ma、0．99 Ma左右山盆高差两次加大,这分别与青藏运动B幕、C幕和昆黄运动耦合．     

沉积物-水界面污染物迁移扩散的研究进展

污染物在沉积物-水界面的迁移扩散对研究其环境生物地球化学循环过程和评估水生态系统质量具有重要意义.本文回顾了关于沉积物-水界面的基本研究历程,重点介绍沉积物-水界面的垂向结构以及扩散边界层（DBL）的作用,展示污染物在沉积物-水界面的多维度分布（一维垂向、二维平面和三维立体）及其在沉积物-水界面的扩散过程,详细总结影响污染物在沉积物-水界面迁移扩散的环境因素（包括温度、溶解氧或氧化还原条件、pH值、离子强度或盐度、沉积物组成、共存污染物、溶解性有机质、水动力条件、生物扰动、微生物以及其他因素）,讨论当前关于沉积物-水界面污染物扩散通量估算几种方法的优缺点,最后,对沉积物-水界面污染物扩散研究在未来发展需要关注的几个方面进行了展望.     

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.     

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.     

云南滇池和抚仙湖沉积物-水界面营养盐通量及氧气对其的影响

采用间隙水连续采集法考察滇池和抚仙湖沉积物-水界面营养盐通量,并比较在氧气缺乏及氧气充足条件下界面的氮磷行为.结果表明,滇池草海沉积物-水界面营养盐通量显著高于滇池湖心及抚仙湖.对云南滇池及抚仙湖沉积物进行好氧和厌氧处理对照比较,结果显示,好氧组上覆水pH显著大于厌氧组,而间隙水pH在两处理组之间差异不显著;这可能与厌氧呼吸途径过程中产生酸性物质有关;而在两种处理条件下,间隙水均处于厌氧状态.较好氧条件而言,厌氧条件下间隙水磷和铵氮浓度的增加,与有机质矿化增强有关;而间隙水磷还可能受FeOOH-P模型控制.由分子扩散模型计算获得的界面磷或者铵氮扩散通量均高于表观通量,而且好氧条件下的扩散通量与表观通量之间的差异较厌氧条件下的大;这表明两种营养盐均存在释放潜力,但这种潜力的发挥受氧气的影响.较好氧条件而言,厌氧条件下使用分子扩散模型得到的界面营养盐扩散通量更接近于表观通量.     

[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.     

太湖底泥及其间隙水中氮磷垂直分布及相互关系分析

对太湖主要湖区柱状样底泥的总氮、总磷含量及其间隙水铵态氮（ＮＨ＾＋４－Ｎ）、磷酸根磷（ＰＯ＾３－４－Ｐ）和二价铁Ｆｅ（ＩＩ）含量进行了分析,并对底泥和间隙水中相应物质含量进行了比较,结果表明：太湖近表层１０ｃｍ内底泥ＴＮ、ＴＰ赋存含量较之下层高１２％－２０％左右,间隙水中ＰＯ＾３＋４－Ｐ和ＮＨ＾＋４－Ｎ含量随浓度增加而大致呈上升趋势,表层未见高浓度层存在,各湖区底泥间隙水中ＰＯ＾３＋４－Ｐ和ＮＨ＾     

太湖蓝藻碎屑对水质及附着藻和水丝蚓生物量的影响

富营养化是现今各国面临的主要水环境问题,其中蓝藻水华暴发是全球富营养化水体最常见的现象之一.蓝藻水华将产生大量的蓝藻碎屑,其对水质及生物的影响还尚不清楚.本研究通过向中宇宙系统添加微囊藻碎屑,分析其对水体不同形态营养盐及水生生物生物量的影响.结果表明:微囊藻碎屑加入后,水体不同形态的营养盐浓度均在短期内迅速增加,其中水体总氮和总磷平均浓度最高分别达到3.86和0.36 mg/L;浮游植物生物量(用叶绿素a表示)在前9天随营养盐浓度的升高而增加,随后逐渐下降至实验初始水平.此外,附着藻类生物量在微囊藻碎屑加入后呈逐渐下降趋势,这可能与浮游植物快速增殖引起的水体透明度下降有关.微囊藻碎屑加入后,水丝蚓生物量随微囊藻碎屑的分解持续增长,在第20天达到生物量最大值.本研究通过模拟太湖梅梁湾生态系统,探讨微囊藻碎屑对水质及水生生物生物量的影响,结果有助于进一步了解蓝藻水华对水生态系统影响的途径及机理,为富营养化湖泊管理提供理论依据.     

太湖西北部典型疏浚/对照湖区内源性营养盐释放潜力对比

通过采集太湖西北部闾江口、八房港、月亮湾和竺山湾疏浚区与未疏浚对照区8个样点共32根沉积物柱状样于室内进行内源负荷模拟研究和沉积物基本性质分析发现,除闾江口疏浚区沉积物总磷和可交换态磷含量高于未疏浚区外,其余指标如烧失量、总氮、可交换态氮等均表现为未疏浚区沉积物高于疏浚区沉积物的特征,说明疏浚区沉积物营养盐的释放潜力低于未疏浚对照组.八房港、月亮湾以及竺山湾疏浚区沉积物铵态氮、正磷酸盐的潜在释放速率均比相应未疏浚对照区沉积物低,疏浚区沉积物铵态氮的潜在释放速率分别是未疏浚区的65.3%、88.8%和21.9%,正磷酸盐的潜在释放速率分别是未疏浚区的-26.6%、11.3%和50.2%.而闾江口疏浚区沉积物铵态氮和正磷酸盐的潜在释放速率却远高于未疏浚区(疏浚区分别为未疏浚区的2.6倍和6.4倍),这可能与闾江口水体呈现弱还原环境及沉积物中有机质含量高有关,另外也可能与闾江口沉积物污染物的赋存深度和疏浚工程的疏浚深度有关.     

大型浅水湖泊与大气之间的动量和水热交换系数——以太湖为例

湖泊水面与大气之间垂直方向的动量、水汽和热量通量与风速、湿度和温度梯度之间存在比例关系,因此在湖泊水-气相互作用研究中,这比例系数(交换系数)是关键因子.在以往的研究中,交换系数通常直接采用水面梯度观测法或海洋大气近地层的参数化方案进行计算.本文采用涡度相关系统和小气候系统仪器在太湖平台上直接观测的通量和气象要素,对上述交换系数(最小均方差原则)进行优化,结果为:动量交换系数C_D10N=1.52×10^-3、水汽交换系数C_E10N=0.82×10^-3、热量交换系数CH10N=1.02×10^-3,与其他内陆湖泊涡度相关观测数据的推导结果一致.本文的研究结果表明:与海洋参数化方案相比,在相同的风速条件下,湖面的空气动力学粗糙度比海洋高,这可能是由于受到水深的影响;如果采用海洋参数化方案,会导致湖泊年蒸发量的估算值偏大40%.太湖的动量、水汽和热量交换系数可以视为常数,可以不考虑稳定度和风速的影响.这是因为本文中83%的数据为近中性条件.敏感性分析表明:如果考虑稳定度的影响,LE模拟值的平均误差降低了0.5 W/m²,H的平均误差降低了0.4 W/m²,u*的计算值没有变化;如果考虑风速的影响,u*模拟值的平均误差降低了0.004 m/s,LE的平均误差升高了1.3 W/m²,H的模拟结果几乎不受影响.这一结果能为湖气相互作用研究提供参考.     

太湖水体吸收分解(Ⅰ):悬浮颗粒与浮游植物色素的分离

以2008年10月太湖实测数据为基础,用改进的指数函数和线性法拟合非色素颗粒物吸收和浮游植物色素吸收,根据二者的加和关系,建立总悬浮颗粒物吸收分解模型,依据参量的不同,分别构建了两个分解模型(Mod-4和Mod-5),两者都可以较好的分解出太湖水体浮游植物色素吸收和非色素颗粒物吸收,但Mod-5的拟合精度稍高于Mod-4.研究结果对于进一步探索和建立太湖区域生物光学模型,精确反演水质参数具有一定意义.