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.     

太湖底泥磷释放量及释放规律的研究综述

太湖是我国最为重要的湖泊之一,是国家湖泊治理的重点。自2007年水危机以来,太湖治理累计投入超2620亿元,是世界上治理力度最大的湖泊。2016年以来太湖出现磷反弹,2020年开始显著好转,2023年水华减少。太湖蓝藻水华与磷的响应相对显著,回顾太湖磷十余年来的研究,关于底泥内源释放对水体总磷贡献的说法不一,这对于太湖整体磷负荷的认识及内源治理措施的制定产生了重要影响。针对太湖底泥磷的源汇、释放量以及释放规律,本文对国内外关于湖泊底泥磷释放的监测、实验、计算等研究进行系统回顾,对关于太湖底泥释放方面的研究进行梳理。通过比较和分析,尝试形成对太湖底泥磷释放规律和范围的一些基本认识。通过综述总结提出了“总源”“总汇”“净源”“净汇”的概念,并对可能成为“净源”的5个过程的发生条件和释放强度进行分析。认为Fick扩散释放是可以恒常性发生的过程,而在具备条件才发生的过程中,DO＜2 mg/L后出现的磷还原释放是比较主要的过程,需要重点关注。“净源”是否发生应该依据实际湖泊的环境条件开展动态释放实验来判断。太湖目前虽然处于“总汇”状态,但“净源”是显著存在的,明确“净源”存在的位置和发生的时段对于太湖内源治理非常重要。     

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.     

滇池流域点源污染控制与存在问题解析

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.     

太湖水体中胶体磷含量初探

室内静态模拟不同温度下太湖15个湖区柱状沉积物磷酸根释放,分析了相应表层沉积物形态磷,以及梅梁湾间隙水中相关离子Al(Ⅲ)、Fe(Ⅱ)、Ca(Ⅱ)和PO43-含量的季节变化．研究表明,受陆源影响较大的泥区通常是太湖内源磷的稳定源;而在开敞度较大的湖区,由于表层沉积物胶体的物化吸附,使得温度对底泥磷释放的影响作用减弱,并易产生磷的“内汇”现象;在梅梁湾区成汇区,还加上春夏季藻类的局部超负荷需磷这一控制因素,从而使得太湖大部分泥区在一年中至少发生一次源-汇转换过程．化学热力学分析揭示,Al-P较之Fe-P和Ca-P更易在界面发生溶解可能是太湖表层沉积物Al-P与PO43-P释放速率呈显著相关(r=0．3858>r1-0．01,n=45)的内在原因．虽然沉积物中Fe-P有较高的释磷潜力,但浅水湖所营造的沉积物表层氧化层和广泛覆盖的无机胶体及粘土矿物的强吸附介质,可能是抑制沉积物中Fe-P释放成为优势的主要因素．估算太湖沉积物-水界面磷的净通量为899．4±573．6 t／a,约占太湖磷入湖量的1／4-1／2,其中成汇通量约为-91．2±42．4 t/a．     

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.     

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.     

湖泊底泥疏浚环境效应:Ⅱ.内源氮释放控制作用

通过为期一年的疏浚模拟试验,在试验室培养疏浚与对照柱样研究了底泥疏浚对内源氮释放的控制效果.研究结果发现,疏浚表层30cm能够有效的消减沉积物中有机质含量与孔隙水中NH4+含量.在一年的试验周期内,疏浚和对照柱沉积物-水界面的NH4+通量分别为5.3至18.6mg/(m2·d)与-9.4至67.5mg/(m2·d),疏浚柱沉积物-水界面的NH4+通量总体上低于未疏浚对照的通量,尤其是在温度较高的月份,从2006年5-12月疏浚柱沉积物-水界面NH4+释放通量显著低于未疏浚对照柱,疏浚沉积物的NH4+的释放潜力低于未疏浚对照沉积物.研究结果表明,在外源得到有效控制的前提下,底泥疏浚是消减研究区内源氮负荷有效的技术手段.     

环太湖江苏段入湖河道污染物通量与湖区水质的响应关系

基于2008-2018年环太湖江苏段入湖河道污染物通量及湖区水质数据,从时空变化及相关关系两个方面探讨了入湖污染物通量与湖区水质的响应关系,并分析了污染物进入湖体影响水质的主要因子.结果表明:太湖污染减排已见成效,氨氮、总氮、高锰酸盐指数和化学需氧量入湖污染物通量整体呈下降趋势,年均下降率分别为8.0%、2.0%、1.6%和2.2%,湖体氨氮和总氮时间格局响应较好,年均下降率分别为2.1%和2.3%.湖体氨氮、总氮、总磷、高锰酸盐指数和化学需氧量与入湖污染物通量整体由西北部、西部湖区向东南部、东部湖区递减,空间格局上响应基本一致.全湖区年尺度总氮、氨氮浓度与入湖河道污染物通量分别呈显著正相关、极显著正相关关系;影响湖区总氮、氨氮的主要因子为入湖河道的总氮、氨氮浓度,其次为入湖河道浓度与原湖区水质差值,因此亟需加强入湖河道水质浓度的控制.