多重组合扰动对沉积物微界面环境的影响

蔡顺智，胡琦，钱少江，黄振旭，李大鹏

（1.苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏苏州215009；2.溧阳市环境监测站，江苏溧阳213399；3.苏州科太环境技术有限公司，江苏苏州215011）

多重组合扰动对沉积物微界面环境的影响

蔡顺智1，胡琦2，钱少江2，黄振旭3，李大鹏1

（1.苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏苏州215009；2.溧阳市环境监测站，江苏溧阳213399；3.苏州科太环境技术有限公司，江苏苏州215011）

为了阐明多重组合扰动因素对沉积物微界面环境的影响，以太湖梅梁湾沉积物为研究对象，采用Rhizon采样技术和微电极系统等手段，研究了扰动下微界面溶解氧渗透深度、pH、ORP、铁离子和含水率等变化规律。结果表明，藻类组（ES5）的OPD最大，达到了11.5 mm。不同扰动下对照组、摇蚊幼虫组、组合扰动组、河蚬组（或藻类）的pH剖面曲线趋势从左向右平移，而ORP剖面曲线从左往右的顺序分别是ES1、ES2、ES4、ES3、ES5组。河蚬组表层0～6 cm沉积物的平均含水率达到了61.68%，为各组最高。与组合扰动组相比，河蚬的出现降低了沉积物OPD，而藻类的出现进一步增大了沉积物OPD。同时，组合扰动下河蚬或藻类的出现进一步增大了沉积物pH。其次，组合扰动下河蚬的出现降低了沉积物ORP，而藻类的出现进一步增大沉积物ORP。除此之外，河蚬的出现还进一步增大了沉积物含水率和孔隙度，而藻类的出现对其并无显著性影响。

多重；组合扰动；微界面环境；河蚬；铜绿微囊藻

底泥扰动是促使内源磷迁移转换的关键因素[1]。底泥扰动可分为两种：一是物理扰动，主要是风浪，水流，鱼类巡游，船运等物理因素造成的；二是生物扰动，主要是由底栖生物引起的[2-3]。然而，在天然水体中，底泥扰动通常由多种形式构成，最常见的是物理扰动与底栖生物组成的组合扰动[4]。目前，浅水湖泊磷迁移转化理论体系的构建主要是基于底泥表层的泥水界面[5]。但是，由于底栖生物的存在，使得底泥内部存在另一种泥水界面，因为此类界面的形成过程、大小、氧化层厚度、形状、环境效应明显不同于底泥表层的泥水界面，采用建立在底泥表层的传统的磷迁移转化理论体系来解释内源磷的再生及迁移转化则明显不妥，由此人们开始关注底泥微界面环境的研究[6]，但对于组合扰动对底泥微界面环境的影响研究甚少。有鉴于此，本研究以物理扰动、摇蚊幼虫、河蚬和藻类为主要研究对象，真实地模拟了太湖底泥多重扰动的实际情形，借此研究多重组合扰动对沉积物微界面环境的影响，以期为丰富浅水湖泊磷迁移转化理论体系奠定前期理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究地点与采样准备

2015年4月利用大口径重力采样器（Rigo Co.直径90 mm，高500 mm）在无锡梅梁湾采样点（N31° 31'30.10″，E120°10'57.1）采集表层15 cm沉积物柱样总计16根，并保留采样管上覆水水样，用橡皮塞密封采样管两端，再垂直地把采集到的柱样放入采样架中，同时采集上覆水50 L，采样运输过程中尽量保持柱样不发生扰动。采样点底泥及上覆水的各项理化性质见表1。

试验用藻类购自中科院水生生物研究所（武汉），品种为铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa），该品种是太湖水华爆发时的优势种群。实验用摇蚊幼虫购自花鸟市场，河蚬采集于太湖，为太湖原生河蚬。用梅梁湾采集来的底泥和上覆水驯化培养买回来的摇蚊幼虫和带回来的河蚬，使其适应实验条件，一周后用于实验。

表1 采样点沉积物和上覆水的理化性质

1.2 实验方法

实验用培养单元培养管构造见图1，培养管材料为有机玻璃（长20.5 cm，内径ID 8.4 cm），底部用橡胶塞密封；管壁留有安装Rhizon间隙水采样器的小孔，使用前用疏水胶带密封。

用400目金属筛将采集来的上覆水过滤，截除掉其中的浮游生物，过滤后的上覆水用作底泥柱样培养的上覆水。采集的沉积物柱样进行以下处理：把每个柱样表层10 cm的底泥切分成5层，每层2 cm，相同层的沉积物收集在同一桶中，将各桶内底泥通过60目金属筛以除去其中的底栖生物和大颗粒物，将过筛后的沉积物混匀，按原来顺序装入培养管中，并用切片将沉积物-水界面切成完全平整。然后将滤后上覆水引到底泥上部，尽可能不使表层底泥发生扰动且保持泥-水界面的平整。将制得的若干个（根据实验要求不同）底泥柱样放在培养水槽内，并向水槽内加入滤后上覆水淹没培养管，用曝气头对槽内水曝气预培养16 d，让底泥稳定。

图1 实验培养管

在第14天底泥已基本稳定，即泥-水界面沉降完全，泥面高度保持稳定；上覆水中的各营养盐浓度保持稳定。从培养水槽中取出沉积物柱样，将泥样柱上顶至适当位置，使得采样孔位于泥-水界面以下1.5、2.5、3.5、4.5、5.5 cm处（分别采集泥面下1～2、2～3、3～4、4～5、5～6 cm段的间隙水，采样分辨率是1 cm，由于在0.5 cm处插入的Rhizon采样管易在重力作用下将表层泥面开裂，因此原定于0.5 cm处抽取1～2 cm间隙水的小孔暂时取消），将Rhizon间隙水采样管包扎生胶带后插入培养管壁预留的小孔中以保证完全密封，插入时注意采样管的水平。将制得的培养柱样放入黑暗房间内，防止藻类光合作用对磷的影响。同时取足量预培养水放入棕色瓶中4℃保存，棕色瓶用锡箔包裹，作为实验用上覆水的补充。为了使实验结果更可靠，设置平行实验，将制得的15根柱样分别作如下实验：3根用于对照实验组（ES1）、3根用于摇蚊幼虫扰动组（ES2）、3根用于物理和摇蚊幼虫组合扰动组（ES3）、3根用于物理、摇蚊幼虫和河蚬组合扰动组（ES4）、3根用于物理、摇蚊幼虫、藻扰动组（ES5）。

在第17天，挑选活性较强的摇蚊幼虫，向组合扰动（ES2、ES3、ES4、ES5）组柱样中加入相应条数的摇蚊幼虫（密度与太湖自然密度一致），其中主要种群为羽摇蚊（Chironomus plumosus）幼虫，绝大多数的摇蚊幼虫能迅速打孔钻入底泥中，半小时过后，将尚未打孔钻入的摇蚊幼虫用镊子轻轻挑出，用新的有活力的摇蚊幼虫代替，然后将所有培养管放回黑暗房间内开启试验。以同样的的方法加入相应数量的河蚬和藻类。河蚬密度选择参照文献[7]，铜绿微囊藻浓度选择参照文献[8]。加入河蚬时用筷子夹住河蚬缓慢靠近泥-水界面轻轻放置于底泥表面，尽量避免产生较大扰动。

采用恒速搅拌机对柱样进行扰动，转速为150 r/min，在水面上方1 cm处扰动10 min，使得表层0.5 cm沉积物完全悬浮。试验期间，若发现摇蚊幼虫钻出泥面死亡时，立即用镊子小心挑出，并加入等量的活体。

间隙水Fe2+取样时预先在2 mL注射器针管中加入适量显色剂后抽取1 mL间隙水。采样后，立即用存于棕色瓶中的等量预培养水补充。

实验共持续了11 d（第17～27天）。间隙水在15、21、26 d采集，每次抽取2 mL间隙水。试验在第27天结束，当天用Unisense微电极系统测定各柱样氧剖面，随后取出Rhizon间隙水采样器，之后，将底部橡胶塞上顶，将表层10 cm沉积物切分成5层，每层底泥2 cm，将相同层位的底泥收集在同一烧杯中，用玻璃棒充分混匀。然后测定其含水率、孔隙度。

1.3 样品分析方法

沉积物溶解氧渗透深度OPD、pH、ORP分别用微电极系统（Unisense，丹麦）测定。

间隙水中Fe2+用邻菲罗啉分光光度法测定[9]。

含水率：将空坩埚放入烘箱，105℃条件下烘30 min，在干燥器中冷却20 min后称重，直至恒重为止（两次称重相差不超过0.000 5 g），记为g0。再取适量湿泥于坩埚中，称重为g1，将装湿泥的坩埚放入烘箱105℃条件下烘12 h，在干燥器中冷却20 min后称重，直至恒重为止（两次称重相差不超过0.000 5 g），记为g2。按下式计算含水率[10]

孔隙度：是根据沉积物湿重与干重计算所得，计算公式如下

式中，m1为底泥干重；m2为底泥湿重；2.5为底泥干密度（g/cm3）。

2 结果与讨论

2.1 沉积物微界面环境氧的变化规律

不同处理组的沉积物微界面环境氧的分布规律见图2，图2中纵坐标0 mm处虚线表示沉积物-水界面（SWI），泥上坐标记为正，泥下坐标记为负。

图2显示，由于底栖生物作用、底栖生物和物理扰动的协同作用、藻类光合作用，导致沉积物微环境氧发生明显变化。其中，对照组（ES1）、摇蚊幼虫组（ES2）、组合扰动组（ES3）、河蚬组合扰动组（ES4）和藻类组合扰动组（ES5）对应的溶解氧渗透深度OPD分别为：5.1、6.8、10.2、8.0和11.5 mm。由此可见，ES1、ES2和ES3这3组的变化规律符合前人研究[11]结果表明：三组中组合扰动组OPD最大，并依次大于摇蚊幼虫组和对照组（各处理组的氧剖面是对该沉积物柱样表层随机选取一点做穿刺测定的，在选点时避开了水丝蚓所打的虫洞，因此剖面具有相对一般性）。当河蚬或藻类出现时，沉积物OPD明显产生不同变化。与组合扰动组相比，河蚬的出现降低了沉积物OPD，而藻类的出现进一步增大了沉积物OPD。

图2 实验中不同处理组沉积物O2剖面

其中河蚬降低沉积物OPD原因有四：一是河蚬自身的新陈代谢旺盛，需要消耗大量O2[12]，从而减少了进入沉积物的O2；二是河蚬的挖穴、活动使得深层黑色的厌氧沉积物暴露于表层富氧的上覆水中，这些厌氧物质被O2氧化从而消耗大量的O2。三是河蚬打洞产生生物引灌作用，使得洞穴壁周围形成环形氧化区，并使好氧微生物活性恢复，从而消耗更多O2，同时河蚬的活动改造了微界面的生物廊道的构造[13]，很多孔洞被重新封闭，氧气交换产生困难。四是由于河蚬和物理扰动的协同作用，强化了上述3个过程，进一步增大了O2的消耗。因此河蚬的出现消耗了大量沉积物表层O2从而降低了沉积物OPD。而藻类的出现增大了沉积物OPD是由于藻光合作用产生大量的O2，增大了上覆水与沉积物O2的浓度梯度，从而增大了O2向沉积物扩散的通量，因此藻类的加入进一步增大了沉积物OPD。

2.2 沉积物微环境pH的变化规律

各处理组沉积物微环境pH剖面见图3。

图3显示，在沉积物表层0～1.5 cm，各处理组pH呈现迅速递减趋势，在1.5 cm之后pH趋于稳定。其中，在0～1.5 cm阶段，组合扰动组pH明显依次大于摇蚊幼虫组、对照组和组合扰动组，当河蚬和藻类出现时，pH进一步增大。从图3可以看出，河蚬组和藻类组pH剖面非常接近，只是河蚬组稍高，说明二者对pH的增量相当。同时，对照组、摇蚊幼虫组、组合扰动组、河蚬组（或藻类）的pH剖面曲线趋势从左向右平移，pH增加的区域沿垂向上呈现逐渐扩张的趋势。

其中组合扰动下河蚬的出现进一步增大了沉积物的pH主要可从以下四方面来做解释：首先，结合图2，ES4组OPD要大于ES1组和ES2组，有研究表明溶解氧有利于氧化有机物中的有机酸和氧化能吸附氢氧根的阴阳离子，使得pH增大[14]，自然OPD的增大有利于pH的增加。

其次是河蚬打洞筑穴，加速了上覆水与间隙水的交换，生物引灌作用将带碱性的上覆水冲刷进入洞穴内，将沉积物中酸性物质中和并带离沉积物。同时河蚬的主要排泄产物含有正磷酸盐和氨氮[15]，正磷酸盐的水解有利于pH的增大，而氨氮易被氧化，对pH贡献不大。另外，河蚬和物理组合扰动对微界面环境pH产生了协同效应：物理扰动能促进生物扰动，物理扰动胁迫河蚬构筑更多更深的洞穴，强化的生物引灌作用使得沉积物中pH增加的程度和区域相应的增大。综合这四个方面，河蚬组产生的碱化效应明显，因此河蚬的出现进一步增加了沉积物特定深度的pH，这也解释了ES4组OPD小于ES3组，而pH要大于组合扰动组的原因。

而藻类的存在同样产生了跟河蚬类似的效果，其主要原因是由于藻类光合作用吸收大量上覆水中CO2从而增大了上覆水的pH，pH增大后的上覆水在扩散作用、生物平流、生物引灌作用下与间隙水进行交换，同时藻类组的OPD最大，对氧化有机物中的有机酸和氧化能吸附氢氧根的阴阳离子有极大的作用，因此沉积物pH随之增大，但由于藻类组增加pH的因素相比河蚬组要少，因此pH要略低于河蚬组。

2.3 底泥微界面环境ORP的变化规律

各处理组沉积物微环境ORP（氧化还原电位）剖面见图4。

图4 实验结束后（第27天）各处理组沉积物ORP剖面

图4显示，各处理组沉积物的ORP在表层0～1.3 cm缓慢降低，在1.3～2 cm呈现迅速递减趋势，之后缓慢降低直至降到0 mv左右（由于微电极能够尖端细部进入沉积物的长度只有5 cm，所以深度在5 cm以下的沉积物ORP无法测量）；同时，组合扰动组ORP明显依次大于摇蚊幼虫组和对照组，河蚬的出现，使得ORP降低，而藻类的出现使ORP进一步增大，这与图2结果相吻合。同时，ES1、ES2、ES4、ES3、ES5的ORP剖面从左向右平移，ORP增加的区域沿垂向上呈现逐渐扩张的趋势。

其中组合扰动下河蚬的出现降低了沉积物ORP主要可从以下三方面来做解释：首先，如前所述河蚬的出现显著降低了沉积物溶解氧渗透深度，氧气的消失对各层位ORP的减小具有较大贡献。其次，河蚬是排氨动物，NH4+-N排泄占TN排泄的50.78%～100%[15]，在河蚬的打洞筑穴和摇蚊幼虫构筑廊道过程中，将表层含NH4+沉积物被动的拖拽到沉积物深处，由于生物扰动、生物平流等效应使得深层沉积物获得了更多的电子受体，ORP随之也呈现递减态势。另外，河蚬-摇蚊幼虫-物理组合扰动对微环境ORP产生了协同效应：水动力因素胁迫摇蚊幼虫在相同深度构筑更多廊道或向更深处构筑廊道，由此产生的生物引灌、生物平流效应也就越显著。沉积物各深度ORP均有所增加，并且增加的区域沿垂向上呈现逐渐扩张的趋势。

藻类的出现进一步增大沉积物ORP是因为藻进行光合作用产生的大量O2扩散到沉积物各层，使得沉积物获得了更多的电子供体，ORP也随之增大。

2.4 沉积物微环境Fe2+的变化规律

各处理组沉积物微环境Fe2+剖面见图5。

图5 不同处理组间隙水Fe2+剖面

由图5（a）可知，在底栖生物和藻类加入前（0 d）、ES1、ES2、ES3、ES4和ES5中Fe2+剖面相似，无显著性差异。在0～4 cm，ES1、ES2、ES3、ES4和ES5中Fe2+浓度随深度的增加而增大，分别从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+浓度随深度的增加而减小，分别减小到33.72、34.07、37.98、30.39和28.49 μmol/L，并保持稳定。图5（b）显示，与组合扰动相比，在沉积物0～5 cm，河蚬和藻类的出现进一步加大Fe2+的降低幅度。

图5中Fe2+浓度的变化规律表明，组合扰动下，河蚬或藻类的出现都能进一步显著减小间隙水中的Fe2+浓度。其原因如下：一是，河蚬扰动能将表层的氧化态颗粒带入到沉积物深处；二是，生物引灌作用可以将大量富氧上覆水涌入洞穴，溶解氧沿洞穴壁扩散形成一层环形沉积物氧化区，其周边沉积物和间隙水中的Fe2+不断向其扩散并被氧化成水合铁氧化物。此外，由于河蚬-摇蚊幼虫-物理组合扰动对沉积物影响范围增加，从而扩大了Fe2+浓度变化范围。

新形式组合扰动对沉积物界面改造的协同效应有关。物理扰动通过破坏表层沉积物的结构，迫使河蚬重新构筑洞穴、摇蚊幼虫重新构筑廊道或者向沉积物更深处迁移，从而增加沉积物-水界面面积，加大上覆水向间隙水的扩散，并通过生物引灌作用，扩大沉积物中好氧区体积。

而河蚬和摇蚊幼虫扰动则通过增加沉积物含水率和孔隙率，使得在同等剪切力作用下，更多的表层颗粒物质被悬浮，增加了其被氧化的几率[16]。因此，在两者协同作用下，即更多的颗粒物质存在氧化的趋势，使得Fe2+进一步减小。同时藻类光合作用产生的氧也进一步增大了沉积物氧化区所占的体积，Fe2+也随之进一步减小。

2.5 沉积物微界面环境物理的变化规律

各处理组沉积物微环境含水率与孔隙度见图6。

图6显示，各处理组的含水率和孔隙度均随着深度的增加呈现递减趋势。同时，各处理组柱样在0～6 cm范围内，ES1、ES2、ES3、ES4在同一深度沉积物的含水率与孔隙度呈现依次递增趋势，但ES5与ES3并无显著性差异。说明了河蚬的出现进一步促进沉积物含水率和孔隙度的增大，而藻类的出现对其并无显著性影响。各处理组间的差异性随着深度的递增呈现减弱趋势。

各处理组柱样6～10 cm范围内，同一深度沉积物含水率与孔隙度几乎相等、其中ES1、ES2、ES3、ES4、ES5表层0～6 cm沉积物含水率均值分别为56.65%、57.92%、59.69%、61.68%和59.16%；而表层0～2 cm沉积物含水率分别为60.54%、62.93%、65.54%、69.81%和65.28%。

河蚬的出现进一步增大了沉积物含水率和孔隙度是因为河蚬构筑洞穴、摄食、排泄等活动，促进生物引灌作用。当洞穴遭到物理扰动的破坏，河蚬被迫重新构筑洞穴，使得沉积物含水率和孔隙度呈现递增态势。同时，表层沉积物含水率、孔隙度的提高又可以使得同等物理扰动强度下有更多的沉积物发生再悬浮，由此产生的对洞穴更强的破坏性胁迫河蚬对沉积物结构产生更大程度的改造，更促进了含水率与孔隙度的进一步增加。

图6 实验结束时（第28天）不同处理组沉积物含水率与孔隙度

3 结论

（1）与组合扰动组相比，河蚬的出现降低了沉积物的OPD，而藻类的出现进一步增大了沉积物OPD；

（2）组合扰动下河蚬或藻的出现进一步增大了沉积物pH，由于河蚬组增加pH因素多，藻类组的pH要略低于河蚬组；

（3）组合扰动下河蚬的出现降低了沉积物ORP，而藻类的出现进一步增大沉积物ORP；

（4）河蚬的出现进一步增大了沉积物含水率和孔隙度，而藻类的出现对其并无显著性影响。

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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

（责任编辑：经朝明）

2016-09-26

国家自然科学基金项目（51178284；51278523）；江苏省第四期“333”工程项目；江苏省“六大人才高峰”项目（2013-JNHB-022）

蔡顺智（1992-），男，江苏溧阳人，硕士研究生。

李大鹏（1975-），男，教授，博士，主要从事水体修复方面的研究，Email：ustsldp@163.com。