王永平，朱廣偉，洪大林，秦伯強＊＊

(1:南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京 210029)

(2:中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，南京 210008)

沉積物-水界面一般是指新近沉降的15 cm 沉積物和附近的上覆水，是天然水體在物理、化學(xué)和生物特征等方面差異性最顯著的、負責(zé)水體和沉積物之間物質(zhì)輸送與交換的重要邊界環(huán)境，也是控制和調(diào)節(jié)水體和沉積物之間物質(zhì)輸送和交換的重要途徑[1].湖泊沉積物通常被認為是水體中營養(yǎng)鹽、有機碳和其他許多物質(zhì)的“匯”.在一定條件下，沉積物中的有機物質(zhì)和營養(yǎng)鹽，可以通過沉積物中微生物的作用，被分解、礦化，使得營養(yǎng)鹽和其他物質(zhì)釋放至孔隙水中[2]，如 HCO3-、Mn2+、NH4+、Fe2+、H2S 和 CH4等[3]，最后交換進入湖泊水體中[4]，沉積物-水界面在其中起著至關(guān)重要的作用.

在不同環(huán)境條件下，包括水動力和底棲生物等，沉積物-水界面的性狀亦有明顯差異.例如，較強的水動力能夠引起沉積物-水界面發(fā)生侵蝕[5]，同時影響到沉積物表層的氧氣侵蝕深度[6].底棲生物帶來的生物擾動也能改變沉積物初級結(jié)構(gòu)[7]，影響界面上有機質(zhì)分解和礦化等生物地球化學(xué)過程[8].不同的生物群落對沉積物-水界面營養(yǎng)鹽遷移轉(zhuǎn)化效率的影響亦不相同[9-10].草型湖區(qū)和藻型湖區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境條件差異明顯，特別是大型水生植物根部可以通過釋放氧氣或者呼吸作用吸收氧氣而改變沉積物-水界面氧化還原條件，從而改變間隙水營養(yǎng)鹽濃度梯度和沉積物-水界面交換通量[11].因而，受其影響的對應(yīng)沉積物-水界面環(huán)境也有不同，張路等研究了草、藻型湖區(qū)沉積物表層25 cm 左右間隙水和沉積物理化指標(biāo)差異[12]，也有學(xué)者研究了界面附近的大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)[13]和固著藻類的分布特征[14].然而，關(guān)于草、藻型湖區(qū)沉積物-水界面自身結(jié)構(gòu)的差異尚少見報道.

太湖是我國東部營養(yǎng)程度和水污染較為嚴(yán)重的湖泊，因其典型的大型淺水湖泊特征和2007年發(fā)生的藍藻“水危機”事件而深受世界的關(guān)注.同時，由于太湖面積大、環(huán)境復(fù)雜，特別是草、藻型湖區(qū)特征明顯，為開展本研究提供了非常理想的場所.因此，本研究分別于冬、夏兩季在太湖草、藻型湖區(qū)進行多點采樣，以求弄清在以浮游植物和水生植物為主導(dǎo)的生態(tài)系統(tǒng)影響下的沉積物-水界面的環(huán)境特征差異，以及藍藻暴發(fā)和水生植物生長與界面特征差異的關(guān)系，從而為弄清淺水湖泊內(nèi)源污染和開展生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 采樣點

本研究在太湖的藻型湖區(qū)布設(shè)5 個樣點(用▲表示)，在草型湖區(qū)布設(shè)3 個樣點(用■表示)，分別在夏季和冬季進行采樣(圖1).其中，夏季時藻型湖區(qū)藍藻水華暴發(fā)嚴(yán)重，草型湖區(qū)水草生長茂盛;冬季時藍藻和水草都基本消失.

圖1 太湖采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling sites in Lake Taihu

1.2 采樣程序

采樣工作分別于2010年1月和7月進行，先使用YSI 6600 V2 型多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀(美國)現(xiàn)場記錄表、中、底3 層水體的水質(zhì)參數(shù)，然后用手持式沉積物泥芯采樣器采集沉積物柱狀樣，上下密封后帶回實驗室，盡量不擾動界面.

1.3 界面溶解氧層的測定

界面溶解氧層的測定采用溶氧微電極(PreSens，德國)進行.電極的有效測定區(qū)小于20 μm，涂有固態(tài)光敏熒光粉;在0 ～100%空氣飽和度水體中，氧氣濃度與光強呈線性關(guān)系;電極反應(yīng)時間小于1 s.使用前采用飽和空氣(100%氧氣)和飽和Na2SO3溶液(0%氧氣)進行兩點校準(zhǔn).試驗時，將微電極安裝在微電極操作器上，裸眼利用放大鏡確定水土界面后，每隔0.2 mm 下移一次進行連續(xù)測定，直至氧氣含量減少到0 mg/L 為止.

1.4 水樣采集與分析

用虹吸法小心吸取柱狀樣泥面以上5 cm 以內(nèi)上覆水，經(jīng)Whatman GF/C 膜過濾后，一部分用Skalar 流動分析儀測定銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和磷酸根濃度;另一部分用TOC-V CPN(Japan，SHIMADZU)測定溶解性有機碳(DOC).

1.5 泥樣分析

沉積物柱狀樣按照靠界面近密遠疏的原則，從上往下共 15 cm 按照 0.5、0.5、0.5、0.5、0.5、0.5、1、1、1、2、2 和5 cm 進行分層.新鮮沉積物樣一部分經(jīng)103 ～105℃烘烤約24 h 至恒重，用以計算含水率;另一部分由英國Malvern 公司的Masterisizer 2000 型激光粒度儀分析粒度.剩下的沉積物樣自然風(fēng)干，經(jīng)瑪瑙研缽研磨，過200 目篩后，一部分用王水消解，由 ICP-AES 測定 Al、Ca、Mn、Fe、Mg、K、Pb、Na、P、Zn、Cu 等元素含量;另一部分由EA3000 型元素分析儀測定總氮和總有機碳.

2 結(jié)果與分析

2.1 采樣點的水環(huán)境特征

相同湖區(qū)和季節(jié)條件下，表、中、底3 層水體間大部分指標(biāo)都沒有表現(xiàn)出明顯差異.差異主要體現(xiàn)在:夏季藻型湖區(qū)表層pH 明顯高于中層和底層;夏季兩個湖區(qū)水體中溶解氧(DO)的含量與飽和度都呈現(xiàn)出隨深度加深而減少的趨勢(表1).

在相同季節(jié)內(nèi)，兩個湖區(qū)間的pH、氧化還原電位(ORP)和濁度等指標(biāo)也存在差異，具體表現(xiàn)為:冬季草型湖區(qū)各層水體pH 都高于藻型湖區(qū);冬、夏兩季藻型湖區(qū)各層水體ORP 和電導(dǎo)率(EC)都略高于草型;濁度則是在冬季草型湖區(qū)高于藻型湖區(qū)，夏季藻型湖區(qū)高于草型湖區(qū)(表1).

同一湖區(qū)在不同季節(jié)間也存在差異.兩類湖區(qū)的共同特征是水體溫度夏季高冬季低，而EC、濁度和溶解氧則是冬季高、夏季低，季節(jié)性明顯.另外，夏季藻型湖區(qū)水體的pH 明顯高于冬季(表1).

表1 太湖采樣點現(xiàn)場水環(huán)境特征Tab.1 Characteristics of water columns at sampling sites in Lake Taihu

2.2 上覆水營養(yǎng)鹽濃度差異

草、藻型湖區(qū)上覆水中銨態(tài)氮和DOC 在冬、夏兩季都沒有顯著性差異，而藻型湖區(qū)上覆水中的硝態(tài)氮和磷酸根在冬、夏兩季都顯著高于草型湖區(qū)(P ＜0.05).另外，藻型湖區(qū)上覆水中的亞硝態(tài)氮僅在夏季顯著高于草型湖區(qū)，冬季時差異不顯著.同一湖區(qū)的大部分指標(biāo)在季節(jié)間都沒有顯著性差異，只有DOC 和藻型湖區(qū)的硝態(tài)氮濃度存在季節(jié)性差異，并且都是冬季高于夏季.除DOC 外，各項營養(yǎng)鹽指標(biāo)都顯示出草、藻型湖區(qū)自身各點位的差異也較大(圖2).

圖2 沉積物-水界面5 cm 內(nèi)上覆水中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、磷酸根和溶解性有機碳含量(誤差線代表標(biāo)準(zhǔn)誤差，不同的小寫字母表示存在顯著性差異(P ＜0.05)，下同)Fig.2 Concentrations of -N，-N，-N，-P and DOC in 5 cm overlaying water

表2 草、藻型湖區(qū)冬、夏兩季沉積物含水量和D50 中值粒徑的差異*Tab.2 Differences of water content and mean value of grain size of sediment in macrophytes and phytoplankton dominated zones in winter and spring

2.3 沉積物物理性狀垂直分布

草、藻型湖區(qū)沉積物的含水量都有隨深度增加而逐漸減少的趨勢，并且拐點都出現(xiàn)在3 cm 深度左右(圖3).由單因素方差分析可知，藻型湖區(qū)沉積物的含水量不存在季節(jié)性差異，而在草型湖區(qū)，沉積物的含水量在冬季顯著高于夏季(表2).

藻型湖區(qū)沉積物的D50 中值粒徑的垂向分布在冬、夏兩季都保持穩(wěn)定，沒有明顯差異.而草型湖區(qū)沉積物的D50 中值粒徑垂向分布變化幅度較大，且冬季的變化幅度大于夏季.同時，各采樣點間的差異也較為明顯.方差分析結(jié)果顯示，草、藻型湖區(qū)的D50 中值粒徑在夏季存在顯著性差異，且草型高于藻型(表2).

2.4 沉積物化學(xué)性狀垂直分布

圖3 草、藻型湖區(qū)沉積物含水量和D50 中值粒徑垂直分布Fig.3 Vertical profiles of water content and mean value of grain size of sediment in macrophytes and phytoplankton dominated zones

除夏季草型湖區(qū)沉積物中總有機碳在6 cm 深度處出現(xiàn)拐點下降外，沉積物中總有機碳含量在垂直方向上總體而言沒有出現(xiàn)明顯的波動(圖4).但是，湖區(qū)間和季節(jié)間都呈現(xiàn)出顯著性差異.其中，草型湖區(qū)沉積物中總有機碳在冬、夏兩季都顯著高于藻型湖區(qū).同時，兩個湖區(qū)沉積物中的總有機碳季節(jié)差異明顯，且都是冬季顯著高于夏季(表3).

圖4 草、藻型湖區(qū)沉積物TOC、N 和P 的垂直分布Fig.4 Vertical profiles of TOC，N and P of sediment in macrophytes and phytoplankton dominated zones

沉積物中總氮和總磷的垂直分布大致呈隨深度變淺濃度升高的趨勢.而在表層3 cm 內(nèi)，情況較為復(fù)雜，具體表現(xiàn)為:草、藻型湖區(qū)表層0.5 cm 沉積物中氮的含量明顯低于以下各層;藻型湖區(qū)表層3 cm 沉積物中總磷隨深度變淺，濃度也逐漸降低.在相同季節(jié)內(nèi)，沉積物中總氮在藻型湖區(qū)低于草型湖區(qū)，而總磷則是在藻型湖區(qū)高于草型湖區(qū).草、藻型湖區(qū)沉積物內(nèi)總氮含量都存在季節(jié)性差異，且都是冬季高于夏季，特別是夏季藻型湖區(qū)，其沉積物中總氮含量顯著低于其它季節(jié)和湖區(qū).藻型湖區(qū)沉積物中的總磷含量也呈現(xiàn)出相似的趨勢，冬季顯著高于夏季，而草型湖區(qū)未見季節(jié)性差異(圖4，表3).

表3 草、藻型湖區(qū)冬、夏兩季沉積物營養(yǎng)鹽含量的差異Tab.3 Differences of nutrients profiles in the sediment in macrophytes and phytoplankton dominated zones in winter and spring

草、藻型湖區(qū)冬夏季沉積物中除Mn 隨深度加深含量逐漸降低外，其余各元素含量與深度都沒有明顯相關(guān).總體而言，藻型湖區(qū)幾乎所有元素的季節(jié)性差異都不明顯.而在草型湖區(qū)，沉積物中Fe、Na、Al 和Mg 元素在冬、夏兩季間都存在顯著性差異.另外，同一季節(jié)中Fe、Zn、Ca、Pb、Na 和K 等元素在草、藻型湖區(qū)間差異顯著(圖5，表4).

表4 草、藻型湖區(qū)冬、夏兩季沉積物金屬元素含量的差異Tab.4 Differences of sediment metals in macrophytes and phytoplankton dominated zones in winter and spring

草、藻型湖區(qū)冬夏季沉積物界面溶氧層呈現(xiàn)出相同湖區(qū)中冬季顯著深于夏季，相同季節(jié)時藻型湖區(qū)沉積物界面溶氧層顯著深于草型湖區(qū)的規(guī)律(圖6).

3 討論

3.1 草藻型湖區(qū)沉積物-水界面特征差異

大量研究表明，藍藻水華能顯著改變水體中pH 并刺激沉積物中溶解性營養(yǎng)鹽的釋放[15-16].浮游藻類沉降在沉積物表面并發(fā)生礦化[17-19]，能影響沉積物-水界面的溶解氧;侵蝕深度和營養(yǎng)鹽通量，同時對沉積物表層細菌活性也產(chǎn)生影響[20].而水生植物特別是沉水植物、挺水植物生長茂盛的湖泊抗風(fēng)浪及促沉積、恢復(fù)能力均較強.其根系深入沉積物中，能直接引起沉積物性質(zhì)的改變.另外，水生植物處于氧化狀態(tài)根際微環(huán)境能促進金屬離子從還原態(tài)轉(zhuǎn)為氧化態(tài)，如將Mn2+、Fe2+氧化，形成鐵錳氧化膜，從而能極顯著地增加土壤對磷的吸附[21-22].水生植物根際還能形成特殊的生態(tài)環(huán)境，從而為大量需氧微生物群生長繁殖提供良好的生境，加速有機物的分解[23].

本研究中，草和藻的存在使太湖不同區(qū)域產(chǎn)生了諸多差異.首先，草和藻的存在引起不同湖區(qū)水質(zhì)指標(biāo)的差異.夏季藻型湖區(qū)藍藻水華嚴(yán)重，受藍藻光合作用影響，表層水體的溶解氧和pH 顯著升高.而夏季草型湖區(qū)由于水生植物的存在，消浪作用明顯，透明度遠高于藻型湖區(qū)，表現(xiàn)為濁度顯著低于藻型湖區(qū).并且，由于夏季受水生植物的保護，草型湖區(qū)的風(fēng)浪很難引起沉積物的再懸浮，而在冬季沒有水生植物保護時，表層沉積物積累的大量懸浮物一起釋放，反而使草型湖區(qū)的水體比藻型湖區(qū)更渾濁，表現(xiàn)為濁度高于藻型湖區(qū).

其次，水生植物能通過根系吸收沉積物中的生物有效磷，有效減少沉積物間隙水中的磷向上覆水的擴散量;還通過莖葉攔截、吸附水中的顆粒物質(zhì)并且通過顆粒物質(zhì)吸附水中的可溶性磷，有效地降低上覆水水中的磷及顆粒物的負荷[24].本研究，同樣可以觀察到藻型湖區(qū)界面上覆水中的硝態(tài)氮和磷酸根在冬、夏兩季都顯著高于草型湖區(qū).

圖5 草、藻型湖區(qū)沉積物金屬元素垂直分布Fig.5 Vertical profiles of sediment metals in macrophytes and phytoplankton dominated zones

圖6 草、藻型湖區(qū)沉積物氧氣侵蝕深度Fig.6 Oxygen penetration depth of macrophytes and phytoplankton dominated zones

第三，草和藻的存在造成了沉積物理化性質(zhì)的差異.不同種水生植物死亡后沉降到沉積物表面發(fā)生礦化和成巖作用，導(dǎo)致草型湖區(qū)不同采樣點的D50 中值粒徑差異較大.同時水生植物死亡后沉降到沉積物表面，造成草型湖區(qū)沉積物中總有機碳顯著高于藻型湖區(qū)，并且由于微生物腐爛分解有機質(zhì)，大量消耗沉積物-水界面的氧氣，特別是夏季溫度高于冬季，更加劇了微生物的分解作用，因此草型湖區(qū)沉積物的溶氧層淺于藻型湖區(qū)，且夏季淺于冬季.另外，由于冬季缺少水生植物保護，草型湖區(qū)水動力擾動增強也可能是溶氧層加深的因素之一.

3.2 草藻型湖區(qū)氮磷營養(yǎng)鹽釋放差異

關(guān)于藍藻水華和水生植物對沉積物中營養(yǎng)鹽的釋放的影響已開展了不少的研究.在以往的研究中，大家關(guān)注較多的是磷.在自然水體中，沉積物與上覆水間進行的P 交換是P 循環(huán)中重要的一環(huán).在淺水湖泊中，水體與沉積物間作用強烈，水生植物也會對其產(chǎn)生重要影響[25].水生植物能通過根系吸收沉積物中生物有效磷，有效減少沉積物間隙水中的磷向上覆水的擴散量，還通過莖葉攔截、吸附水中的顆粒物質(zhì)并通過顆粒物質(zhì)吸附水中的溶解性磷，有效降低上覆水中磷及顆粒物的負荷[26].也有研究結(jié)果表明，沉水植物在存在及其生長過程中，沉積物上部5 cm 沉積物間隙水中銨態(tài)氮含量逐步降低，表現(xiàn)出沉積物-水界面氮的釋放通量與沉積物生物量存在負相關(guān)性[27].即使是根系不發(fā)達的黑藻，也能顯著降低上覆水中總磷、溶解性活性磷和溶解性總磷的濃度[28].在20 世紀(jì)，針對265 個淺水湖泊中TP 的研究揭示了水體中P 濃度的季節(jié)性波動與水體的營養(yǎng)程度高度相關(guān).在富營養(yǎng)化系統(tǒng)中，水體TP 在冬、夏兩季間差異顯著[29].中國的湖泊學(xué)家在武漢東湖中發(fā)現(xiàn)P 在湖泊中的內(nèi)循環(huán)和藍藻水華密切相關(guān)[30].同時，專家們還在圍隔實驗中發(fā)現(xiàn)隨著藍藻水華的出現(xiàn)，沉積物中P 的釋放量也增加，因此假設(shè)藍藻水華的光合作用引起水體pH 升高并最終導(dǎo)致對沉積物中P(而非N)的泵吸作用[31].本研究同樣觀察到夏季藻型湖區(qū)的藍藻水華引起水體pH 升高，并且夏季沉積物P 顯著低于冬季.特別是表層3 cm沉積物中P 濃度隨深度變淺而降低，反應(yīng)出類似的泵吸作用.

關(guān)于沉積物P 釋放的主要影響因子比較復(fù)雜，一般認為主要包括有機質(zhì)和Fe 等[32].而Trolle 等[33]在太湖的研究發(fā)現(xiàn)沉積物P 和Mn 與有機質(zhì)都顯著相關(guān).草型湖區(qū)中沉積物P 和Fe 的相關(guān)系數(shù)在冬、夏兩季分別為r=0.793 和r=0.813，高于藻型湖區(qū)的0.265(冬季)和0.599(夏季).藻型湖區(qū)沉積物P 和TOC 在冬、夏兩季都顯著相關(guān)(冬季r =0.604，夏季r=0.817)，而在草型湖區(qū)卻未見相關(guān)性(r =0.076 和 0.202).可以看出，水生植物和浮游藻類對沉積物P 的影響效果也不一樣.本研究和Trolle 等的結(jié)果不一致的原因可能是，Trolle 等在太湖布設(shè)的8個點，其中只有1 個在草型湖區(qū)，并且混合所有數(shù)據(jù)一起分析，從而掩蓋了兩類湖區(qū)間存在的差異.

表5 草、藻型湖區(qū)冬、夏兩季沉積物P 與 TOC、Fe 和 Mn 相關(guān)性Tab.5 Correlation matrix between P and TOC，F(xiàn)e，Mn in macrophytes and phytoplankton dominated zones in winter and spring

夏季草、藻型湖區(qū)沉積物中總氮都低于冬季，特別是夏季藻型湖區(qū)沉積物中各層的總氮都顯著低于其它，意味著沉積物中釋放氮的機制與P 不同.本文認為，夏季水生植物和大量藍藻生長利用掉一部分氮是其減少的一個原因，且由于藍藻生物量較大導(dǎo)致藻型湖區(qū)沉積物中氮減少的更為明顯.另外，夏季高溫引起反硝化速率提高可能是另一個因素.有研究表明反硝化作用具有明顯的季節(jié)性，與溫度和沉積物有機質(zhì)含量相關(guān)[34-36].因此，夏季高溫下加速的硝化-反硝化作用加劇了沉積物-水界面系統(tǒng)中氮的釋放，從而降低了沉積物中氮的含量.

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