磷是湖泊富营养化产生的关键因子,随着外源磷得到不断的控制,内源磷的再生和形态转化对水体富营养化的进程起着越来越重要的作用^[1].沉积物扰动是促使内源磷再生和形态转化的关键因素^[2,3].通常,沉积物扰动模式分为2类：一是风浪、 湖流、 航运等所产生的物理扰动; 二是底栖生物产生的生物扰动.近年来,有关物理扰动对内源磷再生和形态转化的影响进行了诸多研究^[4,5].同时,因生物扰动致使沉积物-水界面的特征变化^{[6, 7, 8]}以及氮磷迁移转化^{[9, 10, 11]}也引起了人们的关注.

然而,由于底栖生物对沉积物产生的扰动强度明显低于物理扰动,导致人们未对生物扰动产生足够重视.但是,研究发现,物理扰动和生物扰动对沉积物产生环境效应显著不同,前者注重改造沉积物表层界面^[12],后者则通过摄食、 排泄、 挖穴、 构筑廊道等活动构造了垂向微界面,改变了沉积物内部的微环境,将沉积物-水界面从传统的水平面变成了水平与垂直共存的体系^[13].这对内源磷的释放途径和释放通量的影响方式明显不同于物理扰动.

如果将物理扰动和底栖生物扰动组合,则两者对沉积物微界面的改造以及对磷迁移转化将产生叠加效应.简而言之,两者会产生相互促进、 相互协同的效应.物理扰动能强化生物扰动.在扰动初期,表层沉积物的洞穴和廊道被破坏,底栖生物被迫向沉积物深处迁徙,构筑更多新的廊道和洞穴.在生物引灌作用下,加速间隙水与上覆水的交换,并增加溶解氧的渗透深度; 反之,生物扰动能增加表层沉积物的含水率,孔隙度,使得在同等的水动力剪切力作用下,被扰动的沉积物厚度将显著增加,增加因扰动而进入水体的颗粒物含量,并对沉积物、 水体中磷的数量分布和形态分布产生影响.

为了验证和阐明物理和底栖生物组合扰动对磷迁移转化产生的叠加效应,本文以摇蚊幼虫和机械扰动作为研究对象,模拟物理和底栖生物组合扰动,探讨了组合扰动下上覆水中不同形态磷的变化规律,并采用Rhizon间隙水采样技术分析了间隙水中溶解性磷酸盐和Fe²⁺的变化规律,同时分析了沉积物不同分层条件下内源磷赋存形态数量分布规律,拟阐明组合扰动下内源磷再生和转化规律,以期为丰富和完善浅水湖泊磷迁移转化理论体系提供基础理论依据. 1 材料与方法 1.1 研究地点与野外采样

试验用沉积物和上覆水采自苏州科技学院校园河道,该河道常年处于重度富营养化状态,蓝藻频发(TP≥0.75 mg ·L^-1).

2014年3月15日利用大口径重力采样器(Rigo Co.直径90 mm 高500 mm)在河道入口处采集表层15 cm沉积物柱样,并保留采样管上端上覆水样,两端用橡胶塞密封后垂直放入特制采样架中,尽量无扰动运回实验室.同时采集上覆水50 L.采样点沉积物及上覆水的理化性质见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 采样点沉积物和上覆水的理化性质 Table 1 Physicochemical properties of sediments and overlying water collected from the sampling point 项目 DO/ mg ·L-1 pH TP/ mg ·L-1 DTP/ mg ·L-1 DIP/ mg ·L-1 含水率/% 烧失量LOI/% Tot-P/mg ·kg-1 上覆水 1.92 7.38 0.444 0.271 0.207 沉积物 75.07 10.54 1273

表 1 采样点沉积物和上覆水的理化性质 Table 1 Physicochemical properties of sediments and overlying water collected from the sampling point

试验用摇蚊幼虫购自花鸟鱼虫市场,其中主要种为羽摇蚊幼虫(Chironomus plumosus).将买回的摇蚊幼虫用采集沉积物和上覆水驯化培养1周后用于试验. 1.2 室内培养试验方法

试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),底端用橡胶塞密封; 管壁留有安装Rhizon间隙水采样器(Rhizon core solution sampler)的小孔,使用前用疏水胶带密封.

图 1

Fig. 1

图 1 试验培养管示意 Fig. 1 Experimental incubation tube

将采集的上覆水过400目金属筛,截除浮游生物,过滤后的上覆水用作沉积物柱样培养的上覆水.采集的沉积物柱样进行以下处理: 将每个柱样表层12 cm沉积物切分成6层,每层2 cm,相同层的沉积物收集在同一桶中,将各桶内沉积物过60目金属筛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沉积物上,尽可能不产生表层沉积物的扰动且保持沉积物-水界面的平整.将制得的9个沉积物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,用曝气沙头对槽内水曝气预培养16 d,让沉积物稳定.

在第14 d沉积物已基本稳定,即沉积物-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,使得采样孔位于沉积物-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料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,作为试验用上覆水的补充.将制得的9根柱样分别作如下试验：3根用于对照试验(ES0),3根用于摇蚊幼虫试验(ES1),3根用于物理和摇蚊幼虫组合扰动(ES2).

在第16 d,测定各处理柱样的上覆水中的总磷(TP),溶解性总磷(DTP),溶解性正磷酸盐(DIP),及不同深度间隙水中的Fe²⁺和DIP作为试验初值(0 d). 初值测定完毕后,挑选活性较强的摇蚊幼虫,按摇蚊幼虫密度3500 ind ·m^-2计算(该密度处于自然界摇蚊幼虫最高密度范围之内^[14]),每根柱样中加入20条第四期摇蚊幼虫,其中主要种为羽摇蚊(Chironomus plumosus)幼虫,绝大多数的摇蚊幼虫能迅速打孔钻入沉积物中,0.5 h过后,将尚未打孔钻入的摇蚊幼虫用镊子轻轻挑出,用新摇蚊幼虫替换,然后将所有培养管放回黑暗房间内开启试验.当晚20：00,开启恒速搅拌机(IKA RW20 digital),对ES2柱样进行扰动,调节转速为100 r ·min^-1,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.在试验期间,发现摇蚊幼虫钻出泥面死亡或羽化留下躯壳时,立即用镊子小心挑出,并加入等量的活体,尽可能保证各柱样中生物密度的一致性.

每天采集上覆水水样测定TP、 DTP和DIP.在沉积物-水界面以下0.5 cm处用10 mL针管抽取9 mL上覆水.采样后,立即用存于棕色瓶中的等量预培养水补充.间隙水DIP取样时用2 mL注射器抽取1 mL间隙水,Fe²⁺取样时预先在针管中加入适量显色剂后抽取1 mL间隙水.

上述试验均在黑暗环境中进行,试验期间,室温保持在15~18℃,共保持了11 d(第16~26 d).每天取9 mL上覆水,间隙水在16、 21、 26 d采集,每次抽取2 mL间隙水.试验在第26 d结束,从各组(ES0、 ES1、 ES2)分别取1根柱样,取出Rhizon间隙水采样器,并用疏水胶带密封管壁小孔,将底部橡胶塞上顶,切取表层2 cm沉积物测定含水率、 有机质和沉积物磷形态.再从各组分别取1根柱样,经过相同处理后,每1 cm分一层,分析沉积物总微生物活性.最后将剩下的各组沉积物柱样按每3 cm分切成1层,统计摇蚊幼虫在沉积物中的分布情况. 1.3 样品分析方法

TP是将水样用过硫酸钾消解后用钼锑抗分光光度法测定; DTP是将水样先过0.45 μm滤膜然用过硫酸钾消解后测定; DIP含量是将水样过0.45 μm滤膜后直接测定.

间隙水中DIP用钼锑抗分光光度法测定^[15],Fe²⁺用邻菲罗啉分光光度法测定^[16].

将湿泥在105℃条件下烘12 h至恒重,通过前后质量差计算得沉积物含水率(%).将烘干的沉积物碾磨、 过100目筛后放入马弗炉内烧5.5 h,通过前后质量差计算得沉积物烧失量.

沉积物总微生物活性用荧光素双醋酸酯(FDA)法测定,以单位干重沉积物在单位时间内水解的FDA物质的量来表征^[17].

沉积物磷形态分析方法参考四步连续提取的H-L法.

2 结果与分析 2.1 试验过程观察

摇蚊幼虫在投加过后能迅速钻入沉积物中,构筑直径约2 mm的U形或J行廊道.观察发现,廊道壁周围颜色由黑色逐渐转变为棕黄色,说明在摇蚊幼虫构造的廊道表层形成了氧化层.主要是由于摇蚊幼虫的“生物引灌”作用所致,致使溶解氧渗透深度增加. 2.2 上覆水中不同形态磷变化规律

试验期间,由于底栖生物作用以及底栖生物和物理扰动的协同作用,导致上覆水中不同形态磷数量分布发生明显变化(图 2).

图 2

Fig. 2

图 2 不同处理组上覆水中各形态磷的变化规律 Fig. 2 Variation of different phosphorus forms in the overlying water under different treatments

由图 2(a)可见,对照试验中TP在0~4 d逐步减小,从第4 d开始逐步趋于稳定.同时,摇蚊幼虫扰动和组合扰动的变化趋势基本一致,在第2 d,TP都出现了陡然增加(分别从0.266 mg ·L^-1和0.574 mg ·L^-1增加到0.353 mg ·L^-1和0.646 mg ·L^-1),前者随即达到了10 d以内的峰值.从第3到第10 d,两者TP均呈现出减小的趋势.试验期间,组合扰动上覆水中TP含量一直处于较高水平,并依次高于摇蚊幼虫扰动试验和对照试验.由图 2(b)可见,PP的变化规律与TP相类似.第1 d,ES0、 ES1和ES2上覆水中PP均增加,但从第2 d开始,对照试验的PP大幅度降低并稳定在0.05 mg ·L^-1左右,而摇蚊幼虫和组合扰动均呈先增加后逐渐降低的趋势.TP和PP的变化规律表明: 摇蚊幼虫扰动能促进磷从沉积物向上覆水释放,这与前人研究结果一致^[6,13],同时叠加物理扰动能进一步加大释磷的力度.这可能与底栖生物扰动增加表层沉积物的含水率和孔隙度有关,使得同等物理扰动强度下,沉积物悬浮量增加,从而增加了上覆水中颗粒物质含量,进而增加颗粒态磷含量.

DIP与DTP的变化趋势基本一致[图 2(c)和图 2(d)].与TP变化规律相同的是,组合扰动上覆水中DIP和DTP均处于较高水平,并明显高于摇蚊幼虫扰动试验,且均高于对照试验.对照试验上覆水中DIP一直稳定在0.05 mg ·L^-1左右,而摇蚊幼虫扰动,则在第2 d出现了最大值(0.23 mg ·L^-1),随后呈降低趋势,并于第10 d接近0.05 mg ·L^-1.组合扰动则在第4 d出现最高值(0.32 mg ·L^-1),随后降低,但直至试验结束,上覆水中DIP浓度(0.13 mg ·L^-1)仍高于其他试验.图 2(d)显示,DTP的变化规律与DIP基本一致,并分别在第2 d、 第5 d和第5 d出现最高值,分别为0.21 mg ·L^-1(对照试验)、 0.28 mg ·L^-1(摇蚊幼虫扰动)和0.4 mg ·L^-1(组合扰动),随后均呈降低趋势.

这暗示了底栖生物扰动加快了内源磷释放,导致上覆水中溶解态磷含量增加.这主要是在摇蚊幼虫作用下,上覆水从U形廊道的一端冲刷进入,将高DIP浓度的间隙水从廊道的另一端带出^[18].此外,摇蚊幼虫摄入有机质,并通过新陈代谢作用将有机磷转化成将DIP的形式排放,这是导致上覆水中溶解态磷含量升高的另一种解释.而相比较而言,由于摇蚊幼虫构建廊道会增加溶解氧的渗透深度,从而改变沉积物不同深度微生物的数量分布,而微生物数量分布的改变也是导致间隙水中溶解态磷含量变化的关键因素^[8,19].本研究中发现,由于底栖生物的存在,导致沉积物中微生物活性增强,而组合扰动对微生物活性的强化作用则更加明显(图 3).

图 3

Fig. 3

图 3 沉积物总微生物活性分布规律 Fig. 3 Distribution of total microbial activity in sediments of different treatments at the end of experiments

图 3显示,与对照试验相比,摇蚊幼虫和组合扰动显著增加了沉积物中微生物活性.摇蚊幼虫通过生物引灌作用在廊道内部形成了环形氧化层,促使沉积物中好氧微生物活性的恢复,同时也促使好氧微生物向沉积物深处迁移.因此,加快了有机磷的矿化速率^[11],增加了间隙水中DIP浓度.组合扰动中微生物活性明显高于摇蚊幼虫扰动,其原因主要是,物理扰动破坏了沉积物表层的廊道和洞穴,迫使摇蚊幼虫重新构筑新的廊道,或者促使摇蚊幼虫构建更深的廊道.因此,与单纯的摇蚊幼虫相比,组合扰动增加了沉积物中好氧区体积,为微生物的恢复提供了有利条件.此外,对照试验中,随着沉积物深度增加,微生物活性明显降低,然而,在摇蚊幼虫扰动和组合扰动中,这种降低幅度并不明显,这证明了底栖生物扰动增加了溶解氧渗透深度,也证实了物理扰动对底栖生物扰动的促进作用.

如果将摇蚊幼虫所构造廊道的界面面积累加起来,将远远大于沉积物表层界面面积.而这些廊道内壁通常覆盖一层被氧化的颗粒物质，将会对扩散的磷酸根产生专属性吸附.由此推测,摇蚊幼虫扰动和组合扰动下,上覆水中的溶解态磷应显著低于对照试验(沉积物内部无氧化区).然而,试验结果却并非如此.其主要原因可能有二: 其一,在廊道内部,随上覆水引入的溶解氧浓度低于沉积物表层溶解氧浓度,致使廊道中沉积物-水界面氧化层厚度远低于沉积物表层,从而使得抑制间隙水中溶解态磷迁移的能力较弱; 其二,摇蚊幼虫活动时,会通过“生物引灌”作用不断将廊道内的间隙水与上覆水更换,但其不活动时,廊道内溶解氧浓度降低,使得氧化区转变为缺氧区,甚至厌氧区,而这种交替的好氧/缺氧/厌氧,可能会诱发内源磷形态发生转变,并促使其再生,从而不断补充间隙水中溶解态磷含量. 2.3 间隙水中DIP、 Fe²⁺变化情况

上覆水中不同形态磷的变化规律与间隙水中溶解性磷酸盐(DIP)的变化密切相关,间隙水既是上覆水中磷含量的重要来源,也是上覆水中磷迁移的主要去向.试验过程中采用Rhizon间隙水采样技术分析了DIP和Fe²⁺的变化规律(图 4和图 5),为阐明上覆水中不同形态磷变化规律提供依据.

图 4

Fig. 4

图 4 不同处理组间隙水DIP剖面 Fig. 4 DIP profiles in the pore water sampled on day 0,day 5 and day 10 under different treatments

图 5

Fig. 5

图 5 不同处理组间隙水Fe2+剖面 Fig. 5 Fe2+ profiles in the pore water sampled on day 0,day 5 and day 10 under different treatments

由图 4(a)可知,在摇蚊幼虫加入前(-1 d),对照试验(ES0),摇蚊幼虫扰动(ES1),组合扰动(ES2)中DIP剖面相似,无显著性差异.在0~4 cm,DIP浓度随深度的增加而增加,从2.39 mg ·L^-1(ES0)、 2.79 mg ·L^-1(ES1)和2.83 mg ·L^-1(ES2)增加到5.59 mg ·L^-1(ES0)、 5.03 mg ·L^-1(ES1)和5.28 mg ·L^-1(ES2); 大于4 cm后,DIP浓度随深度的增加而减小,分别降低至3.78 mg ·L^-1(ES0)、 3.91 mg ·L^-1(ES1)和3.93 mg ·L^-1(ES2).将图 4(b)与图 4(a)相对比,发现,ES1和ES2沉积物间隙水中DIP的峰值区域由3~4 cm迁移至4~5 cm,而对照试验并无此现象,说明摇蚊幼虫的引入改变了原有DIP再生的优势区域.此外,对照试验,沉积物纵向剖面DIP浓度未见明显减小,这与上覆水中DIP浓度保持稳定有关,即在该浓度梯度下,间隙水与上覆水之间DIP已达到动态平衡.图 4(c)也显示了相类似规律.而对于摇蚊幼虫扰动而言,间隙水中DIP呈明显降低趋势[图 2(c)],暗示了间隙水中DIP在生物引灌作用下对上覆水的补充[图 2(c),DIP在第2 d达到峰值].图 4(c)中,间隙水中DIP浓度已达到平衡状态.然而,图 2(c)则显示,5 d后,摇蚊幼虫扰动致使上覆水中DIP有降低趋势.消失的DIP主要以迁移进入沉积物为主,抑或被沉积物表层的颗粒物质捕捉,抑或进入间隙水,被氧化的Fe³⁺或者相关Fe等金属氧化物吸附.图 5(c)中消失的Fe²⁺可以解释这一点.与摇蚊幼虫扰动相似的是,组合扰动也呈现了相类似的规律.但不同的是,DIP降低的幅度更大.这与图 2(c)中组合扰动下DIP的变化规律也一致.与单纯摇蚊幼虫相比,组合扰动下上覆水和间隙水中DIP变化幅度更大,也恰恰说明了物理扰动与生物扰动产生的相互促进的叠加效应.

由图 5(a)可知,在摇蚊幼虫加入前(-1 d),对照试验(ES0),摇蚊幼虫扰动(ES1),组合扰动(ES2)中DIP剖面相似,无显著性差异.在0~4 cm,Fe²⁺浓度随深度的增加而减小,从4.17 mg ·L^-1(ES0)、 4.05 mg ·L^-1(ES1)和4.29 mg ·L^-1(ES2)减小到1.83 mg ·L^-1(ES0)、 1.95 mg ·L^-1(ES1)和1.94 mg ·L^-1(ES2).大于4 cm后Fe²⁺浓度随深度的增加而增大,分别增加到2.27 mg ·L^-1(ES0)、 2.39 mg ·L^-1(ES1)和2.45 mg ·L^-1(ES2),并保持稳定.Fe²⁺在沉积物中分布规律与溶解氧的渗透深度密切相关.图 5(b)显示,与对照试验相比,在沉积物0~5 cm,摇蚊幼虫显著降低了间隙水中Fe²⁺浓度,并且叠加物理扰动能进一步加大Fe²⁺的降低幅度,这与DIP[图 4(b)]的变化基本保持一致.对比图 5(b)与对照试验、 摇蚊幼虫和组合扰动分别从第0 d的1.82、 1.94、 1.94 mg ·L^-1降至第5d的1.78、 0.67、 0.54 mg ·L^-1和第10 d的1.81、 0.37、 0.29 mg ·L^-1.

图 4和图 5中DIP和Fe²⁺浓度的变化规律表明,摇蚊幼虫能显著减小间隙水中的DIP和Fe²⁺浓度,这与前人研究结论相一致^[7,10].其原因主要有二: 一是,底栖生物扰动能将表层的氧化态颗粒带入到沉积物深处; 二是,廊道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^[20].因此,氧化区及其周边的间隙水中的DIP被大量吸附形成了铁结合态磷(图 6).这也是Fe²⁺和DIP变化同步的解释.此外,组合扰动对DIP和Fe²⁺浓度的降低效应显著高于单纯的底栖生物扰动,由于组合扰动对沉积物影响范围增加,从而扩大了DIP和Fe²⁺浓度变化范围.这主要与底栖生物扰动和物理扰动对沉积物界面改造的协同效应有关.因此,在两者协同作用下,沉积物中氧化区所占体积增加,即更多的空间和颗粒物质存在氧化的趋势,使得DIP和Fe²⁺进一步减小.

图 6

Fig. 6

图 6 0~2 cm沉积物磷赋存形态数量分布 Fig. 6 Distribution of phosphorus forms in 0-2 cm sediment from different treatments

底栖生物扰动和组合扰动显著改变了沉积物间隙水中DIP和Fe²⁺浓度(图 4和图 5),而DIP和Fe²⁺的改变均会对沉积物中不同形态磷的数量分布产生影响(图 6和图 7).

图 7

Fig. 7

图 7 2~4 cm沉积物磷赋存形态数量分布 Fig. 7 Distribution of phosphorus forms in 2-4 cm sediment from different treatments

图 6和图 7显示,不同扰动状态以及对照试验沉积物中不同形态磷数量分布规律明显不同.计算可知,在0~2 cm和2~4 cm,沉积物中ES0、 ES1、 ES2中总磷(Tot-P)含量均呈增加趋势.而对于不同形态磷(NH₄Cl-P、 Fe/Al-P、 Ca-P和Res-P)而言,其变化规律有所不同.表层0~2 cm,ES0、 ES1、 ES2沉积物中的NH₄Cl-P含量逐渐减小(图 6),占总磷的百分比也逐渐较小(图 8),呈释放趋势.其可能在好氧/缺氧/厌氧的交替作用下以及微生物作用下,转化成DIP释放至间隙水中,也可能直接转化成其它形态磷,如Fe/Al-P.Fe/Al-P含量(图 6)及其占Tot-P百分比(图 8)显著增加.与对照试验相比,摇蚊幼虫扰动和组合扰动下Fe/Al-P的净增加量分别达到390.5 mg ·kg^-1和704.8 mg ·kg^-1.而Ca-P和Res-P含量略有增加,但不显著(图 6).说明0~2cm内的摇蚊幼虫扰动促进了NH₄Cl-P向Fe/Al-P的转化.这归因于生物引灌所产生的廊道内溶解氧含量的增加,间隙水中的Fe²⁺和廊道附近沉积物中的Fe²⁺被氧化成Fe³⁺及其他铁氧化物.相类似的,铝锰等金属离子也会因为溶解氧的融入而以氧化态存在.这些氧化物对磷酸根离子具有较强的吸附能力,因此,显著降低了间隙水中的溶解性磷酸盐含量,藉此增加了Fe/Al-P含量^{[7, 10, 21]}.同时,叠加物理扰动后,NH₄Cl-P降低幅度以及Fe/Al-P增加幅度明显大于单纯的底栖生物扰动.这可能是由于物理扰动产生的水动力和颗粒间摩擦力较大,致使以范德华力为主的物理吸附形态磷——NH₄Cl-P解析释放.在物理扰动和底栖生物扰动协同作用下,Fe/Al-P增加显著^[22,23].

图 8

Fig. 8

图 8 0~2cm沉积物不同形态磷占总磷的百分比 Fig. 8 Percentage of different phosphorus forms of TP in the 0-2 cm sediment

尽管Ca-P的净增加量低于Fe/Al-P,但其增加趋势还是暗示了颗粒悬浮的重要性.李大鹏等的研究表明^[24],沉积物扰动致使不同形态磷发生了以“水为媒介”的形态转化.而将图 6和图 7对比,Ca-P的增加趋势随着沉积物深度增加而降低,则更证明了颗粒物质悬浮的重要性.

图 7和图 9显示,在2~4 cm,仅仅Fe/Al-P含量及其占总磷的百分比变化明显,而NH₄Cl-P、 Ca-P和Res-P含量及其占总磷的百分比未见明显变化.在其他的研究中也发现了类似的现象^[7,25],与图 6对比,Fe/Al-P的净增加量也明显更低.Fe/Al-P的增加主要是源于溶解氧渗透深度的增加,因为组合扰动中Fe/Al-P的净增加量要明显高于单纯的底栖生物扰动.这主要归功于组合扰动的叠加效应.物理扰动破坏了沉积物表层界面,致使摇蚊幼虫向更深处构筑廊道,表层0~2 cm的摇蚊幼虫大量向深处迁徙,促进溶解氧向更深处渗透.这就使得2~4 cm处的氧化还原电位增加,使得Fe²⁺向Fe³⁺转化(图 5),并通过形成Fe/Al-P的形式降低间隙水中磷酸根离子含量.

图 9

Fig. 9

图 9 2~4 cm沉积物不同形态磷占总磷的百分比 Fig. 9 Percentage of different phosphorus forms of TP in the 2-4 cm sediment

值得指出的是,本文仅是通过上覆水、 间隙水中磷含量变化以及不同分层沉积物中形态磷数量分布规律来解释和推测磷的归趋.如间隙水中的磷酸根离子消失是以进入上覆水增加DIP含量为主还是与Fe³⁺及其氧化物形成Fe/Al-P为主,以及两者之间是否存在相互转化的趋势,还需进一步研究.在组合扰动作用下,溶解氧渗透深度增加,沉积物中好氧区体积增加,有氧/缺氧/厌氧的交替作用,上述因素的改变对于沉积物中内源磷再生、 转化将产生怎样的作用可能是阐明间隙水中DIP和Fe²⁺变化规律的关键因素.但毫无疑问,组合扰动对于磷迁移转化的叠加效应显著大于单纯的底栖生物扰动.与单纯的底栖生物扰动或者物理扰动相比,组合扰动更加复杂,但其更接近太湖实际情况,有望揭示太湖水体富营养化发展进程^[26]. 3 结论

(1) 试验期间,组合扰动上覆水中磷含量(TP、 PP、 DTP、 DIP)高于摇蚊幼虫扰动,并且,两者均高于对照试验.这主要源于物理扰动和底栖生物扰动对磷再生和迁移产生的叠加效应.

(2) 组合扰动下,间隙水中DIP和Fe²⁺浓度的降低幅度和降低范围明显大于单纯的底栖生物扰动和对照试验.因扰动致使溶解氧渗透深度增加是导致DIP和Fe²⁺浓度降低的主要原因. 0~2 cm沉积物中Fe/Al-P含量的显著增加则证明了DIP和Fe²⁺同步降低的可行性.

(3) 0~2 cm沉积物中,NH₄Cl-P含量明显降低,Fe/Al-P明显增加,并且,NH₄Cl-P和Fe/Al-P的变化幅度均在组合扰动下最大.