对于外源磷被控制的水体而言,内源磷释放是水体暴发富营养化的主要原因^[1],而底泥扰动是促使内源磷迁移转换的关键因素^[2,3].然而,物理扰动和底栖生物扰动会从不同层面上对沉积物进行改造.前者仅仅从水平向改造了沉积物表层泥水界面^[4],而后者是通过挖穴、 构筑廊道等活动从垂向上构造了泥水界面.然而,对于底栖生物而言,其构造的洞穴或者廊道由于体积较小,其垂向泥水界面表面积也较小,与沉积物表层泥水界面相比较,因此,将底栖生物构造的垂向泥水界面称为微界面,以区别沉积物表层的水平向泥水界面.这也使得沉积物-水界面从传统的水平面变成了水平与垂直共存的体系^[5].据统计^[6],因洞穴或廊道形成而增加的底泥微界面面积为底泥水平表面积的1.3-5倍.显然,这扩大了泥水两相间磷的迁移转化通道.由于底栖生物构造了垂向的洞穴和廊道,通过生物引灌作用改变了沉积物内部环境因子,如溶解氧渗透深度、 pH值等.但这种改变更多的是出现在底栖生物构造的洞穴或者廊道及其泥水界面附近.因此,可以将因沉积物活动而导致内部环境因子的变化称为微环境.由于物理扰动和底栖生物扰动对沉积物泥水界面和内部环境改造的方式完全不同.如果将两者组合起来,将会产生一种相互促进、 相互协同的效应： 物理扰动会通过破坏沉积物表面,迫使底栖生物向沉积物深处迁徙或放弃原有洞穴或廊道,构筑更深或者更多新的洞穴和廊道,通过生物引灌作用,从而加速间隙水与上覆水的交换,并增加溶解氧的渗透深度和区域； 而生物扰动则会改变原有沉积物的含水率和孔隙度等物理特征,使得在同等的水动力作用下,被扰动的沉积物厚度显著增加,对表层沉积物产生更大程度的改造作用.因此,物理扰动和底栖生物组合扰动对沉积物微环境和微界面产生叠加效应.

自然水体中,物理扰动(风浪、湖流、人类活动)和底栖生物扰动是共存的.迄今为止,已经有诸多关于沉积物扰动强度下的相关研究^[7,8],但是,从物理扰动和底栖生物组合扰动的角度探讨不同物理扰动强度对沉积物微环境和微界面的改造效应的研究却极为少见.基于此,本研究以摇蚊幼虫和物理扰动为对象,通过改变物理扰动强度,探讨了组合扰动下沉积物微环境以及微界面物理化学和微生物特征的变化规律,分析了组合扰动下沉积物微环境和微界面对物理扰动强度的响应规律,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

2014年6月利用大口径重力采样器(Rigo Co.直径90 mm 高500 mm)在梅梁湾采样点(N31°31′30.10″,E120° 10′57.1″)采集表层15 cm沉积物柱样共16根,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(0-2 cm)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(n=3) Table 1 Physico-chemical properties of sediments and overlying water from the sampling point (n=3) 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 ·g-1 上覆水 4.12±0.23 8.20±0.10 0.105±0.002 0.075±0.001 0.036±0.001 沉积物 56.12±3.06 5.42±2.11 0.201±0.035

表 1 采样点沉积物和上覆水的理化性质(n=3) Table 1 Physico-chemical properties of sediments and overlying water from the sampling point (n=3)

实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周后用于实验. 1.2 室内培养实验方法

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.

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10 cm沉积物切分成5层,每层2 cm,相同层的沉积物分别收集在同一桶中,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.然后将滤后上覆水虹吸到沉积物上,尽可能不扰动表层沉积物且保持沉积物-水界面平整.将制得的4根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.

图 1

Fig. 1

图 1 实验培养管Fig. 1 Experimental incubation tube

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 cm、 2-3 cm、 3-4 cm、 4-5 cm、 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,作为实验用上覆水的补充.将制得的4根柱样记为ES1、 ES2、 ES3、 ES4,均采用组合扰动模式,其中4个柱样中投加的生物数量均为20 ind,叠加的物理扰动强度分别为60、 120、 180、 240 r ·min^-1,实验过程温度为室温.

在第17 d,挑选活性较强的摇蚊幼虫,向每根柱样中加入20 ind的摇蚊幼虫(密度为3 611 ind ·m²),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实验.当晚20：00,开启恒速搅拌机(IKA RW20 digital),在沉积物-水界面上方1 cm处对各沉积物柱样扰动10 min.在实验期间,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.

实验期间,所有实验均在黑暗环境中进行,室温保持在25-30℃,共持了11 d(第17-27 d),每天均对各处理组进行10 min的物理扰动.间隙水在15、 21、 26 d采集,每次抽取2 mL间隙水,测定Fe²⁺浓度.总氧气交换速率(TOE)在16、 22、 27 d测定.实验在第27 d结束,当天用Unisense微电极系统测定各柱样氧剖面,及pH剖面.第28 d测定各柱样氧化还原电位(ORP)剖面,之后取出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,将表层6 cm沉积物切分成3层,每层沉积物2 cm,分别测定其含水率、 孔隙度、 沉积物总微生物活性. 1.3 样品分析方法

沉积物氧剖面,pH剖面,ORP剖面,溶解氧渗透深度(OPD),总氧气交换速率(TOE),扩散氧气交换速率(DOE)均可用微电极系统(Unisense,丹麦)直接或间接测定.

其中,自沉积物-水界面至溶解氧浓度为零的深度记为溶解氧渗透深度(oxygen penetration depth,OPD)^[9],表层沉积物中富含大量有机质,且微生物活性高,因此氧气进入沉积物能迅速被消耗.因此,湖泊沉积物OPD一般为几个毫米.利用氧剖面直接读出OPD数值^[6].

采用封闭上覆水法测定沉积物总氧气交换速率TOE^[10,11].TOE的测定参见王建军等的研究^[12].在沉积物-水界面存在一个扩散边界层(DBL)^[13],控制着溶解物质在沉积物-水界面交换过程.扩散边界层内主要以分子扩散为主,因此该层内物质浓度一般线性变化,可以利用Fick第一定律及氧剖面计算出氧在沉积物-水界面的扩散通量DOE(扩散氧气交换速率)^[14]. DOE的测定参见王建军等的研究^[12].

间隙水中Fe²⁺用邻菲啰啉分光光度法测定^[15]. 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(%).

孔隙度是根据沉积物湿重与干重计算所得，计算公式如下：

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^[16]. 2 结果与讨论 2.1 沉积物中微环境氧的响应规律

组合扰动中的物理扰动强度因子的改变深刻地影响着沉积物-水界面氧行为过程(图 2).其中,溶解氧渗透深度(OPD)随着扰动强度的增大呈现递增趋势： 转速为60、 120、 180、 240 r ·min^-1,对应的OPD分别为3.8、 5.5、 8.0、 12.1 mm.各扰动强度下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,在选点时避开了摇蚊幼虫所打的虫洞,因此剖面具有相对一般性.同时,DO在垂向上呈现不规则的波动,在部分区域内DO随着深度的增加呈现递增趋势,这可能是电极尖端深入到廊道内所致.并且,扰动强度越大,产生的不规则波动越剧烈,这与物理扰动的强化能胁迫摇蚊幼虫重塑更多的廊道相关.研究表明： 摇蚊幼虫扰动既能增加OPD,又能改变DO在空间分布的差异性^[17].而在本实验的组合扰动下,物理扰动的强度越大,OPD则会越大,且DO空间分布的差异性越显著.

图 2

Fig. 2

图 2 组合扰动下不同物理扰动强度对沉积物O2剖面的影响Fig. 2 Effect of different physical intensity on the sediment O2 profiles under combined disturbance 0 mm处虚线表示沉积物-水界面(SWI)

组合扰动下氧剖面的变化规律也可以通过ORP的变化来描述(图 3).图 3显示,不同物理扰动强度下沉积物的ORP在表层0-1 cm呈现迅速递减趋势,从(363±32)mV减小至(132±31)mV； 在1-4 cm内呈现缓慢递减趋势,从(132±31)mV减小至0 mV左右； 4-5 cm的沉积物中,ORP几乎稳定在0 mV.同时,随着物理扰动强度的增加,各处理组的剖面从左向右平移,ORP增加的区域沿垂向上呈现逐渐扩张的趋势,即ORP增加的区域和幅度随着扰动强度的增加而增大.这主要是由于物理扰动胁迫摇蚊幼虫向沉积物更深处构筑廊道,或者放弃原有廊道而在相同深度处重新构筑廊道,从而增加了生物引灌作用,促使溶解氧渗透深度增加(图 2).此外,摇蚊幼虫通过摄食等活动将表层含氧沉积物拖拽到沉积物深处,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供体,ORP随之也呈现递增态势.

图 3

Fig. 3

图 3 组合扰动下不同物理扰动强度对沉积物ORP剖面的影响Fig. 3 Effect of different physical intensity on the sediment ORP profiles under combined disturbance

总氧气交换速率(TOE)不仅与底栖生物扰动有关,而且与沉积物表层扰动也密切相关(图 4).在投加底栖生物前(16 d),各扰动强度下TOE在(1 333±23)-(1 365±19) μmol ·(m² ·h)^-1之间波动,无显著性差异.但组合扰动下,显著增加了各实验装置中的TOE.其中,实验结束时(27 d),ES1、 ES2、 ES3、 ES4的TOE分别增加了44.28%、 64.67%、 89.38%、 108.28%,与初始状态相比较(16 d).由于各实验装置中摇蚊幼虫数量相同,因此,TOE随物理扰动强度的增加而增加.

图 4

Fig. 4

图 4 组合扰动下不同物理扰动强度对TOE的影响Fig. 4 Effect of different physical intensity on TOE under combined disturbance

摇蚊幼虫扰动能显著增加沉积物的TOE^[6].在前期实验中,也发现组合扰动比单一的生物扰动增加更多的TOE.本实验的数据显示,同为组合扰动下,各沉积物柱样的TOE随着物理扰动强度的增加而增加.这可归因于如下因素.首先,引入沉积物中的摇蚊幼虫自身的呼吸作用.研究表明,沉积物TOE是羽摇蚊幼虫的呼吸速率的2.4倍^[18],即加入生物的呼吸作用仅仅贡献了TOE增量的一部分.其次,摇蚊幼虫通过构筑廊道及生物引灌作用,促使沉积物好氧区体积显著增加,好氧微生物活性的恢复.由增强的微生物活性及沉积物中还原性物质的再氧化所致的TOE增量占据了绝大部分^[19,20].在组合扰动中,外加的水动力作用使得表层的廊道大量掩埋,坍塌,摇蚊幼虫在惊扰和胁迫下会重塑新的廊道或者往深处迁徙构筑更深的廊道.一方面,摇蚊幼虫自身活动加快了新陈代谢,消耗更多氧气； 另一方面,沉积物好氧区会向更深处延伸,好氧区/厌氧区体积比例进一步加大,更多被激活的好氧微生物对TOE的增量做出了巨大的贡献.并且,物理扰动强度越大,沉积物中廊道被破坏的规模越大、 程度越彻底,对摇蚊幼虫产生的胁迫作用越强,伴随着更多更深的廊道的形成,TOE的增量也越来越大.

由于DOE的测定方法不同于TOE,但其也反映了沉积物-水界面氧气扩散速率.图 4显示了DOE对不同物理扰动强度的响应规律.图 5显示,实验结束时(27 d),各实验装置中DOE随物理扰动强度的增加呈现微弱的递增趋势,暗示了DOE对物理扰动强度的响应程度较弱.同时,研究表明添加生物对于DOE的影响也较小,水丝蚓密度60 000 ind ·m^-2时,沉积物DOE仅增加了13%-14%^[21].这是由于DOE仅仅表征了沉积物-水界面处氧的扩散速率,并不能很好地反映出生物因素以及微生物因素对氧需求的变化^[12].因此,实验中计算了TOE与DOE的差值,以此来描述底栖生物对沉积物-水界面处氧扩散速率的影响(图 6).TOE与DOE的差值随物理扰动强度增加明显增加,并且,计算可知,在4种物理扰动强度下,TOE与DOE的差值占TOE的百分比达到72.67%(平均值,71.56%-74.13%).这进一步佐证了沉积物中生物及微生物因素的改变是TOE增加的根本原因.

图 5

Fig. 5

图 5 组合扰动下不同物理扰动强度对DOE的影响Fig. 5 Effect of different physical intensity on DOE under combined disturbance

图 6

Fig. 6

图 6 组合扰动下不同物理扰动强度对TOE与DOE差值的影响Fig. 6 Effect of different physical intensity on the difference of TOE and DOE under combined disturbance

对于沉积物而言,pH是影响氮磷等营养盐迁移转化的重要因素.而扰动则会显著改变沉积物中pH值的分布规律(图 7). 图 7显示,在表层0-1 cm,各处理组pH呈现迅速递减趋势,从上覆水的8.20±0.10减至1 cm处的6.50±0.30.但从沉积物1-5 cm处,pH趋于稳定.并且,随着物理扰动强度的增加,pH剖面从左向右平移,pH增加的区域沿垂向上呈现逐渐扩张的趋势.组合扰动下沉积物中pH的变化可主要归因于,摇蚊幼虫通过挖穴和构筑廊道加快了好氧微生物的恢复^[22],大量好氧微生物的呼吸作用生产的二氧化碳降低了pH值.同时,微生物不完全代谢产生的酸性物质也对pH的降低产生了一定的贡献.此外,摇蚊幼虫通过生物引灌作用,加速了上覆水与间隙水的交换,从而将沉积物中酸性物质中和.综合考虑,对于沉积物中的pH值而言,生物引灌所产生的碱化效应比微生物产生的酸化效应更大更直接.另外,物理扰动强度的增加胁迫摇蚊幼虫构筑更多更深的廊道,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地增大.摇蚊幼虫也能在沉积物较深处生存^[23].

图 7

Fig. 7

图 7 组合扰动下不同物理扰动强度对pH值的影响Fig. 7 Effect of different physical intensity on pH under combined disturbance

Fe²⁺对环境中的氧化还原条件极为敏感,其也是沉积物对磷吸附和固定的良好指示剂.组合扰动下,Fe²⁺的变化规律也反映了物理和底栖生物组合扰动对微环境改造的效应(图 8).

图 8

Fig. 8

图 8 组合扰动下不同物理扰动强度对Fe2+的影响Fig. 8 Effect of different physical intensity on the Fe2+ profiles under combined disturbance

图 8(a)显示,在摇蚊幼虫加入前(15 d),ES1、 ES2、 ES3、 ES4中Fe²⁺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,分别从61.97、 59.81、 63.96和61.23 μmol ·L^-1减小到24.30、 22.58、 27.02和25.40 μmol ·L^-1. 大于4 cm后Fe²⁺浓度随深度的增加而增大,分别增加到36.33、 38.35、 34.49和34.81 μmol ·L^-1,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.与初始状态相比图[8(a)],21 d时,不同扰动强度下相对应深度间隙水中Fe²⁺浓度呈现递减趋势.对比图 8(a)和图 8(b)发现,低强度物理扰动下4-6 cm处间隙水中Fe²⁺浓度在这期间(15-21 d)几乎不变,但中高强度物理扰动下Fe²⁺浓度却显著减小.也就是说,随着物理扰动的强度增大,间隙水中Fe²⁺浓度减小的区域向更深处延伸. 这进一步证明了笔者的推测——物理扰动迫使摇蚊幼虫向更深处构筑廊道,从而增加溶解氧渗透深度.然而,对比图 8(b)和图 8(c)发现,尽管物理扰动和底栖生物扰动仍在,但Fe²⁺剖面(0-6 cm)在这期间几乎不变(21-26 d).由此推测,从第21 d开始,组合扰动下,间隙水中Fe²⁺浓度已经趋近于相对稳定状态.

间隙水中二价铁是Fe的还原态,对氧化还原条件的改变极为敏感.通常,ORP增大,Fe²⁺会迅速向Fe³⁺转换； ORP减小,Fe³⁺会逐步向Fe²⁺回归.图 3中ORP剖面的变化规律也间接证实了图 8中Fe²⁺的数量分布.研究发现生物扰动、 生物引灌能将大量的电子供体(O₂、 NO^3-)转移到深处,增加沉积物中氧化区域体积,随着沉积物中的Fe²⁺不断向氧化区迁移扩散,Fe²⁺逐步转化成水和铁氧化物,吸附水体中溶解行磷酸盐(DIP)并沉降到沉积物表面^[24].也有研究表明,摇蚊幼虫扰动下,间隙水中的Fe²⁺浓度呈现显著减小的趋势^[6,25].本研究也展示了相类似的结果.由于水动力对于摇蚊幼虫的胁迫作用,导致摇蚊幼虫生物引灌效应所涉及的区域不断向沉积物深处延伸,这也正解释了低强度物理扰动处理组在4-6 cm处间隙水中Fe²⁺浓度几乎不随时间的推移而发生改变,但中高强度物理扰动处理组4-6 cm处间隙水中Fe²⁺浓度随时间的推移却显著减小的现象. 2.4 微界面物理及微生物特征的响应规律

孔隙度是沉积物固体颗粒间隙所占的体积占总沉积物体积的百分比.通常,孔隙中填充的是间隙水.与此相对应的是,这些间隙水质量占总沉积物质量的百分比就被视为含水率.因此,孔隙度与含水率的变化趋势是一致的,彼此均可表征溶解物质在沉积物中的扩散能力^[9].在不同物理扰动强度下,孔隙度与含水率的变化规律如图 9所示.

图 9

Fig. 9

图 9 组合扰动下不同物理扰动强度对含水率和孔隙度的影响Fig. 9 Effect of different physical intensity on the sediment water content and porosity under combined disturbance

图 9显示,不同物理扰动强度下含水率和孔隙度均随着沉积物深度的增加呈现递减趋势.在0-6 cm范围内,相同深度沉积物的含水率与孔隙度均随着物理扰动强度的增加呈现递增趋势,但随着沉积物深度增加,这种递增趋势逐渐减弱.这说明高强度物理扰动对摇蚊幼虫具有较强的胁迫作用,强化其对沉积物内部改造.在6-10 cm范围内,沉积物含水率与孔隙度几乎保持不变.这暗示了,尽管物理扰动促使摇蚊幼虫在沉积物中更加活跃,但其活动场所也仅集中在0-6 cm沉积物中,而对更深层次沉积物的影响则较小.

溶解氧渗透深度的增加(图 2)以及含水率和孔隙度的显著改变(图 9)均为沉积物中微生物的恢复提供了有利条件(图 10).

图 10

Fig. 10

图 10 组合扰动下不同物理扰动强度对总微生物活性的影响Fig. 10 Effect of different physical intensity on the total microbial activity under combined disturbance

图 10显示,在不同物理扰动强度下,ES1、 ES2、 ES3和ES4沉积物0-6 cm总微生物活性均值(以FDA计)分别为0.33、 0.39、 0.43和0.46 μmol ·(h ·g)^-1.说明物理扰动强度对总微生物活性具有促进作用.在沉积物相同深度,随物理扰动强度增加,总微生物活性也呈增加趋势.其中,在0-2 cm和2-4 cm,这种增加趋势最明显.但随着沉积物深度增加,总微生物活性对物理扰动强度的响应程度呈降低趋势,这与溶解氧渗透深度有关(图 2).

尽管本研究利用Rhizon间隙水采样技术和Unisense微电极技术从微观角度对组合扰动下沉积物微界面和微环境的响应进行解析,但值得指出的是,沉积物微界面和微环境的响应程度最高的区域应为摇蚊幼虫构筑廊道而产生的泥水界面及其泥水界面附近,尤其是廊道附近沉积物区域中有氧-无氧体积变化及其更替规律,这对于从形态磷转化机制的角度阐明内源磷迁移转化诱发机制极为关键. 3 结论

(1)组合扰动下,随着物理扰动强度增加,OPD、 TOE、 ORP、 pH显著增加,并且,沉积物中DO空间分布的差异性越显著.

(2)组合扰动下,沉积物中Fe²⁺减小的区域和幅度随物理扰动强度增加而增加.

(3)组合扰动下,在0-6 cm沉积物范围内,相同深度的沉积物的含水率、 孔隙度以及总微生物活性随着物理扰动强度的增加呈递增趋势.并且,对物理扰动强度的响应程度随着沉积物深度的递增逐渐减弱.