為了闡明多重組合擾動因素對沉積物微界面環境的影響，以太湖梅梁灣沉積物為研究對象，采用Rhizon采樣技術和微電極系統等手段，研究了擾動下微界面溶解氧滲透深度、pH、ORP、鐵離子和含水率等變化規律。結果表明，藻類組（ES5）的OPD最大，達到了11.5 mm。不同擾動下對照組、搖蚊幼蟲組、組合擾動組、河蜆組（或藻類）的pH剖面曲線趨勢從左向右平移，而ORP剖面曲線從左往右的順序分別是ES1、ES2、ES4、ES3、ES5組。河蜆組表層0～6 cm沉積物的平均含水率達到了61.68%，為各組最高。與組合擾動組相比，河蜆的出現降低了沉積物OPD，而藻類的出現進一步增大了沉積物OPD。同時，組合擾動下河蜆或藻類的出現進一步增大了沉積物pH。其次，組合擾動下河蜆的出現降低了沉積物ORP，而藻類的出現進一步增大沉積物ORP。除此之外，河蜆的出現還進一步增大了沉積物含水率和孔隙度，而藻類的出現對其并無顯著性影響。


底泥擾動是促使內源磷遷移轉換的關鍵因素。底泥擾動可分為兩種：一是物理擾動，主要是風浪，水流，魚類巡游，船運等物理因素造成的；二是生物擾動，主要是由底棲生物引起的。然而，在天然水體中，底泥擾動通常由多種形式構成，最常見的是物理擾動與底棲生物組成的組合擾動。目前，淺水湖泊磷遷移轉化理論體系的構建主要是基于底泥表層的泥水界面。但是，由于底棲生物的存在，使得底泥內部存在另一種泥水界面，因為此類界面的形成過程、大小、氧化層厚度、形狀、環境效應明顯不同于底泥表層的泥水界面，采用建立在底泥表層的傳統的磷遷移轉化理論體系來解釋內源磷的再生及遷移轉化則明顯不妥，由此人們開始關注底泥微界面環境的研究，但對于組合擾動對底泥微界面環境的影響研究甚少。有鑒于此，本研究以物理擾動、搖蚊幼蟲、河蜆和藻類為主要研究對象，真實地模擬了太湖底泥多重擾動的實際情形，借此研究多重組合擾動對沉積物微界面環境的影響，以期為豐富淺水湖泊磷遷移轉化理論體系奠定前期理論基礎。


1材料與方法


1.1研究地點與采樣準備


2015年4月利用大口徑重力采樣器（Rigo Co.直徑90 mm，高500 mm）在無錫梅梁灣采樣點（N31°31'30.10″，E120°10'57.1）采集表層15 cm沉積物柱樣總計16根，并保留采樣管上覆水水樣，用橡皮塞密封采樣管兩端，再垂直地把采集到的柱樣放入采樣架中，同時采集上覆水50 L，采樣運輸過程中盡量保持柱樣不發生擾動。采樣點底泥及上覆水的各項理化性質見表1。


試驗用藻類購自中科院水生生物研究所（武漢），品種為銅綠微囊藻（Microcystis aeruginosa），該品種是太湖水華爆發時的優勢種群。實驗用搖蚊幼蟲購自花鳥市場，河蜆采集于太湖，為太湖原生河蜆。用梅梁灣采集來的底泥和上覆水馴化培養買回來的搖蚊幼蟲和帶回來的河蜆，使其適應實驗條件，一周后用于實驗。

表1采樣點沉積物和上覆水的理化性質


1.2實驗方法


實驗用培養單元培養管構造見圖1，培養管材料為有機玻璃（長20.5 cm，內徑ID 8.4 cm），底部用橡膠塞密封；管壁留有安裝Rhizon間隙水采樣器的小孔，使用前用疏水膠帶密封。


用400目金屬篩將采集來的上覆水過濾，截除掉其中的浮游生物，過濾后的上覆水用作底泥柱樣培養的上覆水。采集的沉積物柱樣進行以下處理：把每個柱樣表層10 cm的底泥切分成5層，每層2 cm，相同層的沉積物收集在同一桶中，將各桶內底泥通過60目金屬篩以除去其中的底棲生物和大顆粒物，將過篩后的沉積物混勻，按原來順序裝入培養管中，并用切片將沉積物-水界面切成完全平整。然后將濾后上覆水引到底泥上部，盡可能不使表層底泥發生擾動且保持泥-水界面的平整。將制得的若干個（根據實驗要求不同）底泥柱樣放在培養水槽內，并向水槽內加入濾后上覆水淹沒培養管，用曝氣頭對槽內水曝氣預培養16 d，讓底泥穩定。

圖1實驗培養管


在第14天底泥已基本穩定，即泥-水界面沉降完全，泥面高度保持穩定；上覆水中的各營養鹽濃度保持穩定。從培養水槽中取出沉積物柱樣，將泥樣柱上頂至適當位置，使得采樣孔位于泥-水界面以下1.5、2.5、3.5、4.5、5.5 cm處（分別采集泥面下1～2、2～3、3～4、4～5、5～6 cm段的間隙水，采樣分辨率是1 cm，由于在0.5 cm處插入的Rhizon采樣管易在重力作用下將表層泥面開裂，因此原定于0.5 cm處抽取1～2 cm間隙水的小孔暫時取消），將Rhizon間隙水采樣管包扎生膠帶后插入培養管壁預留的小孔中以保證完全密封，插入時注意采樣管的水平。將制得的培養柱樣放入黑暗房間內，防止藻類光合作用對磷的影響。同時取足量預培養水放入棕色瓶中4℃保存，棕色瓶用錫箔包裹，作為實驗用上覆水的補充。為了使實驗結果更可靠，設置平行實驗，將制得的15根柱樣分別作如下實驗：3根用于對照實驗組（ES1）、3根用于搖蚊幼蟲擾動組（ES2）、3根用于物理和搖蚊幼蟲組合擾動組（ES3）、3根用于物理、搖蚊幼蟲和河蜆組合擾動組（ES4）、3根用于物理、搖蚊幼蟲、藻擾動組（ES5）。


在第17天，挑選活性較強的搖蚊幼蟲，向組合擾動（ES2、ES3、ES4、ES5）組柱樣中加入相應條數的搖蚊幼蟲（密度與太湖自然密度一致），其中主要種群為羽搖蚊（Chironomus plumosus）幼蟲，絕大多數的搖蚊幼蟲能迅速打孔鉆入底泥中，半小時過后，將尚未打孔鉆入的搖蚊幼蟲用鑷子輕輕挑出，用新的有活力的搖蚊幼蟲代替，然后將所有培養管放回黑暗房間內開啟試驗。以同樣的的方法加入相應數量的河蜆和藻類。加入河蜆時用筷子夾住河蜆緩慢靠近泥-水界面輕輕放置于底泥表面，盡量避免產生較大擾動。


采用恒速攪拌機對柱樣進行擾動，轉速為150 r/min，在水面上方1 cm處擾動10 min，使得表層0.5 cm沉積物完全懸浮。試驗期間，若發現搖蚊幼蟲鉆出泥面死亡時，立即用鑷子小心挑出，并加入等量的活體。


間隙水Fe2+取樣時預先在2 mL注射器針管中加入適量顯色劑后抽取1 mL間隙水。采樣后，立即用存于棕色瓶中的等量預培養水補充。


實驗共持續了11 d（第17～27天）。間隙水在15、21、26 d采集，每次抽取2 mL間隙水。試驗在第27天結束，當天用Unisense微電極分析系統測定各柱樣氧剖面，隨后取出Rhizon間隙水采樣器，之后，將底部橡膠塞上頂，將表層10 cm沉積物切分成5層，每層底泥2 cm，將相同層位的底泥收集在同一燒杯中，用玻璃棒充分混勻。然后測定其含水率、孔隙度。