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沉积物-水界面是指水体中物理、化学和生物特征等方面差异性最显著的重要边界环境,也是控制和调节水体和沉积物之间物质输送和交换的重要途径,在湖泊富营养化机理和生态恢复的研究中具有非常重要的地位。本文以太湖为研究对象,在野外原位调查草、藻型湖区沉积物-水界面特征差异的基础上,在室内研究了蓝藻水华、水生植物和水动力等因素对沉积物-水界面环境特征的影响。具体内容和结果如下:
1、对太湖藻型湖区(5个样点)和草型湖区(3个样点)冬、夏两季沉积物与上覆水的调查和分析发现:草型湖区界面上覆水氧化还原电位和电导率高于藻型,而硝态氮和磷酸根低于藻型;草型湖区沉积物的含水量、中值粒径、总有机碳、总有机氮等都显著高于藻型,但界面溶氧层浅于藻型;沉积物中Fe、Zn、Ca、Pb、Na和K等元素在草、藻型湖区间也存在显著差异。表明由于长期受水生植物和浮游藻类这两种不同生态类型生物的影响,草、藻型湖区沉积物-水界面特征也存在着差异。
2、遮光和扰动等不同条件下蓝藻水华降解过程中上覆水叶绿素浓度和沉积物理化指标的垂直分布结果显示:蓝藻水华降解过程改变了界面附近溶解氧环境和表层约3 mm深沉积物中营养盐与金属元素的垂直分布。扰动影响了蓝藻水华的降解过程和沉积物中营养盐与金属元素的迁移转化过程。遮光加速了蓝藻降解,并且削弱了扰动的影响。说明蓝藻水华降解过程对沉积物的影响深度约为3mm,不同条件的影响也有差异。
3、对种植沉水植物后的草、藻型湖区沉积物中理化指标的垂直分布和上覆水中营养盐分析后得出:沉水植物显著降低了上覆水中磷酸根浓度;对草型湖区表层3 cm内沉积物产生了显著影响,如提高含水量、减少中值粒径、降低总有机碳和总有机氮、增加总磷、导致Mn出现拐点等;显著增加了草、藻型湖区沉积物氧气侵蚀深度。说明沉水植物对沉积物-水界面的影响范围主要集中在上层3 cm内,且对草型湖区沉积物的影响更显著。
4、苦草(Vallisneria asiatica)的光合作用日变化过程中,水质的日变化结果显示:水体的pH与溶解氧的日变化和苦草叶片光合作用相对电子传递速率(rETR)、叶片表面的光合有效辐射(PAR)、温度同步,呈单峰曲线;水体中TN一直保持稳定,TP在23:00时出现峰值。说明苦草的光合作用能引起水体pH、溶解氧的改变从而影响沉积物一水界面中磷的释放。
5、波浪水槽试验的结果显示:经4 cm波高的波影响2 h后,表层沉积物基本没有被侵蚀,溶解氧侵蚀深度从5 mm增加至6 mm;而经10 cm波高的波影响2 h后,表层沉积物被侵蚀1.33±0.15 cm,溶解氧侵蚀深度从6 mm减少为3.2mm。表明小波可以增加沉积物表层溶解氧和氧气侵蚀深度,而大波能造成表层沉积物受严重的物理侵蚀并破坏原溶氧层而形成新的较浅的溶氧层,最终将可能影响到微生物活动和营养盐释放。
6、波浪水槽试验结果显示:泥沙起动临界状态时,沉积物表面1 cm处上覆水中溶解氧在前15 min内呈降低趋势,约20 min后溶解氧总体呈升高趋势。沉积物表面1 cm处上覆水中硝态氮、亚硝态氮、氨态氮和磷酸根等营养盐浓度仅在过程中有不同程度的波动,试验前后基本保持不变。表明泥沙起动临界状态能影响沉积物一水界面的溶解氧水平。