生物扰动是影响沉积物-水微界面反应的重要因素，为了明确生物扰动作用对沉积物-水微界面氧化还原特征的影响机制，从环境微界面角度出发，以摇蚊幼虫为例，借助高分辨率的微电极系统解析沉积物-水微界面O2、pH、氧化还原电位(Eh)的垂向分布特征。结果表明，摇蚊幼虫的生物扰动作用显著增加了沉积物-水微界面处的溶解氧浓度；降低了上覆水的pH值，提高了沉积物的pH值，且上覆水pH时空变化较大，沉积物pH值变化较小；廊道里O2增加，使Eh值也相应地提高，而没有生物扰动到的地方Eh值偏低。摇蚊幼虫通过呼吸和摄食作用将富含氧气的上覆水引进廊道，充入的氧气改变了微界面的氧化还原条件。


生物扰动是指底栖动物由于摄食、建管、筑穴、爬行、避敌、分泌、排泄和迁移等行为造成沉积物结构和性质的改变，进而影响到沉积物中颗粒态和溶解态物质迁移转化的过程。生物扰动能改变沉积物的结构和性质，因而对其中的污染物产生影响。大型底栖动物的筑穴行为增加了沉积物-水界面可交换态氮的交换通量。霍普水丝蚓扰动带动了其周围颗粒物质的迁移，增加了间隙水中氨氮。摇蚊属幼虫通过生物引灌、吸收、消化、排便、分泌等过程影响着湖泊沉积环境。摇蚊幼虫把上覆水引灌入廊道获得食物和O2，同时间隙水中的溶解物质随着引灌作用被输出到上覆水中，摇蚊摄食浮游植物、沉积物微粒和细菌吸收摄食微粒中的部分营养物质，其余部分被排泄出来，其栖息场所比较固定，主要集中在沉积物-水界面处，生存廊道只有2 mm直径。


沉积物-水界面的O2控制着许多重要的生物地球化学过程，对沉积物-水界面生物群落的生物学特征与生态特性有着重要的影响。底栖动物利用富含O2的上覆水通风或引灌，以使得其通道或洞穴内保持较高的O2水平。摇蚊幼虫大量存在于富营养化底泥U形廊道里，通过改变沉积物的氧化-还原条件来影响氨化速率、硝化速率。为测定U形廊道周边的环境，引入了微电极测量系统，其中，O2微电极的尖端直径只有10μm，可在无损或微损的情况下检测微界面环境中O2。利用微电极测定了墨西哥湾深海高盐地区光合作用过程中生物垫的O2，并进行了定量描述。采用pH微电极测定了海洋沉积物-水微界面pH值的分布。微电极的应用使对沉积物-水界面的研究尺度从常规尺度的厘米级减少为微观尺度的数十微米，可以大幅度提高微界面研究过程的微观性、多维性和准确性。本文通过采集表层沉积物收集摇蚊幼虫并进行室内培养，运用微电极技术，对沉积物-水微界面的O2、pH、氧化还原电位(Eh)进行测定，以期探明摇蚊幼虫扰动作用对沉积物-水微界面氧化还原特征的影响机制。


1材料与方法


1.1样品来源


在里下河的大纵湖湖心(31°30′31.1″N，120°10＇31.0″E)采集6根沉积物柱样，沉积物深度不小于30 cm，同时采集湖心上覆水用于室内培养。本研究中采用的摇蚊幼虫，用彼得森采样器在采样点采集少量表层沉积物用于收集摇蚊幼虫，沉积物过2 mm筛获得4龄期幼虫，好氧5℃暂养。所有样品采集后立即运回实验室。对于需要做实验室静态培养的部分采样点沉积柱则另取完整的沉积物柱(保留原位的上覆水，并在原采样点位置另取适量上覆水作为备用)直接运回实验室进行培养实验。

表1不同处理组沉积物溶解氧渗透深度


1.2实验方法


实验采用微电极技术测定沉积物-水微界面的DO、pH和Eh。构建实验系统，将培养管全部放入水槽恒温培养，并用微孔曝气头轻微曝气，温度控制在15±1°C，光照周期LD 12∶12，预培养16 d以使沉积物稳定。挑选过2 mm筛的4龄期摇蚊幼虫，计数、称重后引入到摇蚊幼虫组的6根预培养柱中(对照组每根柱子添加个数为零)，10 min/h曝气培养，摇蚊幼虫密度1 887 ind/m2。进行微界面数据分析及相应的氧化还原指标测定，所使用的3种微电极尖端直径均为50μm，电极使用前需要极化和校正。实验主要分为3个阶段，分别是加入摇蚊幼虫前5天，加入摇蚊幼虫后的第5天、第15天。


2实验结果与分析


2.1沉积物-水微界面DO垂向分布


由于沉积物中微生物的有氧呼吸作用以及从下层扩散而来还原物质的氧化，湖泊沉积物-水界面的O2渗透深度，一般仅有数毫米。在本研究中，对照组和摇蚊组的氧气渗透深度(OPD)如表1所示。


摇蚊组和对照组沉积物-水界面中DO的垂向剖面分布情况如图1所示，正值代表是上覆水，负值代表沉积物，下同。通过分析前5天和第5天发现，对照组和摇蚊组DO值无显著性差异(P>0.05)，摇蚊组在摇蚊幼虫刚加入时，对原沉积物环境产生较大扰动，呈不规则的波状变化，对照组DO值随时间变化不大；到了第15天，对照组和摇蚊组-3.3 mm以下DO值成显著性差异(P<0.05)。

图1不同处理组在不同时段DO垂直剖面分布


从图1可以看出，摇蚊幼虫的扰动改变了间隙水DO的垂向分布，增加了O2在沉积物局部的渗透深度，摇蚊幼虫构筑的廊道中富含O2，同时，摇蚊幼虫的引灌作用增大了摇蚊组的OPD，使得摇蚊组沉积物OPD大于6 mm。有研究表明生物引灌不断将廊道中的水排出，同时引灌进来新鲜上覆水冲刷廊道管壁，使廊道内维持较高的DO水平。利用平板氧电极的研究结果表明摇蚊幼虫没有显著增加沉积物OPD，与本文研究结果不同。这可能是因为，本文试验将摇蚊幼虫的活动通道作为DO测定的剖面，所测定的数据反映的是摇蚊幼虫所构建廊道里面的DO垂向分布情况，与平板氧电极的测定结果存在一定的差异。摇蚊幼虫的生物扰动作用显著增加了沉积物-水界面处的DO浓度，摇蚊幼虫特殊的生活廊道造成了沉积物内溶解氧分布的不均衡，随着洞穴的开拓，将上覆水引入管穴中，形成引灌效果，使表层沉积物间隙水中溶解氧增加。


虽然摇蚊幼虫的扰动作用能够增加沉积物中DO，但其生命活动也需要耗氧。摇蚊幼虫的引灌和筑穴行为增加了底层上覆水悬浮颗粒物的含量，还原态的沉积物颗粒以及附着的还原态离子被氧化，同时摇蚊幼虫的好氧呼吸作用也会消耗底层上覆水中的溶解氧，造成底层上覆水溶解氧浓度低于上层上覆水。本试验中，虽然柱状样受风浪扰动较小，但摇蚊幼虫的引灌和扰动作用明显促进了上覆水的富氧效果，上覆水中的DO增加后，通过扩散进入间隙水中的DO也会增加。对照组和摇蚊组间隙水中的DO在整个试验期间随深度的增加而降低，这是由于沉积物-水界面处的DO水平较高导致硝化作用强于反硝化作用，且氨氮的硝化作用消耗溶解性氧，使间隙水中的DO随深度增加而降低。