2.2沉积物-水微界面pH垂向分布


摇蚊组和对照组沉积物-水界面中pH的分布情况如图2所示。可以看出，对照组和摇蚊组沉积物中pH值随深度的增加而减小，3个阶段表层沉积物-45 mm以上的pH值垂向变幅较大，-45 mm以下基本上稳定。在3个时段对照组的pH平均值为6.9、7.5、7.4，摇蚊组为6.8、7.7、7.5。加入摇蚊幼虫后的前5天，上覆水pH值无显著变化，沉积物0～-20 mm的pH值迅速减小，后变化趋势减弱，-25 mm处又开始缓慢回升；在加入摇蚊幼虫后的第5天，两组间隙水中的pH多分布在7.3～8.4之间；在加入摇蚊幼虫后的第15天，对照组0～-10 mm变幅较大，摇蚊组在0～-8 mm的pH随深度增加呈波状变化，且在-6～-12 mm处摇蚊组和对照组pH差值为0.3～0.5。从加入摇蚊幼虫的第5天到加入摇蚊幼虫的第15天，摇蚊扰动深度的逐渐加深，摇蚊组与对照组间隙水pH值的最大差异点也随之加深。

图2不同处理组沉积物pH剖面分布


通过分析可知，在前两个阶段摇蚊组和对照组沉积物-水界面中pH值无显著变化(P<0.05)，加入摇蚊幼虫后的第15天，摇蚊组上覆水中的pH值小于同期对照组，摇蚊组沉积物中的pH值大于同期对照组，均呈显著性差异(P>0.05)。在加入摇蚊幼虫的第15天，摇蚊组上覆水pH值降低，可能是因为沉积物整体的pH值较低。pH的变化趋势可以在一定程度上反映水体碱度的变化趋势。在这3个阶段沉积物pH值呈现表层相对略高而下层略低的趋势，上覆水的pH较高而沉积物的pH较低，且上覆水pH的时空变化较大而沉积物pH的变化较小，这主要是由体系中的各种物理化学反应所引起的。


在加入摇蚊幼虫后的第5天，两组pH值随深度增加变化较小；在加入摇蚊幼虫的第15天，沉积物-水界面处的pH呈波动变化，这可能是因为此阶段摇蚊幼虫在沉积物中的引灌作用较强，且活动范围不固定，而沉积物-水界面和沉积物-40 mm以下，沉积物中pH的空间分布重新趋于均匀，这可能是因为摇蚊幼虫的扰动作用减少，垂向上的物质混合作用趋于平衡，这一结果与Anschutz等对颤蚓的研究相似；在加入摇蚊幼虫的初期，上覆水中的pH值降低，沉积物表层的pH值增加。一方面，实验系统均是敞开体系，直接与空气接触，随着空气中的CO2进入上覆水并大量积累，上覆水中pH值降低，同时，氨氮的氧化的过程要消耗碱度降低系统的pH值，每1 mg氨氮氧化为硝酸根需消耗7.1 mg的碱度；另一方面，摇蚊幼虫扰动加快了间隙水与上覆水的交换，摇蚊幼虫的呼吸作用及其带来的有机质促进反硝化作用的发生，使体系中的氮主要以氨的形式存在并释放到上覆水中，进而提高沉积物或上覆水的pH。系统脱氮过程是消耗碱度的过程，导致了底层间隙水中的pH值下降。


2.3沉积物-水微界面Eh垂向分布


沉积物-水界面Eh分布如图3所示。3个时段的对照组和摇蚊组上覆水均在350 mV以上，属于强氧化状态，但是随着沉积物深度的增加，Eh垂向剖面分布发生了明显的改变。

图3不同处理组沉积物Eh剖面分布


在加入摇蚊幼虫的前5天，对照组和摇蚊组沉积物中的Eh随着深度的增加而降低，分别在拐点-19 mm和-25 mm处迅速下降。在加入摇蚊幼虫后的第5天，对照组与摇蚊组0～-12 mm的沉积物同一分层处的Eh值较为接近，无显著性差异(P>0.05)；表层-12 mm以下同一分层处的Eh值呈显著性差异(P<0.05)。其中，摇蚊组在-20～-25 mm处Eh值迅速减小，而对照组在-13～-24 mm之间随深度增加急剧减小，在-25 mm以下，两组的Eh随深度小幅减小，并趋于稳定。在加入摇蚊幼虫后的第15天，摇蚊组沉积物的Eh值在-25～-37 mm处迅速减小，对照组沉积物的Eh值在-12～-20 mm处迅速减小，对照组与摇蚊组同一分层处的Eh值在-12～-40 mm差异性显著(P<0.05)，其他深度摇蚊组的Eh值均小于同一分层处对照组的Eh值，且无显著性差异(P>0.05)。可见，摇蚊幼虫的扰动作用改变了沉积物的Eh值。


在摇蚊扰动到的地方由于生物引灌作用，廊道里的O2增加，Eh也相应的增加，而没有生物扰动到的地方Eh偏低。沉积物中Eh的大小影响着沉积物中硝化和反硝化过程，在完成同步硝化反硝化的氧化沟中，Eh在30 mV以上即可取得较好的硝化效果；Charpentier等认为Eh=100 mV时硝化开始，200 mV时达到最佳。本试验中所测得的Eh值较大，沉积物中表层-60 mm以上的沉积物中Eh值均在150 mV以上，表层-20 mm以上的氧化还原电位均在400 mV左右，依据前人的研究结果，可知本试验中沉积物-水界面有硝化反应。在加入摇蚊幼虫后第15天，摇蚊幼虫的呼吸作用及其生命活动所带来的有机质改变了沉积物的氧化还原条件，降低沉积物的Eh。


3结论


摇蚊幼虫的扰动作用改变了沉积物-水界面处的溶解氧、酸碱度以及氧化还原条件。本文试验结果表明，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，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，使得摇蚊组沉积物OPD大于6 mm。摇蚊幼虫扰动初期沉积物-水界面处的pH呈波动变化，随后重新趋于稳定。摇蚊幼虫的扰动作用使得沉积物-水界面中Eh值的垂向分布发生了明显改变，由于生物引灌作用，廊道里的O2增加，Eh也相应增加。