摘要：利用高分辨率的薄膜扩散梯度技术(DiffusiveGradientsinThinFilms，DGT)和微电极技术，从微界面的角度研究了摇蚊扰动对沉积物中溶解氧(DO)、活性磷(LabileP)、活性铁(LabileFe)及LabileP扩散通量的影响。研究发现摇蚊幼虫扰动增加了沉积物中溶解氧的渗透深度，降低了LabileP和LabileFe的浓度，同时抑制了LabileP向上覆水中的释放。由于LahileP与LahileFe显著相关(对照组R=0．672，P<O．001；摇蚊组R=0．810，P<0．001)，可知LabileP的变化受DO和LabileFe控制，即LabileFe被氧化生成三价Fe(O0H)，同时吸附LabileP，使得LabileP和LabileFe同时降低。


在淡水系统中，磷是构成初级生产力和食物链最重要的生源要素，同时也是水体富营养化的主要限制因子⋯。一直以来，外源磷的大量输入，造成了湖}自富营养化等严重的环境问题。近年来，随着外源磷污染治理力度的不断加大，外源磷污染已得到初步控制，而内源磷污染强度呈现增加趋势并在湖泊污染中的贡献比例逐渐增大。因此，研究内源磷的释放机制对控制湖泊富营养化问题、维持湖泊健康具有重要意义。目前，关于内源磷污染的形成，普遍认为沉积物中的铁在控制内源磷释放中起到关键作用，在缺氧或厌氧条件下，氧化铁被还原，使得铁结合态磷向沉积物间隙水中释放和向上迁移，从而造成二次污染。这种铁结合态磷被认为是沉积物中重要的可移动性磷，其迁移转化受氧气、pH、氧化还原电位(Eh)、微生物活性等环境因素的影响。此外，生物扰动作为在沉积物中经常发生的生物过程，其对磷从沉积物向上覆水中的释放也有重要影响。


湖泊沉积物中的底栖动物通过挖穴、摄食、通风、排泄等活动影响沉积物一水界面磷等化学组分的物质交换，同时加强间隙水与上覆水的交换作用。摇蚊作为富营养化湖泊中底栖动物的典型代表，其幼虫在沉积物中构筑U形廊道，通过将上覆水引灌进洞穴向沉积物中输入溶解氧同时实现间隙水中磷等营养盐向上覆水中的扩散。然而在摇蚊扰动对磷向上覆水中释放的研究中仍存在分歧，例如：Gallepp和Fukuhara等的研究指出摇蚊扰动促进了沉积物中磷的释放；Lewandowski等和Reitzel等及Zhang等却发现摇蚊扰动会抑制沉积物中磷的释放；也有少量的研究者认为摇蚊扰动对磷的释放没有影响。存在分歧的原因可能是由于摇蚊的个体比较小，在毫米级，对其在生物扰动过程中的采样技术往往要求高分辨率，传统的压榨法、离心法和透析法破坏了沉积物原有的结构，Peeper(9minx9ram)和Rhizon技术虽保证了原位性分辨率却不够高。为此，为了能准确地研究摇蚊扰动对沉积物中磷释放的影响，迫切需要一种高分辨率的间隙水原位采样技术。


本文使用高分辨率(可达毫米级)的DGT技术进行原位采样分析。利用DGT技术测定摇蚊幼虫廊道周围LabileFe和LabileP的浓度并辅以溶解氧微电极测定微界面附近DO的含量，分析其变化规律，意在为准确揭示摇蚊扰动对沉积物中磷释放的影响这一科学命题提供更多依据。


1材料与方法


1．1 DGT的准备


本试验DGT固定膜采用Xu等发明的同时固定LabileP和LabileFe的ZrO．Chelex膜。组装时，将ZrO．Chelex膜、滤膜(whatman，0．45 m孔径)依次放在DGT装置底板上，盖上盖板，用鱼线(jus~on，0．33mm直径)穿孔将其绑紧。将组装好的DGT装置放人0．03mol／L的NaNO溶液中冲氮去氧至少16h并密封保存留着备用。


1．2试验设计


采样点选在富营养化程度较高的太湖藻型湖区梅梁湾(31。3031”N，120。1030”E)。利用大口径重力采样器(直径Ⅱ0mmX500ram)在该采样点采集沉积物柱样，沉积物深度不少于20cm，同时在该处取几桶湖水用于室内模拟培养试验。另用彼得森采样器采集少量沉积物，过2mm筛后从中挑选4龄期摇蚊幼虫，将收集到的摇蚊幼虫在有3cm厚沉积物的玻璃缸中好氧5℃暂养。所有样品采集后立即运回实验室。


培养试验在实验室内进行。将采集的沉积物按2em分层，同层沉积物收集在一起，过筛(60目)后依次填充到10根有机玻璃管(长40cm，直径Ⅱem)中，用虹吸法小心注入采集的湖水，制成沉积物高15em，上覆水高5em的沉积物柱样。将10根沉积物柱样每5根放人一个聚乙烯塑料桶(深45cm)中，往桶中缓慢加入湖水淹没培养，并用微孔曝气头曝气，水温控制在25℃，预培养16d以使沉积物达到稳定。稳定16d后挑选采集的4龄期摇蚊幼虫195条均分引入到一个桶的5根柱样中设置为摇蚊组(每根柱子39条，生物量为38．5Og／m，采样点现场生物量为4．34s／m)，另外一个桶中的5根柱子不加任何东西设置为对照组。


整个试验过程中控制每天光照培养12h，黑暗培养12h。


1．3样品采集


试验引入摇蚊幼虫后分4个时段(7d、46d、Ⅱ6d、140d)进行样品采集：从摇蚊组和对照组各取一根柱样，用溶解氧微电极(OX一100，Unisense，Denmark)测其沉积物一水界面处的DO浓度，摇蚊试验组微电极针要对着摇蚊洞穴孔插入。DO测定结束后取2个DGT装置，将其垂直缓慢分别插入2根柱样的沉积物中，保留3～5cm在上覆水中，稳定24h后拔出DGT装置，冲洗干净后沿着DGT盖板边缘划开，取出ZrO—Chelex膜。用切片刀将ZrO．Chelex膜切成长条状，逐一挑入离心管中。然后依次加入1mol／L的HNO和1mol／L的NaOH提取液分别提取被固定的LabileFe和LabileP各24h，将得到的提取液冷藏待分析。


1．4样品分析


LabileP的测定采用钼锑抗比色法；LabileFe的测定采用改进的菲罗啉比色方法。


1．5数据处理

根据式(1)计算与DGT接触的外界间隙水中LabileP和LabileFe的浓度：


式中：——固定膜上待测离子累积量，Ixg；△g——扩散层厚度，cm；D——离子的扩散速率，cm／s(可通过表格查得)；A——DGT-L．j#b界接触面积，em；f——扩散时间，s；CDGT——时间t内待测离子的平均质量浓度，mg／L。


由DGT测得的一维LabileP的垂向浓度可计算其从沉积物向上覆水的扩散通量。根据Fick定律由式(2)计算：


式中：．，——离子从沉积物向上覆水的扩散通量，．g／(cm。·d)(正值表示离子从沉积物向上覆水中扩散，负值反之)；咖——表层5mm沉积物的含水率(取0．9)；D——离子在沉积物中的扩散系数(可由离子在水中的扩散系数和。(i>0．7)算得)。