2、结果与讨论


2.1沉积物特征分析


从表1可见，经物理改良后沉积物的物理性质得到明显改善。水分含量和孔隙度明显升高，尤其是经过翻耕处理后效果最为明显。改良措施对沉积物剖面NH4+的垂向分布影响较大，其中覆沙和原位沉积物表现出相同的分布规律，即在底层（15——20cm）出现最大值，向表层和底层逐渐增大。而对于基底疏松如翻耕和划耕后的处理，NH4+在剖面上的最大值则出现在亚表层（5——10cm），然后随深度增加而其含量向表层和底层逐步减少。沉积物中TOC和NO3-的含量具有明显的垂向分布特征，前者随剖面深度增加而逐步增加，后者则降低。划耕和翻耕处理后，TN在剖面的分布呈现出表层高于低层的趋势。C/N通常被作为识别有机质来源和类型的一个重要指标，C/N越高有机质就越难降解，比值在5——6时，被认为是新鲜的或易降解的有机质组分；当比值高于10时，被认为是难降解有机质组分。从表1可看出，沉积物中C/N在各处理间变化较大，经覆沙、划耕和翻耕后均有不同程度的下降，其中沉积物翻耕处理后下降最为明显，而较低的C/N和通气状况对有机质的矿化分解至关重要，这可能成为间隙水营养盐的一个重要来源。


2.2物理改良措施对沉积物~水界面氧分布及剖面沉积物间隙水中营养盐分布的影响


间隙水营养盐的垂向分布如图1所示，在水土界面附近PO43-、NH4+、NO3-、NO2-存在明显的浓度梯度，除NO3-外，其他离子间隙水中含量高于上覆水。这可能与表层有机质较低的C/N和良好的通气状况有关（表1,表2），从而影响到营养盐的扩散迁移速率。将间隙水4种营养盐的浓度和剖面深度进行曲线拟合，发现两者符合Cx=C0⋅exp（α⋅x）的关系，其中C0和α为常数，~1＜α＜1,x为剖面深度（cm）。其中PO43-浓度随剖面深度增加而增加，在距离沉积物~水界面8——10cm时达到最大值，而后略有下降。NO2-、NH4+和PO43-呈现出类似的分布趋势，但划耕和翻耕处理后，NH4+在间隙水中含量最大值出现在界面附近的2——3cm左右。

表1不同的改良措施下沉积物的基本性质

图1沉积物间隙水中PO43-、NH4+、NO3-、NO2-的垂向分布

表2氧气在水土界面附近沉积物中的衰减方程


NO3-在间隙水分布与PO43-、NH4+和NO2-刚好相反，随深度增加，间隙水中含量急剧下降，在沉积物剖面10cm以下含量波动较小。在水土界面附近沉积物中氧气浓度随剖面深度增呈指数下降，也符合Cx=C0⋅exp（~k⋅x）关系，C0表示理想状态下沉积物界面处氧气的浓度（mg/L）；k为氧气衰减常数（mm-1），符合一级指数方程。对各处理沉积物间隙水中四种营养盐含量进行统计检验发现，与原位沉积物相比，划耕处理后PO43-在间隙水中含量显著下降（P＜0.05），覆沙和翻耕处理间隙水中含量虽略有下降但并不显著（P＞0.05）。


从图2各处理溶解氧的分布趋势看，氧气由上覆水向沉积物扩散，随深度增加O2含量急剧下降，氧气在沉积物1.2——3.0mm时接近0,经覆沙，翻耕与划耕分别处理后，沉积物氧气的渗透深度分别提高了60%,84%,136%,各个处理之间与原状沉积物相比，氧气的半浓度衰减深度在统计上均达到显著的差异（表2），结合前面覆沙、划耕和翻耕后间隙水中PO43-均有不同程度地下降，这说明提高沉积物~水界面氧化层厚度对降低间隙水中PO43-含量是可行的，这一点与范成新等研究一致。覆沙处理间隙水中NH4+含量下降，差异不显著，划耕和翻耕处理后间隙水中NH4+含量均增加，仅翻耕处理后差异显著。

图2 O2在水土微界面处的垂向分布


3种改良措施均能显著降低间隙水NO3含量（P＜0.05），其中划耕的效果最佳，将间隙水NO3-和底泥中交换态含量进行相关性分析，发现两者相关性并不显著，这说明间隙水中的含量并非主要是由底泥释放产生，宋金明等认为沉积物中吸附态NO3--N主要来自上覆水，其NO3--N的分布受上覆水中浓度和分布的影响。本研究中硝态氮在界面附近随剖面深度增加而急剧下降这一现象从侧面验证了这一推论。而划耕处理后NO3-含量最高从侧面也说明了该处理能显著改善间隙水中氧化还原电位，因为在氧化还原电位较低时间隙水中NO3-被还原为NO-2或NH4+.而NO2-在覆沙、翻耕和划耕后含量均有所增加，仅划耕处理差异显著（P＜0.05）。


NO2-含量增加可能与间隙水中NO3-含量相应增加有关，因为NO2-主要来源于NO3-反硝化过程。在沉积物界面以下溶解氧耗尽时，有机质产生大量NH4+,NO3-在缺氧条件下进行反硝化作用，这也导致随深度增加NO3-含量迅速锐减少而NH4+迅速增加。另外Iqbal等研究认为由于PO43-比NO3-有较强的化学吸附能，沉积物表面的矿化吸附点位一般被PO43-饱和，导致NO3-在沉积物颗粒上的吸附不充分，NO3-主要在沉积物的空隙水中积累。随剖面沉积物深度增加，沉积物孔隙度和含水量降低（表1），较低的渗透性会进一步限制NO3-的迁移，这也是NO3-沿剖面下降的原因之一。


2.3物理改良措施对磷赋存状态的影响


对沉积物样品采样连续提取方法得到不同的磷组分（图3），NH4Cl-P（弱结合态磷）在沉积物剖面上没有明显的分布规律，一般表层含量总体上高于下层，占总磷的0.29%——0.80%,最大值出现在覆沙处理10——15cm处。经覆沙、划耕及翻耕后，NH4Cl-P含量均有所增加，与原位沉积物含量相比覆沙和划耕差异显著（P＜0.05）。BD-P（铁磷）和NaOH-P（铝磷）提取态磷数量在总磷中所占的比例大体相当，是具有释放潜力的一部分磷，其含量基本可以反映出沉积磷的潜在释放量。铁存在着氧化还原平衡，随深度增加，沉积物还原能力大大增强，当Fe3+被还原为Fe2+时，结合的磷随着二价铁的溶出而被释放到间隙水，这也可能成为间隙水磷的一个重要来源。

图3各处理在不同深度的沉积物中不同磷形态占总磷百分含量


翻耕和划耕后表层沉积物氧化层厚度均显著增加，改良后铁磷在总磷中所占的比例均有所上升，覆沙和翻耕的处理铁磷虽有所增加但效果并不显著，划耕效果最佳，差异显著（P＜0.05）。其中0——5cm表层沉积物中铁磷比例增加比较明显。表层氧化电位提高促使Fe2+转化为Fe3+导致铁磷的形成。相反在厌氧条件下，铁磷、铝磷有向钙磷、闭蓄态磷转化的趋势。覆沙、翻耕和划耕对HCl-P及Res-P在总磷中所占比例影响不显著。HCl-P（钙磷及部分有机磷）是沉积物磷的主要形式，占总磷的43%——66%,随深度增加其在总磷中比例略有降低，这表明钙磷及部分有机磷有向表层积聚的现象，可能与表层较高的钙含量和有机质有关。而Res-P的剖面分布与NH4Cl-P类似，表层含量略高于下层，其含量在总磷中比例次于HCl-P,两者占总磷的66%——83%.而朱光伟等调查长江中下游湖泊发现后两者在总磷中的比重达到90%以上，高于南四湖。Lopez等认为Res-P主要是一些惰性有机磷和不易被转化的无机磷组成。一般认为，NaOH-P,HCl-P和残渣态磷不参与养分循环，相比之下，PO43-,NH4Cl-P,BD-P和易分解有机磷可作为有机体的有效养分参与地球化学过程。


3、结论


3.1物理改良措施能明显改善湿地沉积物的物理性质如容重、空隙度、C/N、氧气渗透深度等，采用底质疏松的方法与覆沙处理达到了较为一致的效果。


3.2剖面沉积物间隙水中PO43-、NH4+、NO3-和NO2-含量在水土界面附近的沉积物中呈指数分布，其中划耕和翻耕措施改变了沉积物间隙水中铵氮的分布状况，表现出与原位沉积物中相反的分布趋势。3种改良措施均可增加沉积物~水界面沉积物氧化层厚度，从而有效减少间隙水中可溶性PO43-,划耕效果最佳差异显著。


3.3改良措施能有效提高NH4Cl-P及BD-P（铁磷）的比例，尤其是表层沉积物中的含量。间隙水中PO43-主要受制于沉积物中弱结合态含量及铁磷含量，而间隙水中硝态氮分布受上覆水中的浓度和分布影响。