摘要


沉积物压实是导致湖滨湿地退化和萎缩的主要因素之一。本研究实施了一种新型且相对经济的原位技术，通过疏松表层沉积物来缓解这一问题。在中型培养槽中，研究了轻度疏松法（十字形耕作，CT）、重度疏松法（犁耕，PT）和覆沙法（SC）对沉积物性质和芦苇生长的影响。结果表明，疏松沉积物方法，尤其是PT，增加了沉积物上部0–5 cm的孔隙度和含水量，降低了容重。水–沉积物界面的O₂交换加速了36%和52%（从对照处理CK的大约4.73分别增加到PT的7.21和CT的6.45 mmol O₂ m⁻² d⁻¹）。SC、PT和CT方法增加了底层水中的O₂浓度和O₂渗透深度（在准稳态情况下约一周），范围从CK的0.79±0.08 mm分别增加到SC的2.44±0.27 mm、PT的1.45±0.09 mm和CT的2.38±0.28 mm。相比之下，SC、PT和CT中芦苇的相对生长率分别显著增加到9.2、12.8和12.9 mg g⁻¹ d⁻¹，比对照增加了1.3至1.9倍。基于我们的结果，我们建议适当疏松压实沉积物的方法作为湖滨湿地恢复的一种替代方案。


1. 引言


湖滨湿地由于多种压力（如频繁的干湿波动、年风浪侵蚀和人类活动）而正在不规则发展甚至消失。这些活动也不可避免地导致沉积物质量下降，表现为表层沉积物压实、大孔隙度降低和水力传导度降低。因此，根系穿透力降低和水分入渗减少，阻碍了水、溶质和气体在沉积物中的传输和反应，从而影响了水生植物的定植和生长。在南四湖，自20世纪80年代以来湿地萎缩加速，到2006年底面积急剧减少483 km²，生物量减少1.25×10⁶ t，与1983年的信息相比减少了41%。特别是挺水植物的生物量和多样性下降最快，其次是浮叶植物和沉水植物。目前，在湿地恢复过程中，刻不容缓地改善这些退化沉积物已成为一个紧迫问题。


近年来，已经实施了重要的实践，如覆盖田间土壤、沙子、粘土矿物、疏浚沉积物或表层土壤去除等，以为各种湿地动植物创造关键栖息地。然而，这些通过化学或物理手段重建表土特性或去除污染物的常规技术相对复杂且成本高昂。因此，恢复湖泊、河流和沿海水域表层沉积物压实的概念需要一种低成本、低技术的替代方案来替代常规方法，用于生态恢复和重建。沉积物原位修复可能是一种相对经济有效且非侵入性的方法，可以解决退化沉积物问题，并且可能与其他更昂贵的方法同样有效。疏松表层沉积物被推荐为一种新的、有前景的压实沉积物修复替代方案，因为它最大限度地减少了对沉积物的扰动，破坏了限制水生植物生长的沉积物层，缓解了压实并增加了孔隙度，从而改善了表层沉积物中水和氧气的传输。因此，改良湖滨沉积物在经济上和实践上已变得可行。为了有效管理这些疏松实践并评估其效果，有必要优化疏松强度特性和疏松方法。


在本研究中，我们假设适当的疏松方法可以促进挺水植物的生长并减少沉积物中营养物质的释放量。因此，我们研究了疏松方法对沉积物上部物理条件的影响，从而间接影响挺水植物（芦苇）的生长，以及营养物质和氧气跨水–沉积物界面的传输过程。此外，我们研究了覆沙方法作为与疏松方法进行比较的基础。


2. 材料与方法


2.1. 研究区域


南四湖（包括四个湖泊）位于中国山东省西南部，面积1226 km²，长度126 km，宽度5–25 km。它是一个中营养型湖泊，年最大水位波动达3.20 m。本研究区域（117.1°E，34.7°N）位于南四湖东南部，如图1所示。干湿交替期和年风浪侵蚀对湖滨沉积物性质产生了相当大的影响。湖滨表层沉积物中的许多细小肥沃颗粒被从湖滨输送到离岸区域。此外，由于干湿交替期，表土形成了硬壳。结果，表层沉积物趋于压实和贫瘠，大量挺水植物消失或死亡。因此，恶化沉积物的现状迫切需要立即改善，挺水植物群落需要恢复；因此，先锋植物芦苇被尝试作为恢复物种。

图1. 中国山东省南四湖地图，显示了调查湿地的地理位置，沉积物和原位孔隙水于4月15日至9月15日期间采集。

2.2. 实验设计


采用了来自三个代表性湖滨实验地点的三种物理修复实践来改善沉积物的化学和物理性质，并为植物创造自然生长条件。这些实践包括覆沙（SC）、犁耕（PT）、十字形耕作（CT）和对照（CK）。SC用50 mm厚的清洁沙层覆盖上层沉积物；PT通过旋耕机耕作20 cm深的表层，疏松并彻底混合上部20 cm的沉积物，代表一种重度扰动沉积物方法；CT使用不锈钢刮刀以5 cm的间距刮擦上部沉积物20 cm深，轻微疏松但不混合表层沉积物，代表一种轻度扰动沉积物方法；CK代表对照，使用未扰动的原位核心沉积物。实验地点的沉积物经过SC、PT和CT处理后，一周后从实验地点随机获取沉积物核心（包括SC、PT、CT和CK处理，每个处理三个重复），并运送到中型连续流培养系统中，以30±3 cm的适宜生长水深进行培养研究，时间为4月15日至9月15日。


从南四湖湿地采集了大小、成熟度和生物量相似的芦苇，将带有10 cm长根状茎的单株插条种植在沉积物核心中（内径17 cm，30 cm厚的沉积物层）。芦苇在15、30、60、80、100、120和150天收获，每次收获时，从每个处理中移除三个重复核心。小心移除芦苇以尽量减少对植物的损害，并用自来水冲洗以去除任何碎屑。记录芦苇性状（总生物量、细根和地下生物量以及株高）以测量植物生长对每个处理的响应。此外，通过三苯基氯化四氮唑（TTC）法测量根系活性。植物材料在80°C下烘箱干燥72小时并称重以评估生物量。计算植物生物量中的细根比例和地下生物量比例，以评估芦苇的生物量分配。


为了比较各处理之间芦苇的不同生长阶段，使用单位时间内植物生物量和大小的增加率，或相对生长率（RGR）和相对伸长率（RER）来描述植物生长。RGR = 1/Q₀ × dQ/dt，RER = 1/H₀ × dH/dt，其中Q₀和H₀分别为初始生物量和株高，dQ/dt和dH/dt分别为实验期间单位时间内植物生物量和大小的增加量。


2.3. 沉积物采集与分析


在培养实验结束时，将沉积物核心分为四层：0–5 cm、5–10 cm、10–15 cm和15–20 cm。采集后，这些子样品风干，通过60目筛，然后在4°C下避光保存直至分析。按照常规程序从每个处理中采集沉积物样品进行实验室物理和化学分析。含水量（WC）通过在105°C下将沉积物样品干燥至恒重来测量。用圆柱形容器（内径5 cm，长度8 cm）松散填充未扰动的新鲜沉积物来测量容重。总有机碳（TOC）使用TOC分析仪（LiquiTOC II，德国Elementar公司）定量。可用NH₄⁺和NO₃⁻用2 mol L⁻¹ KCl提取，PO₄³⁻用1 mol L⁻¹ NH₄Cl提取（30 min，液固比为5，w/w）。


总氮（TN）和总磷（TP）按照标准方法测定。这些野外样品的物理和化学性质总结在附录A中。