沉积物-水界面营养盐交换通量的研究进展

沉积物-水界面是水环境中水相和沉积物相之间的转换区,对水环境中物质的循环、转移、贮存有重要的作用。本文总结了国内外的主要研究成果,概述了沉积物-水界面营养盐交换研究的时空分布情况;分析了营养盐交换通量的研究方法、沉积物-水界面营养盐的迁移转化过程、沉积物中营养盐的赋存形态及累积规律和沉积物-水界面营养物质的生态效应等方面的研究进展和发展趋势。对在这一领域的进一步研究具有参考意义。     

污染河口区沉积物-水界面营养盐交换通量的实验研究

采集青岛市李村河口下游沉积物柱状样品,通过实验室培养实验,研究了溶解氧、温度、盐度、生物扰动等环境因素对沉积物-水界面营养盐交换通量的影响。结果表明,NO3-N、NH4-N、PO4-P在贫氧环境下的交换通量要高于富氧条件下,NO2-N受溶解氧含量的影响较小;随着温度的升高,NO3-N、NH4-N、PO4-P的交换通量增大,而NO2-N的交换通量减小;NO2-N和NH4-N的交换通量随盐度增大而增大,NO3-N减小,而PO4-P受盐度的影响较小;生物扰动对营养盐在沉积物-水界面的交换通量的影响显著。     

渤海湾沉积物和水界面间营养盐交换通量及影响因素

通过2006年5～10月对渤海湾的6个采样站位进行沉积物和水界面间营养盐交换通量的测定,以及相关影响因素的实验室培养实验,得出了渤海湾交换通量的实测值以及不同海水环境下交换通量的实验值.实验结果显示,测定期间渤海湾沉积物大部分时间内是营养盐的源;SiO2-3界面交换通量值较大,且具有较强的季节变化;NO-3在含氧量较高、pH值较低和水温较低、以及存在生物扰动的条件下呈现较大的交换通量,而NH+4、SiO2-3和PO3-4呈相反变化趋势.     

秋季牟平海洋牧场及其邻近海域沉积物-水界面营养盐交换通量

本研究于2017年11月在牟平海洋牧场及其邻近海域采集表层沉积物样品,通过实验室模拟培养法估算了该季节沉积物-水界面营养盐的交换通量,并研究了溶解氧与温度对交换通量的影响。结果表明,目标海域沉积物水界面NO₂-N、NO₃-N、NH₄-N、PO₄-P的交换通量平均值分别为1.01、-181.91、-268.41、-45.69 μmol/（m2·d）,沉积物表现为NO₂-N的"源",NO₃-N、NH₄-N、PO₄-P的"汇"。溶解氧及温度均对交换通量有较大影响,富氧条件下NO₂-N、NH₄-N、PO₄-P交换通量大于贫氧条件,NO₃-N反之;温度升高,NO₂-N、NO₃-N、NH₄-N的交换通量增大,PO₄-P反之。     

桑沟湾和胶州湾夏季的沉积物-水界面营养盐通量研究

1999年8月通过原样培养研究了黄海的桑沟湾和胶州湾潮下带沉积物-海水界面的营养盐通量.结果表明,两个湾的沉积物均向水层释放NH4-N,通量为0.76(桑沟湾)和0.67 mmol/m2·d(胶州湾),对水层初级生产所需无机氮的贡献为14%(桑沟湾)和12%(胶州湾);桑沟湾的沉积物对PO4-P有净吸收,通量为-1.17mmol/m2·d,而胶州湾的沉积物释放PO4-P,通量为0.01 mmol/m2·d.与其他近岸浅海环境相比,桑沟湾和胶州湾的沉积物-水界面营养盐通量及对水层初级生产的贡献率均处于较低水平.回归统计分析表明,桑沟湾和胶州湾沉积物-水界面的NH4-N通量与沉积物表层的C、N含量正相关,PO4-P通量与沉积物耗氧率和上覆水PO4-P浓度相关.     

春季珠江口内营养盐剖面分布和沉积物-水界面交换通量的研究

2005年春季(4月)对珠江口内6个站位的营养盐剖面分布及沉积物-水界面的交换通量进行了全面研究。在获取该海域沉积物间隙水营养盐剖面资料的基础上,估算了沉积物-水界面营养盐的交换通量,并且与实验测定的沉积物-水界面交换通量进行了对比。研究结果表明,珠江口内间隙水营养盐在不同站位间含量差异明显,呈现出由河口向外海逐渐降低的分布趋势。对于大多数站位营养盐,交换实验得到的通量大于利用间隙水浓度梯度法估算的结果,交换实验具有更高的分辨率。应用交换实验测定的沉积物-水界面交换通量,体现了营养盐扩散和界面反应的综合作用结果。研究区域的NH4+,NO3-,NO2-,SiO44-和PO43-的交换通量分别为-1.318 4~0.985 4,-0.558 3~0.469 2,-1.518 8~0.143 8,-1.967 3~3.883 1和-0.246 4~0.093 9 mmol.d-1.m-2。     

香溪河沉积物-水界面的营养盐交换特征

为研究香溪河库湾沉积物-水界面的营养盐交换特征,于2016年6月采集香溪河库湾上覆水和沉积物间隙水样品,分析不同形态氮、磷的空间分布特征并进行相关性分析,计算沉积物-水界面氮、磷的释放通量.结果表明:香溪河库湾上覆水和沉积物间隙水中ρ（TP）的变化范围分别为0.484~0.927和0.511~2.220 mg/L,ρ（TN）的变化范围分别为0.739~4.302和3.571~14.011 mg/L;上覆水和沉积物间隙水中氮、磷质量浓度在沿程和垂向上具有一定的变化规律,上游区域沉积物间隙水中氮、磷质量浓度大于下游区域,沉积物间隙水中氮、磷质量浓度明显大于上覆水;香溪河沉积物总体上表现为PO₄3--P和NH₄+-N的"源",中下游区域沉积物表现为NO₃--N的"源",而中上游区域表现为NO₃--N的"汇";PO₄3--P的释放通量范围为0.129~0.339 mg/（m2·d）,NH₄+-N的释放通量范围为0.213~1.415 mg/（m2·d）,NO₃--N的释放通量范围为-1.109~3.446 mg/（m2·d）.研究显示,上覆水的环境条件对于沉积物-水界面营养盐交换存在一定的影响,但影响程度各有不同.      

东海沉积物-海水界面营养盐交换通量的初步研究

用实验室模拟法研究了2002年4月30日～5月17日和2002年8月26日～9月10日东海两个航次硅、磷、氮营养盐12个站位沉积物-海水界面上的交换通量,采用连续函数拟合的方法计算了营养盐界面交换速率.结果表明,春、夏季SiO3-Si在东海沉积物-海水界面上均表现为由沉积物向水体的转移,平均交换速率为4 12 mmol/m2·d.PO4-P、NH4-N、NO2-N和NO3-N则随站位的不同有一定的差异,平均交换速率分别为-0.01、0.48、-0.02和-0.07 mmol/m2·d.平均两个航次的结果,SiO3-Si、PO4-P、溶解无机氮(DIN)在东海沉积物-海水界面上的交换通量分别为3 18×1012、-7 37×109和2.95×1011mmol/d,可提供维持东海初级生产力SiO3-Si的55%、DIN的5.1%.     

春季大亚湾海域沉积物-海水界面营养盐的交换速率

2007年4月应用实验室培养法研究了大亚湾海域沉积物-海水界面营养盐的交换速率(ν)和交换通量(F),并与间隙水分子扩散模型计算结果进行了对比。结果表明,νDIN变化范围为304.21~441.92μmol/m2.d,平均为368.05μmol/m2.d,νPO4-P变化范围为27.08~110.21μmol/m2.d,平均为48.64μmol/m2.d,νSiO3-Si变化范围为1878.10~6024.40μmol/m2.d,平均为3653.84μmol/m2.d。与间隙水分子扩散模型计算结果相比较,两者之间存在数量级的差异。产生差异的原因在于,间隙水分子扩散模型在浅水海湾中应用时没有考虑到沉积物底栖生物活动以及风浪扰动等因素的影响。大亚湾海域春季FDIN/SE为2.03×107mol,FPO4-Pi/SE为2.68×106mol,FSiO3-Si/SE为2.02×108mol,为维持大亚湾春季的初级生产力,沉积物交换过程可提供约10%的DIN、21%的PO4-P和98%的SiO3-Si。     

闸控河流潜流带沉积物-水界面营养盐分布及交换通量研究

为揭示闸控河流潜流带营养盐“源/汇”特征,本研究以淮河流域沙颍河槐店闸河道为研究对象,于2021年1月中旬实施了蓄水调控背景下的原位沉积物采集实验,通过分析氮磷营养盐在沉积物-水界面的分布与扩散通量,识别了潜流带营养盐“源/汇”角色,探明了闸控河道内源风险。结果表明：1)间隙水NH⁺₄-N与TP浓度分别是上覆水体的6.5与1.1倍,表明沉积物-水界面营养盐存在显著浓度梯度,极易造成潜流带NH⁺₄-N、TP向上覆水迁移;2)经综合污染指数评价得出,上覆水与间隙水水质处于重污染或严重污染状态,且闸下污染程度显著大于闸上,表明蓄水调控对闸下水域产生了负面影响;3)沉积物-水界面的NH⁺₄-N、NO^-₃-N、TP交换通量分别为0.39～10.07、-3.45～-2.04、-0.09～0.17 mg/(m²·d),表明沉积物为NH⁺₄-N的“源”,NO     

胶州湾、套子湾及四十里湾表层沉积物中有机氯农药的含量和分布特征

从胶州湾、套子湾及四十里湾海域和邻近河流采集了48个表层沉积物样品,采用气相色谱的分析方法对沉积物中有机氯农药(HCHs、HCB和DDTs)进行了测定,目的是探讨其在该研究区域的分布特征和来源.结果表明,胶州湾HCHs、HCB与DDTs的含量平均值分别为0.33、0.31和10.33 ng·g-1;套子湾及四十里湾的平均值分别为0.26、0.10和4.56 ng·g-1.相对于国内其他海域,胶州湾沉积物中OCPs偏高,特别是DDTs的含量;而套子湾及四十里湾沉积物中OCPs含量水平较低.对OCPs的分布特征及其来源进行分析得出,研究区域HCHs主要是历史残留,但是个别站位高含量的γ-HCH则表明了存在林丹的点污染源;而DDTs主要来源于工业DDTs,但是在胶州湾青岛港附近的站位o,p’-DDT/p,p’-DDT较高,暗示该区域受到三氯杀螨醇类型DDTs的污染.胶州湾高含量的DDTs需要引起足够的重视.     

渤海湾西岸入海径流量和输沙量的变化及其环境效应

以渤海湾西岸天津段入海河流的径流量和输沙量数据为基础,采用Kendall秩相关检验法和Mann-Kendall法对近50年入海径流量和输沙量进行了趋势分析和突变性检验.结果表明,近50年来渤海湾西岸天津段入海径流量和输沙量均呈显著下降的趋势.近50年来华北地区降水量减少、天然径流偏低是导致入海径流量减少的自然因素,而流域人类活动如水库和防潮闸的建设,以及沿河取水取沙也是不可忽视的重要因素.该段海岸入海径流量和输沙量的减少已导致河口区盐度上升、水质恶化、沉积物污染等问题,最终会影响河口生态系统的结构和生物资源的可持续发展与利用.     

烟台四十里湾柱状沉积物氮形态地球化学特征

采用连续浸取法首次对烟台四十里湾柱状沉积物不同形态的氮进行分离,并对其垂直地球化学特征和影响因素进行分析研究.可转化态氮分为离子交换态氮(IEF-N)、弱酸浸取态氮(WAEF-N)、强碱浸取态氮(SAEF-N)、强氧化剂浸取态氮(SOEF-N).结果表明,在沉积物表层(0～10 cm)可转化态氮占总氮的26.14%,并随着深度的增加而含量降低.各形态氮占可转化态氮比例平均大小顺序为SOEF-N(89.7%)>IEF-N(7.97%)>WAEF-N(1.19%)>SAEF-N(1.14%),说明SOEF-N是可转化态氮中的绝对优势态.不同形态氮与沉积物地球化学参数之间的相关关系分析表明,沉积物含水率、总有机碳、pH值、氧化还原电位、粒度组成等因素在一定程度上影响各形态氮含量,但各站位柱状样因其沉积物特征不同受各参数影响程度也不同.     

海州湾及其临近海域沉积物-水界面的磷形态特征与动力学

对海州湾采集的沉积物样品进行磷形态分析,采用实验室培养法对采集的海州湾取样站位进行磷酸盐沉积物-水界面交换研究。结果表明:海州湾及其临近海域表层沉积物磷呈现出从近海海域向远海海域增大的趋势;Fe-P、F-P、R-P均与S-P显著相关,其中F-P和R-P与S-P相关性最好,达极显著水平,且F-P和R-P显著相关,说明F-P和R-P与陆源污染物排放有关,F-P和R-P在来源上具有一致性;海域中的PO43--P在大部分的站位PO43--P在沉积物-海水界面上的交换量随时间的变化,先增加到最大值后再逐渐减小,表明在培养实验的初期,PO43--P由沉积物向海水中释放,然后海水中的PO43--P向沉积物转移,随着时间的推移,沉积物中的PO43--P向海水中转移,少部分的站位PO43--P在沉积物-海水界面上的交换量随时间的变化,呈现出S型变化;当生物存在时,PO43--P在实验站位点沉积物-海水界面上的交换量都随时间的推移逐渐增大,达到最大值后再逐渐减小;没有生物存在时,PO43--P在实验站位点沉积物-海水界面上的交换量都随时间的增加,呈现出S型增加,说明生物扰动和微生物的分解作用对PO43--P沉积物-海水界面上的交换量有较大影响。     

大连湾海域营养盐时空分布、结构特征及其生态响应

基于2012年夏秋季大连湾海水中溶解态和不同粒级颗粒物中氮、磷、硅、叶绿素a的调查资料,对大连湾海水不同粒级颗粒物中营养盐和叶绿素a的时空分布特征进行了分析,对不同粒级浮游植物的营养要素组成及营养盐结构特征进行了探讨.结果表明,大连湾海水中溶解态营养盐、叶绿素a高值区主要出现在臭水套和甜水套湾附近海域,并由湾内向湾外递减,各粒级颗粒物中营养盐分布趋势存在着不一致性,但高值区易出现在西北部海域; 除无机氮外,海水中营养盐总体表现出秋季高于夏季,各粒级叶绿素a浓度表现为夏季高于秋季;磷是大连湾海水中浮游植物生长的限制元素,硅是不同粒级浮游植物营养盐的限制要素;微微型浮游植物对现有的营养结构更具适应性.     

大亚湾表层沉积物间隙水与上覆水中营养盐分布特征

通过2007年4月和8月2次对大亚湾内13个站位的采样分析,探讨了表层沉积物间隙水和上覆水中营养盐含量的时空分布特征,估算了沉积物一海水界面营养盐的扩散通量,并对间隙水和上覆水中的营养盐含量进行了相关性分析.结果表明,大部分表层沉积物间隙水中营养盐含量远高于上覆水,但两者不具有相同的含量分布趋势.PO34-P、SiO23-Si、NH4 4 -N、NO-2-N和NO-3-N在沉积物-海水界面的平均扩散通量分别为9.22、444.99、13.49、20.71、8.99p,mol·m-2·d-1.相关性分析表明,营养盐在间隙水和上覆水中的含量均无明显相关性,说明间隙水中赋存营养盐的浓度并不是其上覆水中营养盐含量的决定因素.