[专稿]湖泊沉积物-水界面研究进展与展望   总被引：2，自引：0，他引：2  

范成新 《湖泊科学》2019,31(5):1191-1218

湖泊沉积物-水界面是以水层/沉积层物相为基础、具有一定立体尺度的交接面，界面上所发生的由生物积极参与的物理、化学和生物学微小反应和环境变化，都会对界面附近物质的状态和迁移转化行为产生着复杂影响.本文首先回顾了沉积物-水界面研究100多年来的发展历程及国内外近20年发展.然后系统介绍了国际上对沉积物-水界面的物理尺度与结构的宏观和微观认识；重点综述了沉积物间隙水的取样、物化性质的多维测定与结构表征、过程的静态和动态模拟等湖泊沉积物-水界面研究技术与方法；分析和展示了氮磷等营养物、重金属和持久性有机污染物在湖泊沉积物-水界面迁移转化过程的研究进展；总结和归纳了在沉积物-水界面过程的模型研究、沉积物-水界面物质交换的定量化、界面过程与湖泊生态环境灾害关系等模型与过程效应方面的研究成果.最后对沉积物-水界面信息获取技术的研发方向、界面物质交换定量化研究的关注点，以及加强模型的应用和构建等方面进行了展望.  相似文献   

太湖藻型湖区沉积物中生物易降解物质组成及分布规律   总被引：2，自引：0，他引：2  

祁闯  方家琪  张利民  雷波  汤响成  王国祥 《湖泊科学》2019,31(4):941-949

为研究富营养化湖泊藻型湖区沉积物中生物易降解有机质的组成及其垂向分布特征，选取太湖竺山湾湖滨带和开敞湖区采集沉积物柱状样，利用微电极技术测定沉积物-水界面理化指标的剖面特征，并对沉积物中含水率、烧失量、色素含量、总有机碳、总氮以及生物易降解物质（总蛋白、总糖和总脂）进行测定.结果表明：藻型湖区沉积物-水界面处溶解氧、pH和氧化还原电位在垂向剖面上呈现出随深度增加而下降的趋势，空间上存在明显的异质性，湖滨带沉积物-水界面溶解氧、pH和氧化还原电位显著低于开敞湖区，而沉积物-水界面H₂S浓度在垂向上则表现为随深度先降低而后升高的趋势.此外，藻型湖区沉积物中生物易降解有机质的组成和分布同样存在明显的空间异质性.组成上以脂类（7.7 mg/g）为主，其次是糖类（4.5 mg/g），蛋白质（0.8 mg/g）含量最低；空间上，湖滨带沉积物中生物易降解有机质含量显著高于开敞湖区，表层15 cm以上沉积物含水率和烧失量较高，有机质含量丰富.  相似文献   

湖泛水体沉积物-水界面Fe²⁺/ΣS^2-迁移特征及其意义     

申秋实  范成新  王兆德  张雷  刘成 《湖泊科学》2016,28(6):1175-1184

湖泊水底Fe~(2+)和ΣS~(2-)浓度的快速增加是湖泛暴发最早发生于沉积物-水界面的主要前提,缺氧环境下水底扩散层附近Fe~(2+)和ΣS~(2-)的迁移是其在沉积物-水界面处稳定积累的重要原因.以蓝藻聚积水体沉积物-水界面为研究对象,应用湖泊过程模拟装置及间隙水被动采样等技术,重点研究了间隙水和底层上覆水中Fe~(2+)和ΣS~(2-)的垂向分布特征,并定量估算了二者的扩散通量及迁移方向.结果表明:湖泛样品水体沉积物-水界面处于典型的还原性环境,表层沉积物间隙水中Fe~(2+)和ΣS~(2-)浓度显著高于对照样品,二者在表层沉积物中积累趋势明显.湖泛水体沉积物-水界面处Fe~(2+)释放通量较高,表现出较强烈的自沉积物向上覆水方向的释放能力;而湖泛样品ΣS~(2-)在沉积物-水界面处释放通量为负,迁移方向为自上覆水向沉积物扩散.Fe~(2+)和ΣS~(2-)在湖泛水体沉积物-水界面处不同的迁移特征证明:缺氧/厌氧条件下,湖泊水体表层沉积物间隙水中高浓度Fe~(2+)向上覆水的扩散为湖泛致黑物质的形成提供了重要的物质基础;底层上覆水及界面水中SO~(2-)4在表层沉积物中被还原,为终端还原产物ΣS~(2-)为湖泛致黑物质的形成提供了另一重要物质来源.  相似文献   

水动力条件对沉积物-水界面氧通量的影响   总被引：2，自引：0，他引：2  

郑阳华  邹浩东  何强  李宏  张青  陈德敏  艾海男 《湖泊科学》2018,30(6):1552-1559

氧环境决定了水体沉积物中各种生命所需元素的最终归趋，沉积物-水界面是水相与沉积物相氧传递的重要场所，而水动力条件是影响沉积物-水界面氧传递的重要因素.选择三峡库区一级支流御临河为研究对象，根据长年监测数据建立实验室模型，采用声学多普勒流速测试仪及微电极测试系统构建了非侵入式涡度相关测试系统，探究了不同水动力条件对沉积物-水界面氧通量的影响.结果表明：水体静止状态下沉积物-水界面溶解氧浓度随时间的增加而减少，非静止状态下随时间的增加而增加；沉积物-水界面氧通量随水体流速的增加而增加.根据氧通量求解对应流速下垂直涡动扩散系数并进行线性拟合，当水体流速为0.01~0.14 m/s时，垂直涡动扩散系数与水体流速的相关性最好，此时沉积物-水界面氧通量的传递以涡动扩散为主导.  相似文献   

冰封期乌梁素海沉积物-水界面氨氮的交换特征     

姜涛  张生  赵胜男  史小红  孙标  田伟东  韩知明  吕杰 《湖泊科学》2019,31(1):81-87

为揭示冰封期氨氮（NH₄⁺-N）在沉积物-水界面的迁移机制及内源性营养盐对全湖污染的贡献，于2018年2月初在乌梁素海湖区7个采样点采集了上覆水体与沉积物样品，得到了冰封期上覆水体与沉积物间隙水中的NH₄⁺-N浓度，估算了沉积物-水界面NH₄⁺-N的扩散通量.结果显示，上覆水体中NH₄⁺-N浓度变化范围为0.55~1.60 mg/L，平均值为1.05 mg/L，0~5 cm表层沉积物间隙水中NH₄⁺-N浓度是上覆水体中的10倍以上，其变化范围为6.64~18.63 mg/L，平均值为11.92 mg/L.估算沉积物间隙水NH₄⁺-N向上覆水体的扩散通量为1.282~4.269 mg/（m²·d），表明在湖水冻结过程中，底泥沉积物接纳了大量的可溶性污染物成为内源污染源，会在冰封稳定期、融冰期和融冰后的一段时间内成为湖水的主要污染源.  相似文献   

纳米气泡改性矿物颗粒的湖泊沉积物-水界面增氧效果实验研究     

余萍萍  王敬富  陈敬安  张耀  陈权  卢耀庭 《湖泊科学》2019,31(1):65-71

季节性缺氧导致夏季沉积物内源磷强烈释放，加剧水体富营养化，是我国西南地区深水湖泊（水库）面临的重要挑战.有效增加夏季缺氧期深水沉积物-水界面的含氧量，是减少内源磷释放的关键.现有的深水增氧技术由于缺乏对沉积物-水界面增氧的针对性，因此治理效果有限.近年来，纳米气泡已被证实具有的稳定性好、氧传质速率高和环境风险低等优点，为新型深水增氧技术研发提供了巨大潜力.本文以天然矿物材料白云母、绢云母、硅藻土和沸石为基底，负载纳米气泡，研发纳米气泡改性矿物颗粒技术，开展湖泊沉积物-水界面增氧模拟实验研究，运用平面光电极技术评估其界面增氧效果.结果表明，纳米气泡改性矿物颗粒对沉积物-水界面具有比较明显的增氧效果.其中，改性白云母、绢云母和沸石的界面持续增氧时间可达7天以上，增氧后的界面最大溶解氧（DO）浓度达4.40 mg/L，而改性硅藻土不具有增氧能力.其次，矿物粒度对改性颗粒的增氧效果有一定影响：粒度越细，界面的最大增氧浓度越高，且持续增氧时间越长.纳米气泡改性矿物颗粒技术有望成为夏季缺氧期深水沉积物-水界面精准增氧和内源污染控制的有效技术手段.  相似文献   

不同溶解氧水平下湖泊底泥-水界面磷交换影响因素分析   总被引：15，自引：2，他引：13  

龚春生  范成新 《湖泊科学》2010,22(3):430-436

在实验室控制条件下,研究了玄武湖底泥在饱和溶解氧、75%、50%、25%、0%溶解氧水平下底泥-水界面磷交换,探讨了溶解氧对底泥-水界面磷交换的影响途径.结果表明:(1)上覆水溶解氧与玄武湖底泥溶解性磷酸盐、溶解性总磷释放速率呈开口向上的抛物线关系;(2)上覆水溶解氧水平可以决定磷在底泥-水界面交换中的转换方向,而且还影响间隙水中溶解氧扩散深度,25%、50%、75%和饱和溶解氧水平下溶解氧最大扩散深度分别为0.974cm、1.377cm、1.687cm和1.948cm,溶解氧在间隙水中最大扩散深度影响底泥-水界面的磷交换;(3)溶解氧可通过影响底泥-水界面处电位、藻类聚磷作用以及pH来影响底泥-水界面的磷交换.  相似文献   

东太湖水温变化与水-沉积物界面热通量初探   总被引：1，自引：0，他引：1  

曾野  朱金格  王艳平  胡维平 《湖泊科学》2018,30(6):1599-1609

水温对沉水植被的生长和分布具有重要作用，水-沉积物界面热通量对浅水湖泊水温变化的影响值得关注.东太湖是我国东部典型的草型浅水湖区，采用自2013年11月至2015年10月对东太湖湖心进行的不同深度水体及沉积物温度高频观测数据，结合东太湖表层沉积物的热力学性质计算了水-沉积物界面热通量，分析了东太湖水温和水-沉积物界面热通量的变化特征并探讨了其影响因素.结果表明：东太湖各深度水体日升温过程随水深增加后延，升温过程夏季延长，冬季缩短；表层水温日变幅最大，底层水温日变幅次之，沉积物温度日变幅最小，各深度温度日变幅夏季最小、冬季最大；春季和夏季升温过程中各深度日均温变化沿水深存在约1天的延迟，秋季和冬季无此现象；2015年与2014年东太湖温度变化趋势相同，同比月均温差与气温差呈线性相关.沉积物8：00-19：00向水体放热增加或从水体吸热减少，19：00至次日8：00放热减少或吸热增加；3-9月从水体吸热，为热汇，10月至次年2月向水体放热，为热源，沉积物全年为湖泊热源；逐日水-沉积物界面热通量每月6至15日存在相对年变幅较小幅度的正弦式波动.水温和水-沉积物界面热通量的变化主要受太阳辐射和气温的影响，二者对气象参数的响应具有迟滞现象；水-沉积物界面热通量与水温呈负相关，其变化相对水温迟滞，水-沉积物界面热交换的主要作用为缓冲湖泊水体的热量变化；夏季，沉水植物能降低湖泊各层水温和垂向水温差.  相似文献   

湖泊底泥疏浚环境效应:Ⅰ.内源磷释放控制作用   总被引：9，自引：1，他引：8  

钟继承  刘国锋  范成新  张路  丁士明  任小龙 《湖泊科学》2009,21(1):84-93

通过为期一年的疏浚模拟试验,在试验室培养疏浚与对照柱样研究了底泥疏浚对内源磷释放的控制效果．结果发现,疏浚表层30cm能够有效的消减沉积物中不f司形态磷含量与孔隙水中PO4^3-P含量．在一年的试验周期内,疏浚和对照柱沉积物-水界面的PO4^3-P通量分别为-143．8至14．4与-237．3至3047．6μg／（m^2·d）,疏浚柱沉积物-水界面的磷通量总体上低于未疏浚对照的磷通量,尤其是在温度较高的月份,从2006年3-10月疏浚柱沉积物-水界面磷释放通量显著低于未疏浚对照柱,疏浚沉积物的磷的释放潜力低于未疏浚对照沉积物．研究结果表明,在外源磷得到有效控制的前提下,底泥疏浚是消减研究区内源磷负荷有效的技术手段．  相似文献   

湖泊沉积物-水界面磷的迁移转化机制与定量研究方法   总被引：4，自引：0，他引：4  

陈洁  许海  詹旭  朱广伟  秦伯强  张运林 《湖泊科学》2019,31(4):907-918

湖泊磷循环主要指磷在沉积物、上覆水和生物体间的迁移转化，而沉积物-水界面磷的迁移转化作为富营养湖泊磷循环的关键过程，备受关注.本文就国内外研究进展，综述了磷在上覆水、沉积物中的赋存形态和生物有效性，沉积物-水界面磷迁移转化的机制与定量研究方法.探讨沉积物性质、环境因子和生物特性对界面磷迁移的驱动机制，以及磷在浅水湖泊、深水湖泊中迁移转化机制的差异，指出现阶段迁移机制的研究多集中在单因素和定性化方面，而对多因素和定量化的研究还相对缺乏，未来可深入探究多因素耦合作用下磷的迁移规律.分析了野外调查、模拟实验、质量衡算和模型等研究方法的优缺点及适用情况，提出未来可将野外调查、模拟实验和模型法相结合，借助野外调查识别磷的迁移过程，模拟实验验证磷迁移的机制，并以野外调查和模拟实验的数据和结论为基础，构建模型量化具体迁移过程及其对湖泊磷循环的贡献，从而全面认识磷迁移转化规律.最后，提出了未来湖泊沉积物-水界面磷迁移研究需要关注的几个方面.  相似文献   

The diffusive boundary layer of sediments: oxygen microgradients over a microbial mat     

Jorgensen BB  Des Marais DJ 《Limnology and oceanography》1990,35(6):1343-1355

Oxygen microelectrodes were used to analyze the distribution of the diffusive boundary layer (DBL) at the sediment-water interface in relation to surface topography and flow velocity. The sediment, collected from saline ponds, was covered by a microbial mat that had high oxygen consumption rate and well-defined surface structure. Diffusion through the DBL constituted an important rate limitation to the oxygen uptake of the sediment. The mean effective DBL thickness decreased from 0.59 to 0.16 mm as the flow velocity of the overlying water was increased from 0.3 to 7.7 cm s-1 (measured 1 cm above the mat). The oxygen uptake rate concurrently increased from 3.9 to 9.4 nmol cm-2 min-1. The effects of surface roughness and topography on the thickness and distribution of the DBL were studied by three-dimensional mapping of the sediment-water interface and the upper DBL boundary at 0.1-mm spatial resolution. The DBL boundary followed mat structures that had characteristic dimensions > 1/2 DBL thickness but the DBL had a dampened relief relative to the mat. The effective surface area of the sediment-water interface and of the upper DBL boundary were 31 and 14% larger, respectively, than a flat plane. Surface topography thereby increased the oxygen flux across the sediment-water interface by 49% relative to a one-dimensional diffusion flux calculated from the vertical oxygen microgradients.  相似文献   

鄱阳湖沉积物和水界面磷的交换通量   总被引：6，自引：0，他引：6       下载免费PDF全文

向速林  陶术平  吴代赦 《湖泊科学》2017,29(2):326-333

采用扩散模型法与实验培养法对鄱阳湖沉积物和水界面间可溶性总磷和可溶性磷酸盐的界面交换过程进行研究,并探讨了其影响因素.结果表明,利用2种方法得到鄱阳湖各站点可溶性总磷和可溶性磷酸盐在沉积物与水界面间的交换方向不完全相同,大部分站点沉积物是磷的源,其中,利用扩散模型法估算的可溶性总磷和可溶性磷酸盐平均扩散通量分别为0.052和0.047 mg/(m~2·d),而实验培养法测得可溶性总磷和可溶性磷酸盐的平均交换通量则分别为0.25和0.24 mg/(m~2·d),且各站点利用扩散模型法测得磷的交换通量均小于实验培养法的计算结果.此外,上覆水溶解氧浓度及水体温度对可溶性总磷和可溶性磷酸盐的交换过程均具有一定的影响,表现为温度越高,溶解氧浓度越小,可溶性总磷和可溶性磷酸盐的交换越强烈.  相似文献   

Solute transfer across the sediment surface of a eutrophic lake: I. Porewater profiles from dialysis samplers   总被引：6，自引：0，他引：6  

Noel R. Urban  Christian Dinkel  Bernhard Wehrli 《Aquatic Sciences - Research Across Boundaries》1997,59(1):1-25

Porewater profiles often are used to identify and quantify important biogeochemical processes occurring in lake sediments. In this study, multiple porewater profiles were obtained from two eutrophic Swiss lakes using porewater equilibrators (peepers) in order to examine spatial and seasonal trends in biogeochemical processes. Variability in profile shapes and concentrations was small on spatial scales of a few meters, but the uncertainty in calculated diffusive fluxes across the sediment surface was, on average, 35%. Focusing of Fe and Mn oxides toward the lake center resulted in systematic increases in porewater concentrations and diffusive fluxes of Fe²⁺ and Mn²⁺ with increasing water depth; these fluxes are postulated to be regulated by the pH-dependent dissolution of reduced-metal phases. Despite higher concentrations of inorganic carbon, NH ₄ ⁺ , Si and P in pelagic compared to littoral sites, diffusive fluxes of these substances across the sediment surface increased only slightly or not at all with increasing water depth. Porewater profiles did reveal temporal changes in Fe²⁺, Mn²⁺, Ca²⁺ and Mg²⁺ that were an indirect result of the large, seasonal changes in seston deposition, but no clear seasonal variations were found in diffusive fluxes of nutrients across the sediment surface. The intense mineralization occurring at the sediment surface was not reflected in the porewater profiles nor in the calculated diffusive fluxes. Calculated diffusive fluxes across the sediment surface resulted from decomposition occurring primarily in the top 5–7 cm of sediment. Diffusive fluxes from this subsurface mineralization were equal to the solute release from mineralization occurring at the sediment-water interface. Buried organic matter acts as a memory of previous lake conditons; it will require at least a decade before reductions in nutrient inputs to lakes fully reduce the diffusive fluxes into the lake from the buried reservoir of organic matter.  相似文献   

Depletion of a brine layer at the base of ridge-crest hydrothermal systems     

Stan Schoofs  Ulrich Hansen 《Earth and Planetary Science Letters》2000,180(3-4):341-353

The variable salinity of fluid venting from mid-ocean ridges is indicative of mixing between hydrothermal seawater and fluids that have undergone supercritical phase separation. In order to study the stability of a brine-saturated layer that may form in the lowermost part of the hydrothermal system, we have performed numerical simulations of a system that has returned into the subcritical regime. For typical geological parameters, it is shown that the interface between the brine layer and the overlying fluids is not very stable, but vanishes by one of two dynamical mechanisms: convective breakdown or vertical migration. This contradicts the conventional picture of a steady, layered convective system in which the brine is depleted only by dispersion and diffusion across the interface. The depletion mechanism depends on the fluid-dynamical stability of the brine layer. Convection within the brine layer results either in the convective breakdown (for low excess salinity of the brine, as compared to seawater) or the upward migration of the interface (for higher excess salinities). Consequently, the depletion times are much shorter than for models with pure dispersion/diffusion across the interface. If the brine layer is static, high-chlorinity liquid is entrained slowly by the convecting overlying fluids, leading to downward migration of the interface. This gradual depletion of the brine layer results in almost constant vent salinities, in agreement with measured salinities of chronic high-chlorinity vents.  相似文献   

东巢湖沉积物水界面氮、磷、氧迁移特征及意义   总被引：2，自引：0，他引：2  

李运奔  匡帅  王臻宇  申秋实  王亚东  康得军 《湖泊科学》2020,32(3):688-700

以东巢湖近城市湖湾沉积物为研究对象,在沉积物氮、磷营养盐分析的基础上,采用沉积物柱状芯样静态释放模拟法定量评估研究区域沉积物—水界面氨氮、溶解性活性磷酸盐营养盐释放潜力,利用微电极非损伤测定技术获得沉积物—水微界面溶解氧(DO)剖面分布及微界面DO消耗和扩散特征.结果表明:东巢湖近城市湖湾沉积物氮、磷污染物蓄积量较高,受TN、TP污染程度较重.沉积物内源氨氮、磷酸盐释放明显,平均释放速率分别达到32.44 mg/(m~2·d)和1.25mg/(m~2·d),区域内沉积物已成为水柱中氮、磷营养盐的污染源.研究区域上覆水体处于好氧状态,沉积物—水微界面平均DO穿透深度(OPD)达到5.3 mm,平均DO扩散通量为4.56 mmol/(m~2·d),表现出良好的DO扩散能力.沉积物内源氨氮和磷酸盐释放能力与表层沉积物TN/TP物质含量及沉积物—水微界面DO穿透深度有关,在沉积物氮、磷污染较重的情况下,DO穿透深度越低越有利于氮、磷污染物从沉积物向上覆水体释放.  相似文献   

Effect of deposit feeders on migration of¹³⁷Cs in lake sediments     

John A. Robbins  Peter L. McCall  J. Berton Fisher  John R. Krezoski 《Earth and Planetary Science Letters》1979,42(2):277-287

Illite clay particles with adsorbed¹³⁷Cs were added as a submillimeter layer to the surface of silt-clay sediments contained in rectangular Plexiglas cells stored in a temperature-regulated aquarium, in order to trace the effect of the oligochaete, Tubifex tubifex, and the amphipod, Pontoporeia hoyi, on mass redistribution near the sediment-water interface. A well-collimated NaI gamma detector scanned each sediment column (～10 cm deep) at daily or weekly intervals for six months, depicting the time evolution of radioactivity with and without added benthos. In a cell with tubificids (～5 × 10⁴ m^?2), which feed below 3 cm and defecate on surface sediments, the labeled layer was buried at a rate of 0.052 ± 0.007 cm/day (20°C). When labeled particles entered the feeding zone,¹³⁷Cs reappeared in surface sediments creating a bimodal activity profile. In time, the activity tended toward a uniform distribution over the upper 6 cm, decreasing exponentially below to undetectable levels by 9 cm. In a cell with amphipods (～1.6 × 10⁴ m^?2) uniform activity developed rapidly (～17 days) down to a well-defined depth (1.5 cm). The mixing of sediments by Pontoporeia is described by a simple quantitative model of eddy diffusive mixing of sediment solids. The value of the diffusion coefficient, 4.4 cm²/yr (7°C) was computed from a least squares fit of theoretical to observed profile broadening over time. In a cell without benthos, small but measurable migration of¹³⁷Cs indicated an effective molecular diffusion coefficient of 0.02 cm²/yr.  相似文献   

白洋淀沉积物氮磷赋存特征及其内源负荷   总被引：11，自引：2，他引：9  

杜奕衡  刘成  陈开宁  古小治  黄蔚  韦众 《湖泊科学》2018,30(6):1537-1551

白洋淀环境整治对区域生态文明建设具有重要意义，然而，目前对加剧白洋淀富营养化的内源氮、磷污染负荷依然缺乏系统的研究.本研究以野外调研和室内培养实验相结合形式，在白洋淀主要水域内采集原位柱状沉积物样品，详细地研究了白洋淀沉积物中氮、磷赋存形态、间隙水中氮、磷剖面特征以及沉积物-水界面氮、磷交换特征.结果表明，白洋淀沉积物总氮、总磷含量分别为1230.8~9559.0 mg/kg（均值2379.5 mg/kg）和344.4~915.4 mg/kg（均值608.4 mg/kg），氮、磷累积污染量大.沉积物中铵态氮赋存量大（3.2~175.8 mg/kg），由此导致间隙水中铵态氮浓度较高，最高达到28.8 mg/L.沉积物磷形态以Ca-P和Fe-P为主，分别占总量的38.3%~76.1%和3.98%~18.0%，间隙水中磷酸盐浓度已接近甚至高于国内外典型富营养湖区.间隙水中高浓度的铵态氮和磷酸盐导致沉积物-水界面氮、磷交换通量较高，铵态氮平均释放和扩散通量分别为106.37和12.42 mg/（m²·d）；磷酸盐平均释放和扩散通量分别为15.06和2.33 mg/（m²·d），沉积物内源氮、磷污染负荷较高，已严重威胁到白洋淀水环境质量，迫切需要整治.其中，北部河口区域以及中部府河入湖区和人口密集活动区沉积物氮、磷内源负荷尤为突出，应成为白洋淀沉积物内源污染整治的关键区域.  相似文献