姜斯乔，谢舒恬，郑元铸，柯 凡，张晨旭，冯慕华，高海鹰1

(1：东南大学土木工程学院，南京 210096) (2：中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室，南京 210008) (3：河海大学水文水资源学院，南京 210098) (4：浙江省温州市生态环境科学研究院，温州 325000) (5：南京建邺城市建设集团有限公司，南京210000)

湖泊富营养化是环境问题中的重点与难点，在严防对湖泊的外源输入时，亦需兼顾研究湖泊内源释放风险. 沉积物在外源输入较少时，往往扮演着氮、磷源/汇的角色[1]，探究氮磷在湖泊沉积物-上覆水界面(SWI)中的内源吸附或释放过程，对探讨湖泊环境行为具有重要的理论和现实意义.

目前，对于SWI物质扩散通量的估算方法缺乏统一的标准参考，对于方法的选择主观性较强. 本文总结和解构近年各类研究所常用的SWI通量估算方式中的静态释放培养法、机械搅拌培养法、流动培养法和间隙水浓度扩散模型法，通过对照实验观察各方法实验室培育过程，分析不同方法下的通量结果差异，拟得出各类方法的适用条件，为通量计算选择合适方法提供参考.

1 材料和方法

1.1 研究区域与样品采集

采样选址位于南京市莫愁湖，该湖属于浅水湖泊，湖区呈三角形，湖水面积295150 m2，平均水深1.6 m，最深处达2 m，蓄水量约500000 m3. 莫愁湖为全封闭的内陆景观湖，水位处于人为控制之下，冬季水位低，夏季水位高. 无入湖河渠，湖泊四周为不透水石料，减少因为渗水导致的外源污染问题.

利用沉积物柱状芯样采集器，在冬(2021-01-05)、春(2021-04-18)、夏(2021-07-06)3季分别用柱芯采样器在莫愁湖同一点位(32°2′28″N，118°45′40″E)，详见附图Ⅰ. 采集17根完整的φ90×500 mm沉积物柱样，每种方法设置3个平行，剩余2根沉积物样进行含水率、孔隙率、磷形态、总磷(TP)、总氮(TN)测定. 所采沉积物高度在20～30 cm，现场用原样点水样注满整个柱样，两端用胶塞封闭，垂直放置于搁架中，以避免在运输过程中剧烈扰动从而影响沉积物理化特性，尽快运回实验室. 同时采集50 L原位沉积物表层上方30 cm左右水样作实验添加水.

1.2 沉积物柱样预处理

通过虹吸小心移除管柱内沉积物上覆水，避免对沉积物表面的扰动. 采集的原位上覆水水样通过0.45 μm醋酸玻璃纤维膜过滤，过滤去除藻类和悬浮物后，再用虹吸法沿壁小心滴注至柱内，液面高度距沉积物表面20 cm处停止，标注刻度.

1.3 沉积物营养盐释放模拟实验方法

1.3.1 非扩散模型法 本研究选取非扩散模型法中静态释放培养法、机械搅拌培养法和流动培养法进行对照实验，装置图详见附图Ⅱ.

1)静态释放培养法

静态释放培养是一种实验室短期模拟SWI物质通量方法[14]. 更换上覆水后即刻取水样作初始样，此后在指定取样间隔时间用虹吸法于水柱中段取样，每次取样体积为50 mL，同时用原样点初始过滤水样沿柱壁缓慢滴注补充至刻度. 其后于12、24、36、48、72 h时进行采样. 全部实验于72 h(3天)结束，每次所取样品分析指标相同.

2)机械搅拌培养法

机械搅拌培养法是一种运用机械装置搅拌柱样上覆水，使上覆水充分混合的方法来进行通量模拟[15]. 在整柱样上端，加置预打孔的顶盖，分别为进出水孔与搅拌棒孔，插入对应管、棒后密封. 在培养过程中，用特氟龙涂层的磁力搅拌棒在沉积物表面上10 cm处搅拌上覆水，让上覆水充分混合，并模拟水底表面微小扰动. 每次取样通过出水管采集50 mL上覆水，然后通过进水管补充相同体积已过滤原位水样.

3)流动培养法

流动培养法是一种柱样内上覆水持续更替的培养方法[16]. 在采样的有机玻璃柱管上端塞入带O型橡胶环的活塞，并使上覆水水位达到柱样顶端，从而形成无顶空的气密环境，进水管距沉积物表层约1～2 cm，进水管低于出水管，用高精度可调速蠕动泵来调节水流流动速率，通过流动培养的进出水循环形成垂直和水平方向的混合水流，使得上覆水内部进行充分流动交换，通过水流循环混合，使上覆水营养盐浓度均匀，出水浓度为该时间瞬时浓度. 进水为原位过滤水样，每次取样时同时收集进水和出水各5 mL.

1.3.2 扩散模型法 间隙水浓度扩散模型法是借助Fick第一定律来模拟沉积物-水界面通量扩散[17-18]. 该方法常用的获取沉积物内不同深度间隙水的装置有：高分辨孔隙水扩散平衡装置(Peeper)、薄膜扩散梯度技术(DGT)、间隙水采集装置(Rhizon)等，本研究选取Peeper间隙水采集装置和Rhizon间隙水采集装置开展对比研究(附图III).

1)Peeper间隙水采集

Peeper装置主体由很多相同体积的小室组成，每个小室两侧分别覆盖一层0.45 μm具有生物惰性的滤膜(Amersham Protran，GE Whatman，美国)，在每个小室内预装满采样介质(如去离子水或电解质溶液)，并进行充分地充氮去氧后垂直插入沉积物中. 利用滤膜的选择透过特性，使不同深度沉积物孔隙水中一些可溶离子和分子通过滤膜与Peeper装置中的相应位置的采样介质进行物质交换，放置一段时间后达到平衡，通过测定小室内溶液浓度来计算对应深度的孔隙水中离子浓度.

2)Rhizon间隙水采集

Rhizon取样器(Rhizon MOM，Rhizosphere Research Products，荷兰)是一种采集湖泊沉积物中间隙水的装置，前端插入沉积物部分由0.12～0.18 μm亲水微滤膜组成. 在采集沉积物柱样时，在管壁上交替打好预钻孔，孔的位置分别在假设SWI以下0.5、1.5、2.5、3.5、5 cm处，减少相邻取样器之间的干扰风险[19]；这些孔在沉积物采集时密封，泥柱内沉积物位置若高于假设SWI位置，需将底部多余沉积物排出，使真实SWI界面与假设SWI界面平齐. 将Rhizon水平插入沉积物柱样中，并将抽真空容器连接到连接器上，经过一段时间稳定，通过连接器获取当前位置的间隙水，保存测样.

1.3.3 培育实验参数选择 4种方法在实验室培养过程中选取的实验周期、取样周期及条件参数见表1.

表1 实验参数选择

1.4 分析方法

1.4.2 沉积物理化指标测定方法 沉积物中各磷形态的测量采取六步连续提取法[20]测定，具体步骤详见附表1，磷形态分别为：弱结合态磷(LP)、铁结合态磷(Fe-P)、铝结合态磷(Al-P)、有机磷(OP)、钙结合态磷(Ca-P)、残渣态磷(Res-P). 提取的磷采用《水和废水监测分析方法(第四版)》所述方法. 含水率取部分新鲜沉积物样品采用烘干法(105℃，3 h)测定，孔隙率采用含水率换算，总氮和总磷浓度采用《湖泊沉积物-水界面过程：基本理论与常用测定方法》[21]所述方法.

1.4.3 释放通量计算 静态释放培养法与机械搅拌培养法营养物的释放速率按下式计算[22]：

(1)

式中，F为释放通量(mg/(m2·d))；V为柱中上覆水体积(L);cn、c0、cj-1为第n次、初始次和j-1次采样时某物质浓度(mg/L)；ca为添加水样中的物质浓度(mg/L)；Vj-1为第j-1次采样时体积(L)；S为柱样中水-沉积物接触面积(m2)；t为释放时间(d).

流动培养法的界面扩散通量公式为：

Fn=(cn-ca)v/S×60×24

(2)

式中，Fn为第n次取样的瞬时通量(mg/(m2·d))；cn为第n次取样时某物质的出水浓度(mg/L)；ca为某物质的进水浓度(mg/L)；v为蠕动泵流速(mL/min)；S为柱样内沉积物-水界面的面积(m2)；60和24为时间矫正系数.

间隙水浓度扩散模型法由表层沉积物间隙水与上覆水间的浓度梯度进行估算，其扩散通量按下式计算：

F=φ×DsdC/dz|z=0

(3)

式中,F为释放通量(mg/(m2·d))；φ为表层0～5 cm沉积物的孔隙度(%)；Ds为物质在整个沉积物中的扩散系数(10-6cm2/s)，Ds可由φ计算而来[23](当φ<0.7，Ds=φD0；当φ≥0.7，Ds=φ2D0.此处D0为理想扩散系数(10-6cm2/s)，与底部温度相关)；dC/dz|z=0为沉积物表面的浓度梯度，由间隙水样与沉积物表面上覆水的浓度差决定，通过测量多个深度的浓度数值进行指数拟合，从而得出SWI界面上的浓度梯度.

(4)

(5)

1.4.4 数据处理方法 本研究所有数据统计分析均在SPSS 26.0软件中进行，通过单因素重复测量方差分析(rmANOVA)，分别比较4种方法组间的磷通量、NH3-N通量、pH变化，溶解氧变化差异. 通过Spearman相关性检验，对4种方法通量结果进行分析.

2 结果和分析

2.1 培育实验参数选择结果

2.2 4种通量估算方法通量结果对比

表2 3次实验中上覆水和沉积物的理化特征

图1 沉积物间隙水浓度剖面图:剖面图，(B)NH3-N剖面图Fig.1 Concentration profiles of sediment pore water: (A) profile of (B) profile of NH3-N

图2 4种通量估算方法测定结果:释放通量，(B)NH3-N释放通量(a、b为显著性差异分析标注，相同字母表示组间无显著差异，不同字母表示组间存在显著差异)Fig.2 Results of four flux estimation methods: (A) release flux, (B) NH3-N release flux(a and b are marked by significant difference analysis)

2.3 4种通量估算方法培养过程中DO与pH变化结果分析

本研究3次实验中，由于使用间隙水浓度扩散模型法的柱样与静态释放法的培养条件相同，其溶解氧(DO)浓度变化与静态释放变化基本一致，故在图中不作标示. 静态释放法和机械搅拌法DO浓度随时间变化显著(P<0.05)，见图3. 机械搅拌法由于封闭培养，DO浓度在3次实验开始后均缓慢下降，下降总量低于初始DO的30%. 静态释放在冬、春两季实验开始后均持续下降，下降速率显著高于机械搅拌组和流动培养组(P<0.05)；但在夏季实验中，静态释放组DO浓度在前36 h存在波动，在36 h后逐渐降低. 流动培养法的DO浓度在实验过程中变化较小，前后浓度差异不显著(P>0.05). 3组实验结束时，DO浓度趋势为：静态释放组(与间隙水浓度扩散模型组)<机械搅拌组<流动培养组. 并且，静态释放组和机械搅拌组的柱样DO浓度均显著低于初始浓度(P<0.05).

图3 3次实验培养过程DO浓度随时间的变化 Fig.3 Temporal responses of DO concentrationduring three cultivation experiments

本研究对所有方法培育过程进行上覆水pH监控测定，pH变化见图4. 除流动培养法之外，各方法在培养过程结束时，pH较开始时下降显著(P<0.05)，从碱性环境降至偏中性环境. 流动培养因其上覆水不断流动更新，pH存在波动但前后差异不显著(P>0.05). 在不同季节培养实验过程中，DO浓度变化与pH变化呈极显著相关(P<0.001).

图4 3次实验培养过程pH随时间的变化Fig.4 Temporal responses of pHduring three cultivation experiments

2.4 3季实验样品表层沉积物磷形态含量变化

表3 不同季节培养实验表层沉积物中磷形态含量

图5 各方法所得通量结果的相关性分析：释放通量，(B)NH3-N释放通量Fig.5 Correlation analysis of fluxes obtained by various methods:(A) release flux, (B) NH3-N release flux

2.5 4种通量估算方法通量结果相关性分析

3 讨论

3.1 实验培育参数选择意义

不同的培育参数影响着实验过程中柱样环境变化，选择合适培养参数以期再现原位环境的界面过程，对结果准确获取十分重要.

静态释放培养法的参数选择主要在对实验周期和取样频率的选择，该方法作为应用最广的实验室通量培育估算方法，许多学者选取72 h和12 h作为整个培育过程的实验周期和取样频率[9,18,31]，本研究对不同季节静态释放组别DO和pH监测中，在48 h之后，DO和pH仍持续下降，但较之前48 h下降幅度减小，在60～72 h达到较稳定状态，故采取72 h作为一个完整的培养周期.

机械搅拌培养法在实验培育过程中，首先需要关注搅拌转速的选择，过快的转速导致底泥强烈扰动悬浮，使物质的释放与实际差异较大；过慢的转速导致上覆水搅拌效果不足，对取样位置处浓度造成偏差. 其二需要调整合适的取样间隔，使实验系统内上覆水中溶解氧浓度下降量低于初始浓度的30%，否则与原位氧化还原条件差异过大，造成低氧条件下物质过度释放，通量模拟效果差[15]. Pastor等[6]采用机械搅拌法在研究地中海沉积物时，通过模拟实验采取18 h为培育周期，每3～4 h采一次样品，机械搅拌转速为30 转/min，使界面稳定，溶解氧浓度符合目标要求. 本研究对象为浅水湖泊沉积物，故采取较大的转速(48 转/min)，为了横向方法对比，选择培育周期为48 h，取样间隔为8 h，维持系统溶解氧浓度不低于初始浓度的70%.

流动培养法选择合适的流动培养速率有助于模拟自然条件下湖泊沉积物的通量[8]. 流速的选择主要考虑两个方面，一是上覆水的溶解氧消耗量，二是维持沉积物界面形态稳定. 若流速过慢，会导致在培养过程中，上覆水溶解氧消耗过多，从而改变沉积物-水界面的氧化还原条件并严重影响物质在界面的释放通量，所得结果与实际自然条件差异过大；若流速过快，将会导致靠近SWI的进水管进水强度大，导致底泥再悬浮，并且过快的流动速率会导致上覆水停留时间过短，取样水中可测定上覆水营养盐水平变化太小，不足以进行差异化分析. 徐徽等[8]在研究太湖沉积物释放特征时，通过模拟实验确认蠕动泵流速为1mL/min，本研究实验周期选择48 h，每4 h取样一次，蠕动泵流速为0.7 mL/min，符合溶解氧消耗与界面稳定要求，由于是连续进出水，实验周期和取样频率不是重点关注对象.

3.2 4种通量估算方法的差异性和相关性

3.3 4种通量估算方法适用范围

间隙水浓度扩散模型法与非扩散模型法在通量结果数值上存在一定差异性，且方法原理有着本质区别，在模拟不同环境条件下的湖泊沉积物通量或者释放潜力时，不同方法有其侧重点和优势.

静态释放培养法作为研究湖泊沉积物最常用的表观通量估算方法，简单且高效. 此方法前期环境因素模拟效果较好，考虑了SWI上的生物扰动作用，但对受水力扰动大的浅水湖泊模拟效果较差[34]；并且静态培养状态下DO的下降幅度在各类方法中最为明显，培养后期氧化还原环境与浅水湖泊中的好氧环境差异较大，模拟效果较差；而且在取样过程中，上覆水为静置状态，取样位置所得水样并非混合均匀水，存在浓度差异. 通过加装机械搅拌与蠕动泵更替上覆水来更贴合浅水环境从而衍生出机械搅拌培养法和流动培养法. 这2种方式上覆水混合均匀，SWI界面上的物质释放能快速扩散至整个上覆水中，减少因为取样位置造成的浓度偏差，系统内DO下降较慢，且考虑了水力扰动因素；流动培养使水体环境不断更新，减少了实验室长期培养中存在的DO消耗和pH变化，理论上通量模拟结果与浅水湖泊的实际情况更加接近. 但在数据分析过程中，由于DO浓度对氮磷通量释放结果的贡献为负[35]，而水力扰动强度对释放结果的贡献为正[36]，各因素耦合导致其通量模拟结果与静态释放的模拟结果差异性不明显(P>0.05). 机械搅拌法与流动培养法实验搭建过程中较为繁琐，不具备与静态释放培养法同样的便利性，所以在对湖泊有明显特征如强水力扰动时或者对溶解氧条件需要严格控制时可以选择采取机械搅拌或者流动培养法来进行模拟调整. 在大部分对湖泊的通量估算，尤其是当样品量大时，采取静态培养法即可得出合适的表观通量. 此类非扩散模型方法由于是对表观通量的测定，更适宜评估湖泊沉积物在一段时间内的表观释放总量，对于浅水城市湖泊，沉积物-水界面极易受到风浪和生物扰动的协同影响，风浪扰动在水平方向上改变沉积物微界面，造成底泥再悬浮，底栖动物通过自身生命活动对底泥颗粒搬运、混合，两者均对底泥中氮磷释放起到显著促进作用[34,37]，考虑生物扰动的非扩散模型法所得的表观通量均大于扩散模型法的表观通量.

4 结语

应用静态释放培养法、机械搅拌培养法、流动培养法等非扩散模型法和间隙水浓度扩散模型法等实验室通量模拟方法，模拟以莫愁湖为例的城市浅水湖泊内源释放. 经过冬春夏3季的对照实验，作为测定表观通量的静态释放培养、机械搅拌培养和流动培养的方法，得出的通量估算结果差异性不明显(P>0.05)；运用间隙水扩散模型方法所估算通量数据与其余3种有显著差异(P<0.05)，约低1个数量级，但该4种方法在不同季节的变化趋势具有显著相关性(P<0.05). 不同方法适用性不同，各有侧重，静态释放适用于SWI界面水力扰动较小或实验样品量多的通量估算；机械搅拌与流动培养适用于对DO、pH或水力扰动有控制要求的通量估算；间隙水浓度扩散模型法更侧重反映沉积物营养盐在沉积物间隙水中的扩散潜力，观测沉积物中垂向浓度分布，反映动态释放过程. 在实际运用过程中，应根据采样周期及当地环境特点选择较佳的通量模拟方法.

致谢：感谢杜成栋、华跃洲和张一泉等同学在采样过程大力支持与帮助；在实验与数据处理上得到张璐、沈悦等同学的帮助；感谢李凯伦在论文图表制作上的指导与修改，在此表示最诚挚的谢意.

5 附录

附图Ⅰ～Ⅲ和附表Ⅰ见电子版(DOI: 10.18307/2022.0610).