生物擾動(dòng)是影響沉積物-水微界面反應(yīng)的重要因素，為了明確生物擾動(dòng)作用對(duì)沉積物-水微界面氧化還原特征的影響機(jī)制，從環(huán)境微界面角度出發(fā)，以搖蚊幼蟲(chóng)為例，借助高分辨率的微電極系統(tǒng)解析沉積物-水微界面O2、pH、氧化還原電位(Eh)的垂向分布特征。結(jié)果表明，搖蚊幼蟲(chóng)的生物擾動(dòng)作用顯著增加了沉積物-水微界面處的溶解氧濃度；降低了上覆水的pH值，提高了沉積物的pH值，且上覆水pH時(shí)空變化較大，沉積物pH值變化較??；廊道里O2增加，使Eh值也相應(yīng)地提高，而沒(méi)有生物擾動(dòng)到的地方Eh值偏低。搖蚊幼蟲(chóng)通過(guò)呼吸和攝食作用將富含氧氣的上覆水引進(jìn)廊道，充入的氧氣改變了微界面的氧化還原條件。

生物擾動(dòng)是指底棲動(dòng)物由于攝食、建管、筑穴、爬行、避敵、分泌、排泄和遷移等行為造成沉積物結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的改變，進(jìn)而影響到沉積物中顆粒態(tài)和溶解態(tài)物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的過(guò)程。生物擾動(dòng)能改變沉積物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，因而對(duì)其中的污染物產(chǎn)生影響。大型底棲動(dòng)物的筑穴行為增加了沉積物-水界面可交換態(tài)氮的交換通量?；羝账z蚓擾動(dòng)帶動(dòng)了其周?chē)w粒物質(zhì)的遷移，增加了間隙水中氨氮。搖蚊屬幼蟲(chóng)通過(guò)生物引灌、吸收、消化、排便、分泌等過(guò)程影響著湖泊沉積環(huán)境。搖蚊幼蟲(chóng)把上覆水引灌入廊道獲得食物和O2，同時(shí)間隙水中的溶解物質(zhì)隨著引灌作用被輸出到上覆水中，搖蚊攝食浮游植物、沉積物微粒和細(xì)菌吸收攝食微粒中的部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，其余部分被排泄出來(lái)，其棲息場(chǎng)所比較固定，主要集中在沉積物-水界面處，生存廊道只有2 mm直徑。

沉積物-水界面的O2控制著許多重要的生物地球化學(xué)過(guò)程，對(duì)沉積物-水界面生物群落的生物學(xué)特征與生態(tài)特性有著重要的影響。底棲動(dòng)物利用富含O2的上覆水通風(fēng)或引灌，以使得其通道或洞穴內(nèi)保持較高的O2水平。搖蚊幼蟲(chóng)大量存在于富營(yíng)養(yǎng)化底泥U形廊道里，通過(guò)改變沉積物的氧化-還原條件來(lái)影響氨化速率、硝化速率。為測(cè)定U形廊道周邊的環(huán)境，引入了微電極測(cè)量系統(tǒng)，其中，O2微電極的尖端直徑只有10μm，可在無(wú)損或微損的情況下檢測(cè)微界面環(huán)境中O2。利用微電極測(cè)定了墨西哥灣深海高鹽地區(qū)光合作用過(guò)程中生物墊的O2，并進(jìn)行了定量描述。采用pH微電極測(cè)定了海洋沉積物-水微界面pH值的分布。微電極的應(yīng)用使對(duì)沉積物-水界面的研究尺度從常規(guī)尺度的厘米級(jí)減少為微觀尺度的數(shù)十微米，可以大幅度提高微界面研究過(guò)程的微觀性、多維性和準(zhǔn)確性。本文通過(guò)采集表層沉積物收集搖蚊幼蟲(chóng)并進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)，運(yùn)用微電極技術(shù)，對(duì)沉積物-水微界面的O2、pH、氧化還原電位(Eh)進(jìn)行測(cè)定，以期探明搖蚊幼蟲(chóng)擾動(dòng)作用對(duì)沉積物-水微界面氧化還原特征的影響機(jī)制。

1材料與方法

1.1樣品來(lái)源

在里下河的大縱湖湖心(31°30′31.1″N，120°10＇31.0″E)采集6根沉積物柱樣，沉積物深度不小于30 cm，同時(shí)采集湖心上覆水用于室內(nèi)培養(yǎng)。本研究中采用的搖蚊幼蟲(chóng)，用彼得森采樣器在采樣點(diǎn)采集少量表層沉積物用于收集搖蚊幼蟲(chóng)，沉積物過(guò)2 mm篩獲得4齡期幼蟲(chóng)，好氧5℃暫養(yǎng)。所有樣品采集后立即運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。對(duì)于需要做實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)培養(yǎng)的部分采樣點(diǎn)沉積柱則另取完整的沉積物柱(保留原位的上覆水，并在原采樣點(diǎn)位置另取適量上覆水作為備用)直接運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。

表1不同處理組沉積物溶解氧滲透深度

1.2實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用微電極技術(shù)測(cè)定沉積物-水微界面的DO、pH和Eh。構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將培養(yǎng)管全部放入水槽恒溫培養(yǎng)，并用微孔曝氣頭輕微曝氣，溫度控制在15±1°C，光照周期LD 12∶12，預(yù)培養(yǎng)16 d以使沉積物穩(wěn)定。挑選過(guò)2 mm篩的4齡期搖蚊幼蟲(chóng)，計(jì)數(shù)、稱(chēng)重后引入到搖蚊幼蟲(chóng)組的6根預(yù)培養(yǎng)柱中(對(duì)照組每根柱子添加個(gè)數(shù)為零)，10 min/h曝氣培養(yǎng)，搖蚊幼蟲(chóng)密度1 887 ind/m2。進(jìn)行微界面數(shù)據(jù)分析及相應(yīng)的氧化還原指標(biāo)測(cè)定，所使用的3種微電極尖端直徑均為50μm，電極使用前需要極化和校正。實(shí)驗(yàn)主要分為3個(gè)階段，分別是加入搖蚊幼蟲(chóng)前5天，加入搖蚊幼蟲(chóng)后的第5天、第15天。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1沉積物-水微界面DO垂向分布

由于沉積物中微生物的有氧呼吸作用以及從下層擴(kuò)散而來(lái)還原物質(zhì)的氧化，湖泊沉積物-水界面的O2滲透深度，一般僅有數(shù)毫米。在本研究中，對(duì)照組和搖蚊組的氧氣滲透深度(OPD)如表1所示。

搖蚊組和對(duì)照組沉積物-水界面中DO的垂向剖面分布情況如圖1所示，正值代表是上覆水，負(fù)值代表沉積物，下同。通過(guò)分析前5天和第5天發(fā)現(xiàn)，對(duì)照組和搖蚊組DO值無(wú)顯著性差異(P>0.05)，搖蚊組在搖蚊幼蟲(chóng)剛加入時(shí)，對(duì)原沉積物環(huán)境產(chǎn)生較大擾動(dòng)，呈不規(guī)則的波狀變化，對(duì)照組DO值隨時(shí)間變化不大；到了第15天，對(duì)照組和搖蚊組-3.3 mm以下DO值成顯著性差異(P<0.05)。

圖1不同處理組在不同時(shí)段DO垂直剖面分布

從圖1可以看出，搖蚊幼蟲(chóng)的擾動(dòng)改變了間隙水DO的垂向分布，增加了O2在沉積物局部的滲透深度，搖蚊幼蟲(chóng)構(gòu)筑的廊道中富含O2，同時(shí)，搖蚊幼蟲(chóng)的引灌作用增大了搖蚊組的OPD，使得搖蚊組沉積物OPD大于6 mm。有研究表明生物引灌不斷將廊道中的水排出，同時(shí)引灌進(jìn)來(lái)新鮮上覆水沖刷廊道管壁，使廊道內(nèi)維持較高的DO水平。利用平板氧電極的研究結(jié)果表明搖蚊幼蟲(chóng)沒(méi)有顯著增加沉積物OPD，與本文研究結(jié)果不同。這可能是因?yàn)?，本文試?yàn)將搖蚊幼蟲(chóng)的活動(dòng)通道作為DO測(cè)定的剖面，所測(cè)定的數(shù)據(jù)反映的是搖蚊幼蟲(chóng)所構(gòu)建廊道里面的DO垂向分布情況，與平板氧電極的測(cè)定結(jié)果存在一定的差異。搖蚊幼蟲(chóng)的生物擾動(dòng)作用顯著增加了沉積物-水界面處的DO濃度，搖蚊幼蟲(chóng)特殊的生活廊道造成了沉積物內(nèi)溶解氧分布的不均衡，隨著洞穴的開(kāi)拓，將上覆水引入管穴中，形成引灌效果，使表層沉積物間隙水中溶解氧增加。

雖然搖蚊幼蟲(chóng)的擾動(dòng)作用能夠增加沉積物中DO，但其生命活動(dòng)也需要耗氧。搖蚊幼蟲(chóng)的引灌和筑穴行為增加了底層上覆水懸浮顆粒物的含量，還原態(tài)的沉積物顆粒以及附著的還原態(tài)離子被氧化，同時(shí)搖蚊幼蟲(chóng)的好氧呼吸作用也會(huì)消耗底層上覆水中的溶解氧，造成底層上覆水溶解氧濃度低于上層上覆水。本試驗(yàn)中，雖然柱狀樣受風(fēng)浪擾動(dòng)較小，但搖蚊幼蟲(chóng)的引灌和擾動(dòng)作用明顯促進(jìn)了上覆水的富氧效果，上覆水中的DO增加后，通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入間隙水中的DO也會(huì)增加。對(duì)照組和搖蚊組間隙水中的DO在整個(gè)試驗(yàn)期間隨深度的增加而降低，這是由于沉積物-水界面處的DO水平較高導(dǎo)致硝化作用強(qiáng)于反硝化作用，且氨氮的硝化作用消耗溶解性氧，使間隙水中的DO隨深度增加而降低。