大型底栖动物对浅水湖泊沉积物-水界面耦合的扰动机制

以浅水湖泊生态系统为对象，通过野外现场观测、原位采样与实验室模拟相结合，研究大型底栖动物对沉积物-水界面耦合过程的扰动效应，探讨水层系统与底栖系统的耦合机理、生物作用机制、变化规律及影响因素，建立浅水湖泊沉积物-水界面耦合动力学基本理论框架。主要内容包括大型底栖动物对沉积物颗粒垂直分布、沉积物再悬浮、沉积物-水界面磷循环的扰动效应，不同类别动物（软体动物与寡毛动物）扰动效应的比较，沉积物-水界面耦合过程对不同培养条件的响应等。将生物扰动机制和荧光粉示踪技术引入浅水湖泊沉积物-水界面耦合的定量化研究，寻求湖泊沉积物-水界面耦合研究中的新技术和新方法，更加深入地了解沉积物-水界面的关键生态过程，为控制水体内源污染释放、理解水华爆发机制、生态建模和湖泊管理等提供基本参量和科学依据。

针对我国水体内源污染、沉积物-水界面过程研究的不足，本项目通过现场观测、原位采样和室内模拟实验，对底栖动物在浅水湖泊沉积物-水界面耦合过程中的扰动效应进行了一定研究。内容包括：底栖动物对沉积物的扰动效应（物理性质、化学性质、生物性质）、底栖动物对上覆水的扰动效应（氮素、磷素、pH值）、底栖动物对间隙水的扰动效应（氮素、磷素）、底栖动物对沉积物-水界面耦合的扰动机制（物理过程、化学和生物过程）。结果显示，底栖动物对沉积物物理性质具有较强的扰动作用。扰动组沉积物含水率（32.9%）高于对照组（30.8%）。扰动组沉积物容重比对照组低0.17 g/cm3，沉积物总孔隙度升高18.6%。在底栖动物（软体动物、寡毛动物）扰动下，沉积物-水表层和6 cm深处的沉积物颗粒均发生了明显的垂直迁移，水丝蚓和颤蚓引起的沉积物垂直迁移率大于圆田螺。泥鳅扰动产生的沉积物最大侵蚀深度和再悬浮强度大于颤蚓扰动。底栖动物扰动对沉积物中氮素和磷素释放具有明显的促进作用，且投放密度越大，促进作用越强烈。底栖动物扰动降低了沉积物的氧化还原电位，增加了还原层沉积物的厚度，并且促进了化学需氧量（COD）由沉积物向上覆水的释放。底栖动物（泥鳅）扰动组的沉积物过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶、蔗糖酶及脱氢酶活性平均值分别高于对照组24.5%、24.7%、27.5%、47.1%和29.3%。底栖动物扰动增加了沉积物中的微生物数量和生物量。底栖动物对上覆水中氮素和磷素浓度具有强烈的扰动作用。扰动组上覆水中氨氮和硝态氮含量高于对照组，溶解性无机氮和总氮含量显著升高。扰动组上覆水中总磷、溶解性总磷和颗粒磷浓度在实验开始阶段与对照组无显著差异，在实验中、后期显著高于对照组。.底栖动物通过游泳、爬行、掘穴、筑巢、觅食、避敌等身体运动，导致沉积物与上覆水的混合程度增加，改变了沉积物物理结构和氧化还原状态，加强了间隙水与上覆水的物质通量交换，促进了沉积物-水界面的生源要素、污染物释放。同时，底栖动物通过吸收、转化、分泌、降解和排泄等生理代谢活动，加快了生源要素的再生和生物地球化学循环速率。生物扰动研究是更加深入系统地揭示水生生态系统结构与功能的启动点。本项研究可为内源污染控制、生物操纵、生态修复等提供参考。底栖动物对水体具有综合的、复杂的、深刻的影响，还需进一步深入细致研究。