动力扰动下太湖梅梁湾水-沉积物界面的营养盐释放通量

中国科学辑地球科学,增刊一动力扰动下太湖梅梁湾水·沉积物界面的营养盐释放通量罗激葱护秦伯强①⋯朱广伟①孙小静①洪大林②高亚军②谢瑞②①中国科学院南京地理与湖泊研究所,南京仪旧②南京水利科学研究院,南京摘要通过波浪水槽试验,研究了不同水动力扰动条件下太湖梅梁湾水一沉积物界面的营养盐通量结果发现,水动力扰动对该通量的影响很大,在中等扰动强度下水底波切应力为,相当于梅梁湾中部夏季盛行风一东南风风速·一,,,和‘一的通量分别为、,一、礴和、了··一‘向上为正,向下为负,而仰,,和,的通量分别为礴,、了和一、一’‘·一,根据对气象资料的统计,夏季·一,东南风风速的最大持续时间为,以上述通量和风速持续时间进行计算,太湖底泥区域按水面积的,将分别有,玩’一,开和进入水体,可分别导致整个太湖水体中相应的平均浓度升高约,,和一,当扰动增大时水底波切应力为,相当于梅梁湾中部东南风速一一,,营养盐通量显著增加,其中,和玩‘一分别达、,、和、一·‘·一‘,而,通量亦大幅度上升,达到、护·扩·一,,上述通量的增加幅度均达到一个量级以上但是,的通量有所减小,其值为、··一,,而虽然存在增加趋势,但其通量值却很小,、,··一‘统计结果显示,太湖地区该风速的持续时间不超过若以“计,在上述强扰动情况下,营养盆释放量分别为,,‘一,,和,水体中相应的平均浓度的升高量为,,,,《科和一’由此可见,在浅水湖泊中,动力扰动能造成水体中营养盐浓度的急骤升高,虽然在微扰动情况下,有些指标的释放通量出现负值如和,水底沉积物表现为上述营养盐成分的汇集场所,但沉积物中大多数营养盐成分会随着底泥悬浮和水体一沉积物界面环境条件的改变而进入水体,给水体生态系统带来严重影响,这也是浅水湖泊所具有的显著特征之一一一收稿,一一收修改稿中国科学院知识创新工程重大项目编号一一、国家自然科学基金项目批准号、国家高新技术研究发展规划项目编号和中国科学院南京地理与湖泊研究所所长基金项目联合资助一沮·一￡增刊罗澈葱等动力扰动下太湖梅梁湾水一沉积物界面的营养盐释放通量关键词水动力扰动水一沉积物界面营养盐释放通量太湖在浅水湖泊中,内源负荷已经受到广泛关注〔’,因为沉积物中营养盐不仅通过分子扩散和浓度梯度扩散即静态扩散进入水体队,而且由于水表面受到动力扰动,通过底泥悬浮和对水一沉积物界面环境条件的改变而大量进入水体中,并且这种紊动扩散造成的释放量远远大于通过静态扩散所产生的释放量,水体中营养盐的大量增加,特别是氮和磷等营养成分的增加,由于其对淡水生态系统中的自养生物非常重要一川,因此能对自养生物的生物量和种群结构产生显著影响’一’,甚至出现藻类暴发〔川,严重威胁着水体生态系统的安全有关对水体一沉积物界面上静态扩散的研究颇多’一‘,均基于对沉积物孔隙水和上覆水中营养盐浓度的连续观测或定律的计算结果,得出在水体无扰动情况下营养盐的扩散通量并且得出,该扩散通量从很大程度上取决于环境因子,如水一沉积物界面上的温度,,溶解氧浓度,氧化还原电位以及沉积物本身的理理化学特性等一’〕而对于动态释放,由于其与水动力条件有关如波浪,湖流等,无论在室内或野外观测中,在相同时间尺度上,其量级远大于静态扩散的量级,一,如等在丹麦湖浅水湖泊,面积为,水深介于礴之间中观测水一沉积物界面的磷释放时发现,在沉积物悬浮过程中可使上覆水中磷的浓度增加倍,而这是静态扩散所无法达到的程度相对于静态扩散来说,对动态扩散的研究较少,且鲜有计算动态扩散通量的报道在太湖中,范成新等通过将烘千后的沉积物和蒸馏水放入三角瓶中,使用振荡器来模拟野外动力扰动情况下的内源释放,得出了太湖中动力扰动下悬浮颗粒物中可溶性活性磷对整个湖体磷贡献约为外源输入的,为河道入湖量的倍该试验提出了动态内源释放在太湖中的重要性,但没有建立实地风浪强度和内源释放通量之间的定量关系,也没有考虑到风向的影响秦伯强等’通过模型的方式估算了一次大的风浪过程中太湖的内源释放量,但没有计算不同扰动下的释放量朱广伟等〕的试验结果虽然观测了不同扰动下水体中营养盐的变化量,但没有计算不同营养盐的释放通量,无法为内源释放模式提供需率定的参数,也没有进行进行全湖释放量的计算因此,本文基于水槽试验的观测结果,分别计算了太湖梅梁湾沉积物在受不同扰动东南风·一,和、·一’情况下营养盐的释放通量,并以该通量为基础,计算了全湖由于扰动而导致的水体中营养盐的增量,以期为太湖年内源释放量的计算提供更进一步的参考,并为太湖富营养化治理如底泥疏浚提供科学依据材料与方法水槽试验将采于太湖梅梁湾中部一。耸‘,,‘料,,底泥铺设到波浪水槽中,沉降一定时间使其表层容重达到所要求的值采样点表层底泥的湿容重平均值为·,,有机质含量以烧失量计为波浪水槽长度为,宽度,高度,一头装置推板式造波机,用以产生固定周期的波高周期可通过控制设备任意设