底泥耗氧研究的主要技术手段及进展＊

臧家业,庞雪辉,冉祥滨,韦钦胜,刘 玮,王以斌,刘芳明,王宗兴

(1.国家海洋局第一海洋研究所海洋生态研究中心 青岛 266061;2.国家海洋局海洋生态环境科学与工程重点实验室 青岛 266061;3.济南大学化学化工学院 济南 250022)

底泥耗氧研究的主要技术手段及进展＊

臧家业1,2,庞雪辉3,冉祥滨1,2,韦钦胜1,2,刘 玮1,2,王以斌1,2,刘芳明1,2,王宗兴1,2

(1.国家海洋局第一海洋研究所海洋生态研究中心 青岛 266061;2.国家海洋局海洋生态环境科学与工程重点实验室 青岛 266061;3.济南大学化学化工学院 济南 250022)

文章综述了国内外有关底泥耗氧的研究动态。对比实验与现场观测两种方式:现场培养只能提供底泥耗氧总量,但该数值不能获得除此之外的更多信息,如影响氧气生产或消耗的生物化学过程,沉积物中氧气的分布以及间隙水氧气动态变化;而实验室培养过程能够作为前者的补充。在现场模拟实验,其结果被认为更接近于实际,但系统环境条件人为调节困难。室内与现场观测的结果虽有少量差别,但室内实验易于控制,因此,大多数研究者选择在室内进行实验。

底泥耗氧;实验室培养;现场原位测量

溶解氧是水环境健康的重要参数之一。在世界许多河口区和沿岸海域,夏季常常发生底层缺氧[1-4]。若水中溶解氧浓度低至2～3 mg/L,成年鱼会死亡,孵卵生境遭到破坏,渔业资源将会衰退;同时,由于表层沉积物的氧化性环境遭到破坏,原先积聚在沉积物中的有毒、有害化学物质可能重新活化,释放到水柱中,造成二次污染。因此,缺氧现象的存在,对其海区的生态系统变化有着重要影响[2]。

海水中溶解氧含量和变化是海洋化学过程、生物过程和物理过程相互作用的结果。底泥耗氧是自然水体氧平衡中很重要的一部分。一般而言,底泥耗氧可占水体耗氧量的20%～100%[5-7]。通常认为底泥消耗的氧可分为两部分:第一部分是上覆水体扩散到水底沉积物中的溶解氧被消耗,其中包括底泥中还原性物质的化学耗氧(如还原性的铁、锰、硫的单质和化合物)和栖息在表层底泥的好氧微生物及无脊椎动物的呼吸耗氧;第二部分是底泥中的还原态物质扩散到上覆水体中被氧化所产生的化学耗氧。沉积在底泥内的有机物是底泥耗氧的根源。研究沉积物——水界面的氧气的交换通量是研究水体中溶解氧收支与循环的重要组成部分,同时,对沉积物中其他生物地球化学过程具有基础性的意义,且也可用来指示人类活动对沉积物及水体水质的影响。

1 底泥耗氧的主要研究手段

在水生态环境中,尽管底泥耗氧是一个非常重要的参数,然而,目前其并不存在一个标准的测量方法。一般而言,测算底泥耗氧的方式有实验室测定和现场观测两种。其中主要有如下3类方法:实验室/现场沉积物培养法[8-14]、底层扩散边界层氧气含量剖面(微剖面)[15-16]、水底涡动研究法[17-18]。

1.1 实验室/现场培养法

1.1.1 箱式培养法(或称箱式孵化法)

箱式培养法是在密闭系统中对一定面积的沉积物及一定体积的上覆水所构成的水-沉积物系统进行培养,在培养过程中,运用马达等设备模拟现场条件使上覆水产生一定的搅动或循环运动。在培养一定时间后,根据水体中溶氧浓度随时间的变化过程来计算底泥耗氧量。

箱式培养法分现场培养和实验室培养两种方式。现场培养法是直接将箱式孵化器(底部开口)垂直投入到底沉积物表面,并使之嵌入到沉积物中形成一个密闭的环境,以便于现场培养的进行。通过箱体内部的溶氧电极观测孵化器内部溶氧变化过程,从而求得底泥耗氧速率。实验室培养则需在现场采集原样沉积物或表层沉积物样品,采取一定的保护措施(如惰性气体保护等),并尽快返回实验室在可控的条件下进行培养,从而获得底泥耗氧速率。根据不同的需要,研究者设计了多种形状的培养箱,如正方形[19]、长方形[20-21]、圆柱形[22]等;体积自0.1[23]～125 L[24]不等;材料则采用树脂玻璃、丙烯酸塑料、光纤玻璃、塑胶材料、金属材料、玻璃等[19,25-27]。在实验室培养中,多数研究者采用沉积物原样进行培养[13,19-20,28-29],也有部分研究者采用艾克曼挖泥器等获得的表层沉积物[30]。在培养过程中,多数研究者采用了水扰动装置,或内部扰动,或添加外部泵构建水循环系统,然而也有少数研究者采用静水系统进行培养[24]。此外,对于培养系统中溶氧的浓度监测,有的研究者采用电极技术连续观测,有的则只进行首尾两点的观测。

1.1.2 连续流培养法

连续流培养法是在一个开放的系统中,让恒定流速的水柱(富氧)流过一定面积的底沉积物,通过监测入流及出流点溶氧浓度的差异来推算底泥耗氧速率。连续流培养法可用于长时间序列的培养,且比较适合于河流等单向流动的水系统中底泥耗氧速率的测量。绝大多数连续流培养法的实验工作是在实验室进行的,实验室装置的规格多数大于20 L,系统内水停留时间也从1 h到24 h不等[31]。

1.1.3 测压法

在一个温度恒定和体积不变的系统内,前后气体总量的改变可以通过压力的变化表现出来。测压法是将一定重量的底沉积物放置于反应器内(内置压力计),在其上缓慢注入饱和溶氧状态的水体并在系统的顶部保留一定体积的空气,之后在恒温的状态下培养。微生物活动、有机物矿化作用利用水体中氧气并释放二氧化碳气体,这部分二氧化碳气体由预置于装置内的碱阱捕集以避免其对压力的影响。因此,压力的变化即反应氧气的消耗情况,并以此计算出底泥耗氧速率[32-33]。该实验方法对压力计要求较高,差分压力计使用较多。

1.1.4 电解法

电解法采用测压法相类似的手段,其采用压力计控制电解反应。其过程为:将一定体积的沉积物放入系统底部,其上缓慢注入上覆水并在系统的顶部保留一定体积的空气。微生物和化学过程消耗氧气会导致系统的顶部产生一个弱的真空,真空的产生导致电解反应器的工作。电解过程产生的氧气补充生物、化学过程所造成的顶部真空。根据法拉第定律可以得到电流产生量,并以此求出氧气的生成量,而后根据Reynolds等[12]的公式求出底泥耗氧速率。

1.1.5 脱氢酶活性法

脱氢酶活性法可以指示厌氧环境底沉积物的新陈代谢作用。脱氢酶活性法采用微量热法直接校准,并以热释放的形式表达。氧的消耗量可以根据热的释放量来估算[23]。

1.2 底层扩散边界层氧气含量剖面(微剖面)

采用微电极技术的微剖面法存在实验室测量[34]和水下原位测量[13]两种。实验室内测量,适合研究浅水沉积物。将样品柱带到实验室,然后用微电极穿刺测量,建议用马达微电极推进器来操作,方便快速测量。水下原位测量,适合研究较深的海底,最好配水下摄像机。之后,根据Fick定律来计算沉积物—水界面氧气的交换通量,从而求得底泥耗氧能力。

1.3 水底涡动研究法

水底涡动研究法是近几年新发展出来的方法,其采用微电极技术,在10～15 min内对垂直速度和氧浓度积分,可以估算通过水平面的沉积物—水的氧气净交换量,从而评估反应沉积物的产量和消耗量[17-18],其克服了现有方法的限制(微剖面、原位箱式),空间精度高,使用方便。然而,水底涡动研究法对仪器设备要求较高,且主要应用于渗透性的沉积物,因此目前的应用面尚不高。

1.4 实验室与现场培养之间的比较

可见,无论在实验室培养,还是在现场观测,现均已存在多种不同的方法,如相比较而言,实验室培养与现场原位箱式测定的结果存在较大的差异。这主要是由于实验室培养改变了沉积物的理化环境以及生物特性等。然而,实验室培养具有一致性好,可重复性以及效率高等特点。此外,影响底泥耗氧的因素很多,现场培养只能提供底泥耗氧总量,但该数值不能获得除此之外的更多信息,如影响氧气生产或消耗的生物化学过程,沉积物中氧气的分布以及间隙水氧气动态变化,而实验室培养过程能够作为前者的补充。在现场模拟实验,其结果被认为更接近于实际,但系统环境条件人为调节困难。比较实验认为两者实验结果虽有少量差别,但室内实验易于控制[30],因此,大多数研究者选择在室内进行实验。在实验室培养过程中,可以有选择性的控制条件,以便揭示控制底泥耗氧的主要因素。从目前的研究来看,实验室/现场培养法以及微剖面法应用面相对较广。此外,近年来很多研究者采用模型的方法研究水体/底泥氧的循环与收支[35-37],这为深入研究底泥耗氧的机制提供了较好的平台。然而,模型的发展与完善需要实验室和现场条件实验结果的支持。

2 影响底泥耗氧的主要因素

影响底泥耗氧的主要因素包括垂直混合、沉积物再悬浮、光合作用、底栖无脊椎动物呼吸作用、盐度、p H、化学耗氧量、温度等。沉积物再悬浮可能增加底泥耗氧量[21],这主要是由于再悬浮作用增加了沉积物与水的接触面积。高的水流率往往导致较强的再悬浮作用,因此增加水流速会导致底泥耗氧能力的增强。因此,在培养过程中应准确控制水动力参数,使之较为接近现场条件。浮游植物光合作用以及呼吸作用均对水体氧的循环与收支产生较大的影响,同时也直接影响底泥耗氧能力,尤其是那些生产力相对旺盛的海域。无脊椎动物在底沉积物中的呼吸作用往往增加底泥耗氧量,研究表明,无脊椎动物的呼吸作用一般占底泥耗氧总量的10%～50%[26,38]。化学耗氧量,如还原物质氧化作用等,是底泥耗氧的重要组成部分,一般占到总底泥耗氧量的10%左右,其中硫化物贡献了28%[39]。此外,温度是影响底泥耗氧的重要因素,温度增加往往刺激底质中微生物的呼吸作用,从而导致底泥耗氧量的增加。从温度角度来讲,其往往是导致某些海域夏季出现低氧的重要因素。另外,盐度、p H值可能对底泥耗氧存在一定的影响,但类似的报道并不多见。

3 结束语

国内外有关底泥耗氧的研究方法较多,且在不断更新发展中,从目前的研究来看,实验室/现场培养法以及微剖面法应用面相对较广。影响底泥耗氧速率(大小)的因素很多,如温度、溶氧水平、还原物质、有机物含量、沉积物厚度、还原能力、水动力条件、光合作用、盐度、沉积物再悬浮、底质微生物条件等。现场培养只能提供底泥耗氧总量,但该数值不能获得除此之外的更多信息,如影响氧气生产或消耗的生物化学过程,沉积物中氧气的分布以及间隙水氧气动态变化,而实验室培养过程能够作为前者的补充。在现场模拟实验,其结果被认为更接近于实际,但系统环境条件人为调节困难。室内与现场观测的结果虽有少量差别,但室内实验易于控制,因此,大多数研究者选择在室内进行实验。

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中国近海海洋综合调查与评价专项课题(908-01-BC14).