2.4. 原位孔隙水剖面和营养盐底栖扩散通量


在8月和9月（芦苇生长高峰期）期间，使用孔隙水平衡器（peepers）从沉积物核心中收集孔隙水。peeper装置的设计与最初报道的类似。在将peeper安装到沉积物中之前，peeper腔室充满去离子水，整个peeper浸入去离子水中，并通过用氮气吹扫至少24小时进行脱氧。安装后，peepers允许与孔隙水平衡约4周，然后从沉积物中取出并立即取样。此外，使用配备O₂微电极的微剖面仪（Unisense优尼森，丹麦）获得高分辨率的原位孔隙水微剖面。微电极（50 μm尖端直径）的搅拌灵敏度低于1%，90%响应时间低于1 s，电流漂移小于2%，O₂微剖面使用该方法测定。用于微传感器测量的沉积物核心用重力取样器（内径8.40 cm，核心长度50 cm）取样。核心立即被带到船上并固定到校准的微传感器上，微剖面的测量在取样后1小时内完成。


底栖营养盐和氧气表观扩散通量（F）的计算基于测量的浓度剖面，应用菲克第一扩散定律：


F = -φDₛ(∂C/∂z)_{z=0}


其中F为扩散通量（mmol m⁻² d⁻¹）；φ为0–5 mm表层沉积物的平均孔隙度；Dₛ为沉积物中每种营养盐的扩散系数，可由水中的分子扩散系数（D₀）和孔隙度（φ）计算：Dₛ = D₀φ²。沉积物孔隙度（φ）使用基于质量含水量（W）和沉积物平均密度（dₛ = 2.650 kg m⁻³）和水（d_w = 1.000 kg m⁻³）的以下公式计算。


营养盐浓度梯度根据孔隙水剖面中上层沉积物的浓度和底层水浓度计算。氧气浓度梯度基于扩散边界层（DBL）中线性氧气降低和上层水中近似恒定O₂值计算。


2.5. 数据分析


沉积物和形态数据的统计分析使用SPSS 16.0 for Windows进行，个体均值之间的显著差异通过Tukey检验区分，P值<0.05被认为显著。


3. 结果


3.1. 沉积物性质


如表1所报告，沉积物的主要性质受到SC、PT和CT的很大影响。使用PT的总孔隙度显著高于任何其他处理（P<0.05），而使用CT和PT的容重显著低于SC和CK（P<0.05）。使用多重比较，最低容重值1.35 g cm⁻³出现在PT+芦苇处理中，最高孔隙度值60.53%出现在PT中；然而，在所有有/无种植芦苇的处理中，容重和孔隙度没有发现显著差异（P>0.05）。与对照相比，使用PT和CT显著增加了KCl可提取的NH₄⁺和NO₃⁻，以及NH₄Cl可提取的PO₄³⁻（P<0.05），特别是在有芦苇存在的PT和CT方法中。峰值含量达到使用PT方法相应无芦苇处理的155%。


3.2. 底栖氧气微剖面和氧气消耗

图 2. SC、PT 和 CT 处理后溶解氧浓度的微区分布曲线（含三个重复样本）

SC、PT和CT处理的典型O₂微剖面如图2所示。剖面显示，距离水–沉积物界面2 mm以上的上层水中O₂浓度几乎恒定，在接近界面时线性降低（所谓的"扩散边界层"），但在表层沉积物中急剧降低（图2）。表层沉积物的O₂需求如此之高，以至于所有O₂在约2.70 mm的最大O₂深度以下消失。这些结果表明，在自然界中，沉积物中的O₂平均渗透深度可以从CK的约0.79 mm变化到使用SC的约2.44 mm，这与表层沉积物性质的波动一致（表2）。


表 2（Table 2）—O₂ 扩散通量与有机碳降解速率：表 2（Table 2） 由原位 O2 剖面得到的 O2 扩散通量及有机碳降解速率。
采样点 Sample site 孔隙度 ε / % Ds / 10−9 m2 s−1 [O2]BW / μmol L−1 ∂C/∂z / (mg L−1 mm−1) OPD / mm FO₂ / μmol O2 m−2 d−1 RO₂ / μmol O2 m−3 y−1 Rorg / (kg C m−3 y−1)
CK 75 0.6356 5.19 ± 0.23 3.67 ± 1.33 0.79 ± 0.08 4.73 ± 1.72 2220 ± 878 20.51 ± 8.12
SC 81 0.6356 5.60 ± 0.84 1.02 ± 0.58 2.44 ± 0.27 1.66 ± 0.94 258 ± 173 2.38 ± 1.60
PT 87 0.6356 7.72 ± 0.54 3.57 ± 2.46 1.45 ± 0.09 7.21 ± 1.95 1134 ± 432 10.48 ± 3.99
CT 84 0.7414 6.25 ± 0.21 3.59 ± 0.97 2.38 ± 0.28 6.45 ± 4.46 1628 ± 1136 15.05 ± 10.49

假设稳态，沉积物O₂由进入沉积物的扩散O₂传输和沉积物内的氧气消耗之间的平衡维持。氧气消耗率（R_O₂）可以从底栖氧气通量对深度的导数推导。沉积物扩散O₂通量和计算的氧气消耗率（R_O₂）列于表2。扩散O₂通量范围从使用SC的1.66±0.94 mmol O₂ m⁻² d⁻¹的低值到使用PT的7.21±1.95 mmol O₂ m⁻² d⁻¹的高值，说明在沉积物中进行的不同的修复实践极大地影响了沉积物–水界面的O₂交换，并可以改变O₂交换传输机制。使用覆盖方法（如SC）扩散O₂通量降低到CK的35%，而通过疏松沉积物方法（即PT和CT）分别增加到CK的152%和136%。基于改进的Redfield比率（O₂/C_org = 170/117）计算的R_O₂和R_org（有机碳降解率）显示出很宽的范围，分别为258±173至2220±878 mol O₂ m⁻³ y⁻¹和2.38±1.60至20.51±8.12 kg C m⁻³ y⁻¹。沉积物中最大的R_O₂和R_org同时出现在CK中，分别比使用SC、PT和CT的高8.6、2.0和1.4倍。基于我们上述结果，建议SC可以增加O₂渗透深度并减缓沉积物–水界面的O₂扩散通量，而疏松沉积物方法（PT和CT）同时增加了O₂渗透深度和O₂扩散通量。


3.3. 孔隙水分布和底栖营养盐扩散通量


NH₄⁺和PO₄³⁻浓度在上层水中低于表层沉积物中，而NO₃⁻的分布与NH₄⁺和PO₄³⁻在剖面中的分布相反（图3）。在所有实验情况下，孔隙水NH₄⁺和PO₄³⁻浓度在有芦苇生长组中一致显著低于无芦苇组。然而，NH₄⁺和PO₄³⁻的最大减少分别是SC+芦苇和PT+芦苇处理的结果，与无芦苇组相比，使用CT时芦苇根际中的NO₃⁻含量最低。

图3. 南史湖湖岸区Peeper样点孔隙水中PO₄³⁻、NH₄⁺和NO₃⁻浓度分布曲线，涵盖沙层覆盖（SC）、犁耕（PT）、交叉耕作（CT）及对照（CK）三种沉积物处理方式；实心与空心三角形符号分别代表有/无芦苇（Phragmites australis）生长的处理组。

表 3（Table 3）—沉积物–水界面扩散通量：表 3（Table 3） SC、PT、CT 处理下沉积物–水界面的扩散通量。数值以均值 ± 标准差表示；正值表示由沉积物向水柱释放，负值表示由水柱向沉积物吸附。
处理 Treatment PO43− / (μg m−2 d−1) NH4+ / (μg m−2 d−1) NO3− / (μg m−2 d−1)
CK 2.88 ± 0.46a 64.83 ± 10.41 −650.97 ± 104.57
CK + Phragmites australis 2.66 ± 0.62 8.54 ± 2.00 −106.54 ± 25.10
SC 2.91 ± 0.54 62.43 ± 11.65 −267.94 ± 49.96
SC + Phragmites australis 2.06 ± 0.19 35.86 ± 3.37 −296.14 ± 27.84
PT 4.87 ± 1.08 −113.24 ± 25.03 −990.68 ± 219.00
PT + Phragmites australis 6.10 ± 0.66 −93.02 ± 10.14 −954.30 ± 104.01
CT 2.08 ± 0.39 −39.85 ± 7.45 −384.24 ± 71.83
CT + Phragmites australis 1.77 ± 0.39 −43.14 ± 9.47 −843.99 ± 183.33

表3显示，除使用PT和CT的NH₄⁺通量外，所有情况下沉积物都是上层水中NH₄⁺和PO₄³⁻的来源，其中沉积物是NH₄⁺的轻微汇。PT显著增强了沉积物中PO₄³⁻的通量（P<0.05），PT+芦苇的PO₄³⁻通量（6.10±0.66 μg m⁻² d⁻¹）最高，而CT核心中的通量最低（1.77±0.39 μg m⁻² d⁻¹）。NH₄⁺通量观察到高度变异性。SC与芦苇结合可能导致沉积物–水界面NH₄⁺通量的增加，而PT和CT以及它们与芦苇的结合处理对NH₄⁺通量（-34.58至-130.94 μg NH₄⁺ m⁻² d⁻¹）从底层水到沉积物的扩散方向有强烈的正向效应，与CK和SC的方向相反（表3）。计算的NO₃⁻通量在所有情况下也受到很大影响。PT及其与芦苇的结合处理导致从底层水到沉积物的峰值通量（-835.83至1145.54 μg NO₃⁻ m⁻² d⁻¹），与CK和CK+芦苇处理相比增加了1.5至9倍。