湖泊沉積物界面過程與效應(yīng)

內(nèi)容概要

《湖泊沉積物界面過程與效應(yīng)》以湖泊表層沉積物微環(huán)境特征、界面物理和生物擾動(dòng)過程及其環(huán)境和生物效應(yīng)為主線，圍繞磷、氮及碳等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在界面微環(huán)境介質(zhì)中的存在形態(tài)、性質(zhì)、行為及其影響，系統(tǒng)概括湖底復(fù)雜邊界的基本特征、水動(dòng)力和底棲生物擾動(dòng)影響的空間尺度等，闡述擾動(dòng)作用下不同形態(tài)物質(zhì)在微界面遷移轉(zhuǎn)化的過程和機(jī)理，并給出若干新認(rèn)識(shí)和新觀點(diǎn)?！逗闯练e物界面過程與效應(yīng)》的特點(diǎn)是以淺水富營(yíng)養(yǎng)化湖泊為例，以翔實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過對(duì)微觀過程、微小特征和微細(xì)效應(yīng)的觀察分析，對(duì)湖泊沉積物-水界面的微環(huán)境過程和機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)分析和總結(jié)，以期對(duì)現(xiàn)有的湖泊沉積物界面過程和效應(yīng)方面的相關(guān)認(rèn)識(shí)給予補(bǔ)充和完善。

作者簡(jiǎn)介

中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所“湖泊沉積污染與界面環(huán)境化學(xué)”團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新研究員、博士生導(dǎo)師。近5年來主持國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（40730528）、面上項(xiàng)目（40171083、20577053、50979102）、國(guó)家 “863” 計(jì)劃（2002AA601013-05）、國(guó)家水專項(xiàng)巢湖課題（2008ZX07103-003）、中科院知識(shí)創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目（KZCX1-SW-12-Ⅱ）等項(xiàng)目。

書籍目錄

前言 第一章表層沉積物微環(huán)境物理與化學(xué)特征1 第一節(jié)湖底界面尺度及微形貌特征1 一、沉積物—水界面尺度1 二、湖底形貌特征2 第二節(jié)表層沉積物物理性質(zhì)及其分布4 一、粒度4 二、孔隙度5 三、含水率7 四、容重9 第三節(jié)表層沉積物主要化學(xué)性質(zhì)分布特征10 一、磷10 二、氮14 三、有機(jī)質(zhì)16 四、氧18 參考文獻(xiàn)23 第二章沉積物界面微環(huán)境生物特征及活動(dòng)行為26 第一節(jié)沉積物中微型消費(fèi)者群落分布特征及其活性26 一、氮循環(huán)細(xì)菌26 二、解磷細(xì)菌32 第二節(jié)底部邊界層大型消費(fèi)者及其生活習(xí)性與方式41 一、寡毛類42 二、搖蚊幼蟲42 三、軟體動(dòng)物43 四、甲殼動(dòng)物44 五、游泳動(dòng)物46 六、多毛類46 第三節(jié)界面微環(huán)境底棲藻類的生長(zhǎng)與生活習(xí)性47 參考文獻(xiàn)48 第三章氧化還原體系及對(duì)沉積物—水界面控制作用55 第一節(jié)沉積物氧化還原反應(yīng)基本理論及體系特征55 一、反應(yīng)基本理論55 二、反應(yīng)控制體系58 三、體系多樣性60 四、生化過程偶聯(lián)62 五、電位與酸度偶聯(lián)65 第二節(jié)缺氧驅(qū)動(dòng)下沉積物敏感元素體系還原過程66 一、氧體系66 二、硝酸鹽體系67 三、錳體系68 四、鐵體系70 五、硫體系73 第三節(jié)沉積物界面氧化還原影響下的物質(zhì)行為74 一、水溶性磷74 二、交換性磷75 三、鐵氧化物結(jié)合磷76 四、硝態(tài)氮78 五、氨態(tài)氮79 參考文獻(xiàn)80 第四章沉積物界面氮氧化及其微生物學(xué)過程82 第一節(jié)沉積物中氨氧化原核生物垂直分布及其特征82 一、微生物結(jié)構(gòu)與理化環(huán)境82 二、AOB與AOA群落結(jié)構(gòu)變化84 三、氨氧化微生物分子系統(tǒng)發(fā)育85 第二節(jié)表層沉積物中氨氧化原核生物水平分布及其特征88 一、群落組成和相對(duì)豐度88 二、環(huán)境因子影響91 三、AOA和AOB的分子系統(tǒng)發(fā)育92 四、厭氧氨氧化細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)96 第三節(jié)表層沉積物硝化與反硝化潛力及其影響99 一、反硝化速率分布99 二、硝化潛力分布100 三、溫度及碳源影響103 第四節(jié)沉積物中生物體對(duì)氮循環(huán)微生物分布和多樣性影響104 一、藍(lán)藻沉降影響104 二、水生植物根際影響111 參考文獻(xiàn)115 第五章沉積物有機(jī)磷組成特征及界面遷移117 第一節(jié)沉積物有機(jī)磷組成與有效信息獲取117 一、有機(jī)磷組成117 二、有機(jī)磷有效性120 三、有機(jī)磷分子信息獲取方法121 第二節(jié)沉積物有機(jī)磷的組成特征及與水體磷關(guān)系124 一、有機(jī)磷組成特征125 二、有機(jī)磷與水體磷關(guān)系128 第三節(jié)早期成巖作用下沉積物有機(jī)磷垂向再分布及動(dòng)力機(jī)制130 一、沉積物相關(guān)理化特征130 二、有機(jī)磷組成分布132 三、有機(jī)磷形態(tài)分布135 四、磷形態(tài)轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)138 參考文獻(xiàn)141 第六章沉積物中有機(jī)質(zhì)與生物及微環(huán)境關(guān)系147 第一節(jié)沉積物有機(jī)質(zhì)分解及其與微生物活性關(guān)系147 一、有機(jī)質(zhì)種類及可分解性147 二、微生物數(shù)量150 三、微生物活性151 第二節(jié)沉積物有機(jī)質(zhì)與底棲動(dòng)物關(guān)系153 一、底棲動(dòng)物種類153 二、底棲動(dòng)物密度154 第三節(jié)沉積物有機(jī)質(zhì)與初級(jí)生產(chǎn)者關(guān)系155 一、浮游植物155 二、高等水生植物156 第四節(jié)有機(jī)質(zhì)在沉積物厭氧環(huán)境形成過程中的作用158 一、厭氧狀態(tài)表征方式158 二、厭氧環(huán)境形成作用159 參考文獻(xiàn)163 第七章沉積物界面水動(dòng)力和生物擾動(dòng)特征與物理影響167 第一節(jié)沉積物表層水動(dòng)力作用要素及界面影響167 一、湍流擾動(dòng)影響167 二、波和流的底部剪切力作用影響169 三、湖底粗糙度和摩擦作用影響170 四、表層沉積物的動(dòng)力再懸浮172 第二節(jié)沉積物界面底棲生物擾動(dòng)過程及界面影響175 一、底棲生物擾動(dòng)種類175 二、顆粒物的生物垂向搬運(yùn)177 三、底棲生物引灌183 第三節(jié)界面擾動(dòng)對(duì)沉積物微環(huán)境物理性質(zhì)影響184 一、顆粒物沉降與湖底沉積185 二、孔隙度186 三、氧剖面188 四、氧化還原敏感性物質(zhì)191 參考文獻(xiàn)194 第八章擾動(dòng)作用下沉積物界面微環(huán)境氮的遷移轉(zhuǎn)化198 第一節(jié)底棲生物擾動(dòng)對(duì)沉積物間隙水氮分布影響198 一、間隙水中氨氮分布影響198 二、間隙水中硝酸鹽氮分布影響201 第二節(jié)底棲生物擾動(dòng)對(duì)沉積物界面氮交換影響202 一、硝酸鹽氮遷移影響202 二、氨氮遷移影響205 第三節(jié)水動(dòng)力擾動(dòng)對(duì)沉積物—水界面氮交換影響206 一、風(fēng)浪強(qiáng)度和空間差異影響207 二、季節(jié)差異影響212 三、動(dòng)力影響機(jī)制214 第四節(jié)底棲生物擾動(dòng)對(duì)沉積物反硝化及其特征影響218 一、沉積物耗氧速率220 二、沉積物反硝化層位223 三、沉積物反硝化速率226 四、生物行為影響差異229 參考文獻(xiàn)233 第九章擾動(dòng)作用下沉積物界面微環(huán)境磷的遷移轉(zhuǎn)化237 第一節(jié)底棲生物擾動(dòng)對(duì)沉積物磷分布影響237 一、形態(tài)磷垂向分布237 二、間隙水磷垂向分布238 三、活性磷二維分布240 第二節(jié)底棲生物擾動(dòng)對(duì)沉積物—水界面磷交換影響244 一、沉積物性質(zhì)差異244 二、生物種類差異246 三、溫度變化響應(yīng)247 第三節(jié)水動(dòng)力擾動(dòng)對(duì)沉積物—水界面磷交換影響249 一、風(fēng)浪強(qiáng)度影響249 二、季節(jié)差異影響250 三、湖區(qū)差異影響251 第四節(jié)物理和生物擾動(dòng)復(fù)合作用下界面釋放效應(yīng)254 一、擴(kuò)散速率對(duì)生物擾動(dòng)的響應(yīng)254 二、水動(dòng)力和底棲生物擾動(dòng)復(fù)合效應(yīng)256 參考文獻(xiàn)257 第十章表層沉積物形態(tài)磷的動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)化及其效應(yīng)262 第一節(jié)表層沉積物磷的吸附解吸行為與影響263 一、磷吸附機(jī)制與影響263 二、磷的解吸作用265 三、磷的等溫吸附平衡與影響266 第二節(jié)動(dòng)態(tài)擾動(dòng)對(duì)沉積物磷吸附與平衡影響269 一、再懸浮及其時(shí)長(zhǎng)269 二、靜動(dòng)態(tài)下外部磷源272 三、有機(jī)質(zhì)含量影響274 四、無機(jī)絮凝作用影響276 第三節(jié)動(dòng)力擾動(dòng)方式對(duì)沉積物磷遷移轉(zhuǎn)化影響277 一、擾動(dòng)時(shí)長(zhǎng)差異277 二、擾動(dòng)持續(xù)與間歇278 第四節(jié)沉積物—水界面形態(tài)磷間的動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)化281 一、再懸浮方式響應(yīng)281 二、再懸浮頻率響應(yīng)283 三、再懸浮時(shí)間影響285 四、潛在活性磷靜態(tài)變化288 第五節(jié)表層沉積物磷的熱力學(xué)穩(wěn)態(tài)趨勢(shì)及動(dòng)態(tài)過程291 一、磷的流向與再生291 二、難溶態(tài)磷固定294 參考文獻(xiàn)297 第十一章沉積物界面微環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)物的生物轉(zhuǎn)化過程302 第一節(jié)微生物及其胞外酶在沉積物界面過程中的作用302 一、酶促水解302 二、氧化還原過程310 三、細(xì)菌的磷溶解316 四、微生物呼吸317 第二節(jié)底棲動(dòng)物非物理行為對(duì)沉積物氮磷釋放過程影響318 一、分泌與排泄318 二、呼吸作用320 第三節(jié)沉積物—水界面磷釋放的生物化學(xué)機(jī)制325 一、溶解過程325 二、水解過程326 三、生物化學(xué)機(jī)制335 參考文獻(xiàn)341

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁(yè)：   插圖：   二、微生物數(shù)量 微生物在有機(jī)質(zhì)的降解過程中起著重要的作用，但有機(jī)質(zhì)不僅對(duì)微生物的活性有制約效應(yīng)，而且還是控制微生物生物量的主要因素之一。Boetius和Damm（1998）認(rèn)為，有機(jī)質(zhì)與微生物的多樣性有關(guān)，且二者存在明顯的正相關(guān)關(guān)系（魏中青等，2005）。 富營(yíng)養(yǎng)化湖泊（如太湖）沉積物中，有機(jī)磷細(xì)菌數(shù)量顯著高于無機(jī)磷細(xì)菌數(shù)量，并且呈現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性（圖2—4），這可能與營(yíng)養(yǎng)濃度水平有密切關(guān)系。沉積物有機(jī)磷細(xì)菌在冬季（12月、2月和3月）數(shù)量最少，春季（4月和5月）、夏季（7月）數(shù)量較多，與葉綠素a濃度及著生藻的種類和生物量的變化趨勢(shì)一致（周純，2010）。 沉積物是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是營(yíng)養(yǎng)循環(huán)的重要一環(huán)。例如，沉積物中的鈣、鐵、鋁等能直接與磷發(fā)生吸附或者沉淀反應(yīng)將水體中的磷固定在沉積物中。營(yíng)養(yǎng)來源分為外源和內(nèi)源，而沉積物是內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)的重要來源。沉積物不僅會(huì)富集磷，其磷的釋放更是導(dǎo)致湖泊恢復(fù)延遲的重要原因之一。沉積物有機(jī)質(zhì)的礦化與腐殖化過程均需微生物介導(dǎo)。微生物本身具有數(shù)量多、分布廣、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，使得其在沉積物有機(jī)質(zhì)分解中扮演的角色更加重要。沉積物有機(jī)質(zhì)含量與微生物數(shù)量的關(guān)系應(yīng)當(dāng)是顯著的，從滇池福保灣四個(gè)樣點(diǎn)的底泥中氨化細(xì)菌數(shù)的記錄來看，有機(jī)質(zhì)含量較高的樣點(diǎn)氨化細(xì)菌數(shù)量達(dá)到12.94×108cells／g，而貧瘠的砂質(zhì)沉積物中氨化細(xì)菌數(shù)只有0.2×108cells／g（李寶等，2008）。Haglund等（2003）研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的數(shù)量隨著沉積物深度的增加而下降，下降最快的為腐生菌，這是由于沉積物深處有機(jī)質(zhì)含量越來越少。通過對(duì)太湖沉積物不同深度的微生物多樣性研究發(fā)現(xiàn)，不同深度的樣品呈現(xiàn)出不同的DGGE指紋圖譜（圖6—1），由圖可以看出，隨著深度的增加，條帶顯示出先增多后減少的趨勢(shì)，表明生物多樣性表現(xiàn)出隨有機(jī)質(zhì)含量先增多后減少的相同趨勢(shì)，亮度的增減變化同樣可以表示細(xì)菌相對(duì)數(shù)量隨有機(jī)質(zhì)含量的變化而產(chǎn)生相同變化（趙興青等，2008）。自然環(huán)境中的微生物數(shù)量與有機(jī)質(zhì)含量的關(guān)系已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外的各種文獻(xiàn)中提及和發(fā)現(xiàn)，模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)進(jìn)一步解釋它們之間的關(guān)系十分必要。沉積物有機(jī)質(zhì)降解的模擬實(shí)驗(yàn)更加直觀地顯示有機(jī)質(zhì)分解與微生物數(shù)量的聯(lián)系，郭亞新（2006）采集了湖北武漢月湖的新鮮沉積物，置于玻璃水缸中，鋪平，加自來水至淹沒，室溫培養(yǎng)，設(shè)置A、B、C三組，A組為對(duì)照組，在B組和C組所加沉積物中均勻混入月湖蓮花殘?bào)w干粉碎物50g，B組持續(xù)充氣，A、C組靜置。從圖6—2中可以清楚看到，加入有機(jī)質(zhì)后的C組細(xì)菌數(shù)量驟增至峰值，之后隨著有機(jī)質(zhì)的厭氧降解逐漸降低。

編輯推薦

《湖泊沉積物界面過程與效應(yīng)》的特點(diǎn)是以淺水富營(yíng)養(yǎng)化湖泊為例，以翔實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過對(duì)微觀過程、微小特征和微細(xì)效應(yīng)的觀察分析，對(duì)湖泊沉積物—水界面的微環(huán)境過程和機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)分析和總結(jié)，以期對(duì)現(xiàn)有的湖泊沉積物界面過程和效應(yīng)方面的相關(guān)認(rèn)識(shí)給予補(bǔ)充和完善。

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