湖泊沉積物界面過程與效應（簡體書）

《湖泊沉積物界面過程與效應》以湖泊表層沉積物微環境特徵、界面物理和生物擾動過程及其環境和生物效應為主線，圍繞磷、氮及碳等營養物質在界面微環境介質中的存在形態、性質、行為及其影響，系統概括湖底複雜邊界的基本特徵、水動力和底棲生物擾動影響的空間尺度等，闡述擾動作用下不同形態物質在微界面遷移轉化的過程和機理，並給出若干新認識和新觀點。《湖泊沉積物界面過程與效應》的特點是以淺水富營養化湖泊為例，以翔實的實驗數據為依據，通過對微觀過程、微小特徵和微細效應的觀察分析，對湖泊沉積物-水界面的微環境過程和機制進行系統分析和總結，以期對現有的湖泊沉積物界面過程和效應方面的相關認識給予補充和完善。

范成新等編著的《湖泊沉積物界面過程與效應》，全書分11章共51.8萬字。該書以湖泊表層沉積物微環境特征、界面物理和生物擾動過程為主線，圍繞磷、氮、碳等生源要素在界面微環境介質中的存在、性質、行為及其效應為主線，通過對微觀過程、微小特征和微細變化的觀察和分析，系統總結了在湖底邊界層發生的物理和生物影響的空間尺度，闡述了界面過程，特別是擾動作用下不同形態生源要素在微界面遷移轉化機理，并給出了若干新認識和新觀點。

前言
第一章表層沉積物微環境物理與化學特徵
第一節湖底界面尺度及微形貌特徵
一、沉積物-水界面尺度
二、湖底形貌特徵
第二節表層沉積物物理性質及其分佈
一、粒度
二、孔隙度
三、含水率
四、容重
第三節表層沉積物主要化學性質分佈特徵
一、磷
二、氮
三、有機質
四、氧
參考文獻

第二章沉積物界面微環境生物特徵及活動行為
第一節沉積物中微型消費者群落分佈特徵及其活性
一、氮循環細菌
二、解磷細菌
第二節底部邊界層大型消費者及其生活習性與方式
一、寡毛類
二、搖蚊幼蟲
三、軟體動物
四、甲殼動物
五、游泳動物
六、多毛類
第三節界面微環境底棲藻類的生長與生活習性
參考文獻

第三章氧化還原體系及對沉積物-水界面控制作用
第一節沉積物氧化還原反應基本理論及體系特徵
一、反應基本理論
二、反應控制體系
三、體系多樣性
四、生化過程偶聯
五、電位與酸度偶聯
第二節缺氧驅動下沉積物敏感元素體系還原過程
一、氧體系
二、硝酸鹽體系
三、錳體系
四、鐵體系
五、硫體系
第三節沉積物界面氧化還原影響下的物質行為
一、水溶性磷
二、交換性磷
三、鐵氧化物結合磷
四、硝態氮
五、氨態氮
參考文獻

第四章沉積物界面氮氧化及其微生物學過程
第一節沉積物中氨氧化原核生物垂直分佈及其特徵
一、微生物結構與理化環境
二、AOB與AOA群落結構變化
三、氨氧化微生物分子系統發育
第二節表層沉積物中氨氧化原核生物水平分佈及其特徵
一、群落組成和相對豐度
二、環境因子影響
三、AOA和AOB的分子系統發育
四、厭氧氨氧化細菌群落結構
第三節表層沉積物硝化與反硝化潛力及其影響
一、反硝化速率分佈
二、硝化潛力分佈
三、溫度及碳源影響
第四節沉積物中生物體對氮循環微生物分佈和多樣性影響
一、藍藻沉降影響
二、水生植物根際影響
參考文獻

第五章沉積物有機磷組成特徵及界面遷移
第一節沉積物有機磷組成與有效信息獲取
一、有機磷組成
二、有機磷有效性
三、有機磷分子信息獲取方法
第二節沉積物有機磷的組成特徵及與水體磷關係
一、有機磷組成特徵
二、有機磷與水體磷關係
第三節早期成岩作用下沉積物有機磷垂向再分佈及動力機制
一、沉積物相關理化特徵
二、有機磷組成分佈
三、有機磷形態分佈
四、磷形態轉化動力學
參考文獻

第六章沉積物中有機質與生物及微環境關係
第一節沉積物有機質分解及其與微生物活性關係
一、有機質種類及可分解性
二、微生物數量
三、微生物活性
第二節沉積物有機質與底棲動物關係
一、底棲動物種類
二、底棲動物密度
第三節沉積物有機質與初級生產者關係
一、浮游植物
二、高等水生植物
第四節有機質在沉積物厭氧環境形成過程中的作用
一、厭氧狀態表徵方式
二、厭氧環境形成作用
參考文獻

第七章沉積物界面水動力和生物擾動特徵與物理影響
第一節沉積物表層水動力作用要素及界面影響
一、湍流擾動影響
二、波和流的底部剪切力作用影響
三、湖底粗糙度和摩擦作用影響
四、表層沉積物的動力再懸浮
第二節沉積物界面底棲生物擾動過程及界面影響
一、底棲生物擾動種類
二、顆粒物的生物垂向搬運
三、底棲生物引灌
第三節界面擾動對沉積物微環境物理性質影響
一、顆粒物沉降與湖底沉積
二、孔隙度
三、氧剖面
四、氧化還原敏感性物質
參考文獻

第八章擾動作用下沉積物界面微環境氮的遷移轉化
第一節底棲生物擾動對沉積物間隙水氮分佈影響
一、間隙水中氨氮分佈影響
二、間隙水中硝酸鹽氮分佈影響
第二節底棲生物擾動對沉積物界面氮交換影響
一、硝酸鹽氮遷移影響
二、氨氮遷移影響
第三節水動力擾動對沉積物-水界面氮交換影響
一、風浪強度和空間差異影響
二、季節差異影響
三、動力影響機制
第四節底棲生物擾動對沉積物反硝化及其特徵影響
一、沉積物耗氧速率
二、沉積物反硝化層位
三、沉積物反硝化速率
四、生物行為影響差異
參考文獻

第九章擾動作用下沉積物界面微環境磷的遷移轉化
第一節底棲生物擾動對沉積物磷分佈影響
一、形態磷垂向分佈
二、間隙水磷垂向分佈
三、活性磷二維分佈
第二節底棲生物擾動對沉積物-水界面磷交換影響
一、沉積物性質差異
二、生物種類差異
三、溫度變化響應
第三節水動力擾動對沉積物-水界面磷交換影響
一、風浪強度影響
二、季節差異影響
三、湖區差異影響
第四節物理和生物擾動複合作用下界面釋放效應
一、擴散速率對生物擾動的響應
二、水動力和底棲生物擾動複合效應
參考文獻

第十章表層沉積物形態磷的動力學轉化及其效應
第一節表層沉積物磷的吸附解吸行為與影響
一、磷吸附機制與影響
二、磷的解吸作用
三、磷的等溫吸附平衡與影響
第二節動態擾動對沉積物磷吸附與平衡影響
一、再懸浮及其時長
二、靜動態下外部磷源
三、有機質含量影響
四、無機絮凝作用影響
第三節動力擾動方式對沉積物磷遷移轉化影響
一、擾動時長差異
二、擾動持續與間歇
第四節沉積物-水界面形態磷間的動力學轉化
一、再懸浮方式響應
二、再懸浮頻率響應
三、再懸浮時間影響
四、潛在活性磷靜態變化
第五節表層沉積物磷的熱力學穩態趨勢及動態過程
一、磷的流向與再生
二、難溶態磷固定
參考文獻

第十一章沉積物界面微環境中營養物的生物轉化過程
第一節微生物及其胞外酶在沉積物界面過程中的作用
一、酶促水解
二、氧化還原過程
三、細菌的磷溶解
四、微生物呼吸
第二節底棲動物非物理行為對沉積物氮磷釋放過程影響
一、分泌與排泄
二、呼吸作用
第三節沉積物-水界面磷釋放的生物化學機制
一、溶解過程
二、水解過程
三、生物化學機制
參考文獻

第一章 表層沉積物微環境物理與化學特征
沉積物是一種表觀上的固態物質，由于其自身質地的非均勻性、組成的復雜性以及含水性等，其物理性質與一般固態物質性質存在明顯差異。在沉積物內部這些固有差異，以及在外力、溫度和外來物質等的影響下，表層沉積物可形成紛繁的外觀和多變的內部物化性質。這些內外特征和性質及其時空變化，對沉積物界面微環境產生較重要的影響和異質效應。
第一節 湖底界面尺度及微形貌特征
一、沉積物-水界面尺度
界面是一個既具體又抽象的概念。宏觀上，沉積物和水體兩種固液介質因物理接觸而形成沉積物-水“界面”，然而從中微觀角度看，沉積物與水之間的物理關系并非簡單地以面的方式接觸，而是兩種介質在一定垂向尺度上的相互滲透和相互包含。這種滲透和包含造成了這種所謂“界面”在垂向上的拉伸，使界面有了立體尺度。由于地心引力的作用，密度大于水的沉積物置于水底，在早期成巖作用和物理壓實作用下，形成含水量和孔隙度不等的沉積層，并隨自然沉降作用使這一界面尺度在垂向上延展。
從水體一側分析界面尺度就必須與流體摩擦作用相聯系，此時的界面尺度可參照水底邊界層(BBL)的厚度定義(Boudreau and J?rgensen, 2001)，即主要由水體的平均流速、波浪和湍流決定。在海洋和大型湖泊的深部區域，水底邊界層的垂向尺度因地球自轉效應使其擴展到整個水柱，這與埃克曼層(Ekman layer)的高度相當(圖1-1)，即u/f的比值，u為摩擦速度，f為科氏參數。由于埃克曼層與水-沉積物界面現象幾乎沒有關聯性，因此界面尺度也僅存在理論上的意義。在高于底床但小于底部邊界層的區域，水體流動不受地球自轉的影響，并且平均速度的增加隨高度呈對數上升，該層被稱為對數層(logarithmic layer)。在水底界面附近，物質以黏滯遷移為主的層，稱之為黏滯亞層(viscous sublayer)。盡管非常薄，但由于黏滯亞層對物質遷移的阻力最大，物質在該層的流動并不順暢，有類似在粗糙平面上運動的效果。該層中剪應力卻相對恒定，溶質和熱量混合相對充分。黏性亞層在沉積物表面上的尺度大約在厘米級，但在最接近界面處，即使存在波浪形成的重力流和水底渦流的影響，沉積物表層仍會存有約十分之一毫米厚的水膜。在該水膜內，分子擴散效應超過渦流擴散，該層稱為擴散邊界層(diffusive boundary layer, DBL)，也稱擴散亞層(diffusive sublayer)。
自水層下就將穿過理論上沒有“厚度”的沉積物-水界面，進入由沉積顆粒組成的多孔滲水排列的布林克曼層(Brinkman layer)。這是一個可流動和多孔介質復合的廣義邊界層，介質呈多孔滲水狀態。該層由于易受湍流運動，并導致切應力擴散的影響，形成一種水壓力驅動的達西流(Darcy flow)。
圖1-1 廣義沉積物-水界面邊界層垂直結構示意圖(修改自Boudreau and J?rgensen, 2001)
二、湖底形貌特征
湖底地表形態主要由形成湖盆的強大內營力(如斷陷、構造)和外營力(如冰成、河成、風成、堰塞、侵蝕)等驅動因素塑造，但沉積物卻處于表征湖床地勢高低起伏變化的最表層位置，是水圈、巖石圈和生物圈交互作用圈層中最活躍的部分。另外，在湖泊底部，雖然不像海底有明顯的大陸架、大陸坡、海溝、洋盆、洋脊等復雜結構以及較大的空間尺度變化，但由于水深相對淺、受陸源影響和人類活動干擾強、生產力高等，沉積物在湖盆上的相對厚度和對形貌的影響比海洋大得多，所產生的界面生物地球化學效應通常也較大，因此其在湖底的外觀特征在界面過程研究中也顯得非常重要。
在湖底形成大的地形地貌后，外營力仍會通過對泥沙的搬運繼續塑造著湖底形貌。在塑造后期，主要由湖內可搬運的沉積物量及其位置，以及搬運沉積物的驅動因素等決定。湖內可搬運沉積物的量和位置，大致可決定受物源直接影響區的底部沉積物的沉積量或厚度；而水動力則是主要的物理作用，是對造成湖底堆積或不平整形貌進行動力搬運以及使地表平滑化的主要驅動力。
對于有泥沙輸入的入湖河口，在泥沙輸入位置相對不變的情況下，懸移質輸入量的大小將影響沉積區的面積和沉積厚度，使湖底形貌發生空間變化。不同區域獲得的沉積物量(包括此后的礦化和分解作用)是不同的，這使得湖床表面不可能十分平整。在有些湖泊入湖口，水底因沉積物堆積形成三角洲，使得自河口向湖心的水下地形地貌變化極大。物質來源豐富的碎屑沉積還會使湖底形成礫石帶、砂石帶、粉砂帶和淤泥帶的環狀分布(沈吉等，2010)。生物沉積一般發生在生產力較高的濱湖水域，因此產生的沉積物會對濱岸帶的沉積量產生貢獻，如貝殼、藻類和水草尸體及殘存物等。
水底丘陵型地貌的差異實際上取決于沉積厚度的大小(Boudreau and J?rgensen, 2001)。波浪和湖流對湖岸及淺水區地形有深刻的影響，高流速、波浪作用或不穩定流會造成短暫而強度罕見的剪應力，這對底部形態的刻畫有決定性作用，以致形成微小地形或地貌。在塑造湖底地形的過程中，水動力侵蝕的強度和頻次是決定湖底沉積物起懸程度的主要因素，湍流是造成湖底沉積物搬運的最主要水動力運動方式，其結果都是使沉積物擾動懸浮后向異地遷移，改變著湖底的形貌特征。
在自然湖泊岸邊，一般存在一定坡度的湖濱區，這一區域的寬度與湖泊的類型和發育有關。在我國的蒙新高原區，湖濱坡度通常極小，有的甚至一直可延伸到湖心，幾乎沒有平坦的湖盆水域；而在我國東部湖泊，較多的則是淺碟形態，坡型濱岸帶較窄，有些岸帶離開湖邊水線5~10m就可直達深水區，這樣的湖泊水深大多較淺，淺碟形特征非常明顯。
圖1-2 剛采集出水體的沉積物表層外觀
實際上，湖底的宏觀地形地貌一般不會有大的變化，能在較短時間尺度發生較大變化的卻是在底部的微地形和微地貌方面，而正是這些對界面具有重要的環境意義。在沉積物中，真正與上覆水和底部生物直接相關的層不過數十厘米甚至數厘米，物質的有效狀態或對生物的危害性都是在這一深度的層內顯現或發生作用，因此任何影響沉積物層理和外觀的微小因素，均可對湖泊系統內的物質遷移轉化、生物吸收富集等產生影響。在影響湖底微形貌因素中，沉積物的再懸浮和生物擾動作用被認為是最主要的(H?kanson and Jansson, 1983)。底部水動力物理性擾動，可通過剪切力及湍流作用使得表層沉積物發生懸浮甚至侵蝕，結果使得表層沉積物被分散和搬運，造成上層沉積物的減少或增加，有些還會發生層理變化，形成新的湖底微形貌, 對沉積物界面或附近的生物地球化學反應產生影響(Denis and Grenz，2003)。
生物擾動則多指以覓食沉積物的大型底棲動物，由于攝食、匍行、筑穴、鉆孔等生物活動而對沉積物的原始結構造成的改變(Crusius et al., 2004)，如圖1-2所示。這種擾動的影響作用通常分為兩類，即因底棲擾動等造成的界面完整性的破損稱為改造(reworking)，而造成沉積物界面深穴或井管作用則稱為生物引灌(bio-irrigation)。生物擾動作用的直接結果是對沉積物產生垂直搬運和混合(宋金明等，2004)、加速間隙水與上覆水的物質交換以及加速微型生物和小型生物對有機質的分解、礦化和代謝過程等。這一過程導致沉積物物理、化學性質發生變化, 并給沉積物-水界面的生物地球化學過程造成重大影響。在早期成巖過程中，由底棲動物活動引起的顆粒物與液體傳遞可能顯著地影響表層沉積物中有機質礦化速率與途徑，底棲動物的存在能夠使顆粒態有機質再分配并通過微生物降解作用加速降解以去除顆粒態有機質(Papaspyrou et al., 2007)。生物擾動能夠改變沉積物-水界面的溶解氧狀況和微生物分布，對沉積物-水界面的物質循環過程產生影響(劉敏和侯立軍，2003)。在一些海洋區域，底棲生物對界面物質遷移所產生的影響效應甚至比水動力作用更顯著。此外，受生物擾動影響的沉積物區，風驅動的水動力會很容易導致沉積物的再懸浮。
第二節 表層沉積物物理性質及其分布
對沉積物自身物理性質而言，較多的是涉及組成沉積物的最小個體顆粒物性及其組成沉積物后形成的整體結構所具有的物理性質，如粒度、比表面、含水率、容重、孔隙度等。另外，還有一類則是沉積物內部環境控制下所顯現的物理性質，如酸堿性(pH)和氧化還原電位(Eh)等。由于它們多與沉積物中的碳酸鹽系統、鐵錳系統、酸性基團含量、微生物活性狀態甚至水體的酸堿程度等非物理性質有關，因此酸堿性和氧化還原電位等特征也在沉積物物性分析時得到重視。
一、粒度
湖底沉積物是由無數多個顆粒物堆積而成的，個體顆粒物就是沉積物的基本單元。但這些組成沉積物的顆粒物粒徑大小會因組成和結構性質的差異而不同，因此了解個體顆粒物的粒度分布對研究沉積物的整體性質非常重要。
粒度(grain size)是表征顆粒大小的量度，有體積值和線性值之分。體積值一般以標準直徑dn表示(也有較多采用φ粒度值的方法，即φ=log2dn)；線性值是針對形態不規整的顆粒而言的，多以最長直徑dL、最短直徑dJ或中間直徑dI表示。自然樣品(如沉積物)中的顆粒數量極其巨大，粒度值幾乎各不相同，實際采用的表達方式是給出兩個標準直徑之間的分級所占總量的百分比。傳統方法是以95％的物料所通過的篩孔尺寸(mm或網目)表示，隨著先進分析儀器的出現，該類分析技術和表示方法也有了一定變化。
以水作為液體介質來分離或觀察單個沉積物顆粒往往需要足夠稀釋和動力條件，較大的顆粒外觀多呈懸浮絮凝體，單個或較小的顆粒也多呈無規則分布狀態(圖1-3)，其當量橢圓長軸和短軸比為1.43~1.64，說明顆粒并非是規則的球體(劉會娟等，2007)。顆粒物的無規則外形使得人們很難在沉積物中找出兩個外觀完全相同的顆粒物，尤其沉積物越是來源于表層，外觀的復雜性也越大。
沉積物顆粒的粒度對湖泊地貌學、沉積學和水動力學的研究具有重要意義。常見的沉積物粒度分級方法采用Muller和Forstner方案，即砂大于63μm(φ＜4)，粉砂為2~63μm(φ為4~1)，黏土為2μm(φ＞1)。一般而言，在湖泊的確定位置，沉積物的粒度基本保持一致，即受時間的影響相對較小，這也就直接反映了沉積物垂向分布上的相對一致性。然而，粒度的大小及其變化往往是受多因素影響的，其中水動力條件的影響最為顯著。