开题报告内容:(包括拟研究或解决的问题、采用的研究手段及文献综述,不少于2000字)
1.1 沉积物的“源-汇”效应及研究意义
湖泊生态系统中,沉积物是最重要的组成部分之一,沉积物既对外来生物质、化学物质具有吸附、储存能力,又是表层物质转化与交替的场所,表现出独特的环境生态效应。自然湖泊中的沉积物一般情况下是湖泊水域内外源物质的重要汇,对水体自净、污染物的分解具有重要意义。
工业废水、生活污水、农田废水富含大量的有机污染物,有机污染物具有的疏水亲脂性,导致水体中大部分的有机污染物被悬浮颗粒物吸附,通过重力沉降、吸附、絮凝等物理化学作用进入沉积物中,或者通过化学沉积、生物沉积进入沉积物,导致沉积物成为了有机污染物主要的汇。而沉积物对有机污染物的吸附不够稳定,受到风浪扰动、底栖生物扰动后,容易再释放到水体中。因此湖泊沉积物同时是有机污染物的“源”和“汇”[1][2]。
1.1.1 沉积物的“汇”效应
随着社会和经济的快速发展,人类活动加剧了各类污染物向环境中排放的通量,这些污染物通过地表径流、大气沉降等各种途径进入湖泊水体,湖泊水体容纳了超过其自净能力的污染物量,使得受污染水体直接接触的表层沉积物,通过吸附、沉积等作用,存储了大量污染物。如根据鲁成秀和成杰民对太湖湖州市区域、南四湖微山县区域、白洋淀瑞村区域的采样分析[3],明显得出,沉积物中的各类污染物质浓度远远高于水体.在这个层面上讲,沉积物是汇。
1.1.2 沉积物的“源”效应
受到外部环境条件影响,如风浪过程、暴风雨、航运行船扰动、水生生物扰动、氧化还原以及污泥疏浚、拖网捕捞等条件变化作用下,由于波浪和水流相互作用形成波-流耦合切应力[4],沉积物发生再悬浮现象,存储与沉积物中的污染物又通过解吸附,环境中暴露等过程,在沉积物-水界面上释放,对水生生态系统以及人类健康构成了潜在威胁[5][6]。如俞慎和历红波研究发现,风浪扰动会改变重金属在水-颗粒物之间的分配平衡系数,使沉积物中赋存的重金属释放到上覆水中,提高重金属的生物可利用性,并对生物产生毒害作用[7]。根据朱广伟和秦伯强等人的野外观测研究,在大风浪扰动初期,湖泊上覆水中出现磷的爆发性内源释放[8][9][10],Nodohin和Elefsiniotis研究了船舶航行扰动对水体中磷浓度的促增长作用[11],Schneider A R, Porter E T , Backer J E研究Hudson河中PCBs的数据显示,动力扰动下PCBs的释放通量高出静水状态两个数量级[12]。重金属、营养元素、有机污染物由底泥向上覆水的释放,影响上覆水水质,在这个层面上,沉积物表现出源的性质。
1.2 浅水水体扰动对污染物迁移的影响
湖泊水环境中,在稳定的中心地带,上覆水体流动相对缓慢,在夏季或冬季风浪比较大的情况下,也仅仅会影响毫米级别的表层沉积物[13]。然而在浅水湖区,水动力对底泥的影响强烈,它是影响沉积物-水界面污染物经孔隙水的传质速率、沉积物再悬浮状态、再悬浮颗粒吸附污染物状态的决定性因素,风浪扰动造成沉积物中营养盐释放,水体浊度的升高,初级生产力的下降,产生的一系列因素对湖泊生态系统有着复杂而又深远的影响。
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