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| 內容簡介： |
本书以浅水湖泊沉积物-水界面氮磷生物地球化学过程为重点，以沉积物-水-生物构成的系统为对象，从氮磷形态、迁移转化、生物有效性及影响因素等切入，重点关注了水生植物的影响，系统研究了湖泊沉积物氮磷生物地球化学过程。全书共7章，论述了浅水湖泊沉积物-水界面结构特征、湖泊沉积物氮磷赋存特征、湖泊沉积物氮磷界面过程及其影响因素、湖泊沉积物有机质赋存特征及其对氮磷迁移的影响、水体营养和底质对沉水植物生长及生理特征的影响以及沉水植物对沉积物-水界面氮磷分布及迁移的影响等内容，深入探讨了浅水湖泊沉积物-水界面氮磷生物地球化学过程。
本书可供湖泊学、生物地球化学、环境化学、环境工程等专业的研究人员、大专院校师生以及环境管理、水利管理等部门的管理人员参考。
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| 關於作者： |
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王圣瑞（Email：wangsr@craes.org.cn）男，博士，研究员，1972年生；中国环境科学研究院学术委员会成员，湖泊创新基地负责人，国家“水专项”重点流域专家组专家，获环境保护部“五四”青年奖章、青年科技创新奖和优秀学术论文奖等多项荣誉，2013年入选“万人计划”科技创新领军人才。主要从事湖泊污染过程、富营养化机理与湖泊管理等领域的科学研究和人才培养，主持承担国家“水专项”课题、国家自然科学基金（面上、重点）项目、环境保护部重点项目以及中国工程院咨询课题等国家重大科技计划课题10多项；获部级科技进步奖一等奖3项；在国内外重要学术刊物发表论文近100篇，其中国际SCI源刊论文30多篇，参编著作3部。
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| 目錄：
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序
前言
第1章 绪论
1.1 问题的提出与研究意义
1.1.1 湖泊富营养化是我国最为重要的水环境问题,是关系国计民生的重大问题
1.1.2 沉积物-水界面氮磷过程是浅水湖泊富营养化的研究热点
1.1.3 沉水植物在浅水湖泊氮磷循环中发挥着重要作用
1.1.4 沉水植物对湖泊沉积物-水界面过程有重要影响
1.2 浅水湖泊沉积物-水界面结构特征
1.2.1 生物在湖泊沉积物-水界面的作用
1.2.2 沉积物-水界面三相结构模式及其特征
1.3 本章小结
第2章 湖泊沉积物氮磷赋存特征
2.1 湖泊沉积物氮赋存形态
2.1.1 湖泊沉积物总氮、可交换态氮与固定态铵
2.1.2 湖泊沉积物可转化态氮
2.2 湖泊沉积物磷赋存形态
2.2.1 湖泊沉积物磷赋存形态
2.2.2 湖泊沉积物潜在可交换性磷
2.2.3 湖泊沉积物有机磷
2.2.4 湖泊沉积物磷生物有效性
2.3 本章小结
第3章 湖泊沉积物磷界面过程及其影响因素
3.1 湖泊沉积物磷等温吸附特征
3.1.1 湖泊沉积物磷酸盐等温吸附
3.1.2 湖泊沉积物磷吸附特征
3.2 环境条件对湖泊沉积物磷释放的影响
3.2.1 pH对湖泊沉积物磷释放的影响
3.2.2 湖泊沉积物磷吸附热力学
3.3 粒径对湖泊沉积物磷分布及吸附的影响
3.3.1 不同粒径湖泊沉积物磷形态分布
3.3.2 不同粒径湖泊沉积物有机磷分布
3.3.3 粒径对湖泊沉积物吸附磷的影响
3.4 本章小结
第4章 湖泊沉积物氮界面过程及其影响因素
4.1 湖泊沉积物氨氮吸附释放特征
4.1.1 湖泊沉积物氨氮吸附特征
4.1.2 湖泊沉积物氨氮释放特征
4.1.3 湖泊沉积物氮矿化特征
4.2 粒径对湖泊沉积物氮分布的影响
4.3 有机质对湖泊沉积物氨氮吸附释放的影响
4.3.1 有机质含量对湖泊沉积物氨氮释放的影响
4.3.2 有机质含量对湖泊沉积物氨氮吸附的影响
4.3.3 有机质组分对湖泊沉积物氨氮吸附的影响
4.4 本章小结
第5章 湖泊沉积物有机质赋存特征及其对氮磷迁移的影响
5.1 湖泊沉积物有机质及其组分赋存特征
5.1.1 湖泊沉积物有机质含量及其分布
5.1.2 湖泊沉积物不同组分有机质分布
5.1.3 湖泊沉积物有机质组成及结合形态
5.2 轻组有机质对湖泊沉积物氮磷迁移的影响
5.2.1 轻组有机质对湖泊沉积物氮磷矿化的影响
5.2.2 轻组有机质对湖泊沉积物磷释放的影响
5.3 溶解性有机质对湖泊沉积物氮磷迁移的影响
5.3.1 溶解性有机质对湖泊沉积物氮矿化的影响
5.3.2 溶解性有机质对湖泊沉积物磷吸附的影响
5.4 本章小结
第6章 水体营养和底质对沉水植物生长及生理特征的影响
6.1 水体氮磷浓度、形态对沉水植物生长及生理特征的影响
6.1.1 水体氮浓度与形态对沉水植物光合特征的影响
6.1.2 上覆水不同形态磷对沉水植物生长和生理特性的影响
6.1.3 磷在水-沉水植物-底质中的分配
6.2 底质对沉水植物根系形态及养分吸收的影响
6.2.1 底质对沉水植物生长及光合作用的影响
6.2.2 底质类型与氮磷浓度对沉水植物根系形态及养分吸收的影响
6.3 有机质对沉水植物生长及生理特征的影响
6.3.1 有机质腐解对沉水植物生长及生理特征的影响
6.3.2 外加碳源对沉水植物氮磷积累的影响
6.3.3 外加碳源对沉水植物生理指标的影响
6.4 本章小结
第7章 沉水植物对沉积物-水界面氮磷分布及迁移的影响
7.1 沉水植物对沉积物磷形态的影响
7.1.1 沉水植物对沉积物有机磷、无机磷及潜在可交换性磷的影响
7.1.2 沉水植物对不同底质各形态磷的利用与转化
7.1.3 有机质降解对沉积物-水界面磷形态的影响
7.2 沉水植物对不同来源磷的利用机制
7.2.1 沉水植物对不同形态磷的转化利用
7.2.2 沉水植物对上覆水碱性磷酸酶动力学特征的影响
7.2.3 沉水植物对沉积物-水界面各形态氮磷含量的影响
7.3 外加碳源及沉水植物对沉积物-水界面氮磷迁移的影响
7.3.1 外加碳源及沉水植物对沉积物各形态磷的影响
7.3.2 沉水植物对沉积物氨氮吸附释放特征的影响
7.3.3 不同氨氮浓度下沉水植物对沉积物DOM荧光特性的影响
7.4 本章小结
参考文献
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| 內容試閱：
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第1 章 绪论
我国湖泊富营养化发展迅猛，近年来呈现面积增加、频率加快、范围扩大和危害加重的趋势，富营养化湖泊的数量和面积已居世界前列，湖泊富营养化已经成为严重威胁我国水资源和水环境安全的最重要的社会和环境问题之一（金相灿等，1990 ；屠清瑛和张信宝，2000 ；中国环境科学研究院，2012） 。据环境保护部2010 年统计数据显示，26 个国控重点湖泊水库中，满足Ⅱ 类水质的1 个，占3.8% ；Ⅲ 类的5 个，占19.2% ；Ⅳ 类的4 个，占15.4% ；Ⅴ 类的6 个，占23.1% ；劣Ⅴ 类的10 个，占38.5% ；主要污染指标为总氮和总磷。全国六大重点湖泊中，太湖、滇池、巢湖为劣Ⅴ 类，鄱阳湖、洞庭湖和洪泽湖虽然整体水质为Ⅲ 类到Ⅳ 类，但局部水域部分时段为Ⅴ 类，甚至劣Ⅴ 类。
浅水湖泊是我国湖泊的重要特色之一，而长江中下游湖区是我国浅水湖泊的集中分布区。正是由于我国湖泊的这一特点，沉积物-水界面过程，特别是氮磷生物地球化学过程的研究是揭示我国湖泊富营养化发生机制的关键科学问题。
本章重点针对湖泊沉积物-水界面过程相关问题，特别是浅水湖泊沉积物-水界面结构特征等内容进行了研究。
1.1 问题的提出与研究意义
1.1.1 湖泊富营养化是我国最为重要的水环境问题，是关系国计民生的重大问题
湖泊富营养化及由其引起的生态安全问题是当今世界各国面临的主要水环境问题之一（屠清瑛和张信宝，2000 ；金相灿等，2012） 。国外众多河流湖泊水库都发生了富营养化，如西班牙的800 座水库中，至少有13 是高度富营养化的；南美、南非、墨西哥及其他一些地方的湖泊水库也都发生了严重富营养化（金相灿等，1990） 。我国“七五”期间就开展了湖泊富营养化的调查研究，1984 年全国重点调查的34 个湖泊中，有26% 处于富营养化水平，当时我国的湖泊富营养化问题主要表现为城市小型湖泊富营养化（金相灿等，1990） 。而进入21 世纪以来，我国湖泊富营养化问题呈现面积扩大、频率加大、程度加重和危害加剧的趋势。1996 年，根据对全国26 个湖泊的调查结果，处于富营养化水平的湖泊达85% （黄文任等，1998） ；2000 年重点评价的24 个湖泊中，有50% 的湖泊水体污染严重；国家重点治理的太湖，优于Ⅲ 类水质的断面仅占12.0% ，富营养化水域占太湖总面积的83.5% 。据2006 年全国水环境质量公报，全国重点评价的43 个湖泊中，水质符合和优于Ⅲ 类水的面积占49.7% ，Ⅳ 类和Ⅴ 类水的面积共占15.3% ，劣Ⅴ 类水的面积占35.0% ；对43 个湖泊的营养状态进行评价，除云南泸沽湖为贫营养外，其中有17 个湖泊处于中营养，25 个处于富营养。2007 年堪称为“蓝藻之年” ，全国多个湖泊水库发生大规模藻类水华，其中4 月太湖梅梁湾发生的大面积蓝藻水华，严重扰乱了无锡等地居民的正常生活。
因此，控制湖泊富营养化不仅是我国最为重要的环境治理任务之一，更是我国的一项重要的民生工程，已成为全球特别是我国目前的紧急任务。
1.1.2 沉积物-水界面氮磷过程是浅水湖泊富营养化的研究热点
氮磷过量输入是导致湖泊富营养化的直接原因。在外源得到一定程度控制后，在一定条件下，沉积物作为内源仍可不断地向上覆水释放营养盐（刘建康，1999 ；Jin et al ，2005） ，使湖泊仍处于富营养化，即沉积物积累的大量污染物伴随着有机质降解等过程，可能发生一系列变化，氮磷等将重新回到上覆水（Wang et al ，2005） 。因此，多年来沉积物内源污染过程与机制一直是浅水湖泊富营养化研究的热点问题之一（Phillips et al ，1978 ； Jaynes and Carpenter ，1986 ；Moss ，1990 ；Scheffer et al ，1993 ；刘连成，1997 ；Wang et al ，2010） 。
湖泊营养盐循环与生物地球化学过程研究是目前我国湖泊及流域科学的学科前沿和优先领域，其中营养盐循环的生化动力学机制是其重要内容，特别是营养盐的跨界面（沉积物-水界面）迁移和形态转化规律研究更是重中之重（王超等，2003 ；田伟君等，2003 ；Wang et al ，2005） 。针对沉积物-水界面氮磷生物地球化学行为的研究也一直是国际湖泊科学研究的重点。随着物理、化学和生物等环境条件的改变，由于有机质矿化分解等过程，氮磷通过沉积物-水界面，以溶解态进入沉积物间隙水，进而通过扩散作用进入上覆水，重新参加氮磷循环过程（Moore et al ，1994） 。Eckerrot 等研究表明，湖泊沉积物间隙水中可溶性活性P（SRP）的浓度受沉积物有机质的影响，同时受到Fe（ Ⅱ ）浓度、细菌活性及水深等影响。另有研究表明，间隙水中总磷以及总有机碳含量对上覆水总溶解性磷浓度有较大影响（宋福等，1997 ；王海珍等，2002） 。王圣瑞等（2005）研究表明，溶解性有机质（DOM ）没有改变沉积物吸附磷动力学曲线的基本趋势，而明显改变了沉积物吸附磷的等温线，对沉积物吸附磷具有促进作用，且对有机质含量高、污染严重的沉积物的影响大于对污染轻的沉积物的影响。因此，研究湖泊沉积物氮磷行为，需要加强沉积物有机质含量、组成及其氮磷含量与形态以及水生植物等对界面过程的影响等方面的研究。
1.1.3 沉水植物在浅水湖泊氮磷循环中发挥着重要作用
水生植被不仅是浅水湖泊生态系统主要的初级生产者，对维持生态系统的结构和功能也具有重要作用（种云霄，2005） ，特别是沉水植物，作为浅水湖泊生态系统的主要高等植物，对生态系统物质和能量的循环和传递起调控作用（金相灿等，1990 ；马井泉等，2005） 。水生植物在生长过程中吸收同化上覆水和底泥中的氮、磷等矿质营养，同时固持底泥、抑制藻类、澄清水质，对降低水体营养水平，防止富营养化起了重要作用（杨清心，1998） 。但其作用机制非常复杂，如菹草兼具保持与释放磷营养的双重作用（刘兵钦等，2004） ；有学者通过27 天的试验（宋福等，1997） ，发现种植沉水植物对水体总氮、总磷均有显著的去除作用；而且，水生植物可将上覆水中氮磷积累到底泥中。包先明等（2006a ，b）研究发现，种植沉水植物对上覆水氮磷浓度有很好的控制，沉水植物正常生长会使沉积物间隙水中氨氮浓度明显降低，并控制沉积物-水界面氮磷释放。因此，污染水体可通过适度种植或重建水生植被控制底泥内源氮磷污染负荷。同时，水生植物死亡可产出大量的有机物质，可为水生动物提供直接或间接的饲料，也可创造可供人类收获利用的植物产品；同时还有相当数量的植物产品不能被利用而残留在湖泊中，加速了湖泊淤积和沼泽化，产生了阻滞水流，促进淤积等效应（杨清心，1998） 。所以，恢复和重建水生植被，特别是恢复和重建沉水植被是湖泊内源污染负荷控制、水质改善、富营养化治理和湖泊生态恢复的重要措施（Lauridsen et al ，2003） 。但就沉水植物对沉积物-水界面氮磷行为的影响机制以及植物残体腐解对沉水植物生理生态及营养盐的跨界面迁移和形态转化规律影响等方面的研究则较少。此外，有机质对氮磷的影响是多方面的（Kastelan-Macan and Petrovic ，1996 ；徐轶群等，2003） ，但已有研究主要集中在沉积物有机质含量与氮磷间的关系方面（刘晓端等，2004 ；Wang etal ，2008） ，而对有机质组分及其影响因素等方面的研究则较少。
1.1.4 沉水植物对湖泊沉积物-水界面过程有重要影响
沉水植物对浅水湖泊沉积物氮磷迁移和形态转化具有重要影响，但其机制并不十分清楚（Zhou et al ，2000） 。国内这方面的研究报道较少，欧冬妮等（2004）研究表明，根际沉积物氮磷形态具有明显的季节性变化，而这一变化与根际氧化还原状态的变化直接相关，即根际沉积物对沉水植物磷的供给在一定程度上受根际氧化还原状态的影响；胡俊等（2006）通过对比研究有无沉水植物的沉积物磷形态变化，发现沉水植物对沉积物不同结合态磷的赋存有显著影响；刘兵钦等（2004）对比研究了有无沉水植物沉积物磷的形态与含量、正磷酸盐的吸附行为以及碱性磷酸酶活性与动力学参数，结果表明提高沉积物氮磷的吸附能力和降低有机磷的酶促分解速率是沉水植物控制根际沉积物氮磷迁移的重要机制；笔者研究发现，明显抑制沉积物-水界面氮磷的释放是修复沉水植被、控制湖泊富营养化的重要机制之一（Wang et al ，2007） 。
相对而言，国际上这方面的研究较多，Flessa （1994 ）以及Boon 和Sorrell（1991）研究发现，沉水植物通过其根部放氧影响根际氧化还原状态，不仅对根际周围有机质降解产生影响，而且对沉积物氮磷形态转化也有重要作用；Revsbech（1989）以及Yu 和Bishop（1998）利用微电极对沉水植物根际微环境特征进行了研究，发现根际沉积物有氧层厚度约为数毫米，且与沉水植物的生长状况密切相关，沉水植物存在的情况下，不仅能改变根际的物理性质，而且对根际沉积物氮磷的迁移和形态转化也有明显的影响；另有研究发现，沉水植物向其根际分泌碳水化合物、氨基酸以及有机酸等物质，促进了根际微生物的生长，直接影响根际沉积物氮磷的迁移和形态转化（Barko et al ，1991 ；van Eeckhout and Quade ，1994） 。
国内外虽然已经针对沉水植物根际沉积物氮磷迁移和形态转化及其季节性变化开展了一些研究，但已有的研究系统性不够，原因主要是大多数工作没有采用根际研究方法，系统地针对沉水植物根际开展研究。实际上，根际是沉水植物对沉积物磷迁移和形态转化影响最为活跃的区域（Revsbech et al ，2005） ，要想从机制上揭示沉水植物对沉积物氮磷迁移和形态转化的影响，必须针对沉水植物根际开展研究。而根际是植物、土壤和微生物相互作用的重要界面，也是物质和能量交换的结点（张福锁和曹一平，1992） 。自1904 年德国科学家Hiltner 首次提出根际概念以来，有关根际的研究已经历经了100 多年。研究内容涉及根际显微结构，根际微环境中物质迁移和调控，根际的物理、化学和生物环境动态，植物的营养遗传特性，根分泌物的作用，根际的信息传递，以及植物与植物、植物与微生物、植物与土壤、微生物与土壤、微生物与微生物之间的相互作用等方面，在研究方法、研究手段以及研究思路等方面均已建立了较为完整的体系（张福锁和申建波，1999 ） 。最为典型的研究成果是，白羽扇豆通过形成大量的排根，分泌柠檬酸活化土壤中难溶磷来适应缺磷胁迫。
目前国内外关于根际方面的研究大多是针对土壤-植物系统，而针对沉水植物根际方面的研究较少。在淡水生态系统中，表层10 ～ 15 cm 沉积物富含微生物和酶，而这些微生物和酶对沉积物营养物质的迁移和形态转化有重要影响，这与在其表层生长的水生植物直接相关（Wilhelm and Doris ，1988 ；Diaz-Espejo et al ，1999） 。可以借鉴土壤-植物系统根际研究方法和思路，对沉水植物根际沉积物氮磷迁移和形态转化开展研究。
基于以上分析可见，我国是湖泊富营养化的重灾区，而长江中下游浅水湖区又是我国湖泊富营养化最为严重的区域。随着环境治理措施的日益完善，沉积物内源污染控制必将纳入我国湖泊富营养化治理的日程。而要解决内源污染问题，剖析湖泊沉积物-水界面氮磷过程就显得尤为重要。同时，修复水生植被，特别是沉水植被是治理富营养化浅水湖泊的重要手段；而研究揭示沉水植物对浅水湖泊沉积物-水界面过程的影响机制以及底质和水体营养对沉水植物生长及生理过程的影响是湖泊生态修复的重要基础。因此，笔者以我国长江中下游浅水湖泊为重点，结合模拟研究，经过近十年的工作，围绕湖泊沉积物-水界面氮磷过程及沉水植物对其的影响机制开展研究，力图为进一步揭示我国湖泊富营养化机制和探索湖泊生态修复的技术原理提供重要支撑。
1.2 浅水湖泊沉积物-水界面结构特征
沉积物是湖泊水体的三大组成要素（水、沉积物与水生生物）之一，是湖泊营养物质地球化学循环的重要环节与界面（Berelson et al ，1998 ；Kozerski andKleeberg ，1998） 。沉积物-水界面营养物质地球化学行为对湖泊，尤其是浅水湖泊水环境质量与生态系统有着极为重要的影响（Lijklema et al ，1993） 。随着流域城市化进程与工农业发展，过量营养物质蓄积在沉积物中，使其成为污染物的蓄积库，同时也改变了沉积物-水界面的微环境特征，如界面pH 、氧化还原电位和生物组成等（Jensen and Mortensen ，1995） 。蓄积在沉积物中的营养物在一定条件下通过形态变化、界面特性改变与释放等途径严重影响湖泊上覆水（Zhou et al ，2001） 。
因此，沉积物-水界面过程一直是国内外浅水湖泊富营养化机制及生物地球化学过程长期的研究重点和热点。
1.2.1 生物在湖泊沉积物-水界面的作用
1.2.1.1 沉积物-水界面两相结构
长期以来，国内外学者对湖泊沉积物-水界面开展了诸多研究，研究内容涉及众多学科，如物理化学、胶体化学、表面化学、生物化学、地球化学、水生生物学、微生物学、水动力学等，开展了多学科交叉研究，取得了大量的成果。但归纳起来，主要集中在界面结构与特征（王来斌，2000 ） 、营养元素的赋存形态（Zanini et al ，1998） 、吸附解吸及其动力学（Giles et al ，1974）与环境因子影响等方面。绝大多数的研究主要考虑了在水与沉积物两相之间的行为与过程，即相关研究是基于沉积物-水界面“两相结构”而开展的（图1-2-1） 。
而事实上，长期研究发现，在原先人们认为的沉积物和上覆水组成的两相结构界面间，存在一个生物相，即沉积物、生物与上覆水既相互独立又相互关联，既相互作用又相互制约。在沉积物-水界面过程研究中应当充分考虑生物的存在与作用。
因此，针对湖泊沉积物-水界面三相结构模式开展了初步研究。
1.2.1.2 沉积物-水界面的生物类群
众多研究表明，在湖泊沉积物-水界面存在生物类群，主要包括底栖动物（包括水生寡毛类、软体动物和水生昆虫幼虫等） 、着生生物（主要包括固着藻类等）（李荣冠等，1995）和微生物（主要包括细菌、真菌和放线菌等）等（张锐等，2003 ；李春燕和华德尊，2002） ，同时分布着水生维管束植物根系和一些由死亡生物组成的有机碎屑（图1-2-2） 。它们的存在不仅改变了沉积物-水界面的物质传递和交换过程（Blackburnet al ，1988） ，同时也改变了沉积物-水界面的微生态环境（Luijn et al ，1999） 。
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