硅是重要的生源要素，对水体初级生产力有重要贡献。硅藻构成了全球海洋初级生产力的40%以上，在河口近岸以及高营养盐水域，甚至达到75%^[1]，进而影响全球碳循环及气候变化。研究表明，东海和黄海沉积物的释放可分别贡献上覆水中86%和90%的SiO₃-Si^[2]，南大西洋东部沉积物^[3]释放的SiO₃-Si是陆源输入量的4倍，波士顿港^[4]沉积物的释硅量相当于硅藻等浮游植物需求量的60%，地中海Lions湾^[5]沉积物溶解态硅的释放速率接近165 kt·a^-1，可提供初级生产力需求量的28%。因此，硅在水-沉积物界面的界面行为与过程影响着上覆水中生物可利用硅的含量水平及初级生产力。

目前，水-沉积物界面交换通量模拟研究方法主要包括质量衡算法^[6]、孔隙水扩散模型法^[7]、表层底泥模拟法^[8]、柱状芯样模拟法^[9]及水下原位模拟法^[10]等，由于柱状芯样模拟法能基本保持沉积物性状，并可控制实验条件（pH、光照、扰动等），实验结果接近实际情况，且操作简单、费用低，得到了广泛应用。有关水-沉积物界面硅的交换通量方面的研究多集中于大洋、海湾和河口湿地，而对具有重要生态环境功能的湖泊生态系统而言，则缺乏相关的基础数据和资料的积累。本文以乌梁素海（WLSH）和岱海（DH）为研究对象，采用柱状芯样模拟法，实验模拟了2个湖泊水-沉积物界面硅的界面行为与过程，初步估算了沉积物对SiO₃-Si的释放量及其对湖泊初级生产力的贡献，对丰富湖泊生态系统中硅的界面行为与过程等基础理论，阐释湖泊水体富营养化机制及生态系统保护等具有重要理论和实践意义。

乌梁素海（40°47′~41°03′N，108°43′~108°57′E）位于内蒙古自治区巴彦淖尔市乌拉特前旗境内，据2010年遥感解译结果，湖区水域面积为305.7 km²，湖区多数水域水深0.5~2.5 m，是内蒙古高原西部干旱区最典型的浅水草型湖泊。湖中有大型水生植物共6科6属11种，以芦苇、龙须眼子菜和穗花狐尾藻为优势种，沉水植物和挺水植物生长繁茂，遍布全湖。农田退水、工业废水和生活污水是该湖主要的补给水源，受河套灌区农田退水的影响，近10年来乌梁素海富营养化进程加剧^[11]，已成为世界上沼泽化速度最快的湖泊之一。

岱海（40°29′27″~40°37′6″N，112°33′31″~112°46′40″E）位于内蒙古凉城县境内，现有水域面积约80.72 km2，最大水深16.05 m，平均水深7.41 m^[12]，是内蒙古高原中西部干旱半干旱区典型的地堑式深水藻型湖泊。湖中有藻类共76属，其中绿藻门28属、硅藻门21属、蓝藻门16属、裸藻门16属、甲藻门、隐藻门、黄藻门、金藻门各2属^[13]。岱海补给水源来自大气降水、湖周分布的间歇性河流以及工农业废水。近年来由于气候干旱及工农业用水的增加，湖泊水位逐年降低、湖面不断减小，湖水咸化程度不断加强，富营养化程度日益加剧。

2007年8月，分别在乌梁素海的北部（WLSH-2）、南部（WLSH-9）和岱海的南部（DH-2）、中部（DH-5）及北部（DH-10）采集沉积物柱芯样（图 1）。为使模拟实验能反映湖泊真实环境，采样时保持沉积物柱上方的上覆水并使沉积物柱与上覆水柱界面清晰，柱芯样要现场密封冷藏，垂直放置于垫有塑料泡沫的搁架中，于6 h内带回实验室；同步采集同一站位的上覆水样，现场过0.45 μm滤膜，过滤后水样低温蔽光保存，用于交换通量模拟实验。2个湖泊水体与沉积物背景参数如表 1所示。

图 1 乌梁素海和岱海采样点位图 Figure 1 Location of sampling sites in Lakes WLSH and DH

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表 1 乌梁素海和岱海的水体沉积物背景参数 Table 1 Physi-chemical properties of overlying water and sediments from Lakes WLSH and DH

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回实验室后，用虹吸法抽去柱芯样上覆水，加入过滤后的上覆水，保持水-沉积物界面清晰；实验过程中，为减小或避免光照等对水-沉积物界面SiO₃-Si扩散通量的影响，于采样管外壁用黑色塑料薄膜对沉积物部分进行包裹处理。在指定时刻采集上覆水样，分析测试其中溶解性硅酸盐（SiO₃-Si）的含量，模拟实验进行至所取水样中SiO₃-Si的含量趋于稳定时结束。采用硅钼蓝分光光度法测定，分析测试仪器为日本岛津公司UV-2550型分光光度计。

实验中上覆水硅酸盐SiO₃-Si的释放速率按下式计算^[14]：

式中：R为释放速率，mg·m^-2·d^-1；V为柱中上覆水体积，L；C_n，C₀，C_j-1分别为第n次、0次和j-1次采样时SiO₃-Si含量，mg·L^-1；Ca为添加水样中SiO₃-Si含量，mg·L^-1；V_j-1为第j-1次采样体积，L；S为柱样中水-沉积物接触面积，m²；t为释放时间，d。

由于不考虑水体生物、化学过程及水-气界面交换等对水-沉积物界面SiO₃-Si交换通量的影响，所计算的SiO₃-Si为平均表观释放速率。

乌梁素海水-沉积物界面SiO₃-Si交换通量模拟实验结果表明（图 2a），在释放时间段内，SiO₃-Si浓度呈波动变化的趋势，且WLSH-9柱芯上覆水柱中SiO₃-Si含量明显大于WLSH-2柱芯。在模拟真实环境条件下，乌梁素海水-沉积物界面SiO₃-Si交换通量模拟实验WLSH-2柱芯在13 d达到平衡，而WLSH-9柱芯在15 d后达到平衡，可选取两个点位的平均释放速率估算乌梁素海水-沉积物界面的SiO₃-Si交换通量。与乌梁素海相比，岱海模拟实验三个柱芯上覆水柱中SiO₃-Si含量变化较乌梁素海两个柱芯小得多，三个柱芯SiO₃-Si含量在实验开始的几天内变化幅度较大，其后呈现小幅波动的趋势（图 2b）。DH-5和DH-10柱芯上覆水柱中SiO₃-Si含量约在12 d后渐趋稳定，DH-2柱芯则在15 d后渐趋稳定，可选取三个点位的平均释放速率估算乌梁素海水-沉积物界面的SiO₃-Si交换通量。

图 2 模拟实验上覆水中SiO3-Si浓度变化 Figure 2 Concentrations of SiO3-Si in overlying water in simulated release experiment

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由模拟实验可以看出，乌梁素海两个柱芯上覆水中SiO₃-Si含量介于0.6~2.5 mg·L-1间，平均值为1.6 mg·L-1，岱海三个柱芯上覆水中SiO₃-Si含量介于0.3~0.6 mg·L-1间，平均值为0.5 mg·L-1，将SiO₃-Si转化成为SiO2-3可得：乌梁素海上覆水SiO2-3平均浓度为4.0 mg·L-1，岱海上覆水SiO2-3平均浓度为1.3 mg·L-1。两个湖泊上覆水SiO₃-Si浓度的差异与湖泊中藻类组成和采样季节有关。乌梁素海主要以挺水和沉水植物为主，岱海中硅藻门则有21属，为主要优势藻类之一；采样季节正值夏季藻类繁盛期，岱海上覆水中的溶解态SiO2-3存在被硅藻大量吸收利用的可能，这种生物泵作用是导致岱海上覆水中SiO₃-Si浓度降低，沉积物中生源硅（BSi）累积的关键机制。

如图 3a所示，在0~20 d的释放时间内，WLSH-2柱芯的SiO₃-Si释放速率均为正值且释放速率由大变小，在实验进行8 d后，释放速率基本趋于稳定。与WLSH-2柱芯相比，WLSH-9柱芯的SiO₃-Si释放速率变化较大，实验前12 d，释放速率为负值，12 d以后，释放速率变成正值并趋于稳定，说明WLSH-9柱芯对上覆水中SiO₃-Si先吸附后释放。两个柱芯相比，WLSH-2柱芯硅释放速率大于WLSH-9柱芯。这是因为WLSH-2柱芯沉积物粘土矿物含量相对较高，粘土矿物晶格上Si原子易被其他离子取代而溶于水，加快硅的释放。WLSH-2沉积物粘土矿物平均含量为23.99%，WLSH-9沉积物粘土矿物平均含量为10.21%^[15]，利于硅的释放。整体上看，乌梁素海两个柱芯在达到释放平衡后释放速率均为正值，释放速率变化范围为0.24~2.32 mmol·m^-2·d^-1，平均为1.28 mmol·m^-2·d^-1，揭示SiO₃-Si通过水-沉积物界面向上覆水转移和扩散，即乌梁素海沉积物在整个夏季均表现为上覆水中SiO₃-Si的源。

图 3 模拟实验中SiO3-Si释放速率变化 Figure 3 Rates of SiO3-Si releases in simulated experiment

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如图 3b所示，岱海3个柱芯在释放实验前期释放速率快速减小，DH-2和DH-5在6 d以后达到释放平衡，DH-10在10 d以后释放速率趋于稳定。在释放时间内，岱海三个沉积柱芯SiO₃-Si释放速率变化范围为0.19~2.01 mmol·m^-2·d^-1，平均释放速率为1.36 mmol·m^-2·d^-1，其中浅水区（DH-2）SiO₃-Si释放速率为1.95 mmol·m^-2·d^-1，深水区（DH-5、DH-10）释放速率为1.10 mmol·m^-2·d^-1。这可能与沉积物中含铝矿物的含量有关。研究表明，沉积物中Al元素可降低BSi溶解度和溶出速率，进而降低间隙水中SiO₃-Si浓度，降低SiO₃-Si释放速率，不利于硅的释放。岱海浅水区沉积物含铝矿物约为10.3%（以Al2O3计），深水区沉积物Al2O3含量为14.6%^[13]，深水区含量较高的含铝矿物抑制了沉积物中硅的释放。释放实验中，三个柱芯平均释放速率都是正值，表明SiO₃-Si通过水-沉积物界面向上覆水转移和扩散，即岱海沉积物在整个夏季均表现为上覆水中SiO₃-Si的源。

两个湖泊相比，乌梁素海SiO₃-Si平均释放速率要低于岱海。两个湖泊沉积物等温吸附实验^[16]拟合结果表明，乌梁素海和岱海沉积物吸附硅的吉布斯自由能（△G₀）分别为-21.329、-20.518 kJ·mol^-1，说明乌梁素海沉积物与单硅酸间的吸附力、吸附能级及吸附反应的自发程度略高于岱海沉积物，相应地吸附反应的生成物较稳定，对硅的吸附能力相对较强，不利于SiO₃-Si的释放；另外，沉积物粒度是影响沉积物中硅释放的重要因素，沉积物粒径越小，沉积物中富硅矿物比表面积越大，与水接触面积越大，其更易于溶解，其包含的Si越易于向上覆水迁移^[17]。岱海开阔水域沉积物平均粒径（MS）基本都在6Φ以上，最细粒径分布在湖心深水区，MS在7.5Φ以上，最细值为7.73Φ^[13]，乌梁素海沉积物粒径介于3.41~6.13Φ，均值为5Φ左右^[15]，岱海沉积物粒度较细，更利于硅的溶解释放。此外，生物硅是沉积物中硅的重要组成部分，其一般易于矿化溶解释放到上覆水中^{[18, 19]}，是影响沉积物-水界面释放速率的重要因素。乌梁素海表层沉积物中生物硅含量为 2.00~5.80 mg·g^-1，平均值为3.50 mg·g^-1；岱海表层沉积物中生物硅含量为3.30~9.50 mg·g^-1，平均值为7.50 mg·g^-1[20]，岱海中高含量的生物硅的矿化溶解提高了硅在水-沉积物界面的释放速率。最后，岱海是深水藻型湖泊，硅藻是岱海的优势藻类之一，而乌梁素海中生长大量的挺水植物和沉水植物，藻类的生物量相对较小，藻类对硅的需求量较小，硅藻类浮游生物生长需要从水中吸收大量的硅，硅从沉积物转移至上覆水的生物泵功能相对较强，促进了沉积物硅的释放。

乌梁素海和岱海水中SiO₃-Si在沉积物-水界面上的交换速率与其他水体（表 2）对比可以看出，两个湖泊沉积物-水界面上SiO₃-Si交换速率（VWLSH=1.28 mmol·m^-2·d^-1，VDH=1.36 mmol·m^-2·d^-1）小于胶州湾、东海、黄海、长江口和黄河口，可能是湖泊和海洋沉积物理化性质的差异造成的。首先，Lisitzin^[21]对海洋表层沉积物中生物硅调查显示，中国东部海和南部海沉积物生物硅含量近似为1%，高于乌梁素海（0.35%）和岱海（0.75%），生物硅的矿化溶解提高了海洋沉积物-水界面上SiO₃-Si交换速率；其次，沉积物中富硅矿物（主要是粘土矿物）溶解过程控制着沉积物-水界面SiO₃-Si交换速率，粘土矿物晶格上Si原子易被其他离子取代而溶于水，促进沉积物硅的释放。换句话说，沉积物中富硅矿物（如伊利石）含量越多，其溶解释放的SiO₃-Si量越高^{[22, 23]}。海洋表层沉积物中粘土矿物含量较高，约占沉积物总量的1/3^[24]，且粘土矿物中以伊利石矿物为主，伊利石在粘土矿物中平均含量可达60%左右^[25]，而岱海属于半干旱区封闭型内陆湖泊，此类湖泊具有粒径粗、粘土质含量少，分选差的特点，沉积物粘土矿物含量较少^[13]，乌梁素海是黄河改道形成的牛轭湖，沉积物中粘土矿物（d<4 μm）平均含量为28.7%^[26]，海洋沉积物中高含量的粘土矿物是其SiO₃-Si释放速率较大的原因。此外，本研究小组前期研究成果表明，铁锰氧化物结合态是两个湖泊沉积物中硅的主导形态^[27]，王苏民等^[13]对岱海沉积物Eh研究显示，岱海表层沉积物Eh变化较大，范围在29~362 mV之间，均值为175 mV；乌梁素海表层沉积物大致变化范围为27~180 mV^[28]，两湖大部分处于弱氧化环境，少部分处于弱还原环境；与湖泊相比，海洋沉积物Eh变化范围较大，由近岸到外海一般是由弱还原环境到强还原环境过渡，外海大部分低于0 mV，处于一种强还原环境，还原环境下铁锰氧化物结合态硅易溶出释放到上覆水中，但两个湖泊水-沉积物界面SiO₃-Si交换速率大于南沙群岛，可能与南沙群岛SiO₃-Si交换速率采用间隙水浓度梯度法计算有关。研究表明，实验室柱状模拟芯样法结果要高于孔隙水浓度梯度法，甚至高出一个数量级^[29]。

表 2 不同区域SiO₃-Si交换速率对比 Table 2 Exchange rates of SiO₃-Si at water-sediment interface in different areas

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氮、磷、硅是水生生态系统中重要的生源要素，是维持生物量的物质基础，其在水体中所占的比例决定着水生生物的种类及数量。一般认为，浮游植物按Redfield比^[33]（C∶N∶P∶Si=106∶16∶1∶16）从水体中吸收和释放这些营养元素，根据Redfield比，可估算出湖中浮游植物对无机营养盐的需求。岱海初级生产力^[13]（以C计）约为261.65 mg·m-2·d-1，根据Redfield比值，岱海浮游植物每天需从水体中摄取3.29 mmol·m^-2·d^-1 SiO₃-Si，由室内模拟实验可得，岱海沉积物-水界面SiO₃-Si的交换通量为1.36 mmol·m^-2·d^-1，沉积物释放的SiO₃-Si可提供岱海初级生产力所需硅的41.3%；乌梁素海浮游植物初级生产力^[34]（以C计）为850.5 mg·m-2·d-1，根据Redfield比值，乌梁素海浮游植物每天需从水体中摄取10.70 mmol·m^-2·d^-1 SiO₃-Si，由室内模拟实验可得，乌梁素海沉积物-水界面SiO₃-Si的交换通量为1.28 mmol·m^-2·d^-1，沉积物释放的SiO₃-Si可提供乌梁素海初级生产力所需硅的11.96%。由此可以看出，沉积物释放的SiO₃-Si对维持湖泊的初级生产力有重要意义。

在理想条件下，上覆水中营养盐浓度比应满足Redfield比。根据实测上覆水中N、P、Si元素比值与Redfield值的关系，可以判断某一水域浮游植物生长的限制因素。但浮游植物的限制因子并不能仅考虑化学计量限制因素，还需要比较水体中营养盐的实际浓度与浮游植物所需营养盐阈值的关系^[35]。基于藻类对营养盐的吸附动力学研究，浮游植物生长吸收营养盐最低阈值为c（Si）=2 μmol·L^-1，c（DIN）=1 μmol·L^-1，c（P）=0.1 μmol·L^-1。模拟实验中乌梁素海和岱海五个柱芯DIN、PO₄^3-、Si的浓度与释放速率如表 3所示。由表 3可以看出两个湖泊中营养盐的浓度均高于浮游植物生长最低阈值。根据湖中DIN、Si、PO₄^3-的比值关系可以看出，乌梁素海两个柱芯的上覆水中N、Si、P元素比均高于Redfield值（16∶16∶1），平均值为23∶41∶1，从元素化学计量学角度考虑，随乌梁素海富营养水平的逐渐提高，磷有可能成为初级生产力的潜在限制因子。对于岱海而言，三个柱芯中N、Si、P元素比差异较大，可能与不同柱芯本身的理化性质差异有关，N、Si、P元素比值平均为16∶14∶1，说明Si可能是岱海初级生产力的主要限制因子，与本研究小组前期的研究结果一致。

表 3 模拟实验中上覆水中 DIN、PO₄^3-、Si浓度与释放速率 Table 3 Concentrations and release rates of DIN，PO₄^3- and SiO₃- Si from core samples

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本次样品采集于明水区（不包括芦苇区），水深和水生植物分配相对均一。本研究小组前期研究表明，乌梁素海明水区面积约为110 km²，因此可取乌梁素海两个柱芯的平均释放速率作为其夏季湖泊明水区水-沉积物界面的SiO₃-Si释放速率，并以此来估算乌梁素海夏季明水区水-沉积物界面的SiO₃-Si交换通量。对岱海而言，其水深分布相差较大，取DH-2柱芯的释放速率作为其浅水区水-沉积物界面SiO₃-Si的释放速率，取DH-5和DH-10柱芯释放速率的均值作为其深水区水-沉积物界面SiO₃-Si的释放速率，以此估算岱海水-沉积物界面SiO₃-Si的交换通量。

根据室内水-沉积物界面静态模拟实验结果可以看出（表 4），SiO₃-Si在岱海、乌梁素海水-沉积物界面上的转移扩散的矢量方向均是由沉积物指向上覆水的，即湖泊沉积物在水-沉积物界面的硅循环中发挥着上覆水中SiO₃-Si源的功能。在夏季90 d内，乌梁素海和岱海沉积物始终向上覆水体释放SiO₃-Si，其中乌梁素海约释放了963.07 t，岱海约释放了893.41 t。沉积物中硅的矿化溶解为湖泊硅藻类浮游植物生长提供了大量硅源，对维持湖泊生态系统初级生产力具有不可替代的作用。

表 4 夏季（90 d）乌梁素海和岱海水-沉积物界面 SiO₃-Si交换通量 Table 4 SiO₃-Si fluxes at water-sediment interface of WLSH and DH during summer

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SiO₃-Si在乌梁素海和岱海水-沉积物界面的交换均表现为由沉积物向上覆水迁移，乌梁素海水-沉积物界面SiO₃-Si平均释放速率为1.28 mmol·m^-2·d^-1，岱海浅水区SiO₃-Si释放速率为1.95 mmol·m^-2·d^-1，深水区释放速率为1.10 mmol·m^-2·d^-1。据水-沉积物界面SiO₃-Si交换通量结果估算，在夏季90 d的时间内，乌梁素海明水区沉积物约向上覆水体释放了963.07 t SiO₃-Si，岱海深水区和浅水区分别向上覆水体释放了225.80 t、667.61 t SiO₃-Si。

溶解和扩散过程控制着SiO₃-Si在水-沉积物界面的交换，乌梁素海和岱海SiO₃-Si在水-沉积物界面的交换速率与两湖沉积物中粘土矿物含量、可矿化生物硅（BSi）含量及沉积物的粒度有较好的相关性。

沉积物释放的SiO₃-Si对维持湖泊初级生产力有重要贡献，岱海沉积物释放的SiO₃-Si可提供岱海初级生产力所需硅的41.3%，乌梁素海沉积物释放的SiO₃-Si可提供乌梁素海初级生产力所需硅的15.0%。从元素化学计量学角度考虑，随乌梁素海富营养水平的逐渐提高，磷有可能成为初级生产力的潜在限制因子，硅是岱海初级生产力的重要限制因子。