摘要
近年来，夏季高温热浪事件频繁出现，改变了浅水湖泊沉积物性质。由于界面处沉积物具有独特的结构特性，可直接影响湖泊生态健康。结合高温前、后滆湖原位采样和室内模拟实验，旨在探明温度对界面处沉积物结构性质的影响。首先，采样结果发现高温导致湖泊沉积物密度、屈服应力降低，促使浮泥（密度＜1.25 g/cm3）的形成。其次，模拟实验也呈现相同趋势。随着温度从25 ℃升至35 ℃，界面处沉积物密度呈指数型下降趋势，由1.244 g/cm3降至1.229 g/cm3。同时，粒径分布结果表明，温度升高导致沉积物的中值粒径从最初的17.22 μm增加至21.16 μm，可促使沉积物颗粒物絮凝和团聚。胞外聚合物中多糖/蛋白比值升高也表明温度升高会导致沉积物稳定性下降。此外，沉积物屈服应力与临界剪切应力随温度升高呈指数衰减趋势，且温度阈值为29 ℃。综上，本研究表明高温会导致沉积物结构的疏松多孔性增加，且当温度高于29 ℃时，沉积物更容易发生起动、悬浮。本研究加深了温度升高对沉积物性质影响的认识，阐明了高温条件下浮泥特征变化与其再悬浮潜力的响应关系，为沉积物的修复治理提供了数据支持。
Abstract
In recent years, summer heatwaves continued to occur in summer and influenced sediment properties in shallow lakes. The sediments located at the sediment-water interface (SWI) directly impact the lakes ecological health, due to its unique structural characteristics. In order to investigate the temperature effect on sediment structural properties, this study conducted sampling in Lake Gehu before and after high temperature, complemented by indoor simulation experiments. Firstly, sampling results indicated that elevated temperatures induce a decline in the density and yield stress of lake sediments, promoting the formation of fluid sediments (density ＜ 1.25 g/cm3). Secondly, the simulation experiment also showed the same trend. As the temperature rose from 25 ℃ to 35 ℃, the density of sediments at the SWI displayed an exponentially decreasing trend from 1.244 g/cm3 to 1.229 g/cm3. Meanwhile, the increase in temperature led an increase of the sediment median size from the initial 17.22 μm to 21.16 μm, resulting in the flocculation and aggregation of sediment particles. Additionally, increasing temperatures resulted in a higher polysaccharide/protein ratio in extracellular polymeric substances (EPSs), which decreased the stability of sediments. Rheological tests and calculation of critical shear stress showed that the yield stress and critical shear stress of sediments exponentially decreased with increasing temperature. Overall, this study demonstrated that high temperatures can lead a loose and porous sediment structures with a threshold at 29 ℃, which can cause sediment particle resuspension and suspension. Overall, this study has deepened the understanding of the impact of rising temperatures on sediment properties, elucidated the response dynamics of fluid mud characteristics to its resuspension potential under elevated temperature conditions. It has provided an in-depth understanding of the characteristics of fluid sediments and their potential for resuspension.
Keywords
近年来，外源污染加剧了我国浅水湖泊的富营养化程度，对区域经济、生态的健康发展构成了持续挑战。在湖泊中，界面处的沉积物具有沉积物与上覆水界面比表面积大的特点，是有机质矿化的主要场所，也是外源物质的储存场所[1]。因此界面处沉积物对湖泊生态系统健康起到重要作用。在水动力、微生物共同作用下，界面处的沉积物会逐渐转变为浮泥的状态[2-3]。浮泥的密度低，一般处于1010~1250 kg/m3之间易发生再悬浮现象，引起大量沉积物颗粒进入上覆水体，导致水体浑浊、透光能力减弱，抑制植物生长[4]；同时，沉积物颗粒会裹挟大量的氮、磷等营养物质向上层水体释放[5-6]，导致水体富营养化程度加剧[7]。
在对沉积物再悬浮的研究工作中，已形成了一系列的模型公式[8-10]，其中根据沉积物的密度、粒径分布以及水深等参数模拟的临界剪切应力值是判断沉积物再悬浮能力的重要指标。在沉积物-水界面处，施加在界面处的应力超过临界剪切应力后，沉积物颗粒开始出现再悬浮现象。同时，沉积物在被施加剪切应力下，会展现出流变特性[11]，表现为粘弹性、剪切变稀、触变性和屈服应力[12-13]。而沉积物的屈服应力普遍被认为是沉积物原有的结构被破坏的临界应力值。在沉积物流变测试中，其流变特性一般表现出“宾汉姆”模型，即施加在沉积物上的剪切速率与沉积物的剪切应力呈正比，直到拐点的出现[11]。当剪切应力超过沉积物的临界屈服应力时，会发生沉积物结构破坏、颗粒再悬浮现象[14]。研究发现，沉积物屈服应力与沉积物临界剪切应力密切相关，因此可以根据沉积物屈服应力可以快速、有效地反映沉积物再悬浮特征。
近年来随着生态环境恶化，极端气候事件的发生频率、强度和持续时间都呈上升趋势[15]。其中，高温现象逐渐受到重视，主要表现为持续的热浪事件[16-17]。温度作为重要的环境因子，在湖泊生态研究中一直受到广泛关注。温度影响着沉积物中微生物的活性，与甲烷等温室气体的形成密切相关[7，18]，而沉积物中气体的生成会重塑沉积物结构特性[19]。同时，沉积物中微生物代谢形成的生物膜主要以胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPSs）的形式存在，它们可以粘附在沉积物颗粒上，影响沉积物颗粒的絮凝和团聚。蛋白质和多糖是EPSs的主要成分，高多糖/蛋白质比率会延迟沉积物固结，影响沉积物稳定性[20]。随着沉积物结构性质的改变，湖泊沉积物颗粒再悬浮能力也会受到影响。因此，温度的变化会影响湖泊沉积物的结构性质，结合野外采样及室内模拟开展温度变化对沉积物理化性质及再悬浮能力影响的研究十分必要。
本研究为了探究夏季温度变化对浅水湖泊沉积物性质，尤其是其再悬浮能力的影响，在高温前、后对滆湖沉积物进行柱状样采集、分析。同时结合室内模拟，开展以温度为单一变量的梯度模拟实验。通过以上实验来探究：（1）温度变化对界面处沉积物理化性质的影响；（2）温度与沉积物再悬浮能力的关系。本研究结果可加深温度对浅水湖泊沉积物影响的认识，并为沉积物治理提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 滆湖原位采样实验
滆湖（31°29′~31°42′N，119°44′~119°53′E），位于太湖流域西部，横跨江苏省常州市武进区和无锡宜兴市，湖泊总面积为166.7 km2，平均水深为1.2 m，为典型的浅水湖泊，是长江三角洲太湖流域湖泊群的重要组成部分[21]。根据中国气象局的数据，2022年6—8月期间，常州滆湖经历了一段持续的高温天气。在6月前，滆湖平均气温维持在17~26℃之间，在6—8月，滆湖平均气温维持在24~35℃之间，其中30℃以上的天气达62天。在滆湖共布设13个采样点（图1），分别位于北部湖区（N1、N2、N3、N4）、中部湖区（M1、M2、M3、M4、M5）以及南部湖区（S1、S2、S3、S4）。
高温前6月12日和高温后8月20日，分别在滆湖采样点利用直径为8.5 cm、高度为60 cm的柱状有机玻璃采集沉积物样品，沉积物高度约为40 cm，同时采集湖水。沉积物样品上部保持原位水样覆盖，两端用橡皮塞塞紧，垂直放置。采集后的样品在数小时内运送到实验室进行处理。水样放入-20℃冰箱冷冻，贮存备用。利用上顶法[22]采集柱状沉积物界面处0~2 cm湿样并测定其密度，采集后的沉积物样品需在冷藏环境下保存并尽快分析以避免理化性质发生改变。鲜泥留样后，剩余样品经冷冻干燥机进行冷冻干燥处理，干燥后的沉积物样品经玛瑙研钵研磨后，过200目筛（孔径约为0.074 mm），贮存备用。
图1滆湖采样点分布图及模拟实验装置
Fig.1Sampling sites distribution of Lake Gehu and the device diagram of the simulation experiment
1.2 室内模拟实验设计
为了模拟温度变化对沉积物结构性质的影响，结合原位实际情况，在室内进行了不同温度下沉积物培养的模拟实验。在滆湖采集相对未受干扰的沉积物样品（0~10 cm），在几个小时内运回实验室。混匀后，沉积物样品通过标准2 mm筛网筛分，去除沉积物中较大的动植物、贝壳碎片、石粒等。在此之后，沉积物样品在使用前至少静置一天，并在去除上覆水后进一步混匀，保证样品的均质性。
为了更好地模拟富营养化浅水湖泊沉积物，沉积物样品与湿蓝藻以0.15%的重量百分比进行充分混合。蓝藻使用前在4000 r/min转速下离心15 min，含水率为96.0%。然后将混匀后的沉积物加入250 mL烧杯中，沉积物高度为4 cm，烧杯底部沉积物采用锡箔纸避光处理，上部用200 mL超纯水填充，每组设置3个重复样品。每组装置分别加入加热棒，首先于25℃下培养15天，在第16天改变装置温度，设置5个温度梯度，分别为25、27、29、32和35℃，继续培养15 d。实验期间，考虑到上覆水的持续蒸发，每天添加水以保持水位。实验结束后，获取界面处0~2 cm沉积物样品，进行物理指标测定，剩余样品经冷冻干燥处理后，研磨过200目筛（孔径约为0.074 mm），贮存备用。
1.3 理化指标的测定
1.3.1 物理指标
沉积物的密度：将沉积物放入坩埚中，称取其质量，计算沉积物质量与坩埚体积的比值；含水率：在105℃下干燥至恒重，计算沉积物的失重与初始沉积物重量的比值；堆积密度：给定体积沉积物中干固体的质量。
1.3.2 有机碳
总有机碳（total organic carbon，TOC）的测定采用重铬酸钾-油浴法[13]。易降解有机碳（labile pool carbon，LP-C）包括易降解有机碳I（LPI-C）和易降解有机碳II（LPII-C，主要为纤维素类物质）。（1）LPI-C的测定：称取0.5 g冻干过筛的沉积物样品于50 mL离心管中，加入20 mL的2.5 mol/L H2SO4，在105℃下静置30 min，以4000 r/min离心15 min，保存上清液，残留物用20 mL蒸馏水清洗，离心。合并两次离心得到的上清液，采用元素分析仪（岛津TOC-Vcph）测定有机碳含量。（2）LPII-C的测定：在（1）中的残留物中加入2 mL 13 mol/L H2SO4室温过夜，持续振荡水解，用蒸馏水稀释酸度至1 mol/L，105℃水解3 h，每隔0.5 h摇晃一次，以4000 r/min离心15 min，保存上清液，残留物用20 mL蒸馏水清洗，离心。合并两次离心得到的上清液，采用元素分析仪测定有机碳含量。难降解有机碳（recalcitrant pool carbon，RP-C）：将（2）中的残留物用蒸馏水清洗两次，105℃烘干，采用元素分析仪测定有机碳含量。
1.3.3 沉积物中EPSs的测定
沉积物中的EPSs组分由两部分组成：胶体态EPSs（colloid-EPSs， C-EPSs）和结合态EPSs（bound-EPSs， B-EPSs）。取2 g新鲜的沉积物中加入5 mL去离子水，混匀振荡30 min，在16000 r/min下高速离心20 min，上层清液为C-EPSs。在离心得到的沉积物中继续加入5 mL的10 mmol/L 乙二胺四乙酸（ethylene diamine tetraacetic acid，EDTA）溶液，混匀后在室温下培养5 h，同样在16000 r/min下离心30 min，取上清液得到B-EPSs。分别采用考马斯亮蓝法和硫酸-苯酚法对EPSs中的蛋白质和多糖进行分析[13]。
1.3.4 沉积物粒径
取界面处沉积物后，使用粒度分析仪（英国马尔文MastSizer 2000）分析表面沉积物粒度分布。这是一种自动沉积平衡仪，用于确定沉积物的粒度分布和中值粒径（D50）。滆湖高温前、高温后第15天和第30天的沉积物在进行粒度分布分析前均未进行冻干或分解。将样品与蒸馏水混合在样品浴中进行粒度测量，平行样品为3个。
1.3.5 沉积物流变特性
使用流变仪（Anton Paar，MCR 302）在25℃下测量沉积物样品的屈服应力（τy）。沉积物流变实验分为旋转模式下的黏度流动曲线实验和振荡模式下的扫幅实验。实验结束后，立即采集沉积物样品，并将其放入流变仪的量杯中，平衡60 s后进行测试。在测试程序中，首先剪切速率设置为0.01~100 s-1，以对数模式变化，上限时间为1 min，其次静息1 min，然后在额外1 min内减速至0。数据点采集设置为稳态采集模式，每个样本采集31个数据点。输出结果为剪切过程中沉积物的剪应力和黏度变化。
1.4 沉积物组成计算
沉积物基质由沙石、有机质（organic matter，OM）、水和空气组成，沉积物组分计算模型是将单位体积中固、液、气的体积占比设定为ε1、ε2和ε3。结合方程（1）~（3）计算出每种组分的体积占比[23]：
(1)
(2)
(3)
式中，ρ为水的密度，为1000 kg/m3；ρs为沉积物的密度，为2650 kg/m3；ω为含水量；γ0为沉积物的干体积密度。
1.5 沉积物临界剪应力的计算
本实验根据Shields方法计算沉积物的临界剪切应力，即沉积物在遇到外界切应力后开始运动的临界大小[9]。
1.6 数据分析与处理
利用Excel软件计算平均值和标准差；使用Origin 2022 64Bit软件绘制数据图；采用ArcGIS Map10.7 软件绘制采样点分布及分布面积图。
2 结果
2.1 滆湖高温前、后界面处沉积物性质变化
2.1.1 沉积物的密度和流变变化
高温前、后滆湖界面处沉积物密度的空间变化均为北高南低、东高西低，湖心和南部湖区的密度整体较低（图2a）。高温前滆湖13个采样点的平均密度为1.252 g/cm3，高温后基本所有采样点的密度均呈降低趋势，平均密度为1.211 g/cm3（图2a）。经计算，全湖浮泥的占比由高温前的48.12%增加到90.60%，即浮泥面积从80.22 km2增加至151.03 km2。其中，高温前、后受外部干扰较小的M2湖心区域的密度均为全湖最低值，分别为1.151和1.120 g/cm3，N4点位的密度最高，分别为1.330和1.282 g/cm3。
沉积物的流变实验反映了沉积物结构状态。滆湖高温前、后界面处沉积物流变特性的结果如图2b所示。高温前滆湖13个点位界面处沉积物的屈服应力处于46.30~118.20 Pa之间，平均屈服应力为81.13 Pa，空间分布特征为北高南低、东高西低。受外部干扰较小的M2湖心点的屈服应力值最小，为46.30 Pa，中西部M5点位的屈服应力值最大，为118.20 Pa。经过持续高温后，全湖界面处沉积物的屈服应力显著降低，降低幅度为2.18%~41.84%。界面处沉积物的屈服应力最高值出现在N4点位，为99.82 Pa，最低值出现在S3点位，为39.35 Pa。
图2高温前、后滆湖界面处沉积物密度（a）和流变变化（b）
Fig.2Density (a) and rheological changes (b) of sediments at the sediment-water interface of Lake Gehu before and after high temperature
2.1.2 沉积物的粒径分布
通过絮凝作用，沉积物中的初级颗粒发育成分级结构，即黏土（0~4 μm）、粉砂（4~64 μm）、砂粒（64~2000 μm）[24]。由图3可以看出，滆湖中部沉积物的D50偏大，而滆湖南、北湖区的D50偏小。高温后，全湖13个点位的D50由18.65~29.61 μm增加至22.69~35.7 μm，粉砂和砂粒占比增加，黏土占比降低。
图3滆湖原位沉积物中值粒径的变化
Fig.3Variation of the median particle size in the in situ sediments of Lake Gehu
2.2 温度梯度模拟实验
2.2.1 界面处沉积物密度及结构组分变化
实验30天后，不同温度下的沉积物密度均较第15天的沉积物密度（1.271 g/cm3）有明显下降。界面处沉积物的密度随着温度的升高呈指数型下降趋势（R2=0.99），从1.244 g/cm3降低至1.229 g/cm3，且于29℃后趋于稳定（图4）。具体来说，第15天界面处沉积物密度为1.271 g/cm3，第30天25、27、29、32、35℃下界面处沉积物的密度分别为1.244、1.236、1.232、1.230、1.229 g/cm3。
图4不同温度条件下30天后界面处沉积物密度的变化趋势
Fig.4Variation trend of sediment density at the interface after 30 days under different temperature conditions
根据沉积物的堆积密度和含水率计算沉积物中固体、液体、气体组分的体积占比。结果发现，30天室内模拟实验后，沉积物中固体、液体和气体的体积占比表现出差异性。随着温度的升高，沉积物中液体体积占比从74.85%升至78.7%，固体体积占比从18.76%降至16.71%，气体体积占比从6.38%降至4.59%（图5）。
2.2.2 界面处沉积物有机质及粒径分布
实验30天后测定了界面处沉积物中有机质组分的变化，主要包括LP-C和RP-C。如表1所示，25℃下培养15天后，沉积物中LPI-C、LPII-C和RP-C的质量分数分别为1.70、4.03和14.55 mg/g，RP-C的质量分数约为LP-C的2.5倍，说明沉积物中多糖和纤维素类物质较少，主要为难降解有机质。30天后，随着温度的升高，总有机质从19.81 mg/g降至18.85 mg/g，LPI-C、LPII-C、RP-C的质量分数均有所降低，其中RP-C降低了4.82%。
图5不同温度下界面处沉积物固体、液体、气体体积占比的变化
Fig.5Variation in the percentage of solid, liquid, and gas volumes in sediments at the sediment-water interface under different temperature conditions
在不同温度作用下，由于沉积物中微生物降解有机质，沉积物的粒径分布会发生变化。如图6所示，30天后界面处沉积物的D50随着温度呈增大趋势，从最初的17.22 μm增加至21.16 μm，且29℃后趋于稳定。同时，随着温度的升高，30天后絮状物的占比降低，大絮凝体的占比增加。第30天，粒径处于0~4 μm颗粒的占比随温度的升高从7.48%降低至6.09%，粉砂和砂粒占比升高（表2）。
图6不同温度情况下30天后沉积物中值粒径的变化趋势
Fig.6Variation trend of the median particle size of sediments after 30 days under different temperatures
2.2.3 界面处沉积物中胞外聚合物的变化
随着温度的升高，EPSs中多糖和蛋白含量均呈下降趋势，并在29℃后趋于稳定（图7），可能是由碳源含量的下降导致的。第15天的多糖和蛋白含量分别为168.45和137.35 μg/g。经15天持续高温后，在25~35℃下，多糖分别降低6.46、16.65、20.34、18.92和24.12 μg/g，蛋白分别降低11.53、22.88、30.72、26.94和36.39 μg/g。由此可见，温度的升高抑制了EPSs的产生。此外，第30天25~35℃下沉积物中EPSs的多糖/蛋白比值分别为1.29、1.33、1.39、1.35和1.43，第15天为1.23（图7c），由此可见多糖与蛋白的比值随温度升高而增加。
2.2.4 界面处沉积物流变及临界剪切应力变化
通过进一步的流变实验发现，第30天界面处沉积物的屈服应力与温度呈现指数型下降趋势（R2=0.99，图8a）。第15 天界面处沉积物的屈服应力为446.04 Pa，经15 天持续高温后，界面处沉积物的屈服应力降低了7.30%~46.78%。特别是在35℃下，沉积物的屈服应力明显低于第15 天，降低至237.39 Pa。实验过程中屈服应力的变化表明，持续的高温导致沉积物结构不稳定。在25、27、29℃下沉积物的屈服应力分别为413.5、303.46、250.27 Pa，在32和35℃下的屈服应力分别为238.78和237.39 Pa。由此可见。当温度低于29℃时，沉积物的屈服应力变化迅速，当温度超过29℃后，沉积物屈服应力的降低减慢并逐渐达到平衡值。
表1不同温度情况下30天后界面处沉积物的基本理化性质
Tab.1Basic physicochemical properties of sediments at the interface after 30 days at different temperatures
表2不同温度情况下30天后界面处沉积物的粒径分布
Tab.2Particle size distribution of sediment at the sediment-water interface after 30 days under different temperature conditions
沉积物最初具有塑性流体的流变特性，剪切速率与剪切应力呈正比，直到出现一个临界剪切应力点，即破坏其结构的临界剪切应力。根据公式计算沉积物的临界剪切应力值。结果表明，随着温度的增加，第30天界面处沉积物的临界剪切应力也与屈服应力呈和粘度试验相似的指数型下降趋势（R2=0.94，图8b）。
3 讨论
3.1 滆湖界面处沉积物密度、屈服应力的空间分布特征及性质变化
滆湖沉积物密度从北到南存在空间差异性，呈现出不同的性质特征。北部湖区沉积物密度较高，可能是由于该区域有频繁的人为活动，如渔业养殖、建筑围堰等[25]，且北侧近年来经历了底泥疏浚、开发利用等。北部湖区N2点位临近扁担河和夏溪河入湖口[25]，中部湖区M1、M3点位处于北干河入湖河道两侧，入湖河道对界面处沉积物冲刷作用强烈，密度较大。湖心区域M2点位沉积物受人为影响较小，中部区域M4点位为漕桥河流出湖口[26]，界面处沉积物存在絮凝沉降的现象，更疏松、偏软，因此中部沉积物密度较低。南部湖区由于水生植被覆盖度高，沉积物中有机质含量高[21]，且夏季温度高，微生物活动剧烈，有利于低密度的浮泥形成。另外滆湖夏季受东南季风的影响[27]，造成浅水区域底部沉积物扰动，发生再悬浮并裹挟至湖泊西北岸，导致滆湖西北区域沉积物密度整体偏高。有研究发现[21]，从黏土含量的空间分布来看，北部湖区最高，中部和南部区别不大。黏土（0~4 μm）粒径小，导致北部湖区沉积物的中值粒径低于中部和南部湖区（图3）。此外，沉积物密度是影响沉积物屈服应力的关键要素[13]，滆湖表层沉积物屈服应力的空间分布特征为北高南低，与全湖沉积物密度分布规律一致。其中，南部湖区大量植物残体有机质堆积、降解会导致沉积物密度和屈服应力降低[13]。北部湖区沉积物固体组分含量大于中、南部，且黏土含量、密度偏大（图2），导致北部湖区沉积物屈服应力偏大。在高温后，沉积物密度在3个区域均出现了下降的趋势（图2），同时出现颗粒物平均中值粒径增大（图3）的现象。同时，高温后界面处沉积物的屈服应力与高温前相比均有所下降（图2），说明高温导致沉积物稳定性降低。
3.2 界面处沉积物密度及组分变化
本研究表明，温度升高会促使浮泥形成，沉积物易发生起动再悬浮现象，且阈值出现在29℃。在富营养化浅水湖泊中，位于界面处的沉积物是微生物代谢活动频繁且剧烈的场所[28]。局部湖区蓝藻水华生物质会沉降、堆积在沉积物-水界面处，影响微生物代谢，进而改变沉积物结构特征[29]。已有研究发现，在界面处微生物快速消耗有机质会产生大量不易溶于水的甲烷和二氧化碳气体[30]。开始阶段沉积物会随着气体体积的增加而发生拉伸断裂[31]，后一旦超过沉积物自身的约束力后，气体会通过鼓泡的方式从沉积物中排出[32]，此过程会重塑沉积物结构。结合图5发现，温度的升高导致沉积物中气体组分占比下降，且气体的释放加速了孔隙水的交换，使得沉积物含水率升高（表1），密度也呈指数下降趋势（R2=0.99）（图4），降低了界面处沉积物的稳定性[33]。进一步分析发现，当温度大于29℃后，沉积物密度的变化趋于稳定，这表明温度阈值为29℃，一旦温度达到或超过29℃，沉积物密度大大降低，易形成浮泥。
3.3 界面处沉积物EPSs组分和粒度变化
在沉积物中，微生物降解淀粉、脂质和蛋白质等有机物质的过程会产生大量胞外分泌物。它们附着在沉积物颗粒上，形成生物膜。而生物膜主要以EPSs的形式存在，它们影响沉积物颗粒的絮凝、团聚[34-35]。本研究中，随着温度升高，EPSs的产生量减少（图7），导致沉积物结构的稳定性变弱。EPSs的主要成分是蛋白质和多糖[36]，其中蛋白质主要由促进絮凝的疏水氨基酸组成，而多糖具有促进亲水性的亲水基团。研究发现多糖/蛋白质的比值与泥沙固结速度呈负相关，比值的上升会延迟沉积物的固结[20]，促进浮泥的形成。实验数据显示，随着温度的升高，多糖/蛋白比值呈升高趋势（图7c），这表明温度升高促进浮泥的形成，降低沉积物的稳定性。在EPSs的作用下，浮泥中大粒径的沉积物颗粒物主要以絮凝体的复合形式存在[37]。沉积物中的固体组分主要是初级和次级矿物颗粒以及有机成分组成的混合物[38]。有研究表明，0~4 μm的黏土主要由初级颗粒和有机质构成[39]。随着温度的升高，不断升高的多糖/蛋白使黏土组分占比降低，团聚体增多，沉积物的D50值升高（图6）。这种大尺寸的絮凝团聚体疏松多孔，不利于沉积物的稳定。在水动力的作用下，这些松散和脆弱结构的团聚体会分解成更小的初级颗粒，造成沉积物起悬[40-42]，影响湖泊生态环境健康。
图7不同温度下界面处沉积物中胞外聚合物浓度变化
Fig.7Variations in extracellular polymeric substances concentrations in sediments at the sediment-water interface under different temperature conditions
3.4 界面处沉积物流变性质变化
在对沉积物结构稳定性的研究中，流变测试的屈服应力是沉积物对流动、变形和结构变化的阻力[23]，可作为黏性沉积物侵蚀悬浮的指标参数[43]。高温使沉积物的密度降低、含水率上升，进而屈服应力随温度的升高呈指数型下降（图8a）[44]。本实验中，流变实验中的屈服应力大于计算值，这是因为屈服应力是表示沉积物从固态到液态的屈服力[45]，而临界剪切应力表示沉积物颗粒物在切应力作用下起动再悬浮的临界值。因此，研究发现温度的升高减小了沉积物的屈服应力，使得沉积物易发生再悬浮。
不同于沉积物屈服应力，沉积物临界剪应力值可以直接指示沉积物颗粒的起悬能力[46]。一旦河床受到的剪切应力超过沉积物自身的临界值，沉积物颗粒会出现起动、悬浮现象[44，47]。因此，在考虑浅湖泥沙再悬浮时，界面处沉积物临界剪应力值是一个重要指标。研究发现造成湖泊沉积物再悬浮的临界剪切应力一般在0.01~0.1 N/m2之间[48-49]，例如秦伯强等[50]通过野外观测与模拟发现位于太湖湖湾区域的沉积物再悬浮所需的临界剪切应力为0.03~0.04 N/m2。本研究计算模拟出的临界剪切应力值处于该范围内，在0.032~0.034 N/m2之间，并且发现随着温度的升高，沉积物理论临界剪切应力值呈指数型下降趋势（图8b）。这是因为随着温度升高，EPSs的形成促使絮团状颗粒变得不稳定。这种情况下，界面处沉积物容易遭到破坏，进而发生再悬浮。因此，温度的升高会导致沉积物稳定性降低。进一步分析发现，当温度超过29℃后，临界剪切应力趋于稳定，表明温度阈值为29℃。位于太湖流域的浅水湖泊四季的平均气温为15~17℃，极端最高气温为41.2℃，极端最低气温为-17.0℃[51]。冬季太湖流域沉积物中存在大量越冬蓝藻[19]，导致沉积物有机质含量提升，进入春、夏季节后，温度升高使得易降解有机质分解，沉积物结构变得松散，颗粒易发生再悬浮。沉积物再悬浮后，上覆水中悬浮颗粒大量增加，降低水体透明度[4]。同时，再悬浮引起的内源释放是湖泊发生富营养化的重要原因[7]。因此，考虑到再悬浮现象对湖泊生态环境的危害，需要综合研究高温对沉积物结构特征和水生生态系统污染物释放的影响。在对浅水湖泊污染沉积物进行修复治理时，需考虑温度因素。
图8不同温度情况下30天后界面处沉积物的屈服应力（a）及临界剪切应力（b）变化趋势
Fig.8Trends in the yield stress (a) and critical shear stress (b) of sediments at the sediment-water interface after 30 days under different temperature conditions
4 结论
本文通过原位采样分析和室内温度梯度模拟实验，以滆湖沉积物为研究对象，研究高温前、后温度对界面处沉积物结构性质的影响。研究发现，温度升高后滆湖界面处沉积物的密度明显降低，全湖浮泥含量升高，同时沉积物的屈服应力呈现下降趋势。室内模拟实验中，30天后的沉积物密度随着温度的升高呈指数下降趋势（R2=0.99），均小于1.25 g/cm3，且沉积物颗粒形成团聚体，促进浮泥生成，并降低沉积物的稳定性。同时，随着温度的升高，EPSs中多糖和蛋白含量均下降，且多糖/蛋白的比值升高，有利于浮泥的形成。此外，界面处沉积物的屈服应力（R2=0.99）和临界剪切应力值（R2=0.94）均出现指数型下降趋势，且当温度超过29℃时，均达到稳定的低值，此时沉积物容易出现再悬浮现象，影响湖泊生态健康。综上所述，当温度超过29℃时，富营养化湖泊界面处沉积物物理结构和性质的变化会导致其临界剪应力大大减弱，从而引发一系列泥沙侵蚀和再悬浮等环境问题。
