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稻渔共作农业生态系统中生物扰动作用对底泥菲向上覆水释放-迁移特征和潜在影响机制
发布时间：2023-12-19原名：Phenanthrene release-migration characteristics and potential influencing mechanisms from paddy soil to overlying water under bioturbation in a rice-fish coculture agroecosystem 译名：稻渔共作农业生态系统中生物扰动作用对底泥菲向上覆水释放-迁移特征和潜在影响机制 期刊：Journal of Cleaner Production 2022年影响因子：11.8 5年影响因子：11 在线发表时间：2023.11.15 通讯作者：付强 第一单位：东北农业大学水利与土木工程学院 生物扰动作用促进了菲向上覆水体的释放； 菲的吸附-分布模型取决于生物溶解性有机质浓度； 紫外-荧光示踪技术揭示了菲的迁移途径； 粒径是影响菲迁移的主要因素；
原名：Phenanthrene release-migration characteristics and potential influencing mechanisms from paddy soil to overlying water under bioturbation in a rice-fish coculture agroecosystem 译名：稻渔共作农业生态系统中生物扰动作用对底泥菲向上覆水释放-迁移特征和潜在影响机制 期刊：Journal of Cleaner Production 2022年影响因子：11.8 5年影响因子：11 在线发表时间：2023.11.15 通讯作者：付强 第一单位：东北农业大学水利与土木工程学院 生物扰动作用促进了菲向上覆水体的释放； 菲的吸附-分布模型取决于生物溶解性有机质浓度； 紫外-荧光示踪技术揭示了菲的迁移途径； 粒径是影响菲迁移的主要因素；
原名：Phenanthrene release-migration characteristics and potential influencing mechanisms from paddy soil to overlying water under bioturbation in a rice-fish coculture agroecosystem 译名：稻渔共作农业生态系统中生物扰动作用对底泥菲向上覆水释放-迁移特征和潜在影响机制 期刊：Journal of Cleaner Production 2022年影响因子：11.8 5年影响因子：11 在线发表时间：2023.11.15 通讯作者：付强 第一单位：东北农业大学水利与土木工程学院 生物扰动作用促进了菲向上覆水体的释放； 菲的吸附-分布模型取决于生物溶解性有机质浓度； 紫外-荧光示踪技术揭示了菲的迁移途径； 粒径是影响菲迁移的主要因素；
原名：Phenanthrene release-migration characteristics and potential influencing mechanisms from paddy soil to overlying water under bioturbation in a rice-fish coculture agroecosystem 译名：稻渔共作农业生态系统中生物扰动作用对底泥菲向上覆水释放-迁移特征和潜在影响机制 期刊：Journal of Cleaner Production 2022年影响因子：11.8 5年影响因子：11 在线发表时间：2023.11.15 通讯作者：付强 第一单位：东北农业大学水利与土木工程学院 生物扰动作用促进了菲向上覆水体的释放； 菲的吸附-分布模型取决于生物溶解性有机质浓度； 紫外-荧光示踪技术揭示了菲的迁移途径； 粒径是影响菲迁移的主要因素；
稻渔综合种养殖模式是将农业水稻栽培技术与水产养殖技术相结合的一种复合型农业生产方式，具有显著的生态和经济效益。然而，中国东北地区面临严重的多环芳烃污染（PAHs）引起了学者们的普遍关注。在稻渔综合种养殖模式下，生物扰动作用可通过改变底泥理化性质，影响污染物在其中的环境归趋。目前，针对生物扰动作用的研究大都集中在海洋，河口或者湿地等区域，未有研究稻渔共作生态系统。一旦外源性PAHs进入稻田底泥，因蟹或泥鳅等水生生物的二次扰动作用，赋存在底泥中的PAHs进一步释放至上覆水发生扩散，成为新的污染“源”。由于上覆水中的溶解性有机碳（DOC）、总固体悬浮物（TSS）以及生物溶解性有机质（DOM）的存在，均会引发PAHs在底泥-水界面的重新分配，进而打破有机污染物在底泥-水界面的动力学平衡，造成严重水生生态风险，故相关释放机制与吸附-分配效应亟需阐明。又因底泥是PAHs的归宿与最终受体，故底泥中的PAHs也会因生物扰动作用在底泥不同区域迁移进而形成新的污染“汇”。蟹及其它底栖动物联合生物扰动下底泥PAHs迁移规律的研究尚未见报道。因生物扰动作用会直接改变底泥理化性质，进而间接影响底泥中PAHs的迁移特征，故厘清控制PAHs在底泥中迁移的影响机制，是揭示其迁移规律的关键。
本研究以稻鳅共作和稻蟹共作模式为研究对象，选取菲作为典型PAHs污染物，构建微宇宙试验系统，探究稻渔综合种养模式下底泥PAHs的释放迁移特征及影响机制，主要开展了如下研究：(1).探究生物扰动作用对稻田底泥菲向上覆水的释放特征与影响机制；(2).探究生物溶解性有机物对菲在稻田底泥-水界面的吸附-分配效应；(3).生物扰动作用对稻田底泥菲的迁移特征与影响机制。 结果表明：(1).生物扰动作用显著促进了底泥颗粒态菲和溶解态菲的释放（p<0.05）。Pearson相关性分析的结果显示，颗粒态菲与总固体悬浮物（TSS）、溶解态菲与溶解性有机碳（DOC）具有较强的相关性（p<0.05）。(2)菲在底泥-上覆水界面的吸附过程分别符合低浓度大分子竞争吸附-增溶模型和高浓度小分子共吸附累积模型。(3)紫外荧光示踪技术和反应扩散模型分别定性和定量模拟了含菲底泥颗粒的迁移路径。荧光示踪物在底泥中的最大迁移浓度为8.23%，最大生物扰动扩散系数（Db）为23.6 × 10−3 cm2/d。且生物扰动作用显著改变了底泥理化性质（p<0.05）。主成分分析（PCA）结果表明，粒径（<0.05 mm）是影响底泥菲迁移的关键性因素。
Fig.1 Characteristics and potential influencing mechanisms of Phe release from paddy soil to overlying water under bioturbation. (a). Concentrations of particulate phenanthrene (P-Phe) and dissolved phenanthrene (D-Phe) in the overlying water. (b). Proportion of P-Phe and D-Phe concentrations in the overlying water. (c). Concentrations of total suspended solids (TSS) and dissolved organic carbon (DOC) in the overlying water. (d). Pearson correlation analysis between P-Phe and D-Phe, TSS and DOC in the overlying water and the mechanisms of Phe release from paddy soil to the overlying water under bioturbation. Different capital letters indicate significant differences in the TSS and P-Phe concentrations in the overlying water between different bioturbation groups within the same time according to Duncan's test (p<0.05). Different lowercase letters indicate significant differences in the DOC and D-Phe concentrations in the overlying water between different times within the same bioturbation group according to Duncan's test (p<0.05).
Fig.2 Characteristics and potential influencing mechanisms of the adsorption-distribution of Phe at the paddy soil-overlying water interface in the presence of biologically dissolved organic matter (Bio-DOM). (a). Fluorescence spectra of Bio-DOM. (b). Adsorption isothermal characteristics of Phe on Bio-DOM (7 mg/L and 45 mg/L). L-COM represents loach DOM; C-DOM represents crab DOM, CL-DOM represents mixed crab and loach DOM. (c). Analysis of spectral slope ratio (SR) and specific ultraviolet absorbance at 254 nm (SUV254). (d). Characteristics of soil-water distribution coefficients (Kd). (e). Mechanisms of Phe adsorption-distribution at the paddy soil-overlying water interface in the presence of Bio-DOM. L-CBio-DOM-LM represents low concentrations of large-molecule Bio-DOM, and H-CBio-DOM-SM represents high concentrations of small-molecule Bio-DOM. The CAS model represents the competitive adsorption-solubilization model, and the CAA model represents the coadsorption-accumulation model.
Fig.3 Characteristics and potential influencing mechanisms of Phe migration in paddy soil under bioturbation. (a). Migration characteristics of fluorescent particles (f-ps) and the intensity of bioturbation. (b) Characteristics of Phe migration and variations in physicochemical property indicators in paddy soil at different depths. (c). The results of principal component analysis (PCA) between Phe and paddy soil physicochemical property indicators. (d) Mechanisms of Phe migration in paddy soil under bioturbation.
本研究首次揭示了稻渔共作系统中生物扰动作用对稻田底泥PAHs释放迁移规律和影响机制。（1）.蟹和泥鳅等生物扰动作用是影响底泥PAHs释放的重要因素。其促使Phe从底泥向上覆水释放，且上覆水TSS和DOC是影响Phe在上覆水赋存的关键因素。（2）.基于无底泥饲养技术获得的生物DOM并进行了底水-水界面的Phe吸附等温实验，提出了低浓度生物DOM大分子竞争吸附-增容模型和高浓度生物DOM小分子共吸附-累积模型。阐明了生物DOM对Phe在稻田底泥-水界面的吸附-分配效应。（3）.基于紫外荧光砂示踪技术和反应扩散模型模拟底泥颗粒的运动轨迹，该质性研究结果表明生物扰动作用加速了Phe在底泥的迁移扩散。主成分分析（PCA）结果显示粒径是影响底泥Phe迁移的决定性因素。以上揭示了PAHs在底泥迁移中“汇”的形成机制。本研究将为保障稻渔绿色农业高质量发展发挥重要作用，并为了解生物扰动作用对稻渔共作生态系统的环境意义以及稻田底泥中PAHs污染防治与修复提供理论依据。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.139719
黑龙江林口稻蟹科技小院
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