Storm-induced sediment resuspension in the Changjiang River Estuary leads to alleviation of phosphorus limitation  

風(fēng)暴引起的長江口沉積物再懸浮導(dǎo)致磷限制緩解  

來源：Marine Pollution Bulletin, Volume 160, 2020, 111628

《海洋污染通報(bào)》第160卷，2020年，文章編號111628

 

摘要內(nèi)容

 

本研究通過長江口泥質(zhì)區(qū)（CEMA）沉積物柱的模擬再懸浮實(shí)驗(yàn)，量化了風(fēng)暴擾動引發(fā)的營養(yǎng)鹽釋放機(jī)制。結(jié)果表明，除硝酸鹽（NO??-N）外，磷酸鹽（PO?3?-P）、銨鹽（NH??-N）、亞硝酸鹽（NO??-N）和硅酸鹽（SiO?2?-Si）均從沉積物釋放至上覆水，主要?dú)w因于解吸附（P）、溶解（Si）和礦化作用（N）。這種營養(yǎng)鹽釋放可緩解水體的磷和硅限制，促進(jìn)浮游植物生長，加劇耗氧并誘發(fā)缺氧。該機(jī)制對全球富有機(jī)質(zhì)沉積物的海岸帶具有普適性。

 

研究目的

 

1. 量化風(fēng)暴再懸浮對長江口沉積物-水界面氮、磷、硅通量的影響。  

2. 解析再懸浮過程中營養(yǎng)鹽釋放的主導(dǎo)機(jī)制（孔隙水?dāng)U散 vs. 顆粒解吸附/礦化）。  

3. 評估營養(yǎng)鹽脈沖對水體磷限制緩解及缺氧形成的生態(tài)效應(yīng)。  

 

研究思路

 

1. 采樣與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：  

   ? 采集長江口泥質(zhì)區(qū)（CEMA）兩個(gè)站位（A3-3、A6-4）的沉積物柱狀樣（圖1）。  

 

   ? 通過電動攪拌器模擬風(fēng)暴擾動（設(shè)定侵蝕深度5 cm），分階段監(jiān)測再懸浮期（0-120 min）和沉降期（120-2300 min）的水化學(xué)變化。  

 

     

2. 多參數(shù)同步監(jiān)測：  

   ? 營養(yǎng)鹽（PO?3?-P, NH??-N, NO??-N, NO??-N, SiO?2?-Si）濃度動態(tài)（圖5）。  

 

   ? 溶解氧（DO）和pH變化（圖3-4），結(jié)合沉積物特性分析（有機(jī)質(zhì)、磷形態(tài)、粒度；圖2）。  

 

 

 

 

 

3. 機(jī)制解析：  

   ? 對比擾動組與對照組，計(jì)算孔隙水與顆粒相釋放的貢獻(xiàn)比例（表4）。  

 

   ? 通過營養(yǎng)鹽比值（DIN/DIP, DSi/DIP）評估磷限制緩解效應(yīng)（表3）。  

 

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義

 

1. 沉積物特性（圖2）：  

   ? 數(shù)據(jù)：沉積物中值粒徑9-21 μm（圖2d）；表層有機(jī)質(zhì)含量4.0-4.4%（圖2a）；生物有效磷以有機(jī)磷（Or-P）為主（51%）（圖2b）。  

 

   ? 意義：細(xì)顆粒沉積物高吸附容量為營養(yǎng)鹽釋放提供物質(zhì)基礎(chǔ)，有機(jī)磷主導(dǎo)暗示礦化作用的關(guān)鍵性。  

 

2. 溶解氧動態(tài)（圖3）：  

   ? 數(shù)據(jù)：再懸浮期DO穩(wěn)定，沉降期驟降（A3-3站最低至2 mg/L），2300 min后部分恢復(fù)。  

 

   ? 意義：證實(shí)再懸浮后有機(jī)質(zhì)礦化耗氧，直接關(guān)聯(lián)缺氧形成機(jī)制。  

 

3. 營養(yǎng)鹽釋放（圖5 & 表4）：  

   ? 數(shù)據(jù)：PO?3?-P釋放量0.9 Mmol/d，NH??-N 51 Mmol/d，SiO?2?-Si 42 Mmol/d；孔隙水貢獻(xiàn)僅占PO?3?-P釋放的13-22%（表4）。  

 

   ? 意義：營養(yǎng)鹽主要源于顆粒相解吸附/礦化，而非孔隙水?dāng)U散；釋放量堪比長江輸入通量，凸顯風(fēng)暴的生態(tài)擾動強(qiáng)度。  

 

4. pH變化（圖4）：  

   ? 數(shù)據(jù)：沉降期pH顯著降低（A6-4站p=-0.919），與DO消耗同步。  

 

   ? 意義：證實(shí)有機(jī)質(zhì)礦化產(chǎn)生CO?，酸化環(huán)境進(jìn)一步促進(jìn)磷解吸附。  

 

5. 營養(yǎng)鹽比值（表3）：  

   ? 數(shù)據(jù)：再懸浮后DIN/DIP從118-127降至50-56，低于Redfield比值（16:1）。  

 

   ? 意義：顯著降低的N/P比緩解東海固有磷限制，為藻華暴發(fā)提供條件。  

 

結(jié)論

 

1. 釋放機(jī)制主導(dǎo)性：再懸浮期營養(yǎng)鹽爆發(fā)式釋放主要依賴顆粒相解吸附（P、Si）和礦化（NH??-N），孔隙水直接貢獻(xiàn)<30%（表4）。  

2. 磷限制緩解：DIN/DIP降低至50-56（表3），有效緩解東海磷限制，促進(jìn)浮游植物增殖（支持臺風(fēng)后藻華觀測）。  

3. 缺氧驅(qū)動：沉降期有機(jī)質(zhì)礦化導(dǎo)致DO驟降（圖3），與現(xiàn)場臺風(fēng)后缺氧記錄吻合。  

4. 全球適用性：機(jī)制可推廣至墨西哥灣、太湖等富有機(jī)質(zhì)沉積物海岸帶，為風(fēng)暴擾動-富營養(yǎng)化耦合研究提供范式。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義

 

測量指標(biāo)：沉積物-水界面溶解氧（DO）的高分辨率時(shí)間序列  

設(shè)備型號：Unisense微電極（Clark型），PA-2000皮安計(jì)記錄  

研究意義：  

1. 缺氧過程量化：精準(zhǔn)捕捉沉降期DO的指數(shù)級下降（圖3），揭示再懸浮后12-20小時(shí)的耗氧臨界窗口，為缺氧預(yù)測提供時(shí)間閾值。  

2. 代謝機(jī)制解析：DO消耗速率與NH??-N釋放同步（圖3 vs 圖5c,d），確證有機(jī)質(zhì)礦化主導(dǎo)耗氧，排除物理混合干擾。  

3. 生態(tài)效應(yīng)關(guān)聯(lián)：DO最低值（2 mg/L）低于缺氧閾值（<3 mg/L），直接驗(yàn)證風(fēng)暴擾動可觸發(fā)短期缺氧事件。  

4. 方法學(xué)優(yōu)勢：相較傳統(tǒng)溫克勒法，微電極實(shí)現(xiàn)原位、無損、分鐘級監(jiān)測，避免采樣擾動，保障界面過程真實(shí)性。