Biomanipulation-induced reduction of sediment phosphorus release in a tropical shallow lake

生物操縱誘導(dǎo)的熱帶淺湖沉積物磷釋放的減少

來源：Hydrobiologia (2017) 794:49–57

 

論文摘要

本文摘要指出，生物調(diào)控（通過魚類管理結(jié)合沉水植物引種）是修復(fù)富營養(yǎng)化淺水湖泊的有效措施。水質(zhì)和透明度的改善會促進(jìn)底棲藻類的生長，而底棲藻類與沉水植物一樣，可能限制沉積物中磷（P）的釋放，從而加速湖泊的生態(tài)恢復(fù)。本研究旨在評估這種生物調(diào)控對熱帶淺水湖泊水質(zhì)、底棲藻類發(fā)展和沉積物磷釋放的影響。方法是通過（1）比較已修復(fù)和未修復(fù)湖區(qū)的孔隙水與湖水水質(zhì)、光照強(qiáng)度及底棲藻類發(fā)展；（2）進(jìn)行 32P放射性同位素示蹤實(shí)驗(yàn)，追蹤來自兩個湖區(qū)沉積物巖心的磷釋放。結(jié)果表明，生物調(diào)控降低了湖水的總磷（TP）、總?cè)芙庑粤祝═DP）和可溶性活性磷（SRP）濃度，降低了浮游植物生物量，增加了沉積物表面的光照強(qiáng)度，從而刺激了底棲藻類的生長。此外，修復(fù)湖區(qū)的沉積物32P釋放量低于未修復(fù)湖區(qū)。同時，修復(fù)湖區(qū)沉積物上層的溶解氧（DO）水平更高。本研究結(jié)果表明，生物調(diào)控改善了水質(zhì)，促進(jìn)了底棲藻類的生長，從而減少了沉積物磷的釋放，這可能是成功實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)的主要機(jī)制之一。

 

研究目的

本研究的主要目的包括：

 

驗(yàn)證生物調(diào)控的綜合效果：評估生物調(diào)控（包括魚類移除、投放肉食性魚類和引種沉水植物）對熱帶淺水湖泊水質(zhì)、底棲藻類發(fā)展和沉積物磷釋放的綜合影響。

檢驗(yàn)核心假設(shè)：驗(yàn)證“生物調(diào)控通過改善水質(zhì)和透明度，從而促進(jìn)底棲藻類生長，而底棲藻類的生長又能進(jìn)一步抑制沉積物磷的釋放，形成促進(jìn)湖泊恢復(fù)的正反饋循環(huán)”這一核心假設(shè)。

 

揭示潛在機(jī)制：探究底棲藻類減少沉積物磷釋放的潛在機(jī)制，特別是其與沉積物氧化還原條件（通過溶解氧衡量）的關(guān)系。

 

研究思路

本研究采用了“實(shí)地對比觀測 + 室內(nèi)控制實(shí)驗(yàn)”相結(jié)合的系統(tǒng)思路：

 

研究地點(diǎn)與設(shè)計：研究在中國惠州西湖進(jìn)行。該湖泊的一個區(qū)域（南湖）進(jìn)行了生物調(diào)控修復(fù)（移除29.7噸魚類，引種沉水植物黑藻和苦草，并投放肉食性魚類），而另一個區(qū)域（豐湖）保持未修復(fù)狀態(tài)作為對照。兩個區(qū)域在水質(zhì)修復(fù)前狀況相似，保證了可比性。

實(shí)地采樣與測量：

 

水質(zhì)分析：采集湖水和沉積物孔隙水，分析總磷（TP）、總?cè)芙庑粤祝═DP）、可溶性活性磷（SRP）濃度和葉綠素a（Chl a）（表征浮游植物和底棲藻類生物量）。

環(huán)境因子測量：使用水下輻照度計測量沉積物表面的光照強(qiáng)度**, 并測量塞氏盤深度（SD）。

 

沉積物氧化狀態(tài)：使用丹麥Unisense微傳感器測量沉積物上層的溶解氧（DO）垂直剖面，以評估氧化還原條件。

 

室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)：

 

32P示蹤實(shí)驗(yàn)：從已修復(fù)和未修復(fù)湖區(qū)分別采集沉積物柱狀樣，在實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定后，向沉積物中注入放射性同位素32P，監(jiān)測其在72小時內(nèi)向上覆水中的釋放量。這直接量化了沉積物磷釋放的潛力。

 

數(shù)據(jù)比較與分析：使用統(tǒng)計方法（如單因素方差分析）比較修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)在所有測量指標(biāo)上的差異，從而評估生物調(diào)控的效果并驗(yàn)證假設(shè)。

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義

研究測量了多方面的數(shù)據(jù)，其意義和來源如下（數(shù)據(jù)均引用自文檔中的圖表和正文描述）：

 

湖水和孔隙水磷濃度（評估水質(zhì)和磷的遷移潛力）

 

測量指標(biāo)：湖水中的TP、TDP、SRP濃度和沉積物孔隙水中的TDP、SRP濃度。

研究意義：這些是評估生物調(diào)控對水體磷含量直接效果的關(guān)鍵指標(biāo)。圖2顯示，修復(fù)湖區(qū)的湖水TP和Chl a濃度顯著低于未修復(fù)湖區(qū)，表明水質(zhì)得到改善。更重要的是，修復(fù)湖區(qū)孔隙水中的TDP和SRP濃度極低（僅為未修復(fù)區(qū)的4%和2%）。這表明生物調(diào)控極大地減少了沉積物中活性磷的庫存，而孔隙水磷是向上覆水釋放的直接來源，其濃度降低意味著內(nèi)源釋放風(fēng)險的大幅下降。

 

數(shù)據(jù)來源：湖水?dāng)?shù)據(jù)見圖2；孔隙水?dāng)?shù)據(jù)見正文“P in porewater”部分的結(jié)果描述。

 

光照強(qiáng)度和底棲藻類生物量（揭示驅(qū)動因素）

 

測量指標(biāo)：沉積物表面的光照強(qiáng)度和底棲藻類的葉綠素a生物量。

研究意義：這些數(shù)據(jù)驗(yàn)證了生物調(diào)控起作用的途徑。研究發(fā)現(xiàn)，修復(fù)湖區(qū)有光照到達(dá)湖底（21.6 μmol m?2 s?1），而未修復(fù)湖區(qū)湖底完全黑暗。相應(yīng)地，只有修復(fù)湖區(qū)的沉積物表面有底棲藻類生長（生物量為78.7 mg Chl a m?2）。這證實(shí)了生物調(diào)控通過改善水下光場，為底棲藻類的定殖和生長創(chuàng)造了必要條件。

 

數(shù)據(jù)來源：光照和底棲藻類數(shù)據(jù)見正文“Light and benthic algae on the sediment surface”部分。

 

32P釋放動態(tài)（直接量化磷釋放通量）

 

測量指標(biāo)：在72小時內(nèi)，從沉積物柱狀樣釋放到上覆水中的32P放射性活度。

研究意義：這是最直接證明生物調(diào)控抑制沉積物磷釋放的證據(jù)。圖3清晰顯示，來自未修復(fù)湖區(qū)的沉積物核心，其32P釋放更早、更快、總量更大。而修復(fù)湖區(qū)的沉積物核心釋放的32P更少且延遲。這在受控條件下直接證實(shí)了經(jīng)過生物調(diào)控的沉積物，其磷釋放潛力顯著降低。

 

數(shù)據(jù)來源：圖3。

 

沉積物溶解氧（DO）微剖面（揭示關(guān)鍵機(jī)制）

 

測量指標(biāo)：使用丹麥Unisense微電極測量的沉積物-水界面附近DO濃度的垂直分布（微剖面）。

研究意義：這些數(shù)據(jù)揭示了生物調(diào)控減少磷釋放的核心地球化學(xué)機(jī)制。圖4顯示，修復(fù)湖區(qū)沉積物表層的DO濃度顯著高于未修復(fù)湖區(qū)，且氧化層（DO > 0）的厚度更深（>3.5 mm vs. <2.5 mm）。高DO環(huán)境有利于將沉積物中的鐵保持為三價鐵（Fe(III)）形態(tài)，而Fe(III)的氧化物/氫氧化物能強(qiáng)烈吸附磷，從而將其“鎖定”在沉積物中。因此，DO微剖面數(shù)據(jù)強(qiáng)有力地支持了“底棲藻類（和沉水植物）通過光合作用產(chǎn)氧，創(chuàng)造氧化環(huán)境，增強(qiáng)沉積物對磷的固定能力”這一關(guān)鍵機(jī)理。

 

數(shù)據(jù)來源：圖4。

 

研究結(jié)論

 

生物調(diào)控有效改善了水質(zhì)：成功降低了湖水中的總磷和葉綠素a濃度，提高了水體透明度。

促進(jìn)了底棲藻類群落的發(fā)育：改善的光照條件使底棲藻類能夠在修復(fù)湖區(qū)的沉積物表面定殖和生長。

顯著抑制了沉積物磷釋放：32P示蹤實(shí)驗(yàn)直接證明，修復(fù)湖區(qū)沉積物的磷釋放通量遠(yuǎn)低于未修復(fù)湖區(qū)。

關(guān)鍵機(jī)制是氧化層的形成：底棲藻類的光合作用增加了沉積物表層的溶解氧，形成了更厚、氧化性更強(qiáng)的表層，通過促進(jìn)鐵結(jié)合磷（Fe-P）的形成，有效減少了磷向水體的釋放。

 

形成良性循環(huán)：生物調(diào)控 → 水質(zhì)改善/透明度增加 → 光照增強(qiáng) → 底棲藻類/植物生長 → 沉積物氧化層加深 → 磷釋放減少 → 水質(zhì)進(jìn)一步改善。這是一個有效的生態(tài)修復(fù)正反饋循環(huán)。

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

在本研究中，丹麥Unisense溶解氧（DO）微電極的測量數(shù)據(jù)對于闡明生物調(diào)控減少沉積物磷釋放的內(nèi)在機(jī)理具有至關(guān)重要的意義，其研究價值體現(xiàn)在：

 

提供高分辨率的原位氧化還原證據(jù)：Unisense DO微電極能夠以亞毫米級的高空間分辨率測量沉積物-水界面的氧氣分布。本研究利用它精確刻畫了修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)沉積物表層氧化還原環(huán)境的巨大差異（圖4）。這種高分辨率的原位測量避免了傳統(tǒng)采樣方法可能因暴露于空氣而導(dǎo)致的樣品氧化，真實(shí)反映了沉積物最關(guān)鍵的化學(xué)微環(huán)境。

直接連接生物過程與地球化學(xué)過程：研究發(fā)現(xiàn)修復(fù)區(qū)有底棲藻類生長。底棲藻類的一個重要功能是光合作用產(chǎn)氧。Unisense微電極測得的修復(fù)區(qū)沉積物表層DO濃度更高、氧化層更厚的數(shù)據(jù)，為“底棲藻類生長改善了沉積物氧化狀態(tài)”這一假說提供了最直接、最可靠的證據(jù)。它將生物學(xué)響應(yīng)（藻類生長）與地球化學(xué)結(jié)果（氧化環(huán)境形成）直接聯(lián)系起來。

合理解釋磷釋放減少的機(jī)制：沉積物磷釋放，尤其是與鐵結(jié)合的磷（BD-P）的釋放，高度依賴于氧化還原條件。在缺氧條件下，F(xiàn)e(III)被還原為可溶的Fe(II)，導(dǎo)致其吸附的磷釋放到孔隙水中。Unisense數(shù)據(jù)證實(shí)修復(fù)區(qū)沉積物表層是好氧環(huán)境，這有利于Fe以Fe(III)形態(tài)存在，從而增強(qiáng)了沉積物對磷的吸附固定能力。因此，DO微剖面數(shù)據(jù)從機(jī)制上解釋了為什么修復(fù)區(qū)沉積物的磷釋放潛力更低。

 

確證生物調(diào)控的長期穩(wěn)定性：形成的氧化層不僅是磷的“陷阱”，也抑制了厭氧微生物的活性，進(jìn)一步減少了通過厭氧過程（如硫酸鹽還原）導(dǎo)致的磷釋放。由Unisense電極驗(yàn)證的、更深的氧化層，意味著這個“保護(hù)層”更穩(wěn)定，從化學(xué)角度支持了生物調(diào)控措施可能具有長期效益的預(yù)期。

 

綜上所述，丹麥Unisense DO微電極在本研究中扮演了“機(jī)制探索者”的角色。它提供的高精度、原位氧氣微剖面，是將觀測到的現(xiàn)象（磷釋放減少）與背后的核心化學(xué)機(jī)制（氧化層加深）緊密聯(lián)系起來的決定性證據(jù)。沒有這項(xiàng)技術(shù)對沉積物微觀氧化還原結(jié)構(gòu)的精確刻畫，對生物調(diào)控固磷機(jī)理的解釋將停留在推測層面，缺乏堅(jiān)實(shí)的化學(xué)基礎(chǔ)。因此，它是深刻理解并最終確認(rèn)生態(tài)修復(fù)過程中關(guān)鍵生物地球化學(xué)機(jī)制不可或缺的工具。