Effects of seasonal hypoxia on the release of phosphorus from sediments in deep-water ecosystem: A case study in Hongfeng Reservoir, Southwest China

季節(jié)性缺氧對(duì)深水生態(tài)系統(tǒng)沉積物磷釋放的影響&以西南洪峰水庫為例

來源：Environmental Pollution 219 (2016) 858-865

 

論文總結(jié)

一、論文摘要

本研究利用薄膜擴(kuò)散梯度技術(shù)（DGT）和微電極技術(shù)，在中國西南典型的深水生態(tài)系統(tǒng)——紅楓水庫中，仔細(xì)研究了缺氧及其對(duì)沉積物中磷釋放的影響。摘要指出，缺氧顯著促進(jìn)了沉積物中磷的釋放，并且在缺氧條件下釋放的磷主要來源于BD-P（可還原態(tài)磷，主要與鐵氧化物結(jié)合）。結(jié)合DGT和微電極提供的原位高分辨率證據(jù)，研究推測(cè)缺氧條件下沉積物中磷的釋放是與“P-Fe-S”耦合循環(huán)相關(guān)的聯(lián)合過程。本研究證據(jù)表明，在富營養(yǎng)化的深水水庫中，尤其是在外源磷負(fù)荷減少后，由缺氧引起的內(nèi)部磷負(fù)荷應(yīng)得到更多關(guān)注。

 

二、研究目的

本研究旨在：

探究缺氧對(duì)磷釋放的影響：在受磷污染嚴(yán)重、存在季節(jié)性缺氧的深水水庫（紅楓水庫）中，明確缺氧對(duì)沉積物中磷釋放的促進(jìn)作用。

闡明磷釋放的機(jī)制：利用高分辨率原位技術(shù)（DGT和微電極），深入揭示沉積物-水界面（SWI）磷釋放的微觀地球化學(xué)過程，特別是其與鐵、硫循環(huán)的耦合關(guān)系。

 

評(píng)估內(nèi)部磷負(fù)荷的重要性：強(qiáng)調(diào)在外部磷輸入得到控制后，由季節(jié)性缺氧引發(fā)的沉積物內(nèi)源磷釋放對(duì)水體富營養(yǎng)化的持續(xù)影響，為水庫管理提供科學(xué)依據(jù)。

 

三、研究思路

研究采用野外調(diào)查與室內(nèi)受控實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的系統(tǒng)思路：

 

野外采樣與監(jiān)測(cè)：

 

于2014年在紅楓水庫選擇北中部（NC）、南中部（SC）和后五（HW）三個(gè)具有代表性的深水點(diǎn)位（圖1）進(jìn)行采樣。

 

監(jiān)測(cè)水體垂直剖面：測(cè)量水溫、溶解氧（DO）、總磷（TP）的時(shí)空變化（圖2, 3, 4），以確定熱分層、缺氧發(fā)生的位置和程度以及底層水磷的分布特征。

 

 

 

采集沉積物柱狀樣，用于后續(xù)分析。

 

高分辨率原位測(cè)量：

 

使用 Zr-氧化物DGT技術(shù) 獲取沉積物-水界面處活性磷（DGT-labile P） 的二維高分辨率（亞毫米級(jí)）分布圖（圖5, 7），直觀顯示磷釋放的“熱點(diǎn)”區(qū)域和強(qiáng)度。

 

 

使用 丹麥Unisense微電極系統(tǒng) 測(cè)量沉積物孔隙水中溶解氧（O?）、硫化氫（H?S）和pH 的垂直微剖面（分辨率300 μm）（圖6），精確刻畫氧化還原梯度。

 

室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)：

 

在實(shí)驗(yàn)室控制溫度（20±1°C）和溶解氧條件（缺氧：DO < 1 mg/L；中氧：DO ≈ 4-6 mg/L；高氧：DO > 9 mg/L），進(jìn)行沉積物-水系統(tǒng)的磷釋放模擬實(shí)驗(yàn)，并利用DGT測(cè)量不同DO條件下的活性磷（表3），分離溫度與DO的效應(yīng)。

 

沉積物樣品室內(nèi)分析：

 

對(duì)沉積物樣品進(jìn)行磷形態(tài)連續(xù)提取（NH?Cl-P, BD-P, NaOH-P, HCl-P, Residual-P），分析其季節(jié)變化（表2）。

 

分析沉積物的基本性質(zhì)，如總有機(jī)碳（TOC）、總氮（TN）、Fe、Al、Mn含量等（表1）。

 

 

四、測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義（注明來源）

本研究測(cè)量了多類數(shù)據(jù)，其來源和意義如下：

 

水體理化參數(shù)垂直剖面（來自圖2, 3, 4）：

 

數(shù)據(jù)：圖2, 3顯示，夏季（4-9月）紅楓水庫存在明顯熱分層（溫躍層約8米深）和氧分層，底層水（>12米）DO濃度接近0 mg/L，形成季節(jié)性缺氧。圖4顯示，底層水TP濃度在SWI附近急劇升高，表明沉積物是底層水磷的重要來源。

 

研究意義：這些數(shù)據(jù)直接證實(shí)了紅楓水庫夏季存在嚴(yán)重的季節(jié)性缺氧現(xiàn)象，并為沉積物磷釋放提供了宏觀的環(huán)境背景。TP在底部的富集將研究焦點(diǎn)引向沉積物-水界面的交換過程。

 

沉積物活性磷高分辨率分布（來自圖5, 7）：

 

數(shù)據(jù)：圖5顯示，夏季沉積物表層（0-5 cm）的DGT活性磷濃度顯著高于冬季，并且在SWI附近存在高度的空間異質(zhì)性。圖7的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明，在缺氧條件下（DO < 1 mg/L），上覆水中的活性磷濃度（~0.15 mg/L）遠(yuǎn)高于中氧和高氧條件。

 

研究意義：DGT數(shù)據(jù)提供了原位、高分辨率的直接證據(jù)，表明缺氧確實(shí)極大地促進(jìn)了沉積物中活性磷的向上覆水釋放。夏季的高濃度和空間異質(zhì)性可能與局部的微生物活動(dòng)（如鐵還原）和化學(xué)條件（如硫化物產(chǎn)生）的微環(huán)境差異有關(guān)。

 

沉積物孔隙水微環(huán)境參數(shù)（來自圖6，由Unisense微電極測(cè)量）：

 

數(shù)據(jù)：O?在SWI之下極薄層內(nèi)（< 4 mm）即被耗盡，夏季的O?滲透深度（約1.3 mm）淺于冬季（約3.2 mm）。H?S在夏季的沉積物中更早出現(xiàn)（約4 mm深度）且濃度更高（NC點(diǎn)最高達(dá)4.62 mg/L），表明夏季硫酸鹽還原作用更強(qiáng)烈。pH值在表層略有下降。

 

研究意義：這些毫米/亞毫米級(jí)的微剖面數(shù)據(jù)精確揭示了驅(qū)動(dòng)磷釋放的氧化還原微環(huán)境。O?的快速消耗標(biāo)志著厭氧過程的開始，而H?S的積累則與鐵硫化物的形成密切相關(guān)，這為解釋BD-P的釋放提供了關(guān)鍵線索。

 

沉積物磷形態(tài)季節(jié)性變化（來自表2）：

 

數(shù)據(jù)：夏季沉積物中的總磷（TP）和BD-P含量均低于冬季。BD-P的減少量占TP減少量的65.8%，是夏季磷減少的主要貢獻(xiàn)者。其他形態(tài)的磷（如NaOH-P, HCl-P）季節(jié)差異不顯著。

 

研究意義：該數(shù)據(jù)直接證實(shí)了在季節(jié)性缺氧期間，BD-P（鐵結(jié)合磷）是從沉積物中釋放出來的主要磷形態(tài)。這支持了“鐵氧化物還原溶解是缺氧條件下磷釋放主導(dǎo)機(jī)制”的經(jīng)典理論。

 

五、研究結(jié)論

本研究主要結(jié)論如下：

 

缺氧顯著促進(jìn)內(nèi)源磷釋放：紅楓水庫夏季的季節(jié)性缺氧顯著增強(qiáng)了沉積物中磷向水體的釋放，DGT活性磷濃度和上覆水磷含量在缺氧條件下均明顯升高。

BD-P是主要釋放源：磷形態(tài)分析表明，夏季從沉積物中釋放的磷主要來源于BD-P（鐵結(jié)合磷）的減少。

“P-Fe-S”耦合循環(huán)機(jī)制：微電極測(cè)量的O?耗盡和H?S積累，結(jié)合BD-P的釋放，表明磷的釋放過程與鐵、硫的循環(huán)緊密耦合。缺氧導(dǎo)致鐵氧化物被還原溶解（釋放BD-P），同時(shí)產(chǎn)生的Fe2?與硫酸鹽還原產(chǎn)生的H?S反應(yīng)生成鐵硫化物，此過程可能進(jìn)一步促進(jìn)磷的釋放。

DO是關(guān)鍵控制因子：室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，在溫度恒定的情況下，DO水平是控制磷釋放的決定性因素，缺氧條件（DO < 1 mg/L）下的磷釋放通量遠(yuǎn)高于氧化條件。

 

管理啟示：對(duì)于中國西南地區(qū)的深水富營養(yǎng)化水庫，在有效控制外源磷輸入后，必須高度重視由季節(jié)性缺氧引發(fā)的沉積物內(nèi)源磷釋放問題，以防其對(duì)水生態(tài)恢復(fù)產(chǎn)生持續(xù)負(fù)面影響。

 

六、丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義（詳細(xì)解讀）

本研究使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)測(cè)量的O?、H?S和pH微剖面數(shù)據(jù)（圖6）具有至關(guān)重要的研究意義：

 

精準(zhǔn)界定氧化還原過渡帶：Unisense電極的亞毫米級(jí)空間分辨率（300 μm）使得能夠精確測(cè)定溶解氧的滲透深度（OPD）。數(shù)據(jù)顯示OPD在夏季僅約1.3 mm，遠(yuǎn)淺于冬季（3.2 mm）。這個(gè)精確的OPD數(shù)據(jù)是理解早期成巖序列起點(diǎn)的關(guān)鍵，它清晰地劃定了好氧過程和厭氧過程（如鐵還原、硫酸鹽還原）的空間分界線。淺的OPD意味著更厚的沉積物層卷入了強(qiáng)烈的厭氧反應(yīng)，為磷釋放創(chuàng)造了更廣闊的空間。

直接關(guān)聯(lián)硫、鐵循環(huán)與磷釋放：H?S微剖面的測(cè)量至關(guān)重要。夏季H?S出現(xiàn)更早、濃度更高，直接證實(shí)了強(qiáng)烈的硫酸鹽還原活動(dòng)。H?S的存在有兩個(gè)重要作用：(1) 它能通過化學(xué)還原作用促進(jìn)鐵（氫）氧化物的溶解，間接釋放其結(jié)合的磷（BD-P）；(2) 它能與孔隙水中的Fe2?反應(yīng)生成不溶的FeS，從而移除了孔隙水中的Fe2?。這種Fe2?的清除作用可能破壞了磷在氧化層再吸附的“鐵門”機(jī)制，使得從深層釋放的磷能更順利地進(jìn)入上覆水。Unisense數(shù)據(jù)將H?S的生成與BD-P的減少在空間和時(shí)間上聯(lián)系起來，為“P-Fe-S”耦合機(jī)制提供了直接的、原位的地球化學(xué)證據(jù)。

揭示季節(jié)動(dòng)態(tài)的微觀驅(qū)動(dòng)因素：通過對(duì)比夏、冬季的O?和H?S剖面，Unisense數(shù)據(jù)清晰地展示了氧化還原條件的季節(jié)性劇烈變化。夏季更薄的有氧層和更強(qiáng)的還原條件（更高的H?S），從微觀尺度解釋了為何夏季磷釋放通量遠(yuǎn)高于冬季。這種高分辨率的時(shí)間序列對(duì)比，將宏觀的生態(tài)現(xiàn)象（季節(jié)性缺氧和磷釋放）與微觀的界面地球化學(xué)過程直接鏈接。

為模型提供關(guān)鍵參數(shù)和驗(yàn)證：O?和H?S的擴(kuò)散-反應(yīng)模型是早期成巖模型的核心。Unisense提供的精確濃度梯度數(shù)據(jù)可以作為模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證的黃金標(biāo)準(zhǔn)。例如，O?消耗的陡峭梯度和H?S的峰值深度和形態(tài)，可以用來精確反演有機(jī)質(zhì)礦化速率、硫酸鹽還原速率等關(guān)鍵參數(shù)，從而提升模型預(yù)測(cè)磷釋放能力的可靠性。

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)凸顯原位測(cè)量的重要性：與傳統(tǒng)分層取樣相比，Unisense電極的原位、實(shí)時(shí)、無損測(cè)量最大限度地避免了對(duì)脆弱沉積物-水界面微環(huán)境的擾動(dòng)，以及樣品取出后可能發(fā)生的氧化（對(duì)O?）或揮發(fā)（對(duì)H?S），獲得了更真實(shí)反映原位條件的、無可替代的氧化還原參數(shù)。

 

總之，丹麥Unisense電極獲得的高分辨率化學(xué)微剖面數(shù)據(jù)，不僅是證明缺氧存在的“溫度計(jì)”，更是解讀沉積物中磷釋放機(jī)制及其與硫、鐵循環(huán)耦合關(guān)系的“解碼器”。它將宏觀的磷釋放通量與微觀的氧化還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)聯(lián)系起來，極大地增強(qiáng)了對(duì)深水水庫內(nèi)源磷負(fù)荷形成機(jī)制的理解，為預(yù)測(cè)和管理水體富營養(yǎng)化提供了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。