Effects of temperature on phosphorus release in sediments of Hongfeng Lake, southwest China: an experimental study using diffusive gradients in thin-films (DGT) technique

利用薄膜擴散梯度(DGT)技術(shù)研究了溫度對紅楓湖沉積物磷釋放的影響

來源：Environ Earth Sci DOI 10.1007/s12665-015-4612-3

 

摘要內(nèi)容

該論文指出，磷是湖泊富營養(yǎng)化的主要驅(qū)動因素，而沉積物中的磷釋放是水體磷的重要來源。以往研究多關(guān)注大范圍理化參數(shù)的影響，但在自然湖泊中，除溫度外，其他參數(shù)相對穩(wěn)定。本研究通過模擬實驗，利用薄膜擴散梯度技術(shù)和高分辨率微電極，探究了溫度升高對紅楓湖沉積物中磷釋放的影響。結(jié)果表明，隨著溫度升高，沉積物中的活性磷濃度迅速增加，這主要歸因于NaOH-P向NH4Cl-P或溶解性活性磷的轉(zhuǎn)化。季節(jié)性溫度變化及其誘導(dǎo)的生物化學(xué)變化是影響沉積物磷釋放的重要因素。

研究目的

本研究旨在：

 

觀察溫度升高過程中，沉積物內(nèi)活性磷濃度的二維分布和變化。

 

研究沉積物-水界面理化參數(shù)和磷形態(tài)的同步變化，并探討控制紅楓湖沉積物磷釋放的機制。

 

研究思路

研究采用實驗室模擬與高分辨率原位測量相結(jié)合的策略：

 

樣品采集與模擬實驗：從紅楓湖出口區(qū)域采集沉積物柱芯，在光照培養(yǎng)箱中進行模擬實驗。設(shè)置三個溫度階段（8°C, 15°C, 22°C），每個階段持續(xù)7天，并維持上覆水厭氧條件。

高分辨率測量：

 

使用鋯氧化物薄膜擴散梯度技術(shù)原位獲取沉積物中活性磷的二維分布。

 

使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)現(xiàn)場測量沉積物剖面的溶解氧、硫化氫和pH值。

 

沉積物分析：實驗前后對表層沉積物進行磷形態(tài)分級提取，分析總磷及各形態(tài)磷的變化。

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義（注明數(shù)據(jù)來源）

 

溶解氧、硫化氫和pH微剖面：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：Unisense微電極測量顯示，在所有溫度條件下，溶解氧在沉積物表層7毫米內(nèi)被完全消耗。pH值接近中性，并隨深度略有下降。硫化氫在約8毫米深度被檢測到，其濃度隨溫度升高而顯著增加（22°C時最高達15.6 μM）。

研究意義：這些數(shù)據(jù)揭示了沉積物的氧化還原結(jié)構(gòu)。溶解氧的快速消耗證實了實驗維持了穩(wěn)定的還原環(huán)境。硫化氫濃度的增加直接證明了硫酸鹽還原菌的活性隨溫度升高而增強，這與其他微生物活動（如有機質(zhì)降解）的加強相關(guān)，共同驅(qū)動了磷的釋放。

 

數(shù)據(jù)來源：圖3展示了不同溫度下溶解氧、硫化氫和pH的垂直剖面。

 

活性磷的二維分布：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：DGT測量顯示，活性磷濃度隨沉積物深度增加而升高，并在溫度從8°C升至22°C時顯著增加（平均濃度從約0.400 mg/L升至約0.700 mg/L）。同時，在亞毫米尺度上觀察到顯著的空間異質(zhì)性。

研究意義：直接、原位地證實了溫度升高促進了沉積物中磷的釋放。高分辨率二維圖像揭示了磷釋放的熱點區(qū)域，表明該過程在微觀尺度上是不均勻的。

 

 

數(shù)據(jù)來源：圖4展示了一維和二維的活性磷垂直剖面；圖5展示了15°C時活性磷濃度的水平方向異質(zhì)性。

 

沉積物磷形態(tài)變化：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：磷分級提取顯示，NaOH-P是沉積物中主要的磷形態(tài)。實驗后，總磷平均減少236.9 mg/kg，其中NaOH-P的減少量最大（平均187.9 mg/kg，占總減少量的79.3%），而NH4Cl-P（易釋放磷）濃度顯著增加。

研究意義：闡明了溫度升高導(dǎo)致活性磷增加的來源和轉(zhuǎn)化路徑。NaOH-P（主要為鐵鋁結(jié)合磷和聚磷）的減少是驅(qū)動磷釋放的關(guān)鍵。

 

數(shù)據(jù)來源：圖6展示了實驗前后各磷形態(tài)的濃度變化。

 

結(jié)論

 

溫度升高顯著促進了紅楓湖沉積物中磷的釋放，表現(xiàn)為活性磷濃度的增加。

磷釋放主要源于NaOH-P向更易釋放的NH4Cl-P或孔隙水中的溶解性活性磷的轉(zhuǎn)化。

HCl-P（主要為鈣結(jié)合磷）的釋放也對活性磷濃度有貢獻，可能與微生物活動產(chǎn)生的酸性環(huán)境有關(guān)。

 

溫度誘導(dǎo)的微生物活性增強（如硫酸鹽還原）和相關(guān)的化學(xué)變化是驅(qū)動磷釋放的核心機制。

 

詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量出來的數(shù)據(jù)有什么研究意義

本研究中使用丹麥Unisense公司生產(chǎn)的微電極（包括溶解氧、硫化氫和pH微電極）進行了高分辨率測量，這些數(shù)據(jù)的研究意義至關(guān)重要：

 

提供毫米級分辨率的原位地球化學(xué)證據(jù)：Unisense微電極能夠以300微米的步長精確測量沉積物最表層的溶解氧、硫化氫和pH的垂直分布（圖3）。這種高空間分辨率避免了傳統(tǒng)采樣方法的擾動，直接“可視化”了沉積物-水界面的化學(xué)微環(huán)境。例如，數(shù)據(jù)顯示溶解氧在非常淺的深度（<7毫米）耗盡，這證實了實驗成功維持了厭氧條件，為磷的釋放創(chuàng)造了必要的氧化還原背景。

直接關(guān)聯(lián)微生物活動與磷釋放過程：Unisense電極測得的硫化氫剖面是本研究的關(guān)鍵證據(jù)之一。數(shù)據(jù)清晰地顯示，隨著溫度從8°C升至22°C，硫化氫的峰值濃度從6.1 μM顯著增加至15.6 μM（圖3）。硫化氫是硫酸鹽還原菌代謝的直接產(chǎn)物，其濃度的顯著升高強有力地證明了溫度升高增強了硫酸鹽還原菌的活性。這間接支持了溫度升高也促進了其他微生物（如負責(zé)有機質(zhì)降解和聚磷水解的菌群）的活性，從而共同驅(qū)動了NaOH-P的轉(zhuǎn)化和釋放。

支持磷釋放機制的推斷：溶解氧和pH的微剖面數(shù)據(jù)為理解磷釋放的化學(xué)環(huán)境提供了補充信息。穩(wěn)定的厭氧環(huán)境（低溶解氧）排除了氧化條件對磷固定的影響。略微酸化的pH趨勢（圖3）可能與有機質(zhì)降解和硫化物形成（如FeS沉淀會釋放H?）有關(guān)，這為HCl-P的釋放提供了可能的解釋。Unisense數(shù)據(jù)將這些化學(xué)參數(shù)的變化與觀測到的磷釋放動態(tài)聯(lián)系起來，為“溫度通過改變微生物活性和相關(guān)地球化學(xué)過程來驅(qū)動磷釋放”這一核心結(jié)論提供了堅實的、多參數(shù)的原位證據(jù)。

 

界定化學(xué)梯度和反應(yīng)熱點：高分辨率測量揭示了化學(xué)參數(shù)（如硫化氫）的梯度變化，有助于確定生物地球化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的深度范圍。例如，硫化氫濃度在約25毫米深度達到峰值，這可能指示了硫酸鹽還原最活躍的層位。

 

總之，Unisense微電極在本研究中扮演了“環(huán)境偵探”的角色。它提供的高分辨率、原位、多參數(shù)化學(xué)數(shù)據(jù)，不僅是描述環(huán)境狀態(tài)的工具，更是將物理驅(qū)動因子（溫度）與生物響應(yīng)（微生物活性）和最終的地球化學(xué)效應(yīng)（磷釋放）動態(tài)聯(lián)系起來的關(guān)鍵橋梁。沒有這些微電極數(shù)據(jù)，對溫度影響機制的理解將停留在宏觀通量變化層面，而無法深入到控制這些變化的微觀過程和化學(xué)機理，從而極大地增強了本研究結(jié)論的可靠性和深度。