From macrophyte to algae: Differentiated dominant processes for internal phosphorus release induced by suspended particulate matter deposition  

從大型植物到藻類(lèi)：懸浮顆粒物沉降誘導(dǎo)的內(nèi)源磷釋放的差異化主導(dǎo)過(guò)程  

來(lái)源：Water Research, Volume 224, 2022, Article Number 119067  

《水研究》，第224卷，2022年，文章編號(hào)119067  

 

摘要內(nèi)容：  

摘要指出富營(yíng)養(yǎng)化導(dǎo)致淺水湖泊從大型植物主導(dǎo)的清水狀態(tài)向藻類(lèi)主導(dǎo)的濁水狀態(tài)轉(zhuǎn)變。磷（P）是這一轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵元素，通常富集于懸浮顆粒物（SPM）中。本研究通過(guò)太湖藻類(lèi)主導(dǎo)區(qū)（ADA）和大型植物主導(dǎo)區(qū)（MDA）的月度野外觀測(cè)，揭示SPM沉降對(duì)沉積物-水界面（SWI）磷釋放的影響。結(jié)果表明：1）夏季和秋季藻類(lèi)與大型植物源SPM均導(dǎo)致SWI缺氧；2）氧化還原敏感磷（Fe-P）和有機(jī)磷（Org-P）是兩區(qū)域主要的活性磷形態(tài)；3）ADA中P釋放受Fe-P和Org-P溶解的耦合過(guò)程控制，而MDA主要受鐵-硫-磷耦合循環(huán)驅(qū)動(dòng)的Fe-P溶解過(guò)程主導(dǎo)。研究證實(shí)，隨著湖泊從大型植物向藻類(lèi)主導(dǎo)狀態(tài)轉(zhuǎn)變，內(nèi)源磷釋放的主導(dǎo)過(guò)程從Fe-P溶解逐漸轉(zhuǎn)向Fe-P與Org-P的耦合過(guò)程。

 

研究目的：  

揭示ADA和MDA區(qū)域SPM沉降誘導(dǎo)的內(nèi)源磷釋放主導(dǎo)過(guò)程的差異。  

 

闡明藻類(lèi)和大型植物源SPM對(duì)沉積物磷形態(tài)轉(zhuǎn)化及釋放通量的影響機(jī)制。  

 

探究湖泊狀態(tài)轉(zhuǎn)變（大型植物→藻類(lèi)主導(dǎo)）過(guò)程中內(nèi)源磷釋放路徑的演化規(guī)律。

 

研究思路：  

區(qū)域選擇與采樣設(shè)計(jì)：在太湖ADA（T1站點(diǎn)）和MDA（T2、T3站點(diǎn)）進(jìn)行月度采樣（2018年5月–2019年4月），同步采集水體、沉積物柱狀樣及沉降SPM（圖1）。  

 

關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量：  

 

SPM特性：沉降速率、總有機(jī)碳（TOC）、磷形態(tài)（Ex-P、Fe-P、Org-P等）、金屬元素（Fe、Al、Ca）（圖2）。  

 

沉積物特性：TOC、磷形態(tài)、還原性無(wú)機(jī)硫（AVS、CRS）、金屬元素（圖3）。  

 

界面過(guò)程：使用丹麥Unisense微剖面系統(tǒng)測(cè)定SWI氧滲透深度（OPD）和攝氧率（OUR）（圖4）；微型滲析裝置測(cè)定孔隙水SRP和Fe(II)濃度（圖5-6）；計(jì)算SRP和Fe(II)擴(kuò)散通量（圖7）。  

 

 

 

 

統(tǒng)計(jì)分析：通過(guò)相關(guān)性分析（如SPM與沉積物Fe/P關(guān)聯(lián)性）和ANOVA檢驗(yàn)區(qū)域間差異顯著性。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義：  

SPM沉降速率與TOC：  

 

ADA（T1）沉降速率夏季峰值（978.8 g dw m?2 d?1）與藻華強(qiáng)度正相關(guān)（r=0.580），證實(shí)藻類(lèi)聚集加速SPM沉積。  

 

MDA（T2/T3）春季/冬季峰值對(duì)應(yīng)大型植物枯萎，揭示植物凋落物對(duì)SPM貢獻(xiàn)。  

 

意義：量化生物源SPM輸入時(shí)序差異，為界面耗氧過(guò)程提供物質(zhì)基礎(chǔ)解釋。  

SPM與沉積物磷形態(tài)（圖2、3）：  

 

ADA中SPM的Org-P夏季顯著升高（489.2 mg kg?1），沉積物表層Org-P同步增加（150.8 mg kg?1），與藻華程度一致。  

 

MDA中SPM的Ca-P占比高于ADA，反映大型植物鈣質(zhì)外殼的磷共沉淀作用。  

 

意義：證實(shí)藻源SPM輸入提升沉積物Org-P活性，而植物源SPM增強(qiáng)Ca-P埋藏。  

界面氧動(dòng)力學(xué)（圖4）：  

 

Unisense電極測(cè)定顯示ADA夏季OPD降至0 mm（8月），OUR顯著上升，與葉綠素a負(fù)相關(guān)（r=-0.346）。  

 

MDA夏季出現(xiàn)負(fù)OUR值，反映大型植物根系泌氧作用。  

 

意義：直接表征藻類(lèi)沉降導(dǎo)致SWI強(qiáng)缺氧環(huán)境，為Fe-P溶解創(chuàng)造條件；植物區(qū)氧動(dòng)態(tài)受光合作用調(diào)控。  

孔隙水化學(xué)與通量（圖5-7）：  

 

ADA夏季孔隙水SRP與Fe(II)濃度高但無(wú)顯著相關(guān)性，SRP通量峰值達(dá)16.79 mg m?2 d?1。  

 

MDA中Fe(II)與SRP通量顯著正相關(guān)（p<0.01），F(xiàn)e(II)通量高達(dá)1097.24 mg m?2 d?1。  

 

意義：ADA中SRP釋放受Fe-P和Org-P溶解共同驅(qū)動(dòng)；MDA中Fe-P溶解主導(dǎo)且受硫循環(huán)調(diào)控（高AVS/CRS促進(jìn)FeS形成，抑制Fe-P再吸附）。  

 

結(jié)論：  

主導(dǎo)過(guò)程分化：MDA內(nèi)源磷釋放由鐵-硫-磷耦合循環(huán)驅(qū)動(dòng)的Fe-P溶解主導(dǎo)（傳統(tǒng)路徑）；ADA轉(zhuǎn)變?yōu)镕e-P與Org-P溶解的耦合過(guò)程，且Org-P貢獻(xiàn)隨藻華惡化增強(qiáng)（圖8）。  

 

狀態(tài)轉(zhuǎn)變影響：湖泊從大型植物向藻類(lèi)主導(dǎo)狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，內(nèi)源磷釋放路徑從Fe-P單控轉(zhuǎn)向Fe-P與Org-P雙控。  

 

管理啟示：ADA需同步控制Org-P礦化（如藻類(lèi)打撈）和Fe-P釋放（增氧）；MDA應(yīng)關(guān)注硫循環(huán)對(duì)Fe-P溶解的放大效應(yīng)。  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義：  

在"2.2. Profile analysis and calculation"中，使用Unisense微剖面系統(tǒng)（丹麥）原位測(cè)定沉積物-水界面的氧（O?）剖面：  

氧滲透深度（OPD）：直接量化SWI氧化層厚度（如T1站點(diǎn)8月OPD=0 mm），揭示藻類(lèi)沉降導(dǎo)致界面完全缺氧（圖4）。此為Fe-P溶解的關(guān)鍵前提，解釋ADA夏季高SRP通量（圖7）。  

 

攝氧率（OUR）：通過(guò)Fick第二定律計(jì)算耗氧速率（如T1夏季OUR顯著升高），反映藻源有機(jī)物降解強(qiáng)度（圖4）。結(jié)合TOC數(shù)據(jù)，證實(shí)礦化耗氧驅(qū)動(dòng)還原環(huán)境形成。  

 

機(jī)制關(guān)聯(lián)證據(jù)：OPD與葉綠素a顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.346），建立藻華強(qiáng)度→界面缺氧→磷釋放的定量關(guān)系（圖4），為狀態(tài)轉(zhuǎn)變理論提供原位證據(jù)。  

 

綜上，Unisense數(shù)據(jù)是揭示生物源SPM輸入如何通過(guò)耗氧作用改寫(xiě)界面磷循環(huán)的核心證據(jù)，其高分辨率剖面技術(shù)為差異化過(guò)程機(jī)制提供不可替代的實(shí)證支撐。