The role of humic substances in sediment phosphorus release in northern lakes  

腐殖質在北方湖泊沉積物磷釋放中的作用  

來源：Science of the Total Environment, Volume 833, 2022, Article 155257  

《環境科學與技術》，第833卷，2022年，文章編號155257  

 

摘要內容：  

該研究探討了北方有色湖泊中溶解有機碳（DOC）對沉積物磷（P）釋放的影響。通過實驗和數據分析，發現腐殖質（主要成分為腐殖酸和富里酸）會抑制沉積物中鐵結合磷（Fe-P）的釋放。這一機制主要通過腐殖質與鐵形成復合物，阻礙磷的溶解擴散實現。研究還指出，隨著湖泊“褐變”（browning）加劇，內部磷負荷可能因腐殖質的抑制作用而降低，但實際生態效應受多種因素調控。  

 

研究目的：  

闡明腐殖質在北方湖泊沉積物磷釋放中的作用機制，評估其對湖泊內部磷負荷和初級生產力的潛在影響。  

 

研究思路：  

實驗分析：選取4個不同水色（腐殖質濃度梯度）的芬蘭湖泊，測量沉積物孔隙水可溶性活性磷（SRP）、溶解鐵（DFe）、氧化還原電位、沉積物磷形態（Fe-P、Ca-P、有機磷等）及有機質含量（LOI），計算磷擴散通量（DF）。  

 

擴展驗證：整合更大范圍的北方湖泊（芬蘭監測數據及文獻數據），分析溶解有機碳（DOC）、水色度、沉積物總磷（TPsed）、LOI與沉積物磷釋放速率（RR）的關系。  

 

模型驗證：應用Nürnberg (1988)模型（RR_pred = 4.78 + 2.75  TP_sed - 0.177  LOI）預測磷釋放率，并與實測值對比。  

 

測量數據及意義（數據來源標注）：  

氧化還原電位（使用丹麥Unisense RD100微電極測量）：  

 

數據來源：方法章節（2.2節）及結果（3.1節）提及，圖示見SM Fig.1。  

 

研究意義：定量表征沉積物-水界面的氧化狀態（>200 mV表示氧化條件，<200 mV表示還原條件），是判斷Fe-P是否能釋放的關鍵指標（還原條件下Fe3?還原為Fe2?導致結合P溶解）。  

 

具體發現：深水區（Enonselka, Kymij?rvi）沉積物表面電位低（缺氧），孔隙水SRP和DFe濃度高；淺水富腐殖質湖（Matj?rvi, Kuttaj?rvi）沉積物表面維持高電位（富氧），DF為負值（沉積物吸附磷）。  

孔隙水SRP和DFe濃度（Rhizon采樣器獲取）：  

 

數據來源：方法章節（2.2節），結果（3.1節）及圖示見SM Fig.2。  

 

研究意義：直接反映沉積物中可釋放磷和協同遷移鐵的動態，是計算擴散通量(DF)的基礎。  

 

具體發現：SRP與DFe顯著正相關（r=0.534, p<0.001），支持Fe-P還原釋放機制；深水缺氧區濃度高于淺水富氧區。  

沉積物磷形態（Fe-P, Ca-P, IP, OP）及LOI：  

 

數據來源：方法（2.2節），數據匯總于表2（Table 2）。  

 

研究意義：揭示沉積物中磷的結合形態和有機質含量，用于解釋磷釋放潛力及構建預測模型。  

 

具體發現：Fe-P濃度和占比隨采樣點水深增加而顯著增加；富腐殖質湖（高DOC）Fe-P濃度較低；LOI與Fe-P/Ca-P比值正相關；OP占比與水深負相關。  

磷擴散通量(DF)：  

 

數據來源：通過Fick定律計算，結果匯總于表2（Table 2）。  

 

研究意義：實驗測定的磷釋放速率。  

 

具體發現：Enonselka最高(7.83±2.85 mg/m2/d)，Kymij?rvi次之(2.77±3.17 mg/m2/d)，富腐殖質湖Matj?rvi和Kuttaj?rvi為負值(-0.24±0.01, -0.11±0.01 mg/m2/d)。  

大尺度數據集（DOC, 水色度, TP, Chl a, TP_sed, LOI, RR）：  

 

數據來源：方法（2.4節），數據見SM Table 2。  

 

研究意義：驗證腐殖質（以DOC和水色度表征）對磷釋放速率（RR）的影響在更廣泛湖泊中是否成立。  

 

具體發現：DOC與水色度強正相關（r=0.852）；DOC與RR顯著負相關（r=-0.372）；LOI與RR顯著負相關（r=-0.714）；TP_sed與RR顯著正相關（r=0.479）。  

 

結論：  

經典機制確認：孔隙水SRP與DFe顯著正相關，Fe-P對擴散通量(DF)有顯著正向作用，支持了沉積物磷釋放的氧化還原依賴機制（Fe-P還原釋放）。  

 

腐殖質的抑制作用：高DOC（腐殖質豐富）的湖泊（Matj?rvi, Kuttaj?rvi）沉積物Fe-P含量低且DF為負值；大尺度分析顯示DOC和LOI均與RR顯著負相關。腐殖質通過與Fe3?-磷酸鹽形成穩定復合物，抑制了Fe-P的釋放。  

 

預測模型：多變量逐步回歸分析選擇TP_sed（正向）和LOI（負向）作為RR的最佳預測因子（RR_pred = 5.76 * (1.28^TP_sed) / (1.03^LOI) - 1），與Nürnberg (1988)模型一致，但模型預測值(RR_pred)普遍高于觀測值。  

 

生態意義復雜性：腐殖質抑制磷釋放可能降低內部磷負荷及初級生產力，但實際影響復雜。高DOC常伴隨高TP和Chl a（“混濁湖泊”現象），表明初級生產力還受營養輸入、光照條件、浮游植物群落適應等多種因素調控。氣候變化（如變暖、降水模式改變）通過影響DOC輸入、熱分層和缺氧程度，使內部磷負荷對褐變的響應存在不確定性。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細研究意義：  

高分辨率氧化狀態監測：Unisense RD100微電極可在毫米尺度上（1mm步長）精確測量沉積物表層（0-3 cm）的氧化還原電位（Eh），并將其轉換為標準氫電極電位（20°C）。這種高分辨率空間數據是理解沉積物微環境化學梯度的關鍵。  

 

界定磷釋放的臨界閾值：測量結果（SM Fig.1）清晰顯示，在淺水富腐殖質湖（Matj?rvi, Kuttaj?rvi），沉積物-水界面Eh遠高于Fe-P釋放的臨界值（約200 mV），表明氧化條件占主導，抑制了Fe3?的還原和磷的釋放。而在深水缺氧湖（Enonselka, Kymij?rvi），沉積物表層Eh顯著降低（低于或接近200 mV），創造了有利于Fe-P還原溶解的條件。  

 

解釋孔隙水化學與擴散通量：Eh數據與孔隙水SRP/DFe濃度（SM Fig.2）和計算的擴散通量(DF)（表2）高度吻合。低Eh對應高SRP/DFe濃度和高DF值（如Enonselka站點2,3），高Eh對應低濃度和負DF（富腐殖質湖）。這直接證明了氧化還原狀態是控制Fe-P釋放及后續磷向上覆水擴散的核心物理化學開關。  

 

評估管理措施效果：在受人工增氧處理的深水站點（如Enonselka站點1），Eh測量有助于評估增氧對維持沉積物表面氧化狀態、從而抑制磷釋放的實際效果（盡管該研究指出增氧也可能通過促進有機質沉降增加長期Fe-P積累）。  

 

總之，Unisense電極提供的高精度、高空間分辨率氧化還原電位數據，是實證沉積物磷釋放的氧化還原依賴機制、量化腐殖質抑制效應（通過維持高Eh）、以及理解不同湖泊/區域磷釋放差異性的不可或缺的直接證據。