Stimulation of high-concentration dissolved nitrogen and reactive phosphorus in Lake Taihu sediments on the initiation and maintenance of cyanobacterial blooms  

太湖沉積物中高濃度溶解氮和活性磷對藍藻水華起始和維持的刺激作用  

來源：Science of the Total Environment 851 (2022) 158088

《總體環(huán)境科學》第851卷 2022年 文章編號 158088

 

 

摘要內(nèi)容

摘要指出，通過高分辨率采樣技術(shù)（HR-Peeper）研究太湖梅梁灣沉積物中溶解無機氮（DIN: NH?-N, NO?-N, NO?-N）和溶解性活性磷（DRP）的時空變化及其對藍藻水華的影響。關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)包括：  

四月（水華起始期）：深層缺氧沉積物（>110 mm）出現(xiàn)高濃度NO?-N和NO?-N，可能由地下水輸入引起。這些氮形態(tài)促進厭氧條件下有機磷礦化，導(dǎo)致沉積物DRP升高，進而刺激五月藍藻水華爆發(fā)（因水體DRP極低）。  

 

六月至八月（水華維持期）：表層沉積物出現(xiàn)高濃度NO?-N、NO?-N和DRP，源于藍藻殘體礦化釋放的NH?-N經(jīng)古菌氨氧化轉(zhuǎn)化。此過程在九月氮磷共限制期維持藍藻水華。  

 

研究目的

探究沉積物中DIN和DRP的時空動態(tài)如何通過影響營養(yǎng)鹽循環(huán)，驅(qū)動太湖藍藻水華的起始（四月）和維持（六月至八月）。  

 

研究思路

采樣設(shè)計：在梅梁灣每月采集沉積物柱芯（2018年11月–2019年10月），使用HR-Peeper獲取孔隙水（分辨率5 mm）的DIN和DRP數(shù)據(jù)。  

 

輔助分析：  

 

測定水體葉綠素a（Chl a）、DO、溫度等參數(shù)（圖1）。  

 

分析表層沉積物TN、TP、TOC（圖2）。  

 

結(jié)合孔隙水UV254和熒光光譜（圖5）表征有機物來源。  

 

通過16S rRNA測序分析微生物群落功能（圖6）。  

 

機制解析：關(guān)聯(lián)沉積物營養(yǎng)鹽動態(tài)與水華關(guān)鍵期（四月起始、六月至八月維持）的因果關(guān)系。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

沉積物孔隙水DIN和DRP（圖3）：  

 

數(shù)據(jù)：NH?-N、NO?-N、NO?-N、DRP的垂直分布（0至-200 mm）。  

 

意義：揭示氮磷在沉積物-水界面的遷移規(guī)律，明確高濃度營養(yǎng)鹽出現(xiàn)的時空位置（如四月深層高NO?-N、六月至八月表層高NO?-N/NO?-N）。  

水體理化參數(shù)（圖1）：  

 

數(shù)據(jù)：Chl a、TP、TN、NH??-N、NO??-N、DRP、pH、DO、溫度。  

 

意義：界定藍藻水華周期（五月爆發(fā)、九月復(fù)發(fā)），分析水體營養(yǎng)鹽限制狀態(tài)（五月后TN/TP驟降，轉(zhuǎn)為氮磷共限制）。  

表層沉積物性質(zhì)（圖2）：  

 

數(shù)據(jù)：TOC、TN、TP的月變化。  

 

意義：反映有機質(zhì)礦化強度（如四月TN/TP驟降指示礦化加速）。  

孔隙水有機物特征（圖5）：  

 

數(shù)據(jù)：UV254吸光度、熒光組分（色氨酸/酪氨酸類物質(zhì)）。  

 

意義：驗證藍藻殘體礦化貢獻（六月高UV254和色氨酸信號）。  

微生物群落功能（圖6）：  

 

數(shù)據(jù)：古菌和細菌氨氧化菌相對豐度。  

 

意義：解釋六月表層高NO?-N的成因（古菌主導(dǎo)氨氧化）。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的意義

 

通過Unisense微電極測定沉積物溶解氧（DO）滲透深度（<5 mm），證明：  

四月深層沉積物（>110 mm）的高NO?-N非本地生化反應(yīng)產(chǎn)生（因缺氧環(huán)境抑制硝化），支持"地下水輸入"假說。  

 

六月表層高NH??需依賴古菌氨氧化轉(zhuǎn)化為NO?-N（因DO滲透淺層，僅表層具備硝化條件）。  

 

結(jié)論

四月：地下水輸入NO?-N促進沉積物有機磷礦化，釋放DRP至水體，緩解磷限制并觸發(fā)五月藍藻水華。  

 

六月至八月：藍藻殘體礦化釋放NH??，經(jīng)古菌氨氧化轉(zhuǎn)化為NO?-N，與DRP共同維持表層沉積物高營養(yǎng)鹽水平，支撐九月水華復(fù)發(fā)。  

 

機制貢獻：沉積物內(nèi)部營養(yǎng)鹽動態(tài)通過"地下水輸入"和"藍藻殘體再生"兩條路徑，形成對水華起始和維持的正反饋循環(huán)。