Sediment Phosphorus Release in Boreal Lakes: The Role of Trophic State and Humic Substances  

北方湖泊沉積物磷釋放：營養(yǎng)狀態(tài)和腐殖質(zhì)的作用  

來源：Research Square

《研究廣場》，本文章尚未正式發(fā)表于期刊

 

摘要內(nèi)容

 

摘要探討了高營養(yǎng)狀態(tài)湖泊中沉積物磷（P）釋放的空間變化，重點(diǎn)關(guān)注腐殖質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)：  

1. 芬蘭四個(gè)湖泊的沉積物磷釋放速率（RR）主要受營養(yǎng)狀態(tài)和水體混合狀態(tài)影響；  

2. 磷擴(kuò)散通量與沉積物中鐵結(jié)合態(tài)磷（Fe-P）正相關(guān)，與有機(jī)磷（OP）負(fù)相關(guān)；  

3. 全球數(shù)據(jù)分析證實(shí)腐殖質(zhì)在內(nèi)部磷循環(huán)中的重要性：貧營養(yǎng)湖中溶解性有機(jī)碳（DOC）與RR正相關(guān)，而較高營養(yǎng)狀態(tài)湖泊中呈負(fù)相關(guān)；  

4. 在多重壓力（如氣候變化、富營養(yǎng)化）下，腐殖質(zhì)變化對湖泊內(nèi)部磷負(fù)荷的影響具有不確定性。  

 

研究目的

 

1. 驗(yàn)證鐵結(jié)合態(tài)磷（Fe-P）能否解釋高人類活動(dòng)影響流域湖泊的磷釋放速率；  

2. 探究有機(jī)物質(zhì)（如腐殖質(zhì)）對沉積物磷動(dòng)態(tài)的影響。  

 

研究思路

 

1. 芬蘭四湖研究：  

   ? 采集四個(gè)芬蘭湖泊（Matj?rvi, Kutaj?rvi, Enonselk?, Kymij?rvi）的沉積物，分析孔隙水磷/鐵濃度、沉積物有機(jī)質(zhì)（LOI）、磷形態(tài)組成，計(jì)算擴(kuò)散通量（DF）；  

 

   ? 通過線性回歸分析擴(kuò)散通量與磷形態(tài)的關(guān)系，并驗(yàn)證Nürnberg (1988)預(yù)測模型（基于沉積物總磷TP????和LOI）。  

 

2. 全球數(shù)據(jù)分析：  

   ? 整合芬蘭及全球溫帶/北方湖泊數(shù)據(jù)，研究DOC對RR的影響，按營養(yǎng)狀態(tài)（貧營養(yǎng)、中營養(yǎng)、富營養(yǎng)）分組分析；  

 

   ? 構(gòu)建多變量模型（水體TP、TP????、LOI）預(yù)測RR。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

 

1. 沉積物指標(biāo)（表2）：  

 

   ? 鐵結(jié)合態(tài)磷（Fe-P）、鈣結(jié)合態(tài)磷（Ca-P）、無機(jī)磷（IP）、有機(jī)磷（OP）、總磷（TP????）、有機(jī)質(zhì)含量（LOI）。  

 

   ? 意義：揭示磷形態(tài)分布規(guī)律（如Fe-P和深度正相關(guān)，OP和深度負(fù)相關(guān)），驗(yàn)證LOI對磷釋放的抑制作用。  

 

2. 孔隙水與擴(kuò)散通量：  

   ? 孔隙水可溶性活性磷（SRP）和溶解鐵（DFe）濃度（圖2），計(jì)算擴(kuò)散通量（DF）。  

 

   ? 意義：證明SRP與DFe顯著正相關(guān)（r=0.456），支持鐵還原驅(qū)動(dòng)的磷釋放機(jī)制。  

 

3. 氧化還原電位（圖1）：  

 

   ? 使用Unisense RD100微電極測量沉積物-水界面氧化還原電位。  

 

   ? 意義：量化沉積物缺氧程度（如深水湖電位<200 mV），關(guān)聯(lián)缺氧條件與磷釋放。  

 

4. 水質(zhì)參數(shù)（表1）：  

 

   ? 水體總磷（TP）、溶解氧（DO）、溫度、pH、色度等。  

 

   ? 意義：闡明水體混合狀態(tài)對磷分布的影響（如分層湖底部TP升高）。  

 

結(jié)論

 

1. 沉積物磷擴(kuò)散通量與Fe-P正相關(guān)，與OP負(fù)相關(guān)；LOI通過形成難降解有機(jī)復(fù)合物抑制磷釋放。  

2. Nürnberg (1988)模型（RR????? = 4.78 + 2.75TP???? - 0.177LOI）在預(yù)測擴(kuò)散通量中有效（R2=0.658）。  

3. 腐殖質(zhì)作用因營養(yǎng)狀態(tài)而異：  

   ? 貧營養(yǎng)湖中DOC與RR正相關(guān)（可能因磷限制促進(jìn)有機(jī)物降解）；  

 

   ? 中/富營養(yǎng)湖中DOC與RR負(fù)相關(guān)（腐殖質(zhì)結(jié)合Fe-P形成穩(wěn)定復(fù)合物）。  

 

4. 氣候變化下，DOC變化對內(nèi)部磷負(fù)荷的影響復(fù)雜（可能同時(shí)改變RR和缺氧因子）。  

 

Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

 

丹麥Unisense RD100微電極測量的氧化還原電位數(shù)據(jù)（圖1）具有以下關(guān)鍵意義：  

1. 高分辨率缺氧狀態(tài)量化：以1 mm深度間隔測量沉積物表層（0–3 cm）電位，精確識別臨界釋放閾值（200 mV）。例如，Matj?rvi湖在1.3 cm深度電位降至200 mV以下，表明該深度以下易觸發(fā)磷釋放。  

2. 揭示湖泊類型差異：淺水湖（Matj?rvi, Kutaj?rvi）沉積物-水界面電位較高（約370 mV），表明氧化環(huán)境抑制磷釋放；深水分層湖（Enonselk?, Kymij?rvi）界面電位顯著降低（最低167 mV），證實(shí)缺氧促進(jìn)磷釋放。  

3. 關(guān)聯(lián)孔隙水化學(xué)：電位數(shù)據(jù)與孔隙水SRP/DFe濃度（圖2）結(jié)合，驗(yàn)證了經(jīng)典理論——缺氧條件下Fe3?還原為Fe2?，伴隨結(jié)合態(tài)磷溶解釋放。  

4. 支持管理決策：明確氧化還原過渡深度，為湖泊修復(fù)（如曝氣技術(shù)）提供關(guān)鍵靶點(diǎn)，優(yōu)化措施實(shí)施位置。