Experimental study on phosphorus release from sediment with fresh-water snail(Bellamya aeruginosa) bioturbation in eutrophic lakes  

富營養化湖泊中淡水螺（銅銹環棱螺）生物擾動對沉積物磷釋放的實驗研究  

來源：Journal of Soils and Sediments,  (2020) 20:2526–2536

《土壤與沉積物雜志》，2020年，第20卷，第2526–2536頁

 

摘要核心內容

 

研究通過89天的微觀實驗，結合高分辨率透析（HR-Peeper）和薄膜擴散梯度（ZrO-Chelex DGT）技術，探究銅銹環棱螺（Bellamya aeruginosa）生物擾動對沉積物磷遷移的影響。核心發現：  

1. 螺擾動顯著提升磷釋放：螺活動使孔隙水可溶性活性磷（SRP）和活性磷（labile P）濃度最高增至對照組的306%和1133%，沉積物-水界面（SWI）磷通量最高增至218%（圖2）。  

 

2. 鐵還原驅動機制：螺呼吸耗氧導致沉積物氧化還原電位（Eh）降低（最大降幅59%），促進Fe(III)羥基氧化物還原溶解為Fe(II)，釋放吸附的磷（圖1, 5）。  

 

 

3. 持續環境影響：即使螺死亡后（89天），沉積物中積累的磷仍持續釋放至水體，加劇富營養化。  

 

研究目的

 

1. 探究螺生物擾動對沉積物磷遷移的影響；  

2. 揭示磷釋放與鐵循環的耦合機制；  

3. 評估螺類活動對湖泊富營養化的貢獻。  

 

研究思路

 

1. 實驗設計：  

   ? 采集陽澄湖沉積物，建立有螺（實驗組）與無螺（對照組）微宇宙系統。  

 

   ? 使用丹麥Unisense微電極（OX-100氧電極、RD-100氧化還原電極）監測溶解氧（DO）、Eh剖面（圖1）。  

 

   ? 結合HR-Peeper和DGT技術同步獲取孔隙水SRP/Fe(II)和活性P/Fe的毫米級分布（圖3, 5）。  

 

2. 時間序列觀測：在6天、12天、89天采樣，分析磷通量（圖2）、磷形態分餾（圖4）及磷鐵相關性（表1）。  

 

 

測量數據及研究意義

 

1. 溶解氧與氧化還原電位（圖1）  

   ? 數據：螺活動使氧滲透深度從7 mm降至0 mm（12天），Eh平均降低59%（0至-40 mm）。  

 

   ? 意義：直接證實螺呼吸創造強還原環境，為鐵還原提供條件。  

 

2. 磷釋放通量（圖2）  

   ? 數據：螺處理組磷通量在12天達0.175 mg m?2 h?1（對照組0.055 mg m?2 h?1）。  

 

   ? 意義：量化螺擾動對水體磷輸入的貢獻，解釋富營養化持續機制。  

 

3. 孔隙水磷與鐵分布（圖3, 5）  

   ? 數據：SRP和可溶性Fe(II)在12天分別增至306%和218%（0至-30 mm）；活性P和活性Fe增至1133%和199%（0至-19 mm）。  

 

   ? 意義：揭示磷釋放與鐵還原的同步性（表1中r>0.6, p<0.001），驗證“鐵門控機制”。  

 

4. 磷形態分餾（圖4）  

   ? 數據：螺活動使沉積物0-20 mm非磷灰石無機磷（NAIP）顯著降低。  

 

   ? 意義：NAIP作為活性磷庫的消耗，證實磷從固相向液相遷移。  

 

結論

 

1. 核心機制：螺生物擾動通過耗氧降低Eh，驅動Fe(III)還原為Fe(II)，導致吸附態磷解吸釋放。  

2. 生態影響：磷通量最高增至對照組218%，且死亡后仍持續釋放，表明螺類加劇水體富營養化。  

3. 管理啟示：螺類作為富營養化湖泊常見生物，其擾動效應需納入內源磷負荷控制策略。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

 

1. 毫米級氧化還原動態解析：  

   ? OX-100氧電極（分辨率μm級）記錄螺處理組氧滲透深度歸零（圖1a），直接量化螺呼吸對沉積物缺氧范圍的擴展（0至-40 mm）。  

 

   ? RD-100氧化還原電極顯示Eh最大降幅59%（圖1b），為鐵還原提供原位電化學證據。  

 

2. 機制關聯性驗證：  

   ? DO與Eh剖面強相關（螺活動區DO↓→Eh↓），證實生物擾動通過改變微環境驅動地球化學反應。  

 

   ? 電極數據與DGT/HR-Peeper結果耦合（圖3, 5），建立“耗氧→Eh↓→Fe(III)還原→P釋放”的完整因果鏈。  

 

3. 生態過程量化：  

   ? 氧滲透深度從7 mm→0 mm的突變（12天），反映螺類對沉積物氧化還原狀態的快速改造能力。  

 

   ? Eh降低幅度（41%均值）與磷釋放強度（SRP↑306%）呈時空匹配，為生物擾動效應提供可量化指標。