Redox-related release of phosphorus from sediments in large and shallow Lake Peipsi: evidence from sediment studies and long-term water monitoring data  

大型淺水湖泊佩普西湖沉積物中氧化還原相關(guān)的磷釋放：來自沉積物研究和長期水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的證據(jù)  

來源：Journal of Great Lakes Research, Volume 46, Issue 6, 2020, Pages 1595-1603

《大湖研究雜志》第46卷第6期，2020年，第1595-1603頁  

 

摘要內(nèi)容

 

論文摘要指出，在大型淺水湖泊中，沉積物氧化還原相關(guān)的磷（P）釋放機制長期被沉積物再懸浮的作用掩蓋。本研究結(jié)合2018年8月的沉積物磷遷移性調(diào)查（測量氧化還原電位、孔隙水可溶性活性磷SRP、溶解鐵濃度、沉積物磷組分）與1997-2018年水體總磷（TP）監(jiān)測數(shù)據(jù)，量化了基于夏季TP原位增長的內(nèi)源磷負荷（ILin situ）。結(jié)果表明：  

1. 氧化沉積物表層（0-3 cm）的磷擴散通量與鐵結(jié)合態(tài)磷濃度顯著正相關(guān)（r=0.777, p=0.014），驗證氧化還原驅(qū)動的磷釋放機制。  

2. 長期數(shù)據(jù)顯示，沉積物擾動（如再懸浮）是磷釋放的主要途徑，其強度受夏末秋初低水位影響。  

3. 缺氧因子（AF）和8月水溫與ILin situ顯著正相關(guān)（Peipsi s.s.盆地R2=0.433；Lammijarvi盆地R2=0.468），表明沉積物缺氧表面直接釋放磷的貢獻。  

4. 缺氧驅(qū)動的磷釋放（ILanox）對ILin situ的貢獻率在北部盆地（Peipsi s.s.）約80%，在富營養(yǎng)化南部盆地（Lammijarvi）高達280%。  

 

研究目的

 

1. 揭示大型淺水湖沉積物氧化還原相關(guān)的磷釋放機制及其對富營養(yǎng)化的貢獻。  

2. 量化沉積物擾動（再懸浮）和缺氧擴散對磷釋放的相對重要性。  

3. 建立內(nèi)部磷負荷與氣象水文因子（水位、水溫、風(fēng)速）的關(guān)系，為管理提供依據(jù)。  

 

研究思路

 

1. 現(xiàn)場沉積物采樣：2018年8月在佩普西湖兩個盆地（Peipsi s.s.和Lammijarvi）的侵蝕區(qū)（ST92、ST14）和堆積區(qū)（ST4、ST16）采集表層沉積物（0-3 cm）。  

2. 沉積物分析：  

   ? 氧化還原電位剖面（Unisense電極測量）  

 

   ? 孔隙水SRP和溶解鐵濃度（Rhizon采樣器）  

 

   ? 沉積物磷組分（Fe-P、Ca-P、有機P等）  

 

   ? 磷擴散通量計算（基于Fick定律）  

 

3. 長期數(shù)據(jù)分析：  

   ? 1997-2018年5-10月水體TP濃度（原位監(jiān)測）  

 

   ? 計算夏季內(nèi)源磷負荷（ILin situ）  

 

   ? 量化缺氧因子（AF）  

 

   ? 關(guān)聯(lián)氣象數(shù)據(jù)（水溫、水位、風(fēng)速）  

 

4. 統(tǒng)計驗證：相關(guān)性與方差分析（ANOVA）檢驗機制。  

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義與來源圖表

 

1. 氧化還原電位剖面  

   ? 意義：揭示沉積物氧化層厚度（3-5 mm）及鐵還原臨界深度（0.3-0.8 cm），證明淺水湖沉積物存在氧化還原分層。  

 

 

2. 孔隙水SRP與溶解鐵濃度  

   ? 意義：電位降至200 mV以下時SRP和Fe同步上升（p<0.001），驗證鐵氧化物還原溶解驅(qū)動的磷釋放機制。  

 

3. 沉積物磷組分（表3）  

   ? 意義：Fe-P占總磷42%，是主要可釋放磷庫；南部盆地Fe/P比更低（均值16.5 vs. 北部26），解釋其更高磷釋放潛力。  

 

 

4. 磷擴散通量（表3）  

   ? 意義：侵蝕區(qū)通量高于堆積區(qū)（如ST14：11.5 vs. ST4：3.6 mg/m2/d），表明再懸浮增強擴散；通量與Fe-P顯著正相關(guān)（r=0.777）。  

 

5. 長期內(nèi)源磷負荷（ILin situ）  

   ? 意義：南部盆地負荷更高（峰值303 mg/m2/y），反映富營養(yǎng)化程度差異；2015年后北部負荷上升，指示新環(huán)境壓力。  

 

 

6. ILin situ與缺氧因子（AF）關(guān)系  

   ? 意義：顯著正相關(guān)（R2>0.43）證明缺氧釋放對淺水湖的普適性，AF可作為內(nèi)源負荷預(yù)測指標(biāo)。  

 

7. 氣象關(guān)聯(lián)  

   ? 意義：南部盆地ILin situ與8月水溫正相關(guān)（R2=0.25）、與9-10月水位負相關(guān)（R2>0.27），表明升溫促缺氧釋放，低水位增強再懸浮。  

 

結(jié)論

 

1. 氧化還原機制主導(dǎo)：沉積物鐵結(jié)合態(tài)磷（Fe-P）是磷釋放的主要來源，擴散通量與其顯著正相關(guān)。  

2. 再懸浮的關(guān)鍵作用：低水位期（夏末秋初）沉積物再懸浮擾動氧化層，加速深層還原區(qū)磷的釋放。  

3. 缺氧釋放貢獻顯著：北部盆地80%、南部盆地280%的ILin situ源于缺氧驅(qū)動的擴散（ILanox）。  

4. 氣候因子影響：水溫升高直接促進缺氧釋放，風(fēng)速和水位通過再懸浮間接調(diào)控磷負荷。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細研究意義

 

測量指標(biāo)：沉積物氧化還原電位（Eh）剖面（0-3 cm深度，1 mm分辨率）  

設(shè)備：Unisense RD100微傳感器（Ag/AgCl參比電極）  

研究意義：  

1. 揭示氧化層厚度與還原臨界點：  

   ? 測量顯示所有站點沉積物表層3-5 mm處于氧化態(tài)（Eh=300-400 mV），但0.3 cm（ST14）至0.8 cm（ST92）深度Eh驟降至200 mV以下。  

 

   ? 科學(xué)價值：首次在淺水湖沉積物中量化氧化層厚度，明確鐵還原發(fā)生的精確深度（<0.5 cm），挑戰(zhàn)了“淺水湖無氧化還原分層”的傳統(tǒng)認知。  

 

2. 驗證磷釋放的氧化還原驅(qū)動機制：  

   ? Eh降至200 mV以下時，孔隙水SRP和溶解鐵濃度同步顯著上升（p<0.001），直接證明Fe3?還原溶解導(dǎo)致吸附態(tài)磷的釋放。  

 

   ? 管理意義：為“鐵門控機制”（Fe/P>15時磷被束縛）提供原位證據(jù)，解釋南部盆地低Fe/P（16.5）導(dǎo)致更高磷釋放的原因。  

 

3. 量化擴散通量的基礎(chǔ)：  

   ? 氧化層厚度（δ）和Eh梯度用于計算濃度梯度（dc/dz），結(jié)合Fick定律得出擴散通量（表3）。  

 

   ? 技術(shù)優(yōu)勢：高分辨率（1 mm）避免傳統(tǒng)方法低估通量的問題，揭示侵蝕區(qū)（ST14）通量比堆積區(qū)（ST4）高3倍（11.5 vs. 3.6 mg/m2/d）。  

 

4. 支撐缺氧因子（AF）模型：  

   ? Eh剖面確認沉積物表面周期性缺氧的可能性，支持AF作為淺水湖內(nèi)源負荷的預(yù)測指標(biāo)。  

 

   ? 應(yīng)用價值：AF與ILin situ的強相關(guān)性（R2>0.43）證明該模型在混合型湖泊的適用性，簡化了管理中的負荷評估。