Storm-induced sediment resuspension in the Changjiang River Estuary leads to alleviation of phosphorus limitation  

風暴引起的長江口沉積物再懸浮導致磷限制緩解  

來源：Marine Pollution Bulletin, Volume 160, 2020, 111628

《海洋污染通報》第160卷，2020年，文章編號111628

 

摘要內容

 

本研究通過長江口泥質區（CEMA）沉積物柱的模擬再懸浮實驗，量化了風暴擾動引發的營養鹽釋放機制。結果表明，除硝酸鹽（NO??-N）外，磷酸鹽（PO?3?-P）、銨鹽（NH??-N）、亞硝酸鹽（NO??-N）和硅酸鹽（SiO?2?-Si）均從沉積物釋放至上覆水，主要歸因于解吸附（P）、溶解（Si）和礦化作用（N）。這種營養鹽釋放可緩解水體的磷和硅限制，促進浮游植物生長，加劇耗氧并誘發缺氧。該機制對全球富有機質沉積物的海岸帶具有普適性。

 

研究目的

 

1. 量化風暴再懸浮對長江口沉積物-水界面氮、磷、硅通量的影響。  

2. 解析再懸浮過程中營養鹽釋放的主導機制（孔隙水擴散 vs. 顆粒解吸附/礦化）。  

3. 評估營養鹽脈沖對水體磷限制緩解及缺氧形成的生態效應。  

 

研究思路

 

1. 采樣與實驗設計：  

   ? 采集長江口泥質區（CEMA）兩個站位（A3-3、A6-4）的沉積物柱狀樣（圖1）。  

 

   ? 通過電動攪拌器模擬風暴擾動（設定侵蝕深度5 cm），分階段監測再懸浮期（0-120 min）和沉降期（120-2300 min）的水化學變化。  

 

     

2. 多參數同步監測：  

   ? 營養鹽（PO?3?-P, NH??-N, NO??-N, NO??-N, SiO?2?-Si）濃度動態（圖5）。  

 

   ? 溶解氧（DO）和pH變化（圖3-4），結合沉積物特性分析（有機質、磷形態、粒度；圖2）。  

 

 

 

 

 

3. 機制解析：  

   ? 對比擾動組與對照組，計算孔隙水與顆粒相釋放的貢獻比例（表4）。  

 

   ? 通過營養鹽比值（DIN/DIP, DSi/DIP）評估磷限制緩解效應（表3）。  

 

 

測量數據及其研究意義

 

1. 沉積物特性（圖2）：  

   ? 數據：沉積物中值粒徑9-21 μm（圖2d）；表層有機質含量4.0-4.4%（圖2a）；生物有效磷以有機磷（Or-P）為主（51%）（圖2b）。  

 

   ? 意義：細顆粒沉積物高吸附容量為營養鹽釋放提供物質基礎，有機磷主導暗示礦化作用的關鍵性。  

 

2. 溶解氧動態（圖3）：  

   ? 數據：再懸浮期DO穩定，沉降期驟降（A3-3站最低至2 mg/L），2300 min后部分恢復。  

 

   ? 意義：證實再懸浮后有機質礦化耗氧，直接關聯缺氧形成機制。  

 

3. 營養鹽釋放（圖5 & 表4）：  

   ? 數據：PO?3?-P釋放量0.9 Mmol/d，NH??-N 51 Mmol/d，SiO?2?-Si 42 Mmol/d；孔隙水貢獻僅占PO?3?-P釋放的13-22%（表4）。  

 

   ? 意義：營養鹽主要源于顆粒相解吸附/礦化，而非孔隙水擴散；釋放量堪比長江輸入通量，凸顯風暴的生態擾動強度。  

 

4. pH變化（圖4）：  

   ? 數據：沉降期pH顯著降低（A6-4站p=-0.919），與DO消耗同步。  

 

   ? 意義：證實有機質礦化產生CO?，酸化環境進一步促進磷解吸附。  

 

5. 營養鹽比值（表3）：  

   ? 數據：再懸浮后DIN/DIP從118-127降至50-56，低于Redfield比值（16:1）。  

 

   ? 意義：顯著降低的N/P比緩解東海固有磷限制，為藻華暴發提供條件。  

 

結論

 

1. 釋放機制主導性：再懸浮期營養鹽爆發式釋放主要依賴顆粒相解吸附（P、Si）和礦化（NH??-N），孔隙水直接貢獻<30%（表4）。  

2. 磷限制緩解：DIN/DIP降低至50-56（表3），有效緩解東海磷限制，促進浮游植物增殖（支持臺風后藻華觀測）。  

3. 缺氧驅動：沉降期有機質礦化導致DO驟降（圖3），與現場臺風后缺氧記錄吻合。  

4. 全球適用性：機制可推廣至墨西哥灣、太湖等富有機質沉積物海岸帶，為風暴擾動-富營養化耦合研究提供范式。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義

 

測量指標：沉積物-水界面溶解氧（DO）的高分辨率時間序列  

設備型號：Unisense微電極（Clark型），PA-2000皮安計記錄  

研究意義：  

1. 缺氧過程量化：精準捕捉沉降期DO的指數級下降（圖3），揭示再懸浮后12-20小時的耗氧臨界窗口，為缺氧預測提供時間閾值。  

2. 代謝機制解析：DO消耗速率與NH??-N釋放同步（圖3 vs 圖5c,d），確證有機質礦化主導耗氧，排除物理混合干擾。  

3. 生態效應關聯：DO最低值（2 mg/L）低于缺氧閾值（<3 mg/L），直接驗證風暴擾動可觸發短期缺氧事件。  

4. 方法學優勢：相較傳統溫克勒法，微電極實現原位、無損、分鐘級監測，避免采樣擾動，保障界面過程真實性。