Successful control of internal phosphorus loading after sediment dredging for 6 years: A field assessment using high-resolution sampling techniques

采用高分辨率采樣技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)，成功地控制了挖沙6年后的沉積物的磷負(fù)荷

來(lái)源：Science of the Total Environment 616–617 (2018) 927–936

 

論文概述

研究重點(diǎn)是對(duì)太湖梅梁灣實(shí)施疏浚6年后的效果進(jìn)行季節(jié)性現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估，旨在探究疏浚工程對(duì)控制沉積物內(nèi)源磷釋放的長(zhǎng)期有效性及其作用機(jī)制。

 

1. 摘要核心內(nèi)容

摘要指出，研究團(tuán)隊(duì)使用高分辨率孔隙水平衡儀（HR-Peeper）和薄膜擴(kuò)散梯度技術(shù)（DGT）等原位被動(dòng)采樣技術(shù)，季節(jié)性測(cè)量了太湖疏浚區(qū)與未疏浚區(qū)沉積物中可溶性活性磷（SRP）、可溶性二價(jià)鐵（Fe(II)）以及DGT有效態(tài)磷/鐵的濃度。結(jié)果表明，盡管疏浚6年后，水體和沉積物的常規(guī)化學(xué)質(zhì)量指標(biāo)改善不明顯，但疏浚顯著降低了沉積物中孔隙水SRP和DGT有效態(tài)磷的濃度及其向上覆水的擴(kuò)散通量，且效果存在季節(jié)和空間深度差異（冬季和春季效果優(yōu)于夏秋季）。DIFS模型模擬表明，疏浚后沉積物固體對(duì)磷的保持能力增強(qiáng)。鐵磷之間的顯著正相關(guān)性揭示了鐵氧化還原循環(huán)在調(diào)控疏浚效果中的關(guān)鍵作用，而夏秋季藻類的分解會(huì)抑制疏浚的有效性。

2. 研究目的

本研究的主要目的是利用高分辨率采樣技術(shù)，對(duì)太湖實(shí)施長(zhǎng)達(dá)6年的沉積物疏浚工程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估，以明確其控制內(nèi)源磷負(fù)荷的實(shí)際效果和季節(jié)性變化規(guī)律，并深入揭示其背后的地球化學(xué)機(jī)制。由于以往基于沉積物總磷含量等傳統(tǒng)方法評(píng)估長(zhǎng)期疏浚效果不夠靈敏，且疏浚工程在實(shí)際應(yīng)用中效果不一，本研究旨在通過(guò)更先進(jìn)的技術(shù)手段，為疏浚工程的長(zhǎng)期環(huán)境效應(yīng)提供更科學(xué)、更精確的評(píng)估。

3. 研究思路

研究思路清晰，采用了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比、季節(jié)追蹤、高分辨率監(jiān)測(cè)與模型模擬相結(jié)合的策略：

 

選址與采樣：在太湖梅梁灣選擇地理位置上鄰近的未疏浚區(qū)（對(duì)照點(diǎn)）和已完成疏浚6年的區(qū)域（處理點(diǎn)）（圖1），于2016-2017年四個(gè)季節(jié)（4月、7月、10月、1月）分別采集沉積物柱狀樣。

 

環(huán)境背景測(cè)定：分析兩個(gè)點(diǎn)位水體的基本理化性質(zhì)（如溶解氧DO、總磷TP、總氮TN、葉綠素a等）（表1）和表層沉積物的性質(zhì)（如總磷TP、反應(yīng)性磷/鐵等）（表2），以了解環(huán)境背景。

 

 

高分辨率原位測(cè)量：使用HR-Peeper技術(shù)獲取孔隙水中SRP和Fe(II)的垂直剖面分布（圖3a, 圖5a），使用ZrO-Chelex DGT技術(shù)獲取DGT有效態(tài)磷和鐵的垂直剖面分布（圖3b, 圖5b），分辨率達(dá)到毫米級(jí)。

 

 

關(guān)鍵界面過(guò)程量化：使用Unisense微電極測(cè)量沉積物-水界面（SWI）的溶解氧剖面，以確定氧滲透深度（OPD）（圖2）。基于Fick第一定律計(jì)算SRP的擴(kuò)散通量（圖4）。

 

 

動(dòng)力學(xué)機(jī)制解析：應(yīng)用DGT誘導(dǎo)沉積物通量（DIFS）模型，模擬磷從沉積物固體向溶液的再補(bǔ)給動(dòng)力學(xué)參數(shù)（如R值、Kd值、響應(yīng)時(shí)間Tc等）（表4），從動(dòng)力學(xué)角度評(píng)估疏浚的影響。

 

數(shù)據(jù)整合與機(jī)理分析：綜合以上所有數(shù)據(jù)，通過(guò)相關(guān)性分析等手段，揭示鐵磷耦合關(guān)系，并闡釋疏浚效果季節(jié)性差異的原因。

 

4. 測(cè)量數(shù)據(jù)、來(lái)源及其研究意義

測(cè)量的數(shù)據(jù)類型與意義

 

水體和沉積物理化性質(zhì)（來(lái)自 表1 和 表2）

 

數(shù)據(jù)：水體中的DO, pH, TP, TN, Chla等；沉積物中的TP, TN, TOC, 反應(yīng)性P/Fe。

 

研究意義：提供了研究區(qū)域的整體環(huán)境背景。數(shù)據(jù)顯示疏浚區(qū)與未疏浚區(qū)多數(shù)常規(guī)指標(biāo)無(wú)顯著差異，突顯了使用高分辨率技術(shù)評(píng)估疏浚“隱性”效果的必要性。反應(yīng)性Fe在4月和7月的顯著降低，是后續(xù)解釋鐵磷耦合機(jī)制的重要線索。

 

氧滲透深度（OPD）（來(lái)自 圖2）

 

數(shù)據(jù)：通過(guò)Unisense微電極測(cè)量的沉積物-水界面溶解氧濃度垂直剖面。

 

研究意義：OPD是反映沉積物表層氧化還原狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)疏浚后OPD在4月和1月有所增加（分別增加0.4 mm和0.6 mm），說(shuō)明疏浚改善了沉積物表層的氧化環(huán)境，這有利于鐵氧化物形成，從而吸附固定磷。

 

磷/鐵的高分辨率分布（來(lái)自 圖3 和 圖5）

 

數(shù)據(jù)：孔隙水SRP/Fe(II)和DGT有效態(tài)P/Fe的毫米級(jí)垂直分布曲線。

 

研究意義：這是論文的核心證據(jù)。數(shù)據(jù)顯示，疏浚顯著降低了孔隙水SRP和DGT有效態(tài)P的平均濃度和峰值。效果在空間上具有異質(zhì)性（不同深度效果不同），在時(shí)間上具有季節(jié)性（冬春季效果更佳）。這直接證明了疏浚對(duì)抑制內(nèi)源磷釋放的有效性，并揭示了其效果的復(fù)雜性。

 

磷擴(kuò)散通量（來(lái)自 圖4）

 

數(shù)據(jù)：基于孔隙水SRP梯度計(jì)算的從沉積物向上覆水的擴(kuò)散通量。

 

研究意義：量化了內(nèi)源磷負(fù)荷的大小。結(jié)果顯示，疏浚后SRP擴(kuò)散通量在4月、7月和1月顯著降低了76.7%、61.3%和86.6%，但在10月無(wú)顯著差異。這為“疏浚成功控制了內(nèi)源磷負(fù)荷”提供了最直接的量化支持，并證實(shí)了夏秋季效果較差。

 

磷釋放動(dòng)力學(xué)參數(shù)（來(lái)自 表4）

 

數(shù)據(jù)：通過(guò)DIFS模型得到的R值（CDGT/CSOL）、Kd值（固液分配系數(shù)）、Tc值（響應(yīng)時(shí)間）等。

 

研究意義：從動(dòng)力學(xué)角度揭示了疏浚對(duì)磷遷移轉(zhuǎn)化的影響機(jī)制。例如，4月份疏浚后R值和Kd值增大，Tc值減小，表明沉積物固體對(duì)磷的保持能力增強(qiáng)，磷的固-液交換動(dòng)力學(xué)更快地趨向于吸附固定，這從過(guò)程層面解釋了疏浚為何能有效降低孔隙水磷濃度。

 

5. 主要結(jié)論

論文得出以下核心結(jié)論：

 

疏浚有效控制了內(nèi)源磷負(fù)荷：盡管常規(guī)水質(zhì)和沉積物指標(biāo)改善不明顯，但高分辨率技術(shù)證實(shí)，疏浚6年后，沉積物孔隙水中的SRP濃度、DGT有效態(tài)磷濃度以及磷向上覆水的擴(kuò)散通量均顯著降低，證明疏浚在控制內(nèi)源磷釋放方面是成功的。

疏浚效果具有時(shí)空異質(zhì)性：疏浚效果在冬春季（1月、4月）優(yōu)于夏秋季（7月、10月）；在垂直剖面上，對(duì)表層以下（如8-20 mm）沉積物的影響比對(duì)最表層（0-8 mm）更為顯著。

鐵氧化還原循環(huán)是關(guān)鍵機(jī)制：磷與鐵（無(wú)論是孔隙水還是DGT有效態(tài)）始終呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。疏浚通過(guò)改善沉積物表層的氧化條件（如增加OPD），促進(jìn)了鐵氧化物的形成，增強(qiáng)了通過(guò)“鐵陷阱”機(jī)制對(duì)磷的固定作用，這是疏浚生效的核心地球化學(xué)原理。

藻類分解抑制疏浚效果：在夏秋季，藻華沉降和分解消耗大量氧氣，造成厭氧環(huán)境，促使鐵氧化物溶解，釋放其結(jié)合的磷，從而部分抵消了疏浚的積極效果。

 

高分辨率技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：與傳統(tǒng)方法相比，HR-Peeper和DGT等高分辨率原位采樣技術(shù)能夠更靈敏、更準(zhǔn)確地評(píng)估疏浚等環(huán)境修復(fù)工程的長(zhǎng)期效果。

 

6. 詳細(xì)解讀：Unisense微電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

論文中使用丹麥Unisense微電極測(cè)量了沉積物-水界面（SWI）附近的溶解氧（DO）濃度垂直剖面。

測(cè)量數(shù)據(jù)：獲得了不同季節(jié)、不同點(diǎn)位（疏浚與未疏浚）SWI上下數(shù)厘米范圍內(nèi)的DO濃度連續(xù)分布圖，并據(jù)此計(jì)算出氧滲透深度（OPD）（圖2）。數(shù)據(jù)顯示，疏浚后OPD在4月增加了0.4 mm，在1月增加了0.6 mm。

詳細(xì)研究意義解讀：

 

定義沉積物關(guān)鍵界面的氧化還原狀態(tài)：OPD是判斷沉積物表層是處于氧化還是還原環(huán)境的直接、關(guān)鍵指標(biāo)。Unisense微電極提供的毫米級(jí)分辨率數(shù)據(jù)，能夠精確描繪出氧化層（富含DO）和其下的還原層（DO匱乏）的邊界。疏浚后OPD的增加，直接證明了疏浚工程改善了沉積物表層的氧化環(huán)境。

連接疏浚工程與鐵磷耦合機(jī)制：OPD的測(cè)量是理解整個(gè)研究核心機(jī)制——鐵磷耦合——的橋梁。其邏輯鏈如下：

 

疏浚行動(dòng)-> 移除了富含有機(jī)質(zhì)和還原性物質(zhì)的表層沉積物 -> 改善了沉積物-水界面的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)環(huán)境。

Unisense電極數(shù)據(jù)證實(shí) -> 氧化層增厚（OPD增加）-> 為鐵的存在形態(tài)創(chuàng)造了有利條件。

在氧化條件下，可溶性的Fe(II)被氧化成不溶性的Fe(III)氧化物/氫氧化物（如水鐵礦），這些新形成的鐵氧化物具有巨大的比表面積和強(qiáng)烈的吸附能力。

 

這些鐵氧化物作為“磷陷阱”，有效吸附并固定了孔隙水中的磷酸鹽，從而阻止其向上覆水?dāng)U散。這正是研究中觀察到疏浚區(qū)孔隙水SRP和DGT有效態(tài)P濃度降低的根本原因之一。

 

解釋疏浚效果的季節(jié)性差異：Unisense的數(shù)據(jù)顯示，疏浚對(duì)OPD的改善效果在冬春季（4月、1月）更明顯，而在夏秋季（10月）甚至出現(xiàn)OPD減少。這與磷釋放通量的季節(jié)性變化模式高度一致。在夏秋季，藻類大量繁殖后死亡分解，消耗大量氧氣，使沉積物表層迅速轉(zhuǎn)為厭氧，削弱甚至逆轉(zhuǎn)了疏浚創(chuàng)造的氧化環(huán)境，導(dǎo)致鐵氧化物溶解，磷被釋放。因此，Unisense的DO剖面數(shù)據(jù)為解釋“為何疏浚在夏秋季效果不佳”提供了關(guān)鍵的環(huán)境證據(jù)。

 

綜上所述，Unisense微電極測(cè)量得到的溶解氧剖面和OPD數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)不止是一個(gè)環(huán)境參數(shù)。它是將物理疏浚工程、沉積物地球化學(xué)過(guò)程（鐵磷耦合）和最終環(huán)境效應(yīng)（磷釋放控制）三者有機(jī)聯(lián)系起來(lái)的核心觀測(cè)證據(jù)，極大地增強(qiáng)了論文關(guān)于疏浚機(jī)制論證的完整性和說(shuō)服力。