An investigation of the effects of capping on internal phosphorus release from sediments under rooted macrophytes (Phragmites australis) revegetation

覆蓋對蘆葦根系植被下沉積物內磷釋放的影響

來源：Environmental Science and Pollution Research（2018年）25:24682–24694

 

論文總結

摘要核心內容

研究了在根生大型植物（蘆葦，Phragmites australis）再植被條件下，沉積物覆蓋（capping）對內部磷釋放的影響。關鍵發現包括：

 

磷形態變化：蘆葦生長導致沉積物總磷（TP）和鈣結合磷（Ca-P）顯著減少（平均減少291.1 mg kg?1和224.2 mg kg?1），而鐵吸附磷（Fe-P）增加（從26.4增至124.8 mg kg?1），表明植物吸收促進了磷的活化和形態轉化。

覆蓋效果：盡管覆蓋（使用清潔土壤）能短期降低孔隙水可溶性活性磷（SRP）濃度，但蘆葦再植被增強了沉積物磷的移動性，導致磷擴散通量隨孵化時間增加。

機制解析：蘆葦根系分泌有機酸，溶解沉積物中的礦物磷（如Ca-P），并通過鐵氧化還原循環促進磷釋放；覆蓋層未能有效阻斷這種生物驅動下的磷再活化。

 

管理啟示：根生植物再植被可能削弱覆蓋技術的磷固定效果，建議在湖泊修復中結合物理-生態工程措施以優化內源磷控制。

 

摘要強調，根生大型植物再植被是沉積物磷循環的關鍵擾動因子，覆蓋技術評估需考慮植物-沉積物相互作用。

研究目的

本研究旨在：

 

評估耦合效應：揭示蘆葦（P. australis）再植被對沉積物覆蓋控制內源磷釋放的影響，填補植物-覆蓋交互作用的知識空白。

量化磷動態：通過長期實驗（120天）測量磷形態、孔隙水SRP、擴散通量等參數，解析磷活化的時空規律。

識別驅動機制：探究有機酸分泌、pH變化和鐵循環等生物地球化學過程在磷再活化中的作用。

 

指導修復實踐：為富營養化湖泊修復中覆蓋技術的優化提供理論依據，避免植物引入的負面效應。

 

研究思路

研究采用長期模擬實驗與多參數監測相結合的策略：

 

實驗設計：

 

材料采集：從巢湖采集沉積物、上覆水和蘆葦根莖，使用清潔土壤作為覆蓋材料（厚度：0、2、5、10、18 cm），設置5種處理（各20重復）。

模擬系統：在室外連續流動培養系統中進行120天孵化（2014年7月至12月），模擬自然條件（水深40±5 cm），定期更換湖水以維持營養狀態。

 

植物種植：蘆葦根莖種植密度80株/m2，預培養30天后開始測量。

 

采樣與分析：

 

環境參數：使用丹麥Unisense微電極系統測量沉積物-水界面的溶解氧（DO）和pH剖面（方法節）。

磷測量：

 

磷形態：順序提取法分析沉積物TP、Ca-P、Fe-P、Al-P、松散結合磷（Loose-P）和有機磷（Org-P）（Fig. 2）。

 

 

孔隙水SRP：高分辨率透析裝置（HR-Peeper）以2 mm分辨率測量SRP和Fe(II)濃度（Fig. 4）。

 

擴散通量：基于Fick定律計算SRP跨界面通量（Fig. 5）。

 

植物生長：測量生物量、根長、根活性等形態指標（Fig. 3）。

 

數據分析：使用ANOVA和相關性檢驗（如Pearson）分析時空差異，評估覆蓋厚度和植物生長的效應。

 

測量數據、來源及其研究意義

本研究測量了多維度數據，其具體來源和科學意義如下：

1. DO和pH剖面數據（來自 Fig. 1）

 

數據內容：DO滲透深度在實驗末期顯著增加（覆蓋10 cm和5 cm處理最明顯）；pH在覆蓋處理中升高（7-8），對照區接近中性（~7）。

 

研究意義：Unisense電極數據揭示覆蓋層提高了沉積物氧化層厚度（DO深度增加），但同時導致堿性環境（pH升高），可能促進磷解吸。這種氧化還原梯度變化是磷釋放的關鍵驅動因子。

 

2. 磷形態變化數據（來自 Fig. 2）

 

數據內容：TP和Ca-P含量隨時間下降（如Ca-P從初始~500 mg kg?1降至~300 mg kg?1），Fe-P含量上升（從~50 mg kg?1增至~150 mg kg?1）；Al-P和Org-P變化不顯著。

 

研究意義：蘆葦吸收優先利用Ca-P（穩定形態），同時活化Fe-P（活性形態），表明植物生長改變了磷的穩定性，增加生物可利用性。

 

3. 植物生長特征數據（來自 Fig. 3）

 

數據內容：蘆葦總生物量、根長、根表面積等指標隨覆蓋厚度增加而升高（如18 cm覆蓋處理生物量最高）；根活性在實驗后期下降。

 

研究意義：覆蓋層提供物理支持，促進根系發育，但根活性降低可能反映營養競爭；植物生長參數與磷吸收直接相關，解釋磷減少原因。

 

4. 孔隙水SRP和Fe(II)剖面數據（來自 Fig. 4）

 

數據內容：SRP和Fe(II)濃度在沉積物表層（0-30 mm）呈現峰值分布；覆蓋處理中SRP濃度短期下降，但120天后顯著升高（如2 cm覆蓋處理SRP從~2 mg L?1增至~4 mg L?1）。

 

研究意義：HR-Peeper數據證實磷釋放與鐵還原耦合（SRP與Fe(II)正相關，Table 2），蘆葦根系創建局部厭氧微區，驅動Fe(III)還原和磷溶解。

 

5. SRP擴散通量數據（來自 Fig. 5）

 

數據內容：覆蓋初期（Day 0）SRP通量從沉積物向上覆水擴散；120天后，厚覆蓋處理（10 cm和18 cm）通量反向（從水向沉積物），但對照和薄覆蓋（2 cm）通量達峰值。

 

研究意義：通量計算表明覆蓋短期有效，但長期下植物活動逆轉磷流向，凸顯蘆葦再植被導致內源負荷增加。

 

6. 相關性數據（來自 Table 2和附表）

 

數據內容：SRP與Fe(II)顯著正相關（r > 0.9, p < 0.001），植物生物量與Fe-P正相關、與Ca-P負相關。

 

研究意義：統計驗證鐵還原是磷釋放主機制；植物生長指標與磷形態關聯，證實根系活動調控磷遷移。

 

主要結論

 

磷再活化顯著：蘆葦再植被導致沉積物磷移動性增強，TP和Ca-P減少，Fe-P增加，不利于覆蓋的長期磷固定。

覆蓋效果受限：盡管覆蓋短期降低孔隙水SRP，但植物驅動下的磷擴散通量隨時間增加，厚覆蓋（10-18 cm）僅能部分抵消負面效應。

機制主導：有機酸分泌和鐵還原是磷活化的核心過程，pH升高（Unisense數據）進一步促進解吸。

 

修復啟示：單一覆蓋技術可能無法有效控制內源磷，需結合植物管理（如收割）或聯合技術（如化學鈍化）以平衡生態修復目標。

 

詳細解讀：使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

在本研究中，丹麥Unisense公司的微電極系統被用于高分辨率測量沉積物-水界面的溶解氧（DO）和pH剖面（方法節），其數據是解析磷釋放環境驅動的關鍵。具體研究意義如下：

測量數據描述

Unisense電極提供：

 

DO剖面：以毫米級分辨率測量DO濃度，確定氧化層厚度（如DO滲透深度）。

pH剖面：實時監測孔隙水pH變化，反映微生物和根系活動的影響。

 

時空動態：實驗初期和末期對比（Fig. 1），顯示覆蓋處理下DO和pH的演變。

 

研究意義解讀

 

量化氧化還原狀態：Unisense數據顯示覆蓋層顯著增加DO滲透深度（Fig. 1），表明氧化層擴展，本應抑制厭氧磷釋放。然而，pH同步升高（至8以上），創造堿性條件，反而促進磷從沉積物解吸（因羥基競爭吸附位點）。這種矛盾效應解釋為何覆蓋未能完全阻斷磷釋放——氧化作用被堿化作用抵消。

關聯植物活動：pH升高與蘆葦根系分泌有機酸相關（討論節），Unisense剖面捕捉到根際微環境變化（如表層pH峰值），直接證實植物生理活動改變沉積物化學性質，驅動磷活化。

支持機制推斷：DO和pH數據與磷形態變化（Fig. 2）和孔隙水SRP（Fig. 4）耦合：高pH促進Ca-P溶解，低DO區域（根際）觸發Fe還原，導致Fe-P增加和SRP釋放。Unisense測量為“有機酸-鐵還原”機制提供環境背景。

 

技術優勢：Unisense電極的毫米級分辨率（Fig. 1）避免整體測量誤差，精準識別界面梯度。沒有這些數據，研究無法確認微環境變化的主導性，或解釋覆蓋效果的空間異質性（如薄覆蓋與厚覆蓋差異）。

 

總之，Unisense電極數據不僅是描述性指標，更是因果解析的核心——它證實覆蓋層通過改變DO和pH影響磷行為，但植物引入的生物擾動（如根際堿化）逆轉了正面效應。該技術的應用提升了研究的機制深度和管理啟示，強調湖泊修復需統籌物理覆蓋和生物過程。