Mechanisms driving phosphorus release during algal blooms based on hourly changes in iron and phosphorus concentrations in sediments

基于沉積物中鐵和磷濃度每小時變化的藻華期間磷釋放機制

來源：Water Research 133 (2018) 153-164

 

論文總結

摘要核心內容

通過高頻采樣（3小時間隔）研究有害藻華（HABs）期間沉積物中磷釋放的機制。關鍵發現包括：

 

藻華動態：藻華在孵化后15天達到高峰，之后逐漸崩潰至70天；孔隙水可溶性Fe(II)和可溶性活性磷（SRP）濃度在整個孵化期增加，藻華期夜間可溶性Fe(II)最大增加214%，崩潰期SRP最大增加387%。

晝夜波動：可溶性Fe(II)和SRP濃度呈現每小時波動，有兩個明顯峰值（21:00和06:00或03:00），表明Fe-P耦合機制主導藻華期P釋放。

機制轉換：崩潰期可溶性Fe(II)被硫化物（S(-II)）抑制，SRP與Fe解耦，波動小（<11% RSD），藻類分解成為P釋放的主要來源。

 

通量變化：沉積物-水界面（SWI）的Fe和P擴散通量與濃度變化對應，藻華處理中通量增加，夜間更高。

 

摘要強調，藻華通過改變沉積物微環境（pH、DO）驅動P釋放，機制從Fe-P耦合轉向藻類分解，高頻數據提供了對內部磷負荷的新見解。

研究目的

本研究旨在：

 

解析機制：揭示藻華不同階段（生長、崩潰）沉積物中磷釋放的驅動機制，特別是Fe-P耦合的作用。

高頻監測：通過每小時尺度測量可溶性Fe(II)和SRP濃度，捕捉晝夜波動和階段依賴變化。

 

評估環境影響：量化pH、DO等因子如何影響Fe和P的遷移轉化，為湖泊管理提供理論依據。

 

研究思路

研究采用微宇宙實驗與高頻采樣相結合的策略：

 

實驗設計：從太湖梅梁灣采集沉積物核心和湖水，在溫室中孵化70天，設置藻華處理（添加藻類）和對照處理（過濾湖水）。

采樣技術：使用Rhizon采樣器以3小時間隔采集沉積物孔隙水（0至-20 mm），測量SRP和可溶性Fe(II)濃度（Fig. 1E）；使用丹麥Unisense微電極（OX-100和pH-500）測量SWI的DO和pH剖面（Fig. 1C）；使用DGT（擴散梯度薄膜技術）測量P、Fe和S(-II)的擴散通量（Fig. 1A和B）。

 

時間尺度：在關鍵天（1、5、15、20、44、70天）進行高頻采樣，覆蓋藻華生長和崩潰階段。

 

分析：通過相關統計（如Pearson相關）和趨勢分析，評估Fe-P耦合關系和環境因子影響。

 

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. 藻華動態數據（來自 Fig. 2）

 

數據內容：Chla濃度在藻華處理中從第1天27.6 μg L?1增至第15天154.3 μg L?1，之后下降至第70天14.3 μg L?1；CDOM組分（如色氨酸類熒光團）在崩潰期增加。

 

研究意義：直接量化藻華發展過程，Chla峰值標志藻華高峰，CDOM增加表明藻類分解，為P釋放提供背景。數據證實藻華階段影響沉積物化學。

 

2. 水柱環境參數數據（來自 Fig. 3）

 

數據內容：光強、DO和pH呈現晝夜波動，DO白天高（峰值13.3 mg L?1）、夜間低（最低1.5 mg L?1），pH白天高（峰值10.53）、夜間低。

 

研究意義：顯示藻類光合和呼吸作用導致水化學晝夜變化，驅動沉積物氧化還原狀態變化。DO和pH波動是Fe和P行為的關鍵驅動因子。

 

3. 沉積物pH和DO剖面數據（來自 Fig. 4和 Table 1）

 

 

數據內容：藻華處理中，表層沉積物（0至-2.5 mm）pH白天高（9.26）、夜間低（7.36），DO白天高（6.74 mg L?1）、夜間低（0.84 mg L?1）；受影響深度達-20 mm（pH）和-3.5 mm（DO）。

 

研究意義：Unisense電極數據揭示沉積物微環境對水柱變化的響應，白天堿化和氧化促進P解吸，夜間酸化和還原促進Fe還原，直接影響Fe-P耦合。

 

4. 孔隙水SRP和可溶性Fe(II)每小時變化數據（來自 Fig. 5）

 

數據內容：可溶性Fe(II)和SRP濃度呈現雙峰模式（峰值21:00和06:00），藻華期（第5、15天）兩者正相關（r > 0.9, p < 0.01），崩潰期（第20、44天）解耦。

 

研究意義：高頻數據捕捉Fe-P耦合的晝夜節奏，證實藻華期Fe還原驅動P釋放，崩潰期機制轉換。峰值時間暗示微生物或環境節律的影響。

 

5. SRP和可溶性Fe(II)平均濃度垂直分布數據（來自 Fig. 6和 Table 3）

 

 

數據內容：藻華處理中SRP和可溶性Fe(II)濃度增加，第44天SRP最大增加387%（夜間），第15天可溶性Fe(II)最大增加214%（夜間）；夜間濃度普遍高于白天。

 

研究意義：量化藻華對沉積物P和Fe的增強釋放，夜間釋放更顯著， due to還原條件。數據支持內部磷負荷在藻華期的貢獻。

 

6. DGT-labile S(-II)分布數據（來自 Fig. 7）

 

數據內容：崩潰期（第44天）夜間S(-II)通量增加，分布全剖面，藻華處理中通量高于對照。

 

研究意義：S(-II)增加抑制可溶性Fe(II)（形成FeS），解釋崩潰期Fe-P解耦，凸顯硫循環在P釋放中的作用。

 

7. SWI擴散通量數據（來自 Fig. 8）

 

數據內容：藻華處理中P、Fe和S(-II)通量增加，第44天通量最高，夜間通量一般高于白天。

 

研究意義：通量數據驗證濃度變化，藻華增強沉積物-水交換，夜間過程主導，強調藻華對內部負荷的放大效應。

 

主要結論

 

機制演變：藻華期Fe-P耦合主導P釋放， due to Fe還原溶解；崩潰期藻類分解主導P釋放，S(-II)增加抑制Fe(II)，導致解耦。

晝夜驅動：環境因子（DO、pH）晝夜波動驅動Fe和P的每日雙峰釋放模式，藻華放大這種波動。

 

管理啟示：控制藻華可減少內部磷負荷，但崩潰期藻類分解仍導致P釋放，需綜合管理（如藻類收割或沉積物覆蓋）。

 

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（OX-100 for DO和pH-500 for pH）被用于高分辨率測量沉積物-水界面的DO和pH剖面（方法節），其數據是解析環境驅動機制的核心依據。具體研究意義如下：

測量數據描述

Unisense電極提供：

 

DO和pH剖面：以毫米級分辨率測量，顯示藻華處理中表層沉積物DO和pH白天高（光合作用）、夜間低（呼吸作用），受影響深度達-20 mm（pH）和-3.5 mm（DO）（Fig. 4）。

 

晝夜動態：數據捕獲每日波動，如pH從白天9.26降至夜間7.36，DO從6.74 mg L?1降至0.84 mg L?1（Table 1）。

 

研究意義解讀

 

量化微環境變化：Unisense數據直接證實藻華導致沉積物氧化還原狀態每日波動，白天氧化和堿性條件促進P解吸（OH?競爭），夜間還原和酸性條件促進Fe(III)還原，釋放Fe(II)和P。這種波動是Fe-P耦合機制的基礎，解釋為何P釋放有雙峰模式（Fig. 5）。

揭示機制轉換：在崩潰期，Unisense數據顯示DO和pH波動減弱（第70天類似對照），但S(-II)增加（Fig. 7），結合電極數據，證實環境從Fe還原轉向硫酸鹽還原，導致Fe-P解耦。電極數據提供了關鍵的環境背景，支持機制演變。

技術優勢：Unisense電極的高空間分辨率（毫米級）和實時能力避免采樣擾動，精準捕捉界面梯度。沒有這些數據，研究無法確認沉積物微環境對水柱變化的響應程度，或建立DO/pH與Fe/P釋放的因果關系。例如，數據顯示pH影響深度比DO更深（Fig. 4），解釋為何P釋放更廣泛。

 

生態啟示：電極數據強調藻華通過改變沉積物化學放大內部磷負荷，尤其夜間釋放顯著。這提示湖泊修復需關注晝夜循環（如曝氣時機），并驗證了模型參數（如氧化層深度）。Unisense技術的應用提升了研究的準確性和管理適用性。

 

總之，Unisense電極數據不僅是描述性指標，更是機制解析的關鍵——它證實藻華通過晝夜環境波動驅動Fe-P耦合和解耦，為內部磷負荷控制提供了時空動態見解。