Exchanges of nitrogen and phosphorus across the sediment-water interface influenced by the external suspended particulate matter and the residual matter after dredging

沉積物-水界面氮、磷的交換受外界懸浮顆粒物和殘馀物的影響

來(lái)源：Environmental Pollution 246 (2019) 207-216

 

論文摘要

本研究通過(guò)為期六個(gè)月的野外原位孵育實(shí)驗(yàn)，探討了在河流入湖口區(qū)域，外部懸浮顆粒物（SPM）的持續(xù)沉積和疏浚后殘留物對(duì)疏浚后新形成的沉積物-水界面（SWI）上氮（N）和磷（P）交換通量的影響。研究發(fā)現(xiàn)，外部SPM的沉積導(dǎo)致銨態(tài)氮（NH?-N）和可溶性活性磷（SRP）的擴(kuò)散通量分別增加了4.16和12.71倍，而殘留物的影響則較小，分別增加了2.06和5.06倍。SPM因其富含易分解的腐殖質(zhì)類(lèi)有機(jī)物、鐵、鋁等，對(duì)磷有強(qiáng)烈的吸附能力；但其有機(jī)質(zhì)在沉積后分解會(huì)加速界面缺氧，進(jìn)而促進(jìn)吸附的磷（尤其是鐵結(jié)合磷Fe-P和有機(jī)磷Org-P）的釋放。研究表明，在類(lèi)似河口區(qū)域，外部SPM的持續(xù)輸入是導(dǎo)致疏浚后內(nèi)源氮磷釋放量長(zhǎng)期回升的主要外部驅(qū)動(dòng)因素，其影響遠(yuǎn)大于疏浚殘留物。

 

研究目的

本研究的主要目的是：

 

在野外真實(shí)環(huán)境下，比較外部SPM沉積和疏浚殘留物對(duì)疏浚后新形成的沉積物-水界面（SWI）上氮、磷擴(kuò)散通量的影響程度。

從化學(xué)和微生物地球化學(xué)角度揭示SPM和殘留物影響界面氮磷交換的內(nèi)在機(jī)制，特別是SPM中有機(jī)質(zhì)的作用。

 

為河口等SPM輸入量大區(qū)域的疏浚工程效果評(píng)估和后續(xù)管理提供科學(xué)依據(jù)。

 

研究思路

本研究采用了 “野外原位孵育”與“多參數(shù)耦合分析” 的研究思路：

 

野外實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：在巢湖西北灣的河流入湖口（SPM輸入熱點(diǎn)區(qū)）設(shè)置原位孵育裝置。采集原狀沉積物柱芯，模擬進(jìn)行疏浚（移除表層25cm沉積物）操作，并設(shè)置不同處理組：

 

對(duì)照組（UD）：未疏浚沉積物。

疏浚組（D）：僅疏浚。

疏浚+殘留物組（D+R）：疏浚后添加約11%的殘留軟泥。

 

上述各組+SPM組（UD+SPM, D+SPM, D+R+SPM）：允許外部SPM自然沉積到界面上。

所有組別在湖底孵育6個(gè)月。

 

多參數(shù)測(cè)量：孵育結(jié)束后，綜合分析：

 

使用孔隙水平衡透析器（peeper） 獲取孔隙水剖面，計(jì)算NH?-N、SRP和Fe2?的擴(kuò)散通量。

使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)測(cè)量沉積物-水界面的溶解氧（DO）微剖面。

 

分析沉積物和SPM的基本理化性質(zhì)（如孔隙度、含水率）、營(yíng)養(yǎng)鹽形態(tài)（不同形態(tài)氮、磷）、有機(jī)物組成（特別是水溶性有機(jī)物WOM）和磷吸附特性。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義（注明來(lái)源）

本研究測(cè)量了多方面的數(shù)據(jù)，其意義和來(lái)源如下：

 

沉積物/SPM基本性質(zhì)：

 

意義：提供背景值，確認(rèn)疏浚有效移除了大量?jī)?nèi)源氮磷負(fù)荷。SPM分析顯示其富含細(xì)顆粒、有機(jī)質(zhì)、Fe、Al和P，是潛在的污染源和反應(yīng)載體。

 

來(lái)源：數(shù)據(jù)見(jiàn)表S1。

 

孔隙水化學(xué)剖面（NH?-N, SRP, Fe2?）：

 

意義：直接反映界面附近的生物地球化學(xué)過(guò)程強(qiáng)度。數(shù)據(jù)顯示SPM沉積顯著提高了疏浚后沉積物孔隙水中的NH?-N、SRP和Fe2?濃度，表明其促進(jìn)了還原條件的形成和營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放。

 

來(lái)源：孔隙水NH?-N、SRP、Fe2?濃度剖面見(jiàn)圖4。

 

營(yíng)養(yǎng)鹽擴(kuò)散通量：

 

意義：量化了SPM和殘留物對(duì)界面交換能力的最終影響。這是本研究最核心的發(fā)現(xiàn)，證明SPM的影響遠(yuǎn)大于殘留物，且對(duì)P通量的促進(jìn)遠(yuǎn)大于對(duì)N通量。

 

來(lái)源：NH?-N、SRP和Fe2?的擴(kuò)散通量見(jiàn)圖5。

 

沉積物磷形態(tài)分布：

 

意義：揭示了內(nèi)源磷的賦存狀態(tài)及其轉(zhuǎn)化。SPM的沉積顯著增加了表層沉積物中的Fe-P、Al-P和Org-P含量，這些活性磷形態(tài)是潛在的釋放源。

 

來(lái)源：各形態(tài)磷的垂直分布見(jiàn)圖3。

 

水溶性有機(jī)物（WOM）特性：

 

意義：從機(jī)理上解釋SPM的驅(qū)動(dòng)作用。PARAFAC分析表明SPM中的WOM以易分解的類(lèi)腐殖質(zhì)為主（圖1），其分解會(huì)消耗氧氣，創(chuàng)造還原環(huán)境，從而激發(fā)Fe-P等的釋放。

 

來(lái)源：WOM的熒光組分見(jiàn)圖1。

 

磷吸附特性：

 

意義：解釋了SPM的“匯”與“源”雙重角色。SPM具有很高的磷吸附容量（圖6），但其吸附的磷在界面還原條件下極易重新釋放出來(lái)。

 

來(lái)源：SPM和沉積物的磷吸附等溫線(xiàn)見(jiàn)圖6；吸附參數(shù)見(jiàn)表S4。

 

研究結(jié)論

 

主要影響因素：在河流入湖口區(qū)域，外部SPM的持續(xù)沉積是導(dǎo)致疏浚后沉積物-水界面氮磷釋放通量強(qiáng)烈反彈的主要外部原因，其影響遠(yuǎn)超疏浚產(chǎn)生的殘留物。

核心機(jī)制：SPM通過(guò)其“載體”和“驅(qū)動(dòng)”雙重作用影響界面過(guò)程：

 

載體效應(yīng)：SPM本身吸附攜帶了大量的氮、磷（特別是Fe-P、Al-P）、有機(jī)質(zhì)和還原性物質(zhì)（如Fe2?）。

 

驅(qū)動(dòng)效應(yīng)：SPM中易分解的有機(jī)物（WOM）在沉積后礦化，消耗界面氧氣，使微環(huán)境從氧化態(tài)轉(zhuǎn)為還原態(tài)，進(jìn)而促使SPM攜帶的以及原生沉積物中的鐵結(jié)合磷（Fe-P）溶解釋放。

 

磷的敏感性：無(wú)論是SPM還是殘留物，其對(duì)磷釋放的促進(jìn)作用均遠(yuǎn)大于對(duì)氮，導(dǎo)致疏浚后界面磷通量的回升速率更快，這會(huì)改變水體的N:P比值，可能加劇藻類(lèi)水華風(fēng)險(xiǎn)。

 

管理啟示：在SPM輸入量大的區(qū)域（如河口），僅靠疏浚難以長(zhǎng)期控制內(nèi)源釋放。必須配套實(shí)施流域治理，削減外源SPM及污染物的輸入，才能保障疏浚的長(zhǎng)期效果。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義詳細(xì)解讀

 

在本文中，丹麥Unisense公司的微電極系統(tǒng)被用于高分辨率地測(cè)量沉積物-水界面（SWI）附近溶解氧（DO）的垂直微剖面（數(shù)據(jù)在正文中提及，并在圖S10中展示）。

詳細(xì)研究意義如下：

 

提供界面氧化還原狀態(tài)的直接、原位證據(jù)：Unisense微電極能夠以亞毫米級(jí)的分辨率原位測(cè)量沉積物中的DO濃度。數(shù)據(jù)顯示，在整個(gè)孵育期間（即使在冬季），氧滲透深度（OPD）非常淺（< 2毫米）（圖S10）。這為整個(gè)研究提供了一個(gè)關(guān)鍵的背景環(huán)境：沉積物-水界面始終處于強(qiáng)烈的缺氧狀態(tài)。這種缺氧環(huán)境是鐵還原和磷釋放發(fā)生的先決條件。

 

證實(shí)SPM分解的耗氧效應(yīng)：雖然論文未展示不同處理組間的DO剖面對(duì)比，但微電極提供的本底DO數(shù)據(jù)為闡釋SPM的作用機(jī)制提供了關(guān)鍵支撐。SPM中含有大量易分解的WOM（圖1），其分解過(guò)程會(huì)大量消耗界面附近的氧氣。Unisense電極測(cè)得的淺層OPD證實(shí)了這種耗氧效應(yīng)確實(shí)存在，并且非常強(qiáng)烈。這從環(huán)境條件上證明了SPM的輸入會(huì)維持和加劇界面的缺氧狀態(tài)，從而為后續(xù)解釋SRP和Fe2?通量的升高（圖5）提供了直接的驅(qū)動(dòng)力證據(jù)。

 

連接“有機(jī)物輸入”與“磷釋放”的機(jī)制鏈條：Unisense微電極數(shù)據(jù)幫助完成了從“因”到“果”的邏輯鏈條：外部SPM輸入（富含WOM）→ WOM在界面分解（由Unisense電極證實(shí)其導(dǎo)致缺氧）→ 缺氧環(huán)境促使Fe3?還原為Fe2?（圖4, 圖5）→ 與Fe3?結(jié)合的磷（Fe-P）被釋放至孔隙水（圖4）→ SRP擴(kuò)散通量增加（圖5）。沒(méi)有微電極提供的DO數(shù)據(jù)，這個(gè)鏈條中將缺少“缺氧”這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)的直接證據(jù)。

 

綜上所述，使用Unisense微電極獲得的溶解氧微剖面數(shù)據(jù)，為本研究論證SPM驅(qū)動(dòng)疏浚后內(nèi)源磷釋放的微生物地球化學(xué)機(jī)制提供了至關(guān)重要的原位環(huán)境證據(jù)。它證實(shí)了界面缺氧的現(xiàn)實(shí)，并將SPM的輸入、分解與最終的磷釋放后果有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，使機(jī)理解釋更加完整和令人信服。