The role of turbulence in internal phosphorus release: Turbulence intensity matters

湍流在內部磷釋放中的作用湍流強度很重要

來源：Environmental Pollution（2019年，第252卷）

 

論文總結

研究通過模擬環境湍流場景，系統分析了不同湍流強度對沉積物內部磷釋放的影響，重點探討了湍流混合與沉積物懸浮的交互作用對磷動態的調控機制。以下是對論文的詳細總結。

 

摘要概括

摘要指出，水動力波動（如湍流）可觸發沉積物懸浮并伴隨內部磷釋放，但湍流混合與沉積物懸浮對磷動態的交互影響尚需深入理解。本研究通過模擬近似均勻湍流場景，測量了上覆水中的總磷（TP）、磷酸鹽（PO?-P）和懸浮沉積物（SS）濃度變化，以及沉積物-水界面（SWI）的溶解氧（DO）、Fe(II)和可溶性反應磷（SRP）剖面分布。結果表明，湍流強度（ε）顯著影響磷釋放：低強度湍流（ε = 3.6 × 10?3 m2/s3）導致SRP通量增加，PO?-P濃度上升36.36%；中高強度湍流（ε = 1.3 × 10?2 至 7.4 × 10?2 m2/s3）雖促進氧擴散至表層沉積物形成鐵氧化物，但磷擴散超過鈍化作用，導致SRP通量增大；然而，高湍流強度下SS吸附和生物同化作用可固定部分磷，使PO?-P濃度下降達47.75%。研究證實了隨湍流強度增加，磷緩沖機制從鐵結合向沉積物吸附切換。

研究目的

本研究旨在解決以下核心問題：

 

評估不同湍流強度對沉積物磷釋放過程的影響，量化TP、PO?-P和SS的動態變化。

探究湍流環境下磷的緩沖機制（如氧擴散、鐵循環、沉積物吸附），識別主導過程。

 

為富營養化水體內部磷負荷管理提供理論依據，尤其關注水動力條件的作用。

 

研究思路

研究采用微宇宙實驗和系統分析策略：

 

實驗設計：從長江支流玉林河口采集沉積物柱狀樣和上覆水，在近似均勻湍流模擬系統（AHTS）中設置5個湍流強度梯度（ε = 3.6 × 10?3、1.3 × 10?2、3.3 × 10?2、7.4 × 10?2 m2/s3）和靜態對照組，每組3個重復，進行30天孵化實驗。

參數測量：

 

水化學指標：定期監測上覆水TP、PO?-P、濁度（SS代理）、pH（Fig. 2）。

微環境剖面：使用丹麥Unisense微電極系統（型號未指定）測量SWI處DO、Fe(II)、SRP的垂直分布（步長0.05 mm），結合薄膜擴散梯度（DGT）技術獲取高分辨率數據（Fig. 3-4）。

 

通量計算：基于DGT數據計算SRP和Fe(II)跨界面通量（Fig. 5）。

 

數據分析：采用方差分析（ANOVA）、相關性分析（Pearson）評估湍流強度與參數間關系。

 

測量數據及其研究意義

以下列出關鍵測量數據、其來源（圖編號）及研究意義：

 

上覆水TP、PO?-P和濁度動態數據（來源：Fig. 2）

 

數據：TP濃度隨湍流強度增加而上升，ε = 7.4 × 10?2 m2/s3時TP達4.42 mg/L（較初始值增40倍）；PO?-P在低湍流（ε = 3.6 × 10?3 m2/s3）時上升36.36%，但在高強度下下降47.75%；濁度與TP正相關，ε = 7.4 × 10?2 m2/s3時達41700 NTU。

 

研究意義：證實湍流通過懸浮沉積物增加TP負荷，但PO?-P減少表明SS吸附主導磷固定；濁度變化直接反映沉積物再懸浮程度，關聯磷形態轉化。

 

DO剖面數據（來源：Fig. 3）

 

數據：靜態組DO穿透深度1.38 cm；湍流組氧滲透增強，ε = 1.3 × 10?2 m2/s3時穿透深度達1.9 cm，但ε = 7.4 × 10?2 m2/s3時降低30.81%。SWI處DO濃度最高237 μM。

 

研究意義：湍流促進氧從水體擴散至沉積物，形成氧化層抑制磷釋放；高強度湍流因懸浮物耗氧導致氧滲透深度減少，揭示氧動態對磷循環的調控作用。

 

Fe(II)和SRP剖面數據（來源：Fig. 4）

 

數據：Fe(II)濃度隨深度增加，低湍流下峰值在10-15 mm處（1.57 mg/L）；SRP在表層低，深層升高（Dmax深度變化）。高強度湍流下SRP剖面趨于平緩，表明磷強烈動員。

 

研究意義：Fe(II)分布反映鐵還原狀態，低湍流促進Fe(II)擴散支持磷釋放；SRP剖面變化指示磷從沉積物向上覆水遷移的強度，直接證明湍流驅動內源磷釋放。

 

SRP和Fe(II)通量數據（來源：Fig. 5）

 

數據：SRP通量在ε = 1.3 × 10?2 m2/s3時最高（32.94 μg/m2·d），高強度下通量減少至12.63 μg/m2·d；Fe(II)通量隨湍流增強而降低。SRP與Fe(II)濃度在低湍流下正相關（R值顯著），高強度下相關性減弱。

 

研究意義：中低湍流下磷釋放與鐵還原耦合，高強度下SS吸附解耦該關系，闡明磷緩沖機制的切換閾值。

 

概念機制圖（來源：Fig. 6）

 

數據：圖示湍流協同效應，包括氧擴散、沉積物懸浮、磷吸附和生物同化路徑。

 

研究意義：整合多過程，可視化湍流強度如何通過物理-生物化學途徑調控磷歸宿。

 

研究結論

本研究得出以下核心結論：

 

湍流強度決定磷釋放模式：低強度湍流（ε ≤ 1.3 × 10?2 m2/s3）促進磷擴散，PO?-P濃度上升；高強度湍流（ε ≥ 3.3 × 10?2 m2/s3）觸發SS大量懸浮，吸附作用主導磷固定，使PO?-P下降。

緩沖機制切換：隨湍流增強，磷固定機制從鐵氧化物結合（依賴氧擴散）切換到懸浮沉積物吸附（依賴SS含量），SS含量成為關鍵控制因子。

 

環境啟示：在沉積物輸運減少的流域（如三峽水庫），高強度湍流可能因SS不足削弱磷吸附，加劇 eutrophication 風險；通過水力調控（如流量管理）優化SS含量可抑制生物有效磷。

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

在本研究中，丹麥Unisense微電極系統用于實時、原位測量沉積物-水界面（SWI）的溶解氧（DO）剖面，其研究意義主要體現在：

 

高分辨率空間數據：Unisense電極的微米級尖端（步長0.05 mm）可精確捕捉SWI處的DO梯度（Fig. 3），避免了傳統取樣擾動。數據顯示氧滲透深度變化（1.38–1.9 cm），直接證實湍流增強氧從水體向沉積物的擴散，為氧化層形成提供證據。

揭示氧動態對磷循環的調控：DO剖面與Fe(II)、SRP數據聯動（Fig. 4-5），表明低湍流下高氧滲透促進Fe(III)氧化物形成，抑制磷釋放；高強度湍流下氧消耗增加，削弱氧化屏障，但SS吸附補償此作用。Unisense數據直接量化了氧環境對鐵-磷耦合過程的影響。

支撐機制推斷：通過DO梯度計算氧通量，結合DGT的SRP通量，Unisense數據幫助識別湍流強度閾值（ε ≈ 1.3 × 10?2 m2/s3），在此之上SS吸附取代氧擴散成為主控機制。沒有原位DO測量，這種切換機制難以驗證。

 

技術優勢：Unisense系統的實時性和高精度，使其成為研究界面微環境的關鍵工具，尤其適用于水動力實驗。本研究通過Unisense捕獲的動態DO變化，為湍流-磷釋放模型提供了實證基礎，突出了微電極在環境過程研究中的不可替代性。

 

總之，丹麥Unisense電極數據是本研究的基石，通過提供SWI處高分辨率氧分布，它直接揭示了湍流如何調控氧化還原條件，進而影響磷形態轉化，為理解水動力-生物地球化學耦合機制提供了關鍵證據。