Effects of seasonal hypoxia on the release of phosphorus from sediments in deep-water ecosystem: A case study in Hongfeng Reservoir, Southwest China

季節性缺氧對深水生態系統沉積物磷釋放的影響——以洪峰水庫為例

來源：Environmental Pollution 219 (2016) 858-865

 

論文摘要

本文摘要指出，缺氧（溶解氧DO < 2 mg/L）是一個全球性的環境問題，它能顯著促進沉積物中磷（P）的釋放，從而形成加劇水體富營養化的正反饋循環。本研究以中國西南部典型的深水生態系統——紅楓湖為案例，結合使用薄膜擴散梯度技術（DGT）和微電極技術，深入研究了缺氧及其對沉積物釋磷的影響。結果表明，缺氧顯著促進了沉積物中磷的釋放，且缺氧條件下的釋磷主要來源于BD-P（可還原態磷，即與鐵氧化物結合的磷）的釋放。結合DGT和微電極提供的原位、高分辨率證據，研究認為缺氧條件下的沉積物釋磷是一個與 “P-Fe-S”耦合循環相關的復雜過程。本研究的結果提示，在治理中國西南部富營養化深水水庫時，尤其是在外源磷負荷減少后，由缺氧引起的內源磷負荷應當受到更多關注。

研究目的

本研究的主要目的包括：

 

探究缺氧效應：在深水生態系統中，探究季節性缺氧對沉積物磷釋放的影響。

揭示釋放機制：利用DGT和微電極等高分辨率原位技術，深入揭示沉積物釋磷的微觀機理，特別是其與鐵、硫等元素生物地球化學循環的耦合關系。

 

評估管理意義：為富營養化深水水庫的管理，特別是在控制內源污染方面，提供重要的科學依據。

 

研究思路

本研究遵循了“野外現場觀測與采樣 + 室內受控實驗驗證 + 高分辨率技術分析”的系統思路：

 

研究區域與采樣：選擇中國西南部深水富營養化水庫——紅楓湖作為研究區域。于2014年7月（夏季，缺氧期）和12月（冬季，富氧期）分別從湖區的三個代表性點位（NC, SC, HW）采集沉積物柱狀樣和水樣。

野外現場監測：監測水體溫度、溶解氧（DO）和總磷（TP）的垂直剖面，以確定水庫的熱分層和化學分層結構，以及缺氧區的形成和分布。

室內模擬實驗：在實驗室控制溫度（20°C）和溶解氧（設定缺氧DO<1 mg/L、中等DO≈4-6 mg/L和富氧DO>9 mg/L三個水平）條件下，進行沉積物磷釋放的培養實驗，直接驗證DO對釋磷的控制作用。

高分辨率技術應用：

 

DGT技術：使用Zr-氧化物DGT技術，以亞毫米級的分辨率獲取沉積物-水界面（SWI）活性磷（DGT-labile P）的二維分布信息，揭示磷釋放的“熱點”和微觀過程。

 

微電極技術：使用丹麥Unisense微電極系統，以300微米的高空間分辨率測量沉積物剖面的溶解氧（O?）、硫化氫（H?S）和pH，精確刻畫驅動磷釋放的氧化還原梯度。

 

傳統化學分析：對沉積物進行磷形態連續提取（NH?Cl-P， BD-P， NaOH-P， HCl-P， Residual-P）和基本性質（TOC， TN， Fe， Al， Mn等）分析，從宏觀化學組成角度輔助解釋機理。

 

數據整合與機理闡釋：將高分辨率的DGT和微電極數據與傳統的磷形態、水質數據相結合，綜合論證缺氧如何通過影響鐵、硫的循環進而驅動磷的釋放。

 

測量數據及其研究意義

研究測量了多方面的數據，其意義和來源如下（數據均引用自文檔中的圖表和正文描述）：

 

水體溫度、溶解氧（DO）和總磷（TP）垂直剖面（界定缺氧環境及磷的分布）

 

測量指標：水柱中溫度、DO和TP濃度隨深度的變化。

研究意義：這些數據是定義研究系統季節性缺氧特征的直接證據。圖2、圖3和圖4清晰顯示，夏季紅楓湖存在明顯的熱分層和化學分層，表層水溫高、DO飽和，但底層水溫低、形成缺氧區（DO < 0.5 mg/L），并且底層水的TP濃度顯著升高。這證實了缺氧條件下沉積物確實是向上覆水體釋放磷的重要來源，為后續的機理研究提供了環境背景。

 

 

 

數據來源：圖2（SC和NC點位的典型剖面），圖3（2014年全年的月度變化），圖4（不同點位的TP垂直剖面）。

 

DGT-活性磷（DGT-labile P）的高分辨率分布（直接揭示磷釋放的活性和界面過程）

 

測量指標：利用DGT技術測量的沉積物-水界面附近活性磷的二維分布，分辨率達亞毫米級。

研究意義：這是本研究最核心的創新發現之一。圖5顯示，夏季沉積物表層的DGT-活性磷濃度顯著高于冬季。這提供了最直觀、高分辨率的原位證據，表明缺氧條件確實極大地增強了沉積物中活性磷的供應能力。DGT數據克服了傳統切片法分辨率低的缺點，首次在紅楓湖沉積物中直接“看到”了磷釋放的微觀界面過程。

 

數據來源：圖5（夏季和冬季NC， SC， HW點位的DGT-活性磷剖面）。

 

沉積物磷形態組成（揭示磷釋放的源頭）

 

測量指標：通過連續提取法獲得的沉積物中不同形態磷的含量，如BD-P， NaOH-P等。

研究意義：表2的數據表明，夏季沉積物中的TP和BD-P含量顯著低于冬季，而其他形態的磷含量無顯著變化。這強有力地證明，在夏季缺氧期間，從沉積物中釋放出去的磷主要來源于BD-P（即可還原態鐵結合磷）的活化釋放。這從化學形態上明確了缺氧促釋磷的主要來源和機制。

 

數據來源：表2（夏季和冬季各點位沉積物的磷形態含量）。

 

微電極測量的O?， H?S， pH垂直剖面（提供磷釋放的驅動機制證據）

 

測量指標：使用微電極測量的沉積物中O?， H?S濃度和pH值的垂直剖面，分辨率高達300微米。

研究意義：圖6提供的微電極數據是連接“缺氧”與“釋磷”的關鍵橋梁。數據顯示，夏季沉積物O?滲透深度極淺（<4 mm），而H?S在表層大量生成。這證實了強烈的還原環境的存在，這種環境會導致Fe(III)還原為Fe(II)，使得與之結合的BD-P被釋放，同時H?S會與Fe2?形成FeS沉淀，進一步促進磷的解吸。這些高分辨率數據為“P-Fe-S”耦合循環機制提供了最直接的現場證據。

 

數據來源：圖6（夏季和冬季O?， H?S， pH的微電極剖面）。

 

室內培養實驗的活性磷數據（受控條件下的驗證）

 

測量指標：在實驗室控制條件下，不同DO水平的上覆水中溶解性活性磷的濃度隨時間的變化。

研究意義：圖7和表3的數據在受控條件下驗證了野外觀察到的現象。在缺氧（DO<1 mg/L）條件下，上覆水中的活性磷濃度迅速升高并維持在較高水平，顯著高于中等DO和富氧條件。這排除了野外環境中溫度等其他因素的干擾，確證了“低溶解氧”本身是驅動磷釋放的關鍵因子。

 

數據來源：圖7（DGT二維圖像），表3（不同DO下活性磷濃度隨時間變化）。

 

研究結論

 

季節性缺氧是驅動磷釋放的關鍵因素：紅楓湖夏季形成的季節性缺氧顯著促進了沉積物向內源磷的“匯”向“源”的轉化，是導致底層水體磷濃度升高的重要原因。

BD-P是缺氧釋磷的主要來源：沉積物磷形態變化和機理分析均表明，缺氧條件下釋放的磷主要來自BD-P（鐵結合磷）的活化。

釋磷機制是“P-Fe-S”耦合循環：高分辨證據支持缺氧條件下的釋磷是一個與鐵、硫循環耦合的過程。缺氧導致Fe(III)還原，釋放BD-P；同時硫酸鹽還原產生H?S，H?S與Fe2?形成硫化物沉淀，進一步阻止磷的再吸附，從而促進磷的持續釋放。

 

內源負荷需要高度重視：研究強調，在紅楓湖這類深水水庫，即使成功控制了外源磷輸入，由季節性缺氧引發的內源磷負荷仍可能維持水體的富營養化狀態。因此，在管理策略中必須考慮對內源磷的控制。

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

在本研究中，丹麥Unisense微電極系統的測量數據對于證實缺氧環境、闡明釋磷的驅動機制具有不可替代的關鍵作用，其研究意義體現在以下幾個方面：

 

提供缺氧存在的直接、高分辨率證據：Unisense溶解氧（O?）微電極能夠以極高的空間分辨率（300微米）測量沉積物-水界面的氧氣分布。本研究利用它精確測定了沉積物中氧氣的滲透深度（圖6），發現夏季O?在表層4毫米以內即被耗盡，而冬季的滲透深度略深。這提供了缺氧存在于沉積物表層的“鐵證”，是后續一切推論的物理化學基礎。

揭示驅動磷釋放的關鍵化學梯度：Unisense微電極同時測量了硫化氫（H?S）和pH的垂直剖面。這是連接“缺氧”與“釋磷”機制的核心環節。

 

H?S剖面的意義：圖6顯示，夏季沉積物中H?S在淺層（約20mm處）出現峰值。這直接證實了硫酸鹽還原作用的強烈發生。H?S的存在有兩方面重要作用：(a) 與Fe2?結合形成FeS沉淀，阻止釋放到孔隙水中的磷再次被鐵氧化物吸附，從而促進磷向水體擴散；(b) 其消耗H?可能導致局部pH微升，也可能影響磷的吸附-解吸平衡。沒有H?S的微電極數據，“P-Fe-S”耦合機制將缺乏關鍵一環。

 

pH剖面的意義：pH數據雖然變化不大，但提供了完整的化學場信息，排除了pH劇烈變化作為主要驅動因素的可能性，從而更突顯了氧化還原條件（O?， H?S）的主導作用。

 

精準定位生物地球化學反應的活躍區帶：通過將O?、H?S的消退/出現深度與DGT測得的活性磷峰值深度進行疊合分析，可以在亞毫米尺度上精準定位“鐵還原帶”、“硫酸鹽還原帶”和“磷釋放活躍帶”。這種高分辨率的對應關系，極大地增強了“缺氧→鐵還原/硫酸鹽還原→磷釋放”這一因果鏈的可信度。

 

技術優勢保障數據可靠性：Unisense是國際知名的微電極品牌，其Clark型氧微電極具有響應快、靈敏度高、對水流速不敏感等優點。在本研究涉及的化學梯度劇烈的沉積物環境中，使用這種原位、無損的測量技術，最大程度地避免了采樣過程中氧化還原狀態被破壞，確保了所獲O?、H?S剖面能夠真實反映現場的微觀環境。

 

綜上所述，丹麥Unisense微電極在本研究中扮演了“機制診斷器”的角色。它提供的高精度、多參數（O?， H?S， pH）原位垂直剖面，不僅是證明缺氧存在的“診斷書”，更是闡明沉積物釋磷背后復雜的“P-Fe-S”耦合循環機制的“路線圖”。沒有這項技術提供的氧化還原精細結構證據，對整個現象的解釋將只能停留在宏觀推測層面，而無法深入到機制層面。因此，它是本研究成果量和科學價值的重要支撐。