Biomanipulation-induced reduction of sediment phosphorus release in a tropical shallow lake

生物操縱誘導的熱帶淺湖沉積物磷釋放的減少

來源：Hydrobiologia (2017) 794:49–57

 

論文摘要

本文摘要指出，生物調控（通過魚類管理結合沉水植物引種）是修復富營養化淺水湖泊的有效措施。水質和透明度的改善會促進底棲藻類的生長，而底棲藻類與沉水植物一樣，可能限制沉積物中磷（P）的釋放，從而加速湖泊的生態恢復。本研究旨在評估這種生物調控對熱帶淺水湖泊水質、底棲藻類發展和沉積物磷釋放的影響。方法是通過（1）比較已修復和未修復湖區的孔隙水與湖水水質、光照強度及底棲藻類發展；（2）進行 32P放射性同位素示蹤實驗，追蹤來自兩個湖區沉積物巖心的磷釋放。結果表明，生物調控降低了湖水的總磷（TP）、總溶解性磷（TDP）和可溶性活性磷（SRP）濃度，降低了浮游植物生物量，增加了沉積物表面的光照強度，從而刺激了底棲藻類的生長。此外，修復湖區的沉積物32P釋放量低于未修復湖區。同時，修復湖區沉積物上層的溶解氧（DO）水平更高。本研究結果表明，生物調控改善了水質，促進了底棲藻類的生長，從而減少了沉積物磷的釋放，這可能是成功實現生態修復的主要機制之一。

 

研究目的

本研究的主要目的包括：

 

驗證生物調控的綜合效果：評估生物調控（包括魚類移除、投放肉食性魚類和引種沉水植物）對熱帶淺水湖泊水質、底棲藻類發展和沉積物磷釋放的綜合影響。

檢驗核心假設：驗證“生物調控通過改善水質和透明度，從而促進底棲藻類生長，而底棲藻類的生長又能進一步抑制沉積物磷的釋放，形成促進湖泊恢復的正反饋循環”這一核心假設。

 

揭示潛在機制：探究底棲藻類減少沉積物磷釋放的潛在機制，特別是其與沉積物氧化還原條件（通過溶解氧衡量）的關系。

 

研究思路

本研究采用了“實地對比觀測 + 室內控制實驗”相結合的系統思路：

 

研究地點與設計：研究在中國惠州西湖進行。該湖泊的一個區域（南湖）進行了生物調控修復（移除29.7噸魚類，引種沉水植物黑藻和苦草，并投放肉食性魚類），而另一個區域（豐湖）保持未修復狀態作為對照。兩個區域在水質修復前狀況相似，保證了可比性。

實地采樣與測量：

 

水質分析：采集湖水和沉積物孔隙水，分析總磷（TP）、總溶解性磷（TDP）、可溶性活性磷（SRP）濃度和葉綠素a（Chl a）（表征浮游植物和底棲藻類生物量）。

環境因子測量：使用水下輻照度計測量沉積物表面的光照強度**, 并測量塞氏盤深度（SD）。

 

沉積物氧化狀態：使用丹麥Unisense微傳感器測量沉積物上層的溶解氧（DO）垂直剖面，以評估氧化還原條件。

 

室內模擬實驗：

 

32P示蹤實驗：從已修復和未修復湖區分別采集沉積物柱狀樣，在實驗室穩定后，向沉積物中注入放射性同位素32P，監測其在72小時內向上覆水中的釋放量。這直接量化了沉積物磷釋放的潛力。

 

數據比較與分析：使用統計方法（如單因素方差分析）比較修復區與未修復區在所有測量指標上的差異，從而評估生物調控的效果并驗證假設。

 

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）：

 

湖水和孔隙水磷濃度（評估水質和磷的遷移潛力）

 

測量指標：湖水中的TP、TDP、SRP濃度和沉積物孔隙水中的TDP、SRP濃度。

研究意義：這些是評估生物調控對水體磷含量直接效果的關鍵指標。圖2顯示，修復湖區的湖水TP和Chl a濃度顯著低于未修復湖區，表明水質得到改善。更重要的是，修復湖區孔隙水中的TDP和SRP濃度極低（僅為未修復區的4%和2%）。這表明生物調控極大地減少了沉積物中活性磷的庫存，而孔隙水磷是向上覆水釋放的直接來源，其濃度降低意味著內源釋放風險的大幅下降。

 

數據來源：湖水數據見圖2；孔隙水數據見正文“P in porewater”部分的結果描述。

 

光照強度和底棲藻類生物量（揭示驅動因素）

 

測量指標：沉積物表面的光照強度和底棲藻類的葉綠素a生物量。

研究意義：這些數據驗證了生物調控起作用的途徑。研究發現，修復湖區有光照到達湖底（21.6 μmol m?2 s?1），而未修復湖區湖底完全黑暗。相應地，只有修復湖區的沉積物表面有底棲藻類生長（生物量為78.7 mg Chl a m?2）。這證實了生物調控通過改善水下光場，為底棲藻類的定殖和生長創造了必要條件。

 

數據來源：光照和底棲藻類數據見正文“Light and benthic algae on the sediment surface”部分。

 

32P釋放動態（直接量化磷釋放通量）

 

測量指標：在72小時內，從沉積物柱狀樣釋放到上覆水中的32P放射性活度。

研究意義：這是最直接證明生物調控抑制沉積物磷釋放的證據。圖3清晰顯示，來自未修復湖區的沉積物核心，其32P釋放更早、更快、總量更大。而修復湖區的沉積物核心釋放的32P更少且延遲。這在受控條件下直接證實了經過生物調控的沉積物，其磷釋放潛力顯著降低。

 

數據來源：圖3。

 

沉積物溶解氧（DO）微剖面（揭示關鍵機制）

 

測量指標：使用丹麥Unisense微電極測量的沉積物-水界面附近DO濃度的垂直分布（微剖面）。

研究意義：這些數據揭示了生物調控減少磷釋放的核心地球化學機制。圖4顯示，修復湖區沉積物表層的DO濃度顯著高于未修復湖區，且氧化層（DO > 0）的厚度更深（>3.5 mm vs. <2.5 mm）。高DO環境有利于將沉積物中的鐵保持為三價鐵（Fe(III)）形態，而Fe(III)的氧化物/氫氧化物能強烈吸附磷，從而將其“鎖定”在沉積物中。因此，DO微剖面數據強有力地支持了“底棲藻類（和沉水植物）通過光合作用產氧，創造氧化環境，增強沉積物對磷的固定能力”這一關鍵機理。

 

數據來源：圖4。

 

研究結論

 

生物調控有效改善了水質：成功降低了湖水中的總磷和葉綠素a濃度，提高了水體透明度。

促進了底棲藻類群落的發育：改善的光照條件使底棲藻類能夠在修復湖區的沉積物表面定殖和生長。

顯著抑制了沉積物磷釋放：32P示蹤實驗直接證明，修復湖區沉積物的磷釋放通量遠低于未修復湖區。

關鍵機制是氧化層的形成：底棲藻類的光合作用增加了沉積物表層的溶解氧，形成了更厚、氧化性更強的表層，通過促進鐵結合磷（Fe-P）的形成，有效減少了磷向水體的釋放。

 

形成良性循環：生物調控 → 水質改善/透明度增加 → 光照增強 → 底棲藻類/植物生長 → 沉積物氧化層加深 → 磷釋放減少 → 水質進一步改善。這是一個有效的生態修復正反饋循環。

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

在本研究中，丹麥Unisense溶解氧（DO）微電極的測量數據對于闡明生物調控減少沉積物磷釋放的內在機理具有至關重要的意義，其研究價值體現在：

 

提供高分辨率的原位氧化還原證據：Unisense DO微電極能夠以亞毫米級的高空間分辨率測量沉積物-水界面的氧氣分布。本研究利用它精確刻畫了修復區與未修復區沉積物表層氧化還原環境的巨大差異（圖4）。這種高分辨率的原位測量避免了傳統采樣方法可能因暴露于空氣而導致的樣品氧化，真實反映了沉積物最關鍵的化學微環境。

直接連接生物過程與地球化學過程：研究發現修復區有底棲藻類生長。底棲藻類的一個重要功能是光合作用產氧。Unisense微電極測得的修復區沉積物表層DO濃度更高、氧化層更厚的數據，為“底棲藻類生長改善了沉積物氧化狀態”這一假說提供了最直接、最可靠的證據。它將生物學響應（藻類生長）與地球化學結果（氧化環境形成）直接聯系起來。

合理解釋磷釋放減少的機制：沉積物磷釋放，尤其是與鐵結合的磷（BD-P）的釋放，高度依賴于氧化還原條件。在缺氧條件下，Fe(III)被還原為可溶的Fe(II)，導致其吸附的磷釋放到孔隙水中。Unisense數據證實修復區沉積物表層是好氧環境，這有利于Fe以Fe(III)形態存在，從而增強了沉積物對磷的吸附固定能力。因此，DO微剖面數據從機制上解釋了為什么修復區沉積物的磷釋放潛力更低。

 

確證生物調控的長期穩定性：形成的氧化層不僅是磷的“陷阱”，也抑制了厭氧微生物的活性，進一步減少了通過厭氧過程（如硫酸鹽還原）導致的磷釋放。由Unisense電極驗證的、更深的氧化層，意味著這個“保護層”更穩定，從化學角度支持了生物調控措施可能具有長期效益的預期。

 

綜上所述，丹麥Unisense DO微電極在本研究中扮演了“機制探索者”的角色。它提供的高精度、原位氧氣微剖面，是將觀測到的現象（磷釋放減少）與背后的核心化學機制（氧化層加深）緊密聯系起來的決定性證據。沒有這項技術對沉積物微觀氧化還原結構的精確刻畫，對生物調控固磷機理的解釋將停留在推測層面，缺乏堅實的化學基礎。因此，它是深刻理解并最終確認生態修復過程中關鍵生物地球化學機制不可或缺的工具。