Influence of sediment resuspension on the efficacy of geoengineering materials in the control of internal phosphorous loading from shallow eutrophic lakes

沉積物再懸浮對地球工程材料用于控制淺層富營養(yǎng)化湖泊內(nèi)磷負荷效果的影響

來源：Environmental Pollution 219 (2016) 568-579

 

論文總結(jié)

一、論文摘要

本研究探討了沉積物再懸浮對兩種地球工程材料（Phoslock®，一種鑭改性膨潤土；和熱改性鈣基凹凸棒石）控制淺水富營養(yǎng)化湖泊內(nèi)源磷負荷效果的影響。通過使用一種可模擬不同風(fēng)速（中等風(fēng)速5.1 m/s，強風(fēng)速8.7 m/s）的沉積物再懸浮發(fā)生系統(tǒng)（Y形裝置），研究人員評估了在沉積物再懸浮條件下，這兩種材料對沉積物穩(wěn)定性、上覆水磷濃度、沉積物-水界面磷通量以及沉積物磷形態(tài)的影響。研究結(jié)果表明，添加地球工程材料能夠增強表層沉積物的穩(wěn)定性，減少風(fēng)蝕深度。兩種材料均能有效降低上覆水中的可溶性反應(yīng)磷（SRP）濃度，其中Phoslock®的效果通常最佳。然而，它們的效率隨著沉積物再懸浮發(fā)生次數(shù)的增加而有所下降。添加材料還能有效降低沉積物-水界面的磷通量，并減少沉積物在再懸浮期間向孔隙水補充磷的能力。此外，處理后的沉積物中活性磷組分減少，而鈣結(jié)合態(tài)磷和殘渣態(tài)磷的比例增加，這有利于湖泊內(nèi)源磷的長期管理。所有結(jié)果均表明，所研究的地球工程材料適用于存在頻繁沉積物再懸浮活動的淺水富營養(yǎng)化湖泊。

二、研究目的

本研究旨在評估在模擬沉積物再懸浮的動態(tài)條件下，兩種常見的地球工程材料（Phoslock® 和熱改性鈣基凹凸棒石）控制沉積物內(nèi)源磷釋放的有效性和穩(wěn)定性。具體目的包括：

 

評估材料穩(wěn)定性：探究材料添加后，沉積物在風(fēng)浪作用下的抗侵蝕能力（如侵蝕深度）變化。

量化控磷效率：測量再懸浮過程中，材料處理對上覆水磷濃度和沉積物-水界面磷通量的控制效果。

揭示作用機制：分析材料添加如何改變沉積物中磷的形態(tài)分布，從而闡明其長期控磷的潛力。

 

比較應(yīng)用方式：對比熱改性鈣基凹凸棒石兩種應(yīng)用方式（表層覆蓋與 與沉積物混合）的控磷效果差異。

 

三、研究思路

研究采用了受控的實驗室模擬與多指標(biāo)協(xié)同分析相結(jié)合的系統(tǒng)思路：

 

實驗材料與設(shè)計：從太湖和巢湖采集沉積物柱芯，并制備兩種地球工程材料（Phoslock® 和熱改性鈣基凹凸棒石，記為NCAP700）。在實驗室中，設(shè)置對照組（無材料添加）和處理組（分別添加Phoslock®、NCAP700覆蓋、NCAP700混合）。

模擬再懸浮事件：使用Y形實驗裝置（圖1）模擬中等風(fēng)速和強風(fēng)速條件，并重復(fù)進行三次再懸浮-沉降循環(huán)實驗，以模擬頻繁的風(fēng)浪擾動。

 

多參數(shù)實時監(jiān)測：在再懸浮過程中，定期采集不同水層樣品，分析懸浮固體（SS）濃度和可溶性反應(yīng)磷（SRP）濃度，并計算其通量。

沉積物特性分析：實驗結(jié)束后，分析沉積物的侵蝕深度、磷的化學(xué)形態(tài)（活性磷、鐵鋁結(jié)合磷、鈣結(jié)合磷、有機磷、殘渣磷等）。

高分辨率剖面測量：在實驗初期，使用高分辨率孔隙水平衡儀（HR-Peeper）和薄膜擴散梯度技術(shù)（DGT）獲取沉積物孔隙水SRP和活性磷的垂向剖面。

 

數(shù)據(jù)對比與建模：通過對比不同處理組的數(shù)據(jù)，評估材料效果，并利用DGT誘導(dǎo)通量模型（DIFS）分析沉積物固體磷的再補給動力學(xué)。

 

四、測量數(shù)據(jù)及研究意義（注明來源）

 

懸浮固體（SS）濃度與沉積物侵蝕深度（來自圖2、圖3、圖4）：

 

 

 

數(shù)據(jù)：與對照組相比，所有材料處理組均顯著降低了上覆水中的SS濃度和沉積物的侵蝕深度。其中，NCAP700覆蓋處理的SS濃度和侵蝕深度最低，表明其穩(wěn)定沉積物表面的效果最好。強風(fēng)條件下的SS濃度和侵蝕深度均高于中等風(fēng)力條件。

 

研究意義：這些數(shù)據(jù)直接證明，添加地球工程材料可以增強沉積物表面的物理穩(wěn)定性，減少再懸浮帶來的顆粒物釋放，從而有助于降低水體濁度。這對于改善淺水湖泊的光照條件、促進沉水植物恢復(fù)具有積極意義。

 

上覆水可溶性反應(yīng)磷（SRP）濃度與通量（來自圖5、圖6、圖7）：

 

 

 

數(shù)據(jù)：在整個再懸浮過程中，對照組的上覆水SRP濃度和沉積物-水界面磷通量始終最高。所有材料處理組均能有效降低SRP濃度和磷通量，效果依次為：Phoslock® ≈ NCAP700覆蓋 > NCAP700混合 > 對照組。但隨著再懸浮次數(shù)增加，所有處理組的控磷效率均有下降趨勢。

 

研究意義：這表明地球工程材料在動態(tài)水文條件下依然能有效抑制內(nèi)源磷的釋放。Phoslock®和NCAP700覆蓋法的優(yōu)異表現(xiàn)，可能是因為材料能更充分地與上覆水接觸，快速吸附釋放出的磷。效率隨次數(shù)下降則提示，在野外應(yīng)用中可能需要考慮補充投加或優(yōu)化施用以維持長期效果。

 

沉積物磷形態(tài)轉(zhuǎn)化（來自圖9和正文圖S10）：

 

數(shù)據(jù)：經(jīng)材料處理后，沉積物中的活性磷（Pmobile）含量顯著降低，而鈣結(jié)合磷（Ca-P）和殘渣磷（Res-P）等穩(wěn)定形態(tài)磷的比例顯著增加。Phoslock®在表層（0-2厘米）沉積物中的Pmobile降低效果最明顯。

 

研究意義：這是最關(guān)鍵機制性證據(jù)。它表明地球工程材料不僅短期吸附磷，更能促進磷向化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、難以釋放的形態(tài)轉(zhuǎn)化。這種轉(zhuǎn)化對于實現(xiàn)內(nèi)源磷的長期、根本性控制至關(guān)重要，降低了沉積物作為“磷庫”的潛在風(fēng)險。

 

沉積物磷的再補給能力（來自正文圖S8及DIFS模型分析）：

 

數(shù)據(jù)：DGT測量顯示，材料處理組沉積物中的活性磷濃度顯著低于對照組。DIFS模型分析進一步表明，處理組沉積物固體磷的解吸響應(yīng)時間（Tc）更短，解吸速率（Kd）更高，但其再補給比率（R，CDGT/CPW）在表層沉積物中低于對照組。

 

研究意義：從動力學(xué)角度證實，材料處理不僅降低了沉積物中活性磷的“庫存量”，還改變了其“活動性”，使得沉積物固體在磷被消耗后補充孔隙水磷的能力減弱。這解釋了為什么材料能持續(xù)降低磷向上覆水的釋放通量。

 

五、研究結(jié)論

本研究得出以下核心結(jié)論：

 

地球工程材料能增強沉積物穩(wěn)定性：在模擬風(fēng)浪擾動下，Phoslock®和熱改性鈣基凹凸棒石均能提高沉積物的抗侵蝕能力，其中以NCAP700直接覆蓋在沉積物表面的效果最為顯著。

材料能有效控制內(nèi)源磷釋放：兩種材料均能顯著降低再懸浮期間上覆水的SRP濃度和沉積物-水界面的磷釋放通量，Phoslock®的整體表現(xiàn)略優(yōu)于NCAP700。

應(yīng)用方式影響控磷效果：對于熱改性鈣基凹凸棒石，直接覆蓋在沉積物表面的控磷效果優(yōu)于與表層沉積物混合的應(yīng)用方式。

材料促進磷的穩(wěn)定化：地球工程材料通過將沉積物中的活性磷轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的鈣結(jié)合磷和殘渣磷，實現(xiàn)了對內(nèi)源磷的長效控制。

 

適用于動態(tài)環(huán)境：盡管效率會隨頻繁擾動略有下降，但研究證明這兩種地球工程材料適用于存在沉積物再懸浮的淺水富營養(yǎng)化湖泊，為實際應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。

 

六、使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義（詳細解讀）

在本研究中，丹麥Unisense微電極系統(tǒng)被用于高分辨率（100微米）測量沉積物-水界面（SWI）附近的溶解氧（DO）剖面（參考正文圖S2）。盡管在結(jié)果部分未作為重點展示，但這項測量提供了至關(guān)重要的環(huán)境背景信息，其研究意義深遠：

 

界定關(guān)鍵的氧化還原微環(huán)境：Unisense氧微電極能夠精確描繪出溶解氧在沉積物中急劇衰減的梯度。測量結(jié)果顯示，氧氣僅能滲透到沉積物表層約2毫米的深度，隨后環(huán)境迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬鯛顟B(tài)。這一定量數(shù)據(jù)精確標(biāo)定了好氧/厭氧過渡帶的位置，而該界面是控制磷、鐵等元素地球化學(xué)行為（如鐵氧化物的溶解與沉淀）的核心區(qū)域。

為解釋磷釋放機制提供基礎(chǔ)：在厭氧條件下，沉積物中的鐵（羥基）氧化物會發(fā)生還原性溶解，同時釋放其表面吸附或共沉淀的磷。Unisense數(shù)據(jù)提供的缺氧環(huán)境證據(jù)，是理解淺水湖泊沉積物為何會成為內(nèi)源磷“源”的理論基石。它表明，在沉積物主體中，存在著驅(qū)動磷釋放的強還原條件。

輔助評估地球工程材料的潛在作用機制：雖然本研究未直接報道材料添加后氧剖面的變化，但此類測量通常可用于推斷材料的間接影響。例如，如果某種材料能改變沉積物的物理結(jié)構(gòu)或微生物活動，從而影響氧的消耗和滲透，那么Unisense電極就能捕捉到這種微觀環(huán)境的變化。這對于全面理解材料如何通過改變氧化還原條件來間接影響磷的固定（如促進鐵氧化物對磷的吸附）至關(guān)重要。

 

支撐整個實驗系統(tǒng)的生態(tài)真實性：獲取與原位環(huán)境相符的氧剖面數(shù)據(jù)，驗證了實驗室模擬系統(tǒng)（如Y形裝置中的沉積物柱）維持了關(guān)鍵的化學(xué)梯度。這確保了后續(xù)關(guān)于磷動態(tài)的所有觀測（如SRP釋放）是在貼近實際的、具有化學(xué)層次的環(huán)境中發(fā)生的，從而增強了研究結(jié)果的可靠性和外推價值。

 

綜上所述，丹麥Unisense氧微電極的測量數(shù)據(jù)在本研究中扮演了 “環(huán)境診斷師”的角色。它通過提供高精度的原位氧化還原信息，為理解沉積物中磷的生物地球化學(xué)循環(huán)設(shè)定了準(zhǔn)確的物理化學(xué)背景。沒有對沉積物氧環(huán)境的準(zhǔn)確認知，就無法深入理解磷釋放的內(nèi)在驅(qū)動因素，也無法全面評估地球工程材料在復(fù)雜環(huán)境中的真實效能。