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&以西南洪峰水庫為例

來源：Environmental Pollution 219 (2016) 858-865

 

論文總結

一、論文摘要

本研究利用薄膜擴散梯度技術（DGT）和微電極技術，在中國西南典型的深水生態系統——紅楓水庫中，仔細研究了缺氧及其對沉積物中磷釋放的影響。摘要指出，缺氧顯著促進了沉積物中磷的釋放，并且在缺氧條件下釋放的磷主要來源于BD-P（可還原態磷，主要與鐵氧化物結合）。結合DGT和微電極提供的原位高分辨率證據，研究推測缺氧條件下沉積物中磷的釋放是與“P-Fe-S”耦合循環相關的聯合過程。本研究證據表明，在富營養化的深水水庫中，尤其是在外源磷負荷減少后，由缺氧引起的內部磷負荷應得到更多關注。

 

二、研究目的

本研究旨在：

探究缺氧對磷釋放的影響：在受磷污染嚴重、存在季節性缺氧的深水水庫（紅楓水庫）中，明確缺氧對沉積物中磷釋放的促進作用。

闡明磷釋放的機制：利用高分辨率原位技術（DGT和微電極），深入揭示沉積物-水界面（SWI）磷釋放的微觀地球化學過程，特別是其與鐵、硫循環的耦合關系。

 

評估內部磷負荷的重要性：強調在外部磷輸入得到控制后，由季節性缺氧引發的沉積物內源磷釋放對水體富營養化的持續影響，為水庫管理提供科學依據。

 

三、研究思路

研究采用野外調查與室內受控實驗相結合的系統思路：

 

野外采樣與監測：

 

于2014年在紅楓水庫選擇北中部（NC）、南中部（SC）和后五（HW）三個具有代表性的深水點位（圖1）進行采樣。

 

監測水體垂直剖面：測量水溫、溶解氧（DO）、總磷（TP）的時空變化（圖2, 3, 4），以確定熱分層、缺氧發生的位置和程度以及底層水磷的分布特征。

 

 

 

采集沉積物柱狀樣，用于后續分析。

 

高分辨率原位測量：

 

使用 Zr-氧化物DGT技術 獲取沉積物-水界面處活性磷（DGT-labile P） 的二維高分辨率（亞毫米級）分布圖（圖5, 7），直觀顯示磷釋放的“熱點”區域和強度。

 

 

使用 丹麥Unisense微電極系統 測量沉積物孔隙水中溶解氧（O?）、硫化氫（H?S）和pH 的垂直微剖面（分辨率300 μm）（圖6），精確刻畫氧化還原梯度。

 

室內培養實驗：

 

在實驗室控制溫度（20±1°C）和溶解氧條件（缺氧：DO < 1 mg/L；中氧：DO ≈ 4-6 mg/L；高氧：DO > 9 mg/L），進行沉積物-水系統的磷釋放模擬實驗，并利用DGT測量不同DO條件下的活性磷（表3），分離溫度與DO的效應。

 

沉積物樣品室內分析：

 

對沉積物樣品進行磷形態連續提取（NH?Cl-P, BD-P, NaOH-P, HCl-P, Residual-P），分析其季節變化（表2）。

 

分析沉積物的基本性質，如總有機碳（TOC）、總氮（TN）、Fe、Al、Mn含量等（表1）。

 

 

四、測量數據及研究意義（注明來源）

本研究測量了多類數據，其來源和意義如下：

 

水體理化參數垂直剖面（來自圖2, 3, 4）：

 

數據：圖2, 3顯示，夏季（4-9月）紅楓水庫存在明顯熱分層（溫躍層約8米深）和氧分層，底層水（>12米）DO濃度接近0 mg/L，形成季節性缺氧。圖4顯示，底層水TP濃度在SWI附近急劇升高，表明沉積物是底層水磷的重要來源。

 

研究意義：這些數據直接證實了紅楓水庫夏季存在嚴重的季節性缺氧現象，并為沉積物磷釋放提供了宏觀的環境背景。TP在底部的富集將研究焦點引向沉積物-水界面的交換過程。

 

沉積物活性磷高分辨率分布（來自圖5, 7）：

 

數據：圖5顯示，夏季沉積物表層（0-5 cm）的DGT活性磷濃度顯著高于冬季，并且在SWI附近存在高度的空間異質性。圖7的室內實驗進一步證明，在缺氧條件下（DO < 1 mg/L），上覆水中的活性磷濃度（~0.15 mg/L）遠高于中氧和高氧條件。

 

研究意義：DGT數據提供了原位、高分辨率的直接證據，表明缺氧確實極大地促進了沉積物中活性磷的向上覆水釋放。夏季的高濃度和空間異質性可能與局部的微生物活動（如鐵還原）和化學條件（如硫化物產生）的微環境差異有關。

 

沉積物孔隙水微環境參數（來自圖6，由Unisense微電極測量）：

 

數據：O?在SWI之下極薄層內（< 4 mm）即被耗盡，夏季的O?滲透深度（約1.3 mm）淺于冬季（約3.2 mm）。H?S在夏季的沉積物中更早出現（約4 mm深度）且濃度更高（NC點最高達4.62 mg/L），表明夏季硫酸鹽還原作用更強烈。pH值在表層略有下降。

 

研究意義：這些毫米/亞毫米級的微剖面數據精確揭示了驅動磷釋放的氧化還原微環境。O?的快速消耗標志著厭氧過程的開始，而H?S的積累則與鐵硫化物的形成密切相關，這為解釋BD-P的釋放提供了關鍵線索。

 

沉積物磷形態季節性變化（來自表2）：

 

數據：夏季沉積物中的總磷（TP）和BD-P含量均低于冬季。BD-P的減少量占TP減少量的65.8%，是夏季磷減少的主要貢獻者。其他形態的磷（如NaOH-P, HCl-P）季節差異不顯著。

 

研究意義：該數據直接證實了在季節性缺氧期間，BD-P（鐵結合磷）是從沉積物中釋放出來的主要磷形態。這支持了“鐵氧化物還原溶解是缺氧條件下磷釋放主導機制”的經典理論。

 

五、研究結論

本研究主要結論如下：

 

缺氧顯著促進內源磷釋放：紅楓水庫夏季的季節性缺氧顯著增強了沉積物中磷向水體的釋放，DGT活性磷濃度和上覆水磷含量在缺氧條件下均明顯升高。

BD-P是主要釋放源：磷形態分析表明，夏季從沉積物中釋放的磷主要來源于BD-P（鐵結合磷）的減少。

“P-Fe-S”耦合循環機制：微電極測量的O?耗盡和H?S積累，結合BD-P的釋放，表明磷的釋放過程與鐵、硫的循環緊密耦合。缺氧導致鐵氧化物被還原溶解（釋放BD-P），同時產生的Fe2?與硫酸鹽還原產生的H?S反應生成鐵硫化物，此過程可能進一步促進磷的釋放。

DO是關鍵控制因子：室內實驗表明，在溫度恒定的情況下，DO水平是控制磷釋放的決定性因素，缺氧條件（DO < 1 mg/L）下的磷釋放通量遠高于氧化條件。

 

管理啟示：對于中國西南地區的深水富營養化水庫，在有效控制外源磷輸入后，必須高度重視由季節性缺氧引發的沉積物內源磷釋放問題，以防其對水生態恢復產生持續負面影響。

 

六、丹麥Unisense電極測量數據的研究意義（詳細解讀）

本研究使用丹麥Unisense微電極系統測量的O?、H?S和pH微剖面數據（圖6）具有至關重要的研究意義：

 

精準界定氧化還原過渡帶：Unisense電極的亞毫米級空間分辨率（300 μm）使得能夠精確測定溶解氧的滲透深度（OPD）。數據顯示OPD在夏季僅約1.3 mm，遠淺于冬季（3.2 mm）。這個精確的OPD數據是理解早期成巖序列起點的關鍵，它清晰地劃定了好氧過程和厭氧過程（如鐵還原、硫酸鹽還原）的空間分界線。淺的OPD意味著更厚的沉積物層卷入了強烈的厭氧反應，為磷釋放創造了更廣闊的空間。

直接關聯硫、鐵循環與磷釋放：H?S微剖面的測量至關重要。夏季H?S出現更早、濃度更高，直接證實了強烈的硫酸鹽還原活動。H?S的存在有兩個重要作用：(1) 它能通過化學還原作用促進鐵（氫）氧化物的溶解，間接釋放其結合的磷（BD-P）；(2) 它能與孔隙水中的Fe2?反應生成不溶的FeS，從而移除了孔隙水中的Fe2?。這種Fe2?的清除作用可能破壞了磷在氧化層再吸附的“鐵門”機制，使得從深層釋放的磷能更順利地進入上覆水。Unisense數據將H?S的生成與BD-P的減少在空間和時間上聯系起來，為“P-Fe-S”耦合機制提供了直接的、原位的地球化學證據。

揭示季節動態的微觀驅動因素：通過對比夏、冬季的O?和H?S剖面，Unisense數據清晰地展示了氧化還原條件的季節性劇烈變化。夏季更薄的有氧層和更強的還原條件（更高的H?S），從微觀尺度解釋了為何夏季磷釋放通量遠高于冬季。這種高分辨率的時間序列對比，將宏觀的生態現象（季節性缺氧和磷釋放）與微觀的界面地球化學過程直接鏈接。

為模型提供關鍵參數和驗證：O?和H?S的擴散-反應模型是早期成巖模型的核心。Unisense提供的精確濃度梯度數據可以作為模型校準和驗證的黃金標準。例如，O?消耗的陡峭梯度和H?S的峰值深度和形態，可以用來精確反演有機質礦化速率、硫酸鹽還原速率等關鍵參數，從而提升模型預測磷釋放能力的可靠性。

 

技術優勢凸顯原位測量的重要性：與傳統分層取樣相比，Unisense電極的原位、實時、無損測量最大限度地避免了對脆弱沉積物-水界面微環境的擾動，以及樣品取出后可能發生的氧化（對O?）或揮發（對H?S），獲得了更真實反映原位條件的、無可替代的氧化還原參數。

 

總之，丹麥Unisense電極獲得的高分辨率化學微剖面數據，不僅是證明缺氧存在的“溫度計”，更是解讀沉積物中磷釋放機制及其與硫、鐵循環耦合關系的“解碼器”。它將宏觀的磷釋放通量與微觀的氧化還原反應動力學聯系起來，極大地增強了對深水水庫內源磷負荷形成機制的理解，為預測和管理水體富營養化提供了堅實的科學基礎。