Importance of diffusion and resuspension for phosphorus cycling during the growing season in large, shallow Lake Peipsi

大型淺水湖泊中磷在生長季的擴散與再循環的重要性

來源：Hydrobiologia DOI 10.1007/s10750-015-2319-9

 

摘要內容

這篇論文研究了大型淺水湖泊佩普西湖（Lake Peipsi）在生長季期間，沉積物中磷（P）的內部負荷及其循環機制。摘要指出，通過質量平衡方法量化了磷的內部負荷，并評估了再懸浮（resuspension）和擴散（diffusion）對磷循環的相對重要性。研究發現，磷的總沉降（gross sedimentation）是質量平衡中的主導因素，其中再懸浮貢獻了總沉降的62%–68%，是內部磷負荷的主要來源。在生長季早期（截至7月底），磷的擴散釋放與再懸浮通量相當；而8月之后，再懸浮通量約為擴散通量的40倍，成為磷循環的主導機制。擴散和再懸浮共同為水體在生長季提供了持續的磷供應。

研究目的

本研究旨在闡明佩普西湖中磷的內部負荷在湖泊磷預算中的作用，并評估再懸浮和擴散這兩種機制在生長季（5月至10月）期間對磷循環的相對重要性，特別是對生物有效性磷的供應能力。

研究思路

研究采用多方法結合的策略：

 

質量平衡計算：基于磷的外部負荷、流出量、水體中磷的儲存變化以及總沉降量，計算內部磷負荷。

現場監測與采樣：在2011年5月至10月期間，于佩普西湖的兩個湖區（Peipsi s.s. 和 Lammij?rv）設置多個采樣點，使用沉積物陷阱（sediment traps）收集沉積物，測量磷的總沉降量和再懸浮速率。

地球化學分析：

 

使用丹麥Unisense RD100微傳感器（氧化還原電位微電極）測量沉積物表層（0–3 cm）的氧化還原電位垂直剖面（2013年8月）。

 

采集孔隙水樣品，測定溶解性反應磷（SRP）濃度，并基于菲克第一定律計算擴散通量。

 

統計分析：通過重復測量方差分析（ANOVA）比較不同湖區和時間點的變量差異。

 

測量數據及研究意義（注明數據來源）

 

磷的總沉降與再懸浮速率：

 

數據內容：磷的總沉降速率在Peipsi s.s.湖區為2.3–103.8 mg P m?2 d?1（均值34.3），在Lammij?rv湖區為83.1–136.7 mg P m?2 d?1（均值105.5）。再懸浮速率在Peipsi s.s.為3.9–75.5 mg P m?2 d?1，在Lammij?rv為47.8–89.9 mg P m?2 d?1。

研究意義：量化了沉積物-水界面磷的遷移通量，表明再懸浮是內部磷負荷的主要途徑，尤其在Lammij?rv湖區更為顯著。

 

 

數據來源：圖2展示了總沉降和再懸浮速率的月度變化；表3提供了均值數據。

 

氧化還原電位（Eh）剖面：

 

數據內容：Unisense微電極測量顯示，Peipsi s.s.湖區沉積物表層Eh值較高（約373 mV），隨深度呈指數下降，在0.7 cm處低于200 mV；Lammij?rv湖區Eh值較低（約213 mV），在1 cm深處即降至82 mV。

研究意義：直接反映了沉積物的氧化還原狀態。Eh低于200 mV表明存在還原條件，有利于磷從鐵結合態釋放，但本研究中發現的高Eh值說明沉積物表層總體處于氧化狀態，限制了還原性磷的擴散釋放。

 

數據來源：圖3展示了兩個湖區Eh隨深度的變化剖面。

 

溶解性反應磷（SRP）濃度與擴散通量：

 

數據內容：孔隙水SRP濃度（0.002–0.069 mg P L?1）顯著高于上覆水（0.005–0.032 mg P L?1）。擴散通量在Peipsi s.s.和Lammij?rv分別為0.23±0.16和0.21±0.17 mg P m?2 d?1，且在7月最高，8月后下降。

研究意義：表明盡管存在濃度梯度，但擴散通量較低，與沉積物氧化狀態一致；通量的季節性變化與水溫、礦化速率及再懸浮干擾相關。

 

數據來源：圖5展示了SRP濃度和擴散通量的月度變化；表3提供了均值。

 

生物有效性磷的再懸浮通量：

 

數據內容：基于表層沉積物中生物有效性磷的比例（10%），計算得出Peipsi s.s.湖區的再懸浮通量在5–7月為0.44±0.36 mg P m?2 d?1，8–10月升至3.55±2.38 mg P m?2 d?1。

研究意義：量化了再懸浮對生物有效性磷的貢獻，顯示其在生長季后期成為磷的重要來源。

 

數據來源：圖4對比了不同時期再懸浮與擴散通量；表3提供了匯總數據。

 

結論

 

再懸浮主導內部磷負荷：再懸浮貢獻了總沉降磷的62%–68%，是內部磷負荷的主要機制，尤其在生長季后期（8月后）通量遠超擴散。

擴散作用有限但早期重要：擴散通量總體較低，但在生長季早期（截至7月底）與再懸浮通量相當，為水體提供了初始磷源。

氧化狀態抑制磷釋放：沉積物表層較高的氧化還原電位限制了基于還原條件的磷釋放，使擴散通量維持在較低水平。

 

機制協同供應磷：擴散和再懸浮在生長季不同階段協同作用，確保了水體中磷的持續供應，維持了藻類水華。

 

詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量數據的的研究意義

本研究中使用丹麥Unisense RD100氧化還原電位微電極獲得的數據具有關鍵研究意義：

 

提供高分辨率氧化還原剖面：Unisense微電極能以毫米級精度測量沉積物垂直剖面的Eh值（圖3）。這種高空間分辨率避免了傳統分層取樣的擾動，直接揭示了沉積物表層的氧化還原梯度。例如，數據顯示在Peipsi s.s.湖區，Eh在0.7 cm深度處才降至200 mV以下，表明其表層處于氧化狀態。

直接關聯磷釋放機制：Eh剖面數據為解釋擴散通量的季節性變化提供了機制性證據。高Eh值表明沉積物表層缺乏強還原條件，這抑制了鐵結合磷的還原溶解，從而限制了基于濃度梯度的擴散通量。這與觀測到的低擴散通量（表3）一致。

揭示湖區間差異的驅動因素：Unisense數據顯示Lammij?rv湖區的Eh值顯著低于Peipsi s.s.（圖3），說明前者沉積物更易處于還原狀態。這有助于解釋為何Lammij?rv的磷循環更為活躍（如更高的再懸浮通量），反映了形態學和水文動態的差異。

 

支持再懸浮主導的結論：通過證實沉積物表層總體氧化，Unisense數據間接強化了“再懸浮而非擴散是主要磷釋放機制”的結論。在氧化條件下，顆粒態磷的再懸浮比溶解態磷的擴散更易發生。

 

總之，Unisense電極提供的高分辨率氧化還原數據，不僅量化了沉積物的化學狀態，更將微觀環境條件（Eh）與宏觀磷循環過程（擴散 vs. 再懸浮）動態聯系起來，為理解淺水湖泊內部磷負荷的驅動機制提供了關鍵證據。