研究簡介:藻華在水生態(tài)系統(tǒng)中引發(fā)的生態(tài)退化已成為全球關(guān)注的問題，尤其是藻華分解對營養(yǎng)循環(huán)的影響。沉積物在營養(yǎng)循環(huán)中起著關(guān)鍵作用，尤其是沉積物-水界面（SWI），由于其頻繁的物質(zhì)周轉(zhuǎn)和營養(yǎng)交換而備受關(guān)注。磷（P）、鐵（Fe）和硫（S）是水生態(tài)系統(tǒng)中的重要營養(yǎng)元素，它們的相互作用影響著各自的可用性和流動性。藻華分解過程中，藻類沉淀到湖底并釋放大量顆粒態(tài)/溶解態(tài)/膠體態(tài)營養(yǎng)物質(zhì)，顯著改變了沉積物和水體的物理和化學(xué)特征，進而影響營養(yǎng)循環(huán)。。藻華分解對湖泊沉積物-水界面（SWI）處磷（P）、鐵（Fe）和硫（S）動態(tài)的影響。通過在巢湖進行的原位中型實驗，結(jié)合擴散梯度薄膜（DGT）技術(shù)和高分辨率微電極技術(shù)，研究了藻華分解過程中P、Fe和S的濃度變化、通量變化及其相互作用。結(jié)果顯示，藻華分解顯著改變了SWI處P、Fe和S的動態(tài)，導(dǎo)致這些元素的濃度在沉積物和水柱中顯著增加，并改變了它們在SWI處的通量方向和大小。藻華分解直接釋放了大量P和S，同時促進了沉積物中鐵的還原和釋放，這些過程共同導(dǎo)致了水柱中P和S的積累以及黑水現(xiàn)象的形成。研究人員通過原位中型實驗，基于兩種新開發(fā)技術(shù)，擴散梯度薄膜（DGT）技術(shù)和高分辨率微電極技術(shù)，研究了藻華分解對湖泊沉積物-水界面（SWI）處磷（P）、鐵（Fe）和硫（S）動態(tài)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，藻華分解顯著改變了SWI處P、Fe和S的濃度、通量及其相互作用。藻華分解過程中，P和S從降解的藻類中同時釋放，導(dǎo)致沉積物和水柱中P和S濃度顯著增加，并形成雙向擴散通量。沉積物仍然是Fe的主要來源，而藻華分解改變了P和S的原始鐵耦合動態(tài)。研究結(jié)果有助于深入理解藻華分解對富營養(yǎng)化湖泊中營養(yǎng)循環(huán)的貢獻。

Unisense微電極測量系統(tǒng)的應(yīng)用

Unisense微電極系統(tǒng)用于測量沉積物中的氧化還原電位（Eh）。使用針式微電極（Unisense，丹麥）測量沉積物中的Eh，微電極的移動和定位精度為1微米，由微操縱器驅(qū)動。在每次DGT采樣前，使用微電極測量沉積物中的Eh剖面，以評估沉積物的氧化還原狀態(tài)。通過測量Eh變化，能夠了解藻華分解過程中沉積物氧化還原條件的變化，并理解P、Fe和S的動態(tài)變化。

實驗結(jié)論

藻華分解顯著改變了SWI處P、Fe和S的動態(tài)，藻類分解導(dǎo)致P和S從藻體直接釋放，形成向沉積物和上覆水的雙向擴散。第7天出現(xiàn)峰值濃度(SRP 1.36 mg/L，F(xiàn)e(II)0.69 mg/L，S(-II)16.37 mg/L)，分別達對照組的17倍、5倍和14倍。沉積物則持續(xù)作為上覆水Fe的主要來源。導(dǎo)致這些元素在沉積物和水柱中的濃度顯著增加，并改變了它們在SWI處的通量方向和大小。微電極測量數(shù)據(jù)顯示，處理組Eh值在前8天持續(xù)下降，第8天達到最低點(-200mV左右)，表明此時藻類分解最為強烈。這種強還原環(huán)境促進了沉積物中鐵(III)氧氫氧化物的還原溶解。通量計算表明，藻類添加使SWI處P和S的通量方向逆轉(zhuǎn)，主要表現(xiàn)為從水柱向沉積物的負通量，而Fe保持從沉積物向上的正通量。藻華分解直接釋放了大量P和S，同時促進了沉積物中鐵的還原和釋放，這些過程共同導(dǎo)致了水柱中P和S的積累以及黑水現(xiàn)象的形成。研究結(jié)果為理解藻華分解對富營養(yǎng)化湖泊中營養(yǎng)循環(huán)的貢獻提供了重要依據(jù)。

圖1、水柱中SRP、可溶性Fe(II)和S(-II)在培養(yǎng)期間的變化。本圖展示了添加藻類處理組和對照組在水柱中可溶性活性磷(SRP)、亞鐵離子(Fe(II))和硫化物(S(-II))濃度隨時間的變化規(guī)律。處理組三種物質(zhì)均呈現(xiàn)先升高后降低的單峰變化趨勢，第7天達到峰值(SRP 1.36 mg/L，F(xiàn)e(II)0.69 mg/L，S(-II)16.37 mg/L)。對照組則保持相對穩(wěn)定的低濃度水平。這種差異直觀反映了藻類分解對水化學(xué)環(huán)境的顯著影響。

圖2、培養(yǎng)期間沉積物剖面Eh值的變化。通過Unisense微電極系統(tǒng)測量的沉積物氧化還原電位(Eh)剖面顯示，處理組(右)在前8天Eh值持續(xù)下降，最低點出現(xiàn)在約-20mm深度處，表明藻類分解創(chuàng)造了強還原環(huán)境。對照組(左)Eh值變化相對平緩，后期上層沉積物出現(xiàn)Eh值下降，反映有機質(zhì)的自然礦化過程。兩組差異證實藻類添加顯著加速了沉積物的還原進程。

圖3、DGT技術(shù)測量的沉積物-上覆水剖面中可溶性磷的變化。ZrO-Chelex DGT測量結(jié)果顯示，處理組(右)可溶性P在SWI附近形成明顯濃度峰，最高值出現(xiàn)在第10天(0.87±0.26 mg/L)，且濃度梯度指向沉積物和上覆水兩個方向。對照組(左)P濃度隨深度增加而緩慢升高，表明其釋放主要來自沉積物鐵氧化物的還原溶解。灰色陰影區(qū)標示上覆水區(qū)域(SWI上方20mm)。

圖4、沉積物-上覆水剖面中可溶性Fe的變化。Fe的分布模式與P明顯不同，處理組和對照組均表現(xiàn)為隨沉積物深度增加而濃度升高的趨勢，最高值出現(xiàn)在培養(yǎng)第10天。這種一致性表明無論是否添加藻類，沉積物都是上覆水Fe的主要來源。處理組Fe濃度整體高于對照組，證實藻類分解創(chuàng)造的還原環(huán)境促進了沉積物中鐵氧化物的溶解釋放。

圖5、沉積物剖面中可溶性S的變化。ZrO-AgI DGT測量的硫化物分布顯示，處理組(右)S濃度在培養(yǎng)第8天達到峰值(比對照組高一個數(shù)量級)，且高濃度區(qū)集中在SWI附近。對照組(左)S濃度整體較低且分布均勻。這種差異直接證明藻類分解是硫化物的重要來源，其釋放的硫主要分布在界面附近而非深層沉積物中。

結(jié)論與展望

本研究主要就藍藻分解對湖泊表層沉積物中磷（P）、鐵（Fe）和硫（S）動態(tài)的影響進行了研究，本研究創(chuàng)新性地采用兩種新型薄膜擴散梯度技術(shù)(ZrO-Chelex和ZrO-AgI DGT)結(jié)合Unisense微電極測定系統(tǒng)，在巢湖開展原位中宇宙實驗。通過精確控制實驗條件(25°C，16天培養(yǎng))，模擬藻華厭氧分解過程，實現(xiàn)了SWI區(qū)域P、Fe、S的高分辨率(毫米級)同步監(jiān)測。揭示了"黑水"現(xiàn)象形成的元素來源和機制。建立了研究沉積物-水界面過程的新方法體系。樣本采集自2013年受藍藻污染的巢湖，通過實驗室孵化實驗評估藍藻分解對富營養(yǎng)湖泊的影響。結(jié)果顯示，藍藻分解顯著影響沉積物中養(yǎng)分元素的動態(tài)，處理組水體在孵化中變黑且有異味，表明藻類分解釋放了大量營養(yǎng)物質(zhì)。對照組的營養(yǎng)元素濃度相對穩(wěn)定，而處理組在分解初期濃度上升并在第7天達到峰值，隨后逐漸下降。同時沉積物的氧化還原電位（Eh）變化與水中營養(yǎng)元素濃度變化相關(guān)，表明有機物的分解。研究進一步指出，藻類分解導(dǎo)致P、Fe和S的雙向擴散，沉積物是水體中可溶性Fe的主要來源。這項研究為水體富營養(yǎng)化中的生物地球化學(xué)過程提供了新的理解，并強調(diào)了DGT技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的重要性。