From macrophyte to algae: Differentiated dominant processes for internal phosphorus release induced by suspended particulate matter deposition  

從大型植物到藻類：懸浮顆粒物沉降誘導的內源磷釋放的差異化主導過程  

來源：Water Research, Volume 224, 2022, Article Number 119067  

《水研究》，第224卷，2022年，文章編號119067  

 

摘要內容：  

摘要指出富營養化導致淺水湖泊從大型植物主導的清水狀態向藻類主導的濁水狀態轉變。磷（P）是這一轉變的關鍵元素，通常富集于懸浮顆粒物（SPM）中。本研究通過太湖藻類主導區（ADA）和大型植物主導區（MDA）的月度野外觀測，揭示SPM沉降對沉積物-水界面（SWI）磷釋放的影響。結果表明：1）夏季和秋季藻類與大型植物源SPM均導致SWI缺氧；2）氧化還原敏感磷（Fe-P）和有機磷（Org-P）是兩區域主要的活性磷形態；3）ADA中P釋放受Fe-P和Org-P溶解的耦合過程控制，而MDA主要受鐵-硫-磷耦合循環驅動的Fe-P溶解過程主導。研究證實，隨著湖泊從大型植物向藻類主導狀態轉變，內源磷釋放的主導過程從Fe-P溶解逐漸轉向Fe-P與Org-P的耦合過程。

 

研究目的：  

揭示ADA和MDA區域SPM沉降誘導的內源磷釋放主導過程的差異。  

 

闡明藻類和大型植物源SPM對沉積物磷形態轉化及釋放通量的影響機制。  

 

探究湖泊狀態轉變（大型植物→藻類主導）過程中內源磷釋放路徑的演化規律。

 

研究思路：  

區域選擇與采樣設計：在太湖ADA（T1站點）和MDA（T2、T3站點）進行月度采樣（2018年5月–2019年4月），同步采集水體、沉積物柱狀樣及沉降SPM（圖1）。  

 

關鍵參數測量：  

 

SPM特性：沉降速率、總有機碳（TOC）、磷形態（Ex-P、Fe-P、Org-P等）、金屬元素（Fe、Al、Ca）（圖2）。  

 

沉積物特性：TOC、磷形態、還原性無機硫（AVS、CRS）、金屬元素（圖3）。  

 

界面過程：使用丹麥Unisense微剖面系統測定SWI氧滲透深度（OPD）和攝氧率（OUR）（圖4）；微型滲析裝置測定孔隙水SRP和Fe(II)濃度（圖5-6）；計算SRP和Fe(II)擴散通量（圖7）。  

 

 

 

 

統計分析：通過相關性分析（如SPM與沉積物Fe/P關聯性）和ANOVA檢驗區域間差異顯著性。  

 

測量數據及其研究意義：  

SPM沉降速率與TOC：  

 

ADA（T1）沉降速率夏季峰值（978.8 g dw m?2 d?1）與藻華強度正相關（r=0.580），證實藻類聚集加速SPM沉積。  

 

MDA（T2/T3）春季/冬季峰值對應大型植物枯萎，揭示植物凋落物對SPM貢獻。  

 

意義：量化生物源SPM輸入時序差異，為界面耗氧過程提供物質基礎解釋。  

SPM與沉積物磷形態（圖2、3）：  

 

ADA中SPM的Org-P夏季顯著升高（489.2 mg kg?1），沉積物表層Org-P同步增加（150.8 mg kg?1），與藻華程度一致。  

 

MDA中SPM的Ca-P占比高于ADA，反映大型植物鈣質外殼的磷共沉淀作用。  

 

意義：證實藻源SPM輸入提升沉積物Org-P活性，而植物源SPM增強Ca-P埋藏。  

界面氧動力學（圖4）：  

 

Unisense電極測定顯示ADA夏季OPD降至0 mm（8月），OUR顯著上升，與葉綠素a負相關（r=-0.346）。  

 

MDA夏季出現負OUR值，反映大型植物根系泌氧作用。  

 

意義：直接表征藻類沉降導致SWI強缺氧環境，為Fe-P溶解創造條件；植物區氧動態受光合作用調控。  

孔隙水化學與通量（圖5-7）：  

 

ADA夏季孔隙水SRP與Fe(II)濃度高但無顯著相關性，SRP通量峰值達16.79 mg m?2 d?1。  

 

MDA中Fe(II)與SRP通量顯著正相關（p<0.01），Fe(II)通量高達1097.24 mg m?2 d?1。  

 

意義：ADA中SRP釋放受Fe-P和Org-P溶解共同驅動；MDA中Fe-P溶解主導且受硫循環調控（高AVS/CRS促進FeS形成，抑制Fe-P再吸附）。  

 

結論：  

主導過程分化：MDA內源磷釋放由鐵-硫-磷耦合循環驅動的Fe-P溶解主導（傳統路徑）；ADA轉變為Fe-P與Org-P溶解的耦合過程，且Org-P貢獻隨藻華惡化增強（圖8）。  

 

狀態轉變影響：湖泊從大型植物向藻類主導狀態轉變時，內源磷釋放路徑從Fe-P單控轉向Fe-P與Org-P雙控。  

 

管理啟示：ADA需同步控制Org-P礦化（如藻類打撈）和Fe-P釋放（增氧）；MDA應關注硫循環對Fe-P溶解的放大效應。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：  

在"2.2. Profile analysis and calculation"中，使用Unisense微剖面系統（丹麥）原位測定沉積物-水界面的氧（O?）剖面：  

氧滲透深度（OPD）：直接量化SWI氧化層厚度（如T1站點8月OPD=0 mm），揭示藻類沉降導致界面完全缺氧（圖4）。此為Fe-P溶解的關鍵前提，解釋ADA夏季高SRP通量（圖7）。  

 

攝氧率（OUR）：通過Fick第二定律計算耗氧速率（如T1夏季OUR顯著升高），反映藻源有機物降解強度（圖4）。結合TOC數據，證實礦化耗氧驅動還原環境形成。  

 

機制關聯證據：OPD與葉綠素a顯著負相關（r=-0.346），建立藻華強度→界面缺氧→磷釋放的定量關系（圖4），為狀態轉變理論提供原位證據。  

 

綜上，Unisense數據是揭示生物源SPM輸入如何通過耗氧作用改寫界面磷循環的核心證據，其高分辨率剖面技術為差異化過程機制提供不可替代的實證支撐。